基于MATLAB的异步电机VVVF调速系统仿真.doc

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兰州交通大学毕业设计（论文）

摘　要:

随着电力电子技术的发展，异步电机以其在变频调速方面的优点开始显现出来了，相对于直流电机有更加广泛的应用

本论文主要介绍了异步电机的工作原理以及异步电机的调速方法。

通过改变频率、改变电源电压、改变极对数等方法来改变电机的转速，我是通过改变电机频率来达到改变电机转速的目的，本文还介绍了变频器的原理和PWM（pulsewidthmodulation）变频器的工作原理。

同时通过运用Matlab/simulink系统对异步电机转速调节进行了开环闭环的仿真。

本论文对电机转矩转速观察为开环系统，但是在闭环系统中通过使用Matlab/simulink对系统闭环进行设计仿真，实现了调速，并观察到了电机转速、转矩改变的图像，并且分析了解了异步电机转速改变的原因和仿真过程中的条件等。

关键词　Matlab　异步电机　变频调速　仿真

Abstract:

Withthedevelopmentofpowerelectronics,theadvantageofthevariablefrequencyspeedinasynchronousmachineiscomparedwiththeDCmotor,itismorewidelyused.

Theprincipleofasynchronousmachineanditswayofspeedgoverningismaindiscussedinthispaper.Thespeedofelectricalmotorischangedbychangingfrequencyvoltage,andnumbersofpole-p[airs.Thispaperisbasedonchangingfrequencyoftheelectricalmotor,theprincipleoffrequencyconverterandworkingtheoryaboutPWM（pulsewidthmodulation）isalsopresented.Theopen-loopandclosed-loopsimulationofspeedgoverningwithasynchronousmachineisachievedthroughtheuseofMatlab/simulinksystem.

Theobservationtoelectricalmotorspeedandtorqueinthispaperistheopen-loopsystem,inaclosed-loopsystem,Matlab/simulinkisusedtodesignandsimilatedtheclosed-loopsystemspeedchangingisrealized,thechangingplotofspeedandtorqueabouttheelectricalmotorandobservedthechangingimageoftorqueandthespeedabouttheelectricalmotor,isobserved.thereasonwhyasynchronousmachinespeedchangesandparametersaselectionofcallthecomponentduringthesimulationareanalyzed.

Understandingoftheprincipleoftheinductionmotorandspeedcontrolmethods,therearethreemainmethodsSpeed:

（1）changingthefrequency,

（2）changetoslip（3）changestheveryfew.Thispaperhastakentochangethefrequencyofthewaystoachievethepurposeofspeed.Atthesametimealsounderstandtheprincipleoftheinverter,anditsscopeofapplication.

KeywordsMatlabasynchronousmachineFrequencyControlSimulation

目录

第一章绪论 1

第一节电气传动技术的发展概况 1

第二节普通交流异步电动机变频调速调速范围的问题 2

第三节交流异步电动机的调速方式 3

一、转子回路串电阻或阻抗调速 3

二、定子调压调速 3

三、串级调速 4

四、变极调速 4

五、变频调速 4

第四节关于matlab仿真的相关内容 5

第二章异步电机运行基本原理及其调速方法以及变量控制 6

第一节异步电机运行基本原理 6

第二节异步电机的电压方程和等效电路 6

第三节异步电机的功率方程和转矩方程 8

第四节异步电机的调速方法 10

一、变极调速 10

二、变频变压调速 11

三、改变转差率来调速 12

第三章逆变器工作原理和控制及其应用 14

第一节变频器的工作原理 14

第二节变频器控制方式 14

一、正弦脉宽调制（SPWM）控制方式 15

二、电压空间矢量（SVPWM）控制方式 15

三、矢量控制（VC）方式 16

四、直接转矩控制（DTC）方式 16

五、矩阵式交—交控制方式 16

第三节简单的三种变频器控制方式 17

第四节变频器的实际应用 18

第五节正弦波脉宽调制（SPWM）变频器 19

一、SPWM变频器的工作原理 20

二、SPWM变频器的同步调制和异步调制 21

第四章MATLAB基于VVVF对异步电机的调速仿真实现 24

第一节关于Matlab软件的应用与操作 25

一、PWM模块的组成与仿真 25

二、电机模块的仿真 27

三、输出观察模块的仿真 29

第二节开环调速系统仿真 30

第三节闭环调速系统仿真 35

一、闭环调速Matlab仿真主模块 36

二、控制环节模块 37

三、仿真结果 41

总结和展望 46

参考文献 48

第一章绪论

异步电机的工作原理？

异步电机调速又是怎么样的呢？

目前主要引用在那几个领域呢？

以及异步电机的仿真又是什么呢？

又是怎么去仿真的呢？

对这些问题的初步说明将是这篇论文所要叙述的。

随着工业的进步,传统的直流电机由于其结构复杂、不易维护等缺点正逐渐地被具有高可靠性成本低、维护简便的感应式交流异步电动机所取代。

交流电机变频调速系统,在进行动态数字仿真时,需要首先推导出三相交流异步电机的数学模型,它是一个高阶强偶合、多变量、非线性的系统,与此同时还需要建立电源模型。

在进行仿真时,可采用高级语言FORTRAN、C、Visual、C++等进行编程,但采用这些语言开发周期长,掌握难度较大,而由Mathwork公司推出的MATLAB,使得为解决这些具体问题而建立数学模型变得轻松、便捷,为科技工程人员带来了巨大的便利。

MATLAB是一种科学技术软件,用户可根据MATLAB的控制系统工具箱中的命令来实现所需要的系统,也可以根据混合使用各库中的模块来组合成新的系统,封装自己定义的模块或自己定义模块库,以便随时调用,从而实现全图形化仿真。

MATLAB集成了大量的工具箱,如控制系统（ControlSystem）、模糊逻辑（FuzzyLogical）、神经网络（Neuralnetwork）、信号处理（SignalProcessing）以及仿真（SIMULINK）等工具箱。

作为MATLAB的重要组成部分的SIMULINK具有相对独立的功能和使用方法。

它提供了图形用户界面（GUI）,模型由模块组成的框图来表示,用户建模通过简单的单击和拖动鼠标的动作就能完成,简化了设计过程。

本文就是利用SIMULINK工具箱,对所推导的三相交流异步电动机及电源进行建模,封装。

还利用MATLAB的M文件结合具体的调速控制系统进行仿真

异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。

由于调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽、无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。

因此现在应用面很广。

第一节电气传动技术的发展概况

电气传动是指以各类电动机为动力的传动装置与系统。

电气传动系统通常由电动机、控制装置和信息装置几部分组成。

电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态（位置、速度、加速度等），实现电能、机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的。

电气传动按照电动机的种类划分，有直流电动机传动、交流电动机传动、步进电动机传动、伺服电动机传动等。

电气传动又可分为不可调速和可调速两大类，调速又分为交流调速和直流调速。

直流电气传动和交流电气传动在19世纪后期先后诞生。

但在20世纪的大部分年代里，已形成公认的格局:

约占电气传动的80%不变速传动系统都采用交流传动，20%调速系统一般采用直流调速虽然直流电机中励磁电流和电枢电流相互独立，比交流电机具有更好的控制性能，容易得到满意的动静态性能。

而与此相反，交流电机虽然机械结构简单，但它是一个非线性、强祸合、多变量的控制对象，调速控制复杂，实现高精度控制较为困难。

但是随着生产技术的不断发展，直流电机传动的薄弱环节逐步显露出来:

直流电机由于换向器的存在降低了功率/重量的比值，限制了电机的容量和速度，而且直流电机的大部分功率都是通过换向器流入电枢的，转子发热多，效率低，磨损大，可靠性差。

随着20世纪70年代计算机和微处理器技术的迅速发展，电力电子技术的日新月异，现代控制理论和智能控制理论的成熟，交流电气传动逐渐占据了主导地位。

采用半导体变流技术、大规模集成电路和高速处理器等实现的交流调速控制系统，加之矢量控制、直接转矩控制及智能控制等先进控制方法的应用，交流调速控制系统逐步实现了宽的调速范围、高的稳速精度、快的动态响应等良好性能，在调速性能方面可与直流调速系统相媲美。

目前，从几百瓦的家用电器到几兆瓦的工业调速装置，都可以采用交流调速方案。

交流调速系统由最初的只用于风机、水泵的软启动和开环变频调速等一般应用场合，扩展到各种高精度、快速响应的高性能指标的电气传动控制领域。

目前，电气传动系统中新的格局已经形成:

交流调速系统上升到主导地位，并将逐步取代直流调速系统。

第二节普通交流异步电动机变频调速调速范围的问题

当频率改变时，会对交流异步电动机产生一系列的影响:

损耗增加，效率下降；在工频以下，以恒转矩方式调速时，交流异步电动机的过载能力将会下降；在低频时交流异步电动机的散热能力变坏，交流异步电动机温度会过高等。

由于交流异步电动机本身就是一个非线性、强祸合、多变量的对象，且更为严重的是，由于工作频率、温度和饱和效应的影响，定转子电阻、电感等参数在不同工况下变化明显。

例如在某些情况下，转子的电阻值会比其标称值增加一倍以上。

因而其建模非常困难，要从理论上准确的计算出交流异步电动机在不同频率和负载下的效率、温升，功率因数和临界转矩是十分困难的。

所以，长期以来，在设计变频调速系统时，人们只是凭借经验来确定普通交流异步电动机变频调速的调速范围，而没有充分的理论依据。

第三节交流异步电动机的调速方式

由于异步电动机的转速公式为：

）（1-1）

从转速公式可以看出，异步电动机的调速方法可分为变转差率调速、变极对数调速和变频调速三种变转差率调速

变转差率的调速方法，又可以通过调节转子电阻、定子电压、转差电压等方法实现。

一、转子回路串电阻或阻抗调速

这种方式只适用于绕线型异步电动机，其原理是:

当忽略转子回路电感时，电机的转差率为

（1-2）

为电动机转子额定电流；为电动机转子额定电压；为转子回路电阻

据此，当改变转子回路电阻时，便可改变电机转速。

其特点是可靠性高、投资少、维护简单，但是当转速下调时效率随之降低。

这种调速方式包括金属电阻调速方式、液体电阻调速方式、频敏变阻器起动方式。

二、定子调压调速

异步电动机的转矩在一定转差率下，与定子电压平方成正比，改变定子电压将改变电动机的机械特性，从而实现电动机的调速。

定子调压调速是一种比较简便的调速方式，可以在异步电动机的定子回路中串入饱和电抗器降压、串入电阻降压或在定子侧加调压变压器等方式来实现调压调速。

在电力电子技术高速发展的今天，可以使用“交流开关”状态的双向晶闸管来实现交流调压调速。

定子调压调速的主要优点是:

方法简单，调速平滑，加上闭环控制时能达到理想的调速精度。

其主要缺点是调整范围窄，一般不能低于电动机同步转速的80-85%电动机转子的损耗比较大等。

三、串级调速

在绕线式异步电动机转子回路引入一附加电势，使得电动机转子侧通过变流装置向电网反馈或从电网吸收转差功率，从而实现电动机转速调节。

串级调速可分为两类:

一类是直接使用变频电源；另一类是将不同频率的转子电压经过整流器整流，变换为与转差成正比的直流，在其直流回路中串入一个极性相反的逆变器来实现调速。

串级调速的主要优点是:

可以将滑差能量以电能的形式回馈至电网，在整个调速范围内系统总效率较高，可达90%以上；调速平滑；装置容量与速度调节范围成正比，当要求调速范围不大时，所需外加电源容量小，设备费用较低；可靠性较高，即使附加电源出了问题，系统可甩掉附加电源，切换至转子短接状态下运行。

串极调速的主要缺点是:

功率因数低，可能要低于0.6；晶体管串级调速装置有谐波危害；当电网电压瞬时大幅度降低时，串级调速装置有可能停止运行；最大力矩降低约17%左右，电气制动的特性不够理想，线路相对较复杂等。

四、变极调速

变极调速方式就是电动机的同一套绕组经控制设备把各线圈的接法进行变换，改变电动机的极对数来改变电动机同步转速的调速方式。

这是一种不连续的调速方式，适用于极对数可以改变的多速鼠笼型异步电动机。

从电机构造上看，定子绕组有单绕组和多绕组两种，一半多为单绕组，单绕组变极电机不仅出线少，用铜省，而且可以实现双速、三倍及倍极比、非倍极比的变极调速。

变极调速是一种传统的调速方式，广泛应用于机床等机械的调速，变极调速的主要优点是:

无附加转差损耗，电气传动效率高，控制线路简单，设备费用低。

其主要缺点是:

不能连续调节转速。

五、变频调速

改变异步电动机定子的电源频率，就可以改变同步转速，从而改变电动机的转速，这种调速方式能达到无级调速，主要用于鼠笼型异步电动机，如风机、水泵、压风机及空调等。

变频调速的主要优点:

起动电流小，在异步电动机的各种调速装置中变频调速效率最高。

特别是半导体变频装置更具有设备体积小、可靠性高、调速精度高、特性硬、省电的特点。

在交流电动机的以上调速方式中，变频调速因其突出的性能，应用最为广泛，同时也是电动机调速技术最为活跃的研究领域。

随着电力电子技术和控制理论的不断发展和完善，变频调速的技术性能不断提升，变频调速技术已成为我国企业节约能源、提高生产过程自动化、提高产品质量和改造传统产业的主要技术手段之一。

第四节关于matlab仿真的相关内容

三相异步电动机变频器调速系统,它通过变频器,将频率固定的交流电变换成频率连续可调交流电源。

由于三相异步电动机的同步转速n0=60f/p,当频率连续可调时,电动机的同步转速也连续可调；又因为异步电动机的转子转速总是比同步转速略低一些,所以当同步转速连续可调时,转子转速也连续可调。

利用变频器对异步电动机转速的控制,调速范围广,调速平滑性好,在工作特性方面,不管是静态特性,还是动态特性,都能做到和直流调速不相上下的程度。

对于变频器的系统设计,工程师们很少利用仿真软件对系统进行仿真,设计者需要进行大量的编程计算,特别是对电机进行仿真实验更是非常困难,影响了仿真软件应具有的简单易学的特点。

MathWorks公司1998年推出的Matlab5.2版本中,增加了一个电力系统工具箱（PowerSystemBlockset）,最新的Matlab5.3版本又进行了一些改进,特别简单易学,不需自己编程,它基于Matlab的图形仿真环境Simulink,特别适于对电路设计进行仿真。

Simulink中可以使用的电力系统工具箱主要是由加拿大的HydroQuebec和TecsimInternational公司共同开发,其功能非常强大,可以用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等过程的仿真,它提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制,在仿真前自动将其变化成状态方程描述的系统形式,然后才能在Simulink下进行仿真分析。

下面就利用Simulink对异步电动机变频调速系统进行仿真的方法作一介绍。

第二章异步电机运行基本原理及其调速方法以及变量控制【1】

第一节异步电机运行基本原理

异步电机又称感应电机，它由定子和转子组成。

定子由定子铁心、定子绕组、机座三部分组成。

转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。

感应电机是利用电磁感应原理，通过定子的三相电流产生旋转磁场，并与转子绕组中的感应电流相互作用产生电磁转矩以进行能量转换。

旋转磁场的转速与转子之差n之差称为转差，转差与同步转速的比值称为转差率用s表示即

（2-1）

转差率是表征感应电机运行状态的一个基本变量。

当感应电机负载发生变化时，转子的转差率随之发生变化，使转子到体重的电动势、电流和电磁转矩发生相应的变化，以适应负载的需要。

因此感应电机的转速随负载的变动而变化。

按照转差率的正负和大小，感应电机可分为电动机、发电机、和电磁制动三种运行状态。

当转子转速低于旋转磁场的转速时（），转差率。

此时电机从电网输入功率，通过电磁感应由转自输出机械功率，电机处于发电机状态。

若电机用原动机驱动，是转子转速高于旋转磁场转速（），则转差率。

此时转自从原动机输入机械功率，通过电磁感应由定子输出电功率，电机处于发电机状态。

若有机械或其他外因使转子逆着旋转磁场方向旋转（）则转差率。

此时电机处于电磁制动状态，它一方面从外界输入机械功率，同时又从电网吸取电功率，两者都变成电机内部的损耗被消耗掉。

.

第二节异步电机的电压方程和等效电路

以同步转速旋转的气隙旋转磁场（主磁场）将在定子三相绕组内感应对称的三相电动势.根据基尔霍夫定律，定子每相所加的电源电压应当等于改电动势的负值加上定子电流多产生的漏阻抗压降。

由于三相对称，故仅需分析其中的一相。

于是定子的电压方程式是：

（2-2）

或（2-3）

式中，为定子每相所加的电源电压；为气隙主磁通在定子一相绕组中所感应的电动势；为定子相电流；、为定子每相的电阻和漏抗。

而感应电动势等于

（2-4）

气隙主磁通除在定子绕组内感应出频率为的电动势外,还在转子绕组内感应出频率为（转差频率）的电动势。

定子每项电动势的有效值为

（2-5）

当转子不转时（）时，转子每相的感应电动势为，

（2-6）

从上可以看出在数值上

即转子的感应电动势与转差率成正比，越大，主磁场“切割”转子绕组的相对速度就越大，转子的感应电动势亦越大。

与定子绕组一样，转子每相绕组亦有电阻和漏抗。

由于转子频率，而漏抗正比于频率，故转子绕组的漏抗为

（2-7）

式中，为转子频率等于时的漏抗，即转子不转（）时的漏抗。

感应电机的转子绕组通常为短接，即端电压，此时根据基尔霍夫第二定律，可写出转子绕组一相的电压方程为

（2-8）

或（2-9）

式中为转子电流；为转子每相电阻。

经过归算，感应电动机的电压方程就变为：

（2-10）

根据上式即可画出感应电动机的T型等效电路，如下图所示：

T型等效和向量图

图2-1感应电动机T型等效电路

图2-2感应电动机相量图

第三节异步电机的功率方程和转矩方程

从等效电路可见，感应电动机从电源输入的电功率，其中的一小部分将消耗于定子绕组的电阻而变成铜耗，一小部分将消耗于定子铁心变为铁耗，余下的大部分功率将借助于气旋旋转磁场的作用，从定子通过气隙传送到转子，这部分功率称为电磁功率，用表示。

写成方程式时有：

（2-11）

式中：

（2-12）

其中，和为定子绕组的相电压和相电流，为定子的功率因数，从等效电路可知，电磁功率为：

（2-13）

其中，为转自内功率因数，。

感应电动机正常运行时转差率很小，转子中磁通的变化频率很低，通常仅1~3Hz，所以转子铁耗一般可略去不计。

因此，从传送到转子的电磁功率中扣除转子铜耗后，可得转换为机械能的总机械功率（即转换功率），即

（2-14）

（2-15）

用电磁功率表示时，上式亦可改写成

（2-16）

（2-17）

式中说明：

在感应电动机中转换功率和电磁功率是不同的；传送到转子的电磁功率中，部分变为转子铜耗，部分转换为机械功率，由于转子铜耗等于，所以他又称为转差功率

由式是感应电动机转子的输出功率方程，将此式除以机械角速度，可得转子的转矩方程，即

（2-18）

式中，为电磁转矩；为与机械损耗和杂散损耗所对应的阻力转矩；如忽略杂散损耗，它就是空载转矩；为电动机的输出转矩。

由于机械功率，转子的机械角速度，所以电磁转矩亦可写成：

（2-19）

考虑到电磁功率，，，把这些关系带入式中，可得：

（2-20）

式中：

。

上式说明，感应电动机的电磁转矩与气隙合成磁场的磁通量和转子电流的有功分量成正比；增加转子电流的有功分量，就可以使电磁转矩增大。

第四节异步电机的调速方法

作为一种接近于恒速