基于MATLAB的三相异步电机恒压频比调速仿真毕业设计论文.docx
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基于MATLAB的三相异步电机恒压频比调速仿真毕业设计论文
基于MATLAB的三相异步电机恒压频比调速仿真
摘要
随着电力电子器件的产生，异步电机的调速问题得到了很好的解决，调速性能甚至优于直流电机，电力电子器件的产生给异步电机的调速问题带来了福音。
异步电机的调速有多种方法，转速开环恒压频比控制是交流电动机变频调速最基本的一种控制转速方式，在一般的变频调速装置里面都嵌入有这项功能，工作方式为恒压频比的调速方式能满足大多数场合交流电动机调速控制的要求，使用起来也相对方便，是通用变频器的基本模式。
但在低压时候需要一定的补偿电压，采用恒压频比控制，在基频以下的调速过程中的转差率会保持不变，电动机的所以会机械特性会相对较硬，电动机有较好的调速性能。
正选脉冲宽度调制三相逆变电路，是一种以三角波做载波的应用冲量等效原理而获得理想交流电源的电路装置，在调制比与载波比一定的条件下，通过调节外加直流电源的大小就可以获得在额定频率下产生额定电压的正选电压波，通过调节正弦波的频率就可以得到理想的电压频率波，而且调节输入正弦波的频率能得到线性的输出电压幅值。
MATLAB在电气领域中的运用随处可见，在这里可以运用MATLAB里的Simulink仿真出具体的模型，通过示波器来观察具体的波形，从而进行进一步的分析。
关键词：
异步电动机,变频调速，MATLAB仿真，正弦脉冲宽度调制
Abstract
Withthegenerateofpowerelectronicdevices,Asynchronousmotorspeedcontrolissueshavebeensolvedwell,VelocitymodulationperformanceevenbetterthantheDCmotor,Canbesaidthatthegenerationofthepowerelectronicdevicesbroughtthegospeltotheasynchronousmotorofitsspeedcontrol.
Thereareseveralmethodstocontroltheasynchronousofitsspeed,Theopen-loopandconstantV/FisthebasiccontrolwayoftheACmotor,Generallyfrequencycontroldeviceshavethisfeature,ThecontrolwayconstantofV/FcanfitthemostoccasionstoACmotorspeedcontrolrequirements,andeasytouse,andisthemodelofgeneral-purposeinverters.However,itneedacertainamountofcompensationvoltage,ThecontrolwayoftheconstantV/FcankeeptheslipoftheACmotorconstant,sothemechanicalcharacteristicsofthemotorishard,themotorhasgoodvelocitymodulationperformance.
Sinepulsewidthmodulatedthree-phaseinvertercircuit,usethetriangularwavetobethecarrierandtheimpulseequivalenceprincipletoobtainthedesiredACpowercircuitway,whenthemodulationratioandcarrierratioareconstant,byadjustingtheappliedDCpower,thesizeratefrequencyandratedvoltagecanbeselected.Wecanobtainidealvoltagefrequencywavejustbyadjustingthefrequencyofthesinewave,andwealsocanobtainlinearoutputvoltageamplitudebyadjustingthefrequencyofthesinewave.TheuseofMATLABintheelectricalfieldcanbefoundeverywhere,wecanusetheSimulinkmodelinMATLABtosimulatespecificmodel,andoscilloscopecanbeusedtoobservethewaveformforfurtheranalysis
Keywords:
Asynchronousmotor,frequencyconversionvelocitymodulation,MATLABsimulation,sinepulsewidthmodulation
1绪言
1.1课题背景
在过去的很长一段时间里，异步电机的调速问题一直很难解决，在需要用到电机的调速系统时候往往是用直流电动机代替，而又因为直流电机存在电刷，在电机的运行过程中容易产生火花对电机的寿命产生影响，在电力电子逆变电路产生之前，这个问题一直得不到很好的解决。
随着电力电子器件的产生和发展，SPWM逆变电路技术的成熟解决了这一难题，对于异步电机的调速一般有以下几种方法：
变频调速，弱磁调速，改变极对数，其中变频调速是最直接，也是最容易实现的，变频器的产生，解决了异步电机的调速问题，调速性能甚至能做到优于直流电机，随着社会的不断进步，经济的不断发展，科学技术的不断向上提高，能源的缺乏已成为人类进步的绊脚石，为了寻求高效可用的清洁能源，各个国家都相继投入大量的人力和财力，进行不懈的努力与研究。
就现阶段来说，电能是全球使用量最多的清洁能源，不幸的是它也是浪费最多的清洁能源，从电机控制入手，应该是解决这一问题的最好方式。
异步电动机可以将电能转化成机械能以及其它清洁能源，使用量也是相当广泛，我们经常在社会生活中将其很好的利用起来，一半以上的能量被用于异步电机的能量转换在发达国家中，而这些所消耗的能量的电机中大部分都是异步电动机，异步电机的潜在使用价值可见一斑。
在国内，电机的总装机容量已达4.4亿千瓦，年耗电量达6685亿千瓦时，约占工业耗电量的85%多，中小型的异步电机在使用过程中占主要分量，或许是由于设备的陈旧以及制造技术的不到位，以及理论研究的不到位，导致能源的浪费问题十分严重。
能源工业作为国名经济的经济基础，对于社会的发展、经济的发展和人民生活水平的提高都起着相当重要的作用，在经济高速发展的今天，我国能源工业面临着环境保与护经济增长的双重压力，有资料显示，由于受到部分技术以及不部分资源的限制，我国能源有效利用效率比发达国家相对要低。
为此，国家十二五计划中，在电机系统节能的相关方面使用的资金总量高达515亿元之多，可见，异步电动机的变频调速问题在我国将有着巨大的市场潜能。
1.2课题研究的目的和意义
笼式三相异步电动机结构相比绕线式异步电机而言结构简单、运行可靠、重量轻、最为关键的是价格要相对便宜，从而使用量很大，但其主要问题是调速问题一直得不到很好的解决。
正由于此，通过此的课程设计，来加深对三相异步电机的变频变压调速问题的认识，深化理论知识的学习。
任何一个课题的完成都意味着汗水，都需要付出不懈的努力与宝贵的时间，更是一次对自己本科理论知识学习的一次挑战，是一次检验自己的机会，此次课题需要运用到大量的理论知识，需要我们查询很多的书籍与资料，温故而知新，将理论与实际结合起来，用实际行动创造可能，创造价值，锻炼自己独立思考，坚持不懈的品德。
一个成功的课题必定会有一定的难度，若想成功，必定会经历一些困难，经历一些磨难，但这些困难与磨难最终必将成为你日后成功路上的垫脚石，深化对异步电机调速系统的认识。
通过对MATLAB的仿真研究，可以很直观的得到各个参数的波形图，进而能够加深对异步电机变频调速的认识，对日后的更深一步的研究会有很大的帮助这次课题研究对于我来说有着很大的意义，不仅可以使我们在学校中的理论知识得到在实践中的应用，而且有能够清楚的认识到理论与实际的差别与距离，能够使我们在课程的设计中起主导地位，也能使我们获得意想不到的收获，以该活动为载体，通过设计和运行，以及反复的运行与调试，我的动手能力得到了很好的提高，也加深了理论方面的相关知识的学习，是对自己理论所学的检测，更是对自己的一次挑战，让自己深刻认识到自己的不足与优势，可以强化优势，不断学习，弥补劣势，为以后更深一步的学习做好铺垫，打好基础。
2系统设计方案的研究
2.1系统的控制特性与系统要求
根据异步电机的转速公式
，
，
可以得到若是想可以调节同步频率，极对数，转差率来调节异步电机的转速，该系统运用的是变频调速，但是根据公式，若是直接调节频率可会导致气隙磁通的改变，导致过励磁或者欠励磁，会导致条数性能的非
线性化，这样的变频调速是我们所不希望的，调节时的机械特性也会过软且呈现非线性，这里最主要的是保持气隙磁通在变频的时候保持不变，这样转差率在气隙磁通不变的时候也会保持不变，这样才能保证变频调速的平滑线性，我们把
的变频调速方式成为恒压频比的变频调速。
转速开环恒压频比控制异步电动机的变频调速是最基本的一种相对简单的控制方式，传统的变频调速系统装置都能够完成异步电机的调速问题，而这种相对简单的控制方式也能够满足一般系统的调速要求，使用起来也会变的方便。
采用这种控制方式能够很好的保证系统的调速性能，在低频段调速的时候能够保持气隙磁通的恒定，在负载一定的条件下，能保持气隙磁通的不变，所以能够很好的保持转差率的不便，因此它的机械特性会比较硬，调速系统近似于直流电机，调速性能当然能够保持的很好。
但是假如频率变的低了以后，电压在定子阻抗上的压降经会变的突出，电动机就很难再保持气隙磁通不变，电动机的最大转矩将随着频率的下降而降低。
为了使电动机在低频低速时仍有较大的转矩，且能够使调速呈现线性变化，当频率较低时可以提高异步电机电枢电压来作为补偿，称为低电的压补偿，这样才能保证异步电机有较大的输出转矩。
2.2系统的实现原理
2.2.1三相逆变器输出电压和波形的SPWM控制
B
图2.1三相逆变器
图2.1是SPWM变频用的主电路，图中T1到T6是逆变器的六个功率开关器件，各有一个续流二极管与之反并联接，整个逆变器由三相整流器组成，并且由直流电源来保证电枢电压，SPWM的触发电路是由三相对称的正弦电压信号与三角载波信号比较而成，其中由三相对称正选电压信号的频率决定逆变器输出的基波频率，但是应该注意的是正弦信号的频率应在所要求输出频率范围内可调。
正弦信号的幅值将会发生一定情况的变化，变化的大小直接影响到输出电压波形幅值的多少。
三角波用来做载波信号用来分别与每相参考电压比较后，给出施加触发信号，还是不施加，从而产生SPWM脉冲序列波，这列矩形触发波形将会用作驱动电路的驱动。
控制方式一般选择双极性，采用单极式控制时与正弦波的相对的半个周期里面输出的电压只存在正向输出，然而三相SPWM逆变器工作在单极式控制方式的制方式和双级式是相同的，都是通过改变三相正弦信号的频率与幅值来改变输出电压的大小，四个全控的MOS管的控制信号的产生是由三角波与正弦波通过比较得到当瞬时值
时
和
被驱动，同时
被截止，相反
时
和
被截止，
被驱动根据图（2.1）的电路以及驱动的方式便可以得到图（2.2）所示的输出波形，由图形可知输出的波形幅值相同，宽度不同，根据冲量等效原理便可等效成正选电压波，这里引出两个概念：
调制比M与载波比N，调制比M=
，载波比N=
，一般情况下我们调节为M
1，载波比
1，只要当这两这个确定以后就能够当调节外加直流源的幅值，就能在额定频率的时候得到额定电压，且呈线性变化，转差率也不会随着频率的变化而变化。
名为SPWM逆变器，就是说明它的输出电压信号的波形趋近于的正弦的波形，那么，如果将正弦信号分解为若干等分，然后把每一等分的正弦电压波形曲线与横坐标系所围成的面积都用一个与此面积相等的虽然说等高，但是宽度一定不等的波形来代替，这列波形的中点与每一等份的输入信号中点相互重合。
这样，虽说高度相等但是快读不同的波形就可以与与正弦的半周相等效，该原理称之为冲量等效原理。
同样，正弦波的负半周也可用类似的方法来等效。
这样就可以得到理想的正弦电压信号。
由于各脉冲的高度一定相同，直流源便可以对这个系统进行供电。
当逆变器各开关器件都工作在相应的理想情况时，脉冲矩形波也必定为开关器件的驱动电路，这是可以判断出来的，从理论出发，这一连续脉冲电压波形的占空比是可以严格地用计算方法求得，逆变系统开关器件的通断情况便可由此而得出。
但是调制概念的提出为这类方法更好的命名，调制波便可以作为相应的调制波形，而受它调制的信号称为载波，在这里三角波为相应载波的。
在SPWM系统中常用等腰三角波作为相应系统的载波，等腰三角波属于一种上下宽度十分线性对称的波形，当它与任何一个光滑曲线相交时，在交点的那个时刻控制开关器件的通断，便可得到一组幅值相等而脉冲宽度正比于该系统输出波形相似值的矩形脉冲波形，这也正是SPWM希望得到的结果。
2.2.2异步电机的变压变频调速原理与其机械特性
（1）基频以下调速
由于采用的是恒压频比的调速方式，在基频以下时外加电压也会随着频率的下降而下降，但是在低频时
和
都比较小，定子电阻和漏感压降就不能再忽略，这时可以人为的把定子电压
抬高一些，以便近视的补阻抗压降，称作低
频补偿，基本关系图如下所示
图2.2-恒压频比控制特性
a—无补偿b—带定子电压补偿
（2）基频以上
在基频以上调速时频率上升时，若是外加电压也跟着上升就会由于受到电动机绝缘绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电压
不能随之升高，最多只能保持额定电压保持不变，这将导致磁通和频率成反比的降低，使得异步电机处于弱磁的工作状态。
把基频以上和基频一下的两种情况的控制特性画在一起，如下图所示，由于在基频一下，由于磁通恒定，允许输出的转矩也恒定，属于“恒转矩调速”方式：
在基频以上时属于弱磁调速，
保持不变，输出功率基本保持不变，属于“近似恒功率调速”
图2.3—异步电机变压变频调速的控制特性
（3）变压变频时的机械特性
当定子电压
和角频率
都为恒定值时，异步电动机的机械特性方程可以改写为
当s很小的时候，可忽略分母中含s各项，则
当s很小的时候，转矩近似与s成正比，机械特性
=f（s）是一段直线；当s接近1时。
可忽略分母中的
则
即当s接近1时，转矩近似与s成反比，这时
=f（s）是关于原点对称的一段双曲线
当s为以0到1的中间数值时，机械特性从直线过度到双曲线，如下图所示
图2.4—恒压频比的异步电动机的机械特性
在基频以下采用恒压频比的控制方式的时候，可以将异步电机的机械特性方程改写成
，
当s很小时，忽略上式分母中含s的各项，则
带负载时的转速降落
这就是说，在恒压频比的条件下把频率
向下调节时，机械特性基本上是向下平移的，异步电动机带载稳态运行时可知
此式表明，对于同一恒定负载要求，即以一定的转速
在一定的负载转矩
下运行时，电压和频率可以有多种不同的组合，其中频率与输入电压要求比之一定恒值，这也是最容易实现的。
它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能满足一般的调速要求。
但是低速带载能力还较差，需对定子压降实行补偿。
为了近似的保持气隙磁通的恒定，以便充分利用电机铁心，也为了保持励磁电流的不至于过大，从而发挥电机产生转矩的能力，在基频以下采用恒压频比的控制方式，实行恒压频比控制时，同步转速自然也随着频率变化而变化
因此带负载时的转速降落为
在式上式中所表示的机械特性近似直线段上，可以相应导出
由此可见，当
为恒值时，对同一恒定转矩
，
是基本不变的，因而
也是基本保持不变的，也就是说，在恒压频比条件下改变频率时，机械特性基本上是平行下移的，它们和直流电机调速时特性变化情况基本近似，所不同的是当转矩达到最大值以后，转速再降低时，特性曲线就折回来了。
而且频率越低的时候转矩会变得越小。
对前式整理可得出频率与输入电压为恒值时最大转矩
随角频率
的变化关系为下式：
可见，
是随着
的降低而减小的，当频率很低时，
太小将限制调速系统的带载能力，需要采用定子压降补偿，适当提高电压
可以增强带载的能力。
临界转矩可以改写成
可见临界转矩是随着输入频率的降低而降低的。
当频率较低时，临界转矩减小，电动机带负载能力减弱，采用低频定子降压补偿，适当提高电压，可以增强带负载能力，由于带定子压降补偿的恒压频比能够基本保持气隙磁通的不变，顾允许输出转矩也基本保持不变，所以基频一下的变压变频调速属于恒转矩调速。
在基频以上调速时，当角频率提高而电压不变时，同步转速也随之提高，临界转矩减少，气隙磁通也势必减弱，允许输出转矩减少而转速上升，允许输出功率基本不变，所以基频以上的调速属于弱磁恒功率调速。
2.3系统实现方案分析
首先采用三相双极性SPWM逆变电路产生三相交流电源，全控型器件可以选用IGBT，这样通过调节外加直流电源的大小便可获的理想的输出交流电压源幅值，然后通过改变给定的频率信号来改变异步电机的转速，基本模型如下图所示
U/f曲线
图2.6模型图
恒压频比变频调速系统基本原理结构如图2.7所示，系统由升降速时间设定环节，U—F曲线，SPWM调制和驱动等环节组成。
其中升降速时间设定环节G1用来限制电动机的升频速度，避免频率上升过快而造成电流和转矩的冲击，起到软启动控制的作用。
U—F曲线用于根据频率确定相应的电压，该曲线不经过原点，以保持U/F不变，并在低频时进行适当的电压补偿。
SPWM和驱动环节将根据频率和电压要求产生按正弦脉宽调制的驱动信号，控制控制逆变器以实现电动机的变压变频调速。
基本的仿真模块图如下所示
图2.7MATLAB仿真图
系统由升降速时间设定、U-f曲线、SPWM调制和驱动等环节组成。
其中升降速时间设定用来限制电动机的升频速度，避免转速上升过快而造成电流和转矩的冲击，相当于软起动的作用。
U-f曲线用于根据频率确定相应的电压，以保持压频比不变，并且低频时进行适当的电压补偿。
SPWM和驱动环节将会根据频率和电压要求产生按正弦脉宽调制的驱动信号，控制逆变器以实现电动机的变压变频调速。
根据实验原理图在MATLAB软件环境下查找器件、连线，接成入上图所示的线路图。
3MATLAB模块设置及仿真
3.1MATLAB介绍
MATLAB软件是由美国MathWorks公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算系统，又名为矩阵实验室，被誉为“巨人肩上的工具”。
由于使用MATLAB编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致，所以不想学习其它高级语言那么难以掌握，用MATLAB编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题。
在这个环境下，对所要求解的问题，用户只需要简单的列出数学表达式，其结果便以数值或者图形方式表达出来。
最早开发MATLAB软件的目的适用于帮助学校的老师和学生更好的授课和学习。
从MATLAB诞生开始，由于其高度的集成性和应用的方便性，在高校中得到了广泛的应用于推广。
由于它能快速的实验科学人员的设想，极大的节约了科研人员的时间，收到了大多数收到了大多数科研人员的青睐。
他可以很方便的设计出哼屁啊oil昂的界面，也可以很方便的设计出漂亮的用户接口，同时还因为它具有最丰富的函数库，极其容易实验计算功能，另外MATLAB和其他高级语言也具有良好的接口，可以很方便的与其他语言实现混合编程，这些都进一步的扩宽了它的应用领域和范围。
Simulink是MATLAB软件的扩展与体现，他是实现动态系统系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，它与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其优点是使用户能够把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。
所谓模型化图形输入是指Simulink提供了一些按功能分类的基本系统功能模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及其功能，而不必考查功能模块是如何实现和工作的，通过对这些基本功能模块的调用再将它们连接起来就可惜构建成为所需要的系统模型，从而完成系统仿真模型的分析与构建Simulink可以模拟线性与非线性系统，连续与非连续系统，或它们的混合系统，他是强大的系统仿真工具。
除此之外，他还提供了图形动画处理方法，以方便用户观察系统的仿真过程。
在Simulink中专门设置了电力系统“SimPowerSystems”的模块库，包括10类模块库，即电源元件库，线路元件库，电力电子元件库，电机元件库，连接器元件库，电路测量模块元件库，附加元件库，演示教程，电力图形读者接口和电力系统元件库。
电力系统模块可以在Simulink模块浏览窗口进入，也可以在MATLAB命令窗口键入powerlib命令进入。
3.2MATLAB模块选用以及参数设置
直流源的设置：
打开SimPowerSysterms，选中DCVotageSource参数设置如下所示
图3.1直流源参数设置
该模块为SPWM逆变电路提供直流源。
三相全桥模块的设置：
打开SimPowerSysterms，选中UniversalBridge参数设置如下
图3.2三相全桥电路设置如下
在Measurements选项里设置如上图所示，该模块提供逆变电力电子器件。
异步电机模块参数设置:
打开SimPowerSysterms，选中AsynchronousMachine参数设置如下所示
图3.3异步电机参数设置
预设模式选择如上图所示，该模块提供异步电机模型。
的设置：
打开SimPowerSysterms，选择MachinesDemux模块，参数设置如下所示
图3.4Demux模块参数设置
测量参数为定子电流，转子转速，电磁转矩，该模块能选择索要测量的参数。
转速增益模块，能放大转速信号，参数设置如下所示
图3.5增益模块参数设置
放大倍数设置为9.55
输入频率的设置：
打开Simmulink选择Constant用常数信号发生器作输入频率信号，参数设置如下所示
图3.6恒定参数模块设置
输入频率选择为50HZ，该模块为模拟输入频率信号
给定积分GI分支模块的设置：
打开Simmulink选择AtomicSubsystem，该模块用于设定启动曲线。
其中放大器的作用是使积分时间常数不受放大器输入偏差大小的影响，所以放大倍数可以取大一些，本例中放大倍数取为10000。
限幅器用于设定积分时间常数，调节限幅器的上下限可以调节给定积分器输出曲线的
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