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電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) ——運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 仿真作業(yè) 班 級(jí)：電氣12-6 姓 名：金 坤 學(xué) 號(hào)：1205030207 指導(dǎo)老師：任老師 變壓變頻調(diào)速下交流異步電機(jī)的系統(tǒng)仿真 ——轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)與閉環(huán)對(duì)比分析 一、 異步電動(dòng)機(jī)的恒壓恒頻調(diào)速原理分析 異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)基本控制方式是變壓變頻，在基頻以下采用恒壓頻比帶定子壓降補(bǔ)償?shù)目刂品绞?，基本上要保持磁通在各?jí)轉(zhuǎn)速上都為恒值。基頻以下，磁通恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”；基頻以上，迫于定子電壓不能超過(guò)額定電壓，磁通與頻率成反比下降，轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)矩下降，近似屬于“恒功率調(diào)速”。 當(dāng)定子電壓 和角頻率 都為恒定值時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程可以改寫(xiě)為 （1—1） 當(dāng)s 很小的時(shí)候，可忽略分母中含s 各項(xiàng)，則： （1—2） 當(dāng)s 很小的時(shí)候，轉(zhuǎn)矩近似與s 成正比，機(jī)械特性=f（s）是一段直線；當(dāng)s接近1時(shí)。可忽略（1—2）式分母中的 ，則： （1—3） 即s 接近1時(shí)，轉(zhuǎn)矩近似與s成反比，這時(shí) =f（s）是對(duì)稱于原點(diǎn)的一段雙曲線； 當(dāng) s為以上兩段的中間數(shù)值時(shí)，機(jī)械特性從直線過(guò)度到雙曲線。如下圖1-1. 由式（1-1），對(duì)于同一負(fù)載要求，即以一定的轉(zhuǎn)速 在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 下運(yùn)行時(shí)，電壓和頻率可以有多種組合，其中恒壓頻比（恒值）最容易實(shí)現(xiàn)的。它的變頻機(jī)械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能滿足一般的調(diào)速要求。但是低速帶載能力還較差，需對(duì)定子壓降實(shí)行補(bǔ)償 為了近似的保持氣隙磁通不便，以便充分利用電機(jī)鐵心，發(fā)揮電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力，在基頻以下采用恒壓頻比控制，實(shí)行恒壓頻比控制時(shí)，同步轉(zhuǎn)速自然也隨著頻率變化： 圖1-1： 恒壓頻比控制下的機(jī)械特性 （1—4） 帶負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落為 ， （1—5） 在式（1—2）中所表示的機(jī)械特性近似直線段上?？梢詫?dǎo)出 （1—6） 可見(jiàn)，當(dāng)為恒值時(shí)，對(duì)同一轉(zhuǎn)矩，是基本不變的，因而也是基本不變的。即：在恒壓頻比條件下改變頻率時(shí)，機(jī)械特性基本上是平行下移的，它們和直流他激電機(jī)調(diào)速時(shí)特性變化情況近似，所不同的是，當(dāng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值以后，轉(zhuǎn)速再降低，特性就折回來(lái)了。而且頻率越低的時(shí)候轉(zhuǎn)矩越小。 對(duì)前式整理可得出為恒值時(shí)最大轉(zhuǎn)矩隨角頻率的變化關(guān)系為 （1—7） 可見(jiàn)，是隨著的降低而減小的，頻率很低時(shí)，太小將限制調(diào)速系統(tǒng)的帶載能力，采用定子壓降補(bǔ)償，適當(dāng)提高電壓 可以增強(qiáng)帶載能力。 2、 恒壓頻比變頻調(diào)速開(kāi)環(huán)系統(tǒng)仿真原理 2.1恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖 由圖，系統(tǒng)由升降速時(shí)間設(shè)定G1（可由simulink中Rate Limiter模塊代替），U/f曲線，SPWM調(diào)制，交流電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路等環(huán)節(jié)組成。只要將不同環(huán)節(jié)根據(jù)特定要求獨(dú)立地設(shè)計(jì)出來(lái)并有效連接即可。 2.2調(diào)速電機(jī)選定 表2.2：電機(jī)參數(shù)設(shè)置 逆變器直流側(cè)電壓Ud 514V 交流異步電機(jī)參數(shù)(4.7KW) 電壓 380V 頻率 50Hz 定子繞組電阻 1.115 定子繞組漏感 0.005974H 轉(zhuǎn)子繞組電阻 1.083 轉(zhuǎn)子繞組漏感 0.005974H 互感 0.2037H 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 0.021J 摩擦系數(shù) 0.005752F 極對(duì)數(shù) 2 根據(jù)電機(jī)的給定參數(shù)，選定合適的電機(jī)，參數(shù)設(shè)置如下圖2-2. 2.3 U-F模塊和三相調(diào)制信號(hào)輸出 已知，變頻調(diào)速系統(tǒng)一般要求在變頻時(shí)保持電機(jī)氣隙磁通不變，這樣可在允許的電流下獲得最大的轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)具有良好的調(diào)速性能。交流電機(jī)每相定子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為： 圖2-3.1：恒壓頻比控制特性 在改變頻率時(shí)要保持氣隙磁通不變 就需要。因?yàn)椴荒苤苯訖z測(cè)和控制，在忽略定子繞組電阻時(shí)近似等于電動(dòng)機(jī)端電壓。而和都可以方便地通過(guò)變頻器控制，因此僅要求穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)常采用常數(shù)的控制，也稱為VVVF控制或恒壓頻比控制。一般，精度要求需要考慮定子繞組壓降，需要抬高，其控制特性如圖2-3-1. 所以，U-f函數(shù)關(guān)系可設(shè)為： 為電機(jī)額定電壓；為起動(dòng)時(shí)的補(bǔ)償電壓；為電機(jī)額定頻率。 不妨取滿載時(shí)轉(zhuǎn)差率為0.97，根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，以及電機(jī)的阻抗參數(shù)，不難得到，，，,所以： 。同時(shí)，在恒壓頻比條件下構(gòu)建三相調(diào)制信號(hào) 仿真模塊如下圖2-3-2： 2.4 SPWM調(diào)制電路 將恒壓頻比下輸出的三相調(diào)制信號(hào)導(dǎo)入PWM發(fā)生器，設(shè)置其載波頻率為1500Hz，輸出的脈寬調(diào)制波形下圖2-4-1： 將SPWM波作為三相橋的門(mén)極觸發(fā)脈沖，如圖2-4-2. 為得到380V的整流電壓值，直流源電壓. 2.5 恒壓頻比變頻開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型 將系統(tǒng)升降速時(shí)間設(shè)定G1（可由simulink中Rate Limiter模塊代替），U/f曲線，SPWM調(diào)制，交流電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路等環(huán)節(jié)連接在一起，得到恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型圖2-5. 已知電機(jī)的阻抗、額定頻率、額定電壓、額定轉(zhuǎn)差率和壓頻比，由式（1-1）估算額定轉(zhuǎn)矩，通過(guò)Timer 模塊設(shè)置轉(zhuǎn)矩為0（空載），轉(zhuǎn)矩為5（輕載），轉(zhuǎn)矩為9.8（額定負(fù)載，轉(zhuǎn)速1455r/min,轉(zhuǎn)差率0.97），轉(zhuǎn)矩為18（過(guò)載），各持續(xù)0.5s,并通過(guò)示波器觀察定子轉(zhuǎn)子電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩等。 3、 恒壓頻比變頻調(diào)速開(kāi)環(huán)系統(tǒng)仿真結(jié)果分析 設(shè)定Timer的Time 相量[0 0.5 1 1.5] ,Amplitude相量[0 5 9.8 15],設(shè)置仿真實(shí)踐3s,仿真算法ode23,仿真結(jié)果見(jiàn)圖3-1和3-2 圖3-2：恒壓頻比變頻調(diào)速開(kāi)環(huán)系統(tǒng)仿真結(jié)果 圖3-3：電機(jī)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)圖 0—0.5S時(shí)間內(nèi)，空載轉(zhuǎn)矩為0，電機(jī)從空載到輕負(fù)載狀態(tài)，定子電流跟隨輸入電壓近似呈正弦變化且與空載電流差別不大，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流因?yàn)殡姍C(jī)迅速穩(wěn)定而維持在0附近，電磁轉(zhuǎn)矩經(jīng)歷初始為0并迅速上升，同時(shí)，帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速超過(guò)1500r/min，且超調(diào)量和上下波動(dòng)很大；當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)電機(jī)穩(wěn)定在空載轉(zhuǎn)速1500r/min，電磁轉(zhuǎn)矩為0，轉(zhuǎn)子電流在0附近波動(dòng)，定子電流幅值為4A。 0.5—1S時(shí)間內(nèi)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0，定子電流跟隨輸入電壓近似呈正弦變化，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流跟隨定子電流增大，電磁轉(zhuǎn)矩由0并迅速上升到5，與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降為1480r/min，轉(zhuǎn)子電流在0附近波動(dòng)，定子電流幅值為4A。 1—1.5S時(shí)間內(nèi)，額定轉(zhuǎn)矩為9.8，定子電流跟隨輸入電壓近似呈正弦變化且略微增大，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流相應(yīng)增大，電磁轉(zhuǎn)矩從5并迅速上升到9.8，與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速下降為1455r/min。 1.5S后，過(guò)負(fù)載載轉(zhuǎn)矩為18，定子電流跟隨輸入電壓近似呈正弦變化且為幅值5A，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流10A呈正弦變化，電磁轉(zhuǎn)矩從9.8并迅速上升到18，與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速下降為1405r/min下降明顯。 4、 轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真 在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）和電流調(diào)節(jié)器（ACR）即可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的雙閉環(huán)反饋控制。 4.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR） 如下圖，ASR由放大器G1、G2，積分環(huán)節(jié)，飽和限幅等構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)給定頻率和反饋轉(zhuǎn)速的無(wú)靜差調(diào)節(jié)。ASR使得系統(tǒng)具有抗轉(zhuǎn)速干擾作用，使調(diào)節(jié)更加平滑。 4.2 電流調(diào)節(jié)器（ACR)與三相調(diào)制信號(hào)輸出 ACR使得在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，具有較大的啟動(dòng)電流，使啟動(dòng)過(guò)程加快，動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化；在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中，使轉(zhuǎn)速波動(dòng)變??；當(dāng)發(fā)生賭轉(zhuǎn)或過(guò)載時(shí)，起到安全保護(hù)作用。 其中，Um=u(1)*sqrt(1.115^2+(u(1)*0.05974)^2)+1.21*u(2) Ua=u(1)*sin(u(2))/380 Ub=u(1)*sin(u(2)-2*pi/3)/380 Uc=u(1)*sin(u(2)+2*pi/3)/380 4.3 仿真結(jié)果分析 設(shè)定Timer的Time 相量[0 0.5 1 1.5] ,Amplitude相量[0 5 9.8 15],設(shè)置仿真實(shí)踐3s,仿真算法ode23,仿真結(jié)果見(jiàn)圖4-3-1和圖4-3-2. 圖：4-3-1轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真圖 圖4-3-2：轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速變化圖 對(duì)比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，似乎閉環(huán)系統(tǒng)的性能和效果并不如開(kāi)環(huán)。實(shí)際上，閉環(huán)系統(tǒng)比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能更好，但這是以增加閉環(huán)系統(tǒng)的復(fù)雜性為代價(jià)的。這要求我們必須詳細(xì)分析和設(shè)計(jì)每一個(gè)參數(shù)，大大提高設(shè)計(jì)系統(tǒng)的難度和復(fù)雜性。此處，由于閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的不好，導(dǎo)致仿真效果不好。 本次課程設(shè)計(jì)是在巨大的考研壓力下進(jìn)行的，它不僅鞏固和強(qiáng)化了我對(duì)運(yùn)動(dòng)控制課程理論知識(shí)的理解，還鍛煉和提升了我的動(dòng)手能力和軟件操作技能。課程社一種遇到的各種難題，是通過(guò)自己不斷地探究和查找資料解決的。盡管做的并不算很好，但它極大的激起了我克服困難、勇往直前的激情，也為我以后的專業(yè)理論學(xué)習(xí)和動(dòng)手實(shí)踐提高了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和精神的鼓舞。