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電力拖動自動控制系統(tǒng) ——運動控制系統(tǒng) 仿真作業(yè) 班 級：電氣12-6 姓 名：金 坤 學(xué) 號：1205030207 指導(dǎo)老師：任老師 變壓變頻調(diào)速下交流異步電機的系統(tǒng)仿真 ——轉(zhuǎn)速開環(huán)與閉環(huán)對比分析 一、 異步電動機的恒壓恒頻調(diào)速原理分析 異步電動機的變頻調(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償?shù)目刂品绞?，基本上要保持磁通在各級轉(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”。 當定子電壓 和角頻率 都為恒定值時，異步電動機的機械特性方程可以改寫為 （1—1） 當s 很小的時候，可忽略分母中含s 各項，則： （1—2） 當s 很小的時候，轉(zhuǎn)矩近似與s 成正比，機械特性=f（s）是一段直線；當s接近1時?？珊雎裕?—2）式分母中的 ，則： （1—3） 即s 接近1時，轉(zhuǎn)矩近似與s成反比，這時 =f（s）是對稱于原點的一段雙曲線； 當 s為以上兩段的中間數(shù)值時，機械特性從直線過度到雙曲線。如下圖1-1. 由式（1-1），對于同一負載要求，即以一定的轉(zhuǎn)速 在一定的負載轉(zhuǎn)矩 下運行時，電壓和頻率可以有多種組合，其中恒壓頻比（恒值）最容易實現(xiàn)的。它的變頻機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，需對定子壓降實行補償 為了近似的保持氣隙磁通不便，以便充分利用電機鐵心，發(fā)揮電機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力，在基頻以下采用恒壓頻比控制，實行恒壓頻比控制時，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械特性 （1—4） 帶負載時的轉(zhuǎn)速降落為 ， （1—5） 在式（1—2）中所表示的機械特性近似直線段上?？梢詫?dǎo)出 （1—6） 可見，當為恒值時，對同一轉(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，機械特性基本上是平行下移的，它們和直流他激電機調(diào)速時特性變化情況近似，所不同的是，當轉(zhuǎn)矩達到最大值以后，轉(zhuǎn)速再降低，特性就折回來了。而且頻率越低的時候轉(zhuǎn)矩越小。 對前式整理可得出為恒值時最大轉(zhuǎn)矩隨角頻率的變化關(guān)系為 （1—7） 可見，是隨著的降低而減小的，頻率很低時，太小將限制調(diào)速系統(tǒng)的帶載能力，采用定子壓降補償，適當提高電壓 可以增強帶載能力。 2、 恒壓頻比變頻調(diào)速開環(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，交流電機和驅(qū)動電路等環(huán)節(jié)組成。只要將不同環(huán)節(jié)根據(jù)特定要求獨立地設(shè)計出來并有效連接即可。 2.2調(diào)速電機選定 表2.2：電機參數(shù)設(shè)置 逆變器直流側(cè)電壓Ud 514V 交流異步電機參數(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)動慣量 0.021J 摩擦系數(shù) 0.005752F 極對數(shù) 2 根據(jù)電機的給定參數(shù)，選定合適的電機，參數(shù)設(shè)置如下圖2-2. 2.3 U-F模塊和三相調(diào)制信號輸出 已知，變頻調(diào)速系統(tǒng)一般要求在變頻時保持電機氣隙磁通不變，這樣可在允許的電流下獲得最大的轉(zhuǎn)矩，使電機具有良好的調(diào)速性能。交流電機每相定子感應(yīng)電動勢為： 圖2-3.1：恒壓頻比控制特性 在改變頻率時要保持氣隙磁通不變 就需要。因為不能直接檢測和控制，在忽略定子繞組電阻時近似等于電動機端電壓。而和都可以方便地通過變頻器控制，因此僅要求穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，異步電動機變頻調(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： 為電機額定電壓；為起動時的補償電壓；為電機額定頻率。 不妨取滿載時轉(zhuǎn)差率為0.97，根據(jù)異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路和感應(yīng)電動勢，以及電機的阻抗參數(shù)，不難得到，，，,所以： 。同時，在恒壓頻比條件下構(gòu)建三相調(diào)制信號 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 恒壓頻比變頻開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型 將系統(tǒng)升降速時間設(shè)定G1（可由simulink中Rate Limiter模塊代替），U/f曲線，SPWM調(diào)制，交流電機和驅(qū)動電路等環(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（額定負載，轉(zhuǎn)速1455r/min,轉(zhuǎn)差率0.97），轉(zhuǎn)矩為18（過載），各持續(xù)0.5s,并通過示波器觀察定子轉(zhuǎn)子電流、電機轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩等。 3、 恒壓頻比變頻調(diào)速開環(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)置仿真實踐3s,仿真算法ode23,仿真結(jié)果見圖3-1和3-2 圖3-2：恒壓頻比變頻調(diào)速開環(huán)系統(tǒng)仿真結(jié)果 圖3-3：電機轉(zhuǎn)速動態(tài)圖 0—0.5S時間內(nèi)，空載轉(zhuǎn)矩為0，電機從空載到輕負載狀態(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)電流因為電機迅速穩(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，帶動電機轉(zhuǎn)速迅速超過1500r/min，且超調(diào)量和上下波動很大；當電磁轉(zhuǎn)矩帶動電機穩(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，定子電流幅值為4A。 0.5—1S時間內(nèi)，負載轉(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，與負載轉(zhuǎn)矩平衡，帶動電機轉(zhuǎn)速迅速下降為1480r/min，轉(zhuǎn)子電流在0附近波動，定子電流幅值為4A。 1—1.5S時間內(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，與負載轉(zhuǎn)矩平衡，使得電機轉(zhuǎn)速下降為1455r/min。 1.5S后，過負載載轉(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，與負載轉(zhuǎn)矩平衡，使得電機轉(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）即可實現(xiàn)對系統(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，實現(xiàn)對給定頻率和反饋轉(zhuǎn)速的無靜差調(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)制信號輸出 ACR使得在電機啟動時，具有較大的啟動電流，使啟動過程加快，動態(tài)性能優(yōu)化；在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使轉(zhuǎn)速波動變??；當發(fā)生賭轉(zhuǎn)或過載時，起到安全保護作用。 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)置仿真實踐3s,仿真算法ode23,仿真結(jié)果見圖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)速電機轉(zhuǎn)速變化圖 對比開環(huán)系統(tǒng)，似乎閉環(huán)系統(tǒng)的性能和效果并不如開環(huán)。實際上，閉環(huán)系統(tǒng)比開環(huán)系統(tǒng)動態(tài)性能更好，但這是以增加閉環(huán)系統(tǒng)的復(fù)雜性為代價的。這要求我們必須詳細分析和設(shè)計每一個參數(shù)，大大提高設(shè)計系統(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)計是在巨大的考研壓力下進行的，它不僅鞏固和強化了我對運動控制課程理論知識的理解，還鍛煉和提升了我的動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)和動手實踐提高了寶貴的經(jīng)驗和精神的鼓舞。