下载文档原格式
实验报告课程名称：机电一体化系统设计实验名称：交流异步电动机调速系统软件仿真专业班级：姓名：学号：指导教师：成绩：1.实验目的：熟悉SIMULINK环境；建立三相异步电动机恒压频比调速系统模型并仿真分析。
2.实验内容：设计并在simulinnk下搭建三相异步电动机恒压频比环调速系统3. 实验原理方案(10分)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。
4. 实验实现方案(20分)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图1 调速系统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。
重庆文理学院电子电气工程学院专业课程设计论文题目转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统专业电气工程与自动化姓名班级学号2011年月日转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统摘要：异步电动机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。
由于在调速是转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论高速还是低速是效率都较高，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。
因此现在它的应用面很广，目前交流异步电动机的调速系统已经广泛应用于数控机床、风机、泵类、传送带、给料系统、空调器等设备的电力源和动力源，并起到了节省电能，提高设备自动化，提高产品质量的良好效果. 本文对交流系统进行建模仿真，可以更加熟悉交流调速系统的结构，掌握各种调速系统的优缺点，选择合理的方案，解决实际中的问题。
文章在详细分析交流异步电动机变频调速的原理基础上，应用MATLAB/SIMULINK仿真软件，实现了转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统的仿真，并且详细分析了仿真结果。
关键词：异步电动机；变频调速；MATLAB 仿真22008级电气工程与自动化专业课程设计论文3 1引言异步电动机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。
由于在调速是转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论高速还是低速是效率都较高，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。
因此现在它的应用面很广，目前交流异步电动机的调速系统已经广泛应用于数控机床、风机、泵类、传送带、给料系统、空调器等设备的电力源和动力源，并起到了节省电能，提高设备自动化，提高产品质量的良好效果. 本文对交流系统进行建模仿真，可以更加熟悉交流调速系统的结构，掌握各种调速系统的优缺点，选择合理的方案，解决实际中的问题。
在进行电动机调速时，常须考虑的一个重要因素，就是希望保持电动机中每极磁通量为额定值不变。
如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁芯，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。
转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统仿真转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统仿真转速开环恒压频比控制是交流电动机变频调速最基本的控制方式，一般变频调速装置都带有这项功能，恒压频比的转速开环工作方式能满足大多数场合交流电动机调速控制的要求，并且使用方便，是通用变频器的基本模式。
采用恒压频比控制，在基频以下的调速过程中可以保持电动机气隙磁通基本恒定，在恒定负载情况下(恒转矩)，电动机在变频调速过程中的转差率基本不变，所以电动机的机械特性较硬，电动机有较好的调速性能。
但是如果频率较低，定子阻抗压降所占比重较大，电动机就难于保持气隙磁通不变，电动机的最大转矩将随频率的下降而减小。
为了使电动机在低频低速时仍有较大的转矩，在低频时应适当提高定子电压(低频电压补偿)，使电动机在低频时仍有较大的转矩。
恒压频比变频调速系统的基本原理结构如图1所示，系统由升降速时间设定、fU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，相当于软起动控制的作用。
fU曲线用于根据频率确定相应的电压，以保持压频比不变(fU=常数)，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，控制逆变器，以实现电动机的变压变频调速。
图1 恒压频比变频调速系统原理图转速开环变频调速系统的仿真模型如图2所示。
图中逆变器、电动机、SPWM生成等主要模块提取路径见表1。
图2 转速开环VVVF系统仿真模型其中给定积分器的模型同图3，设定恰当的积分时间常数可以控制频率上升的速率，从而设定电动机的起动时间。
在给定积分器的后面插人了一个取整环节(integer)，使频率为整数。
图3定积分器的模型fU曲线(见图4)由函数发生器Fcn产生，根据频率确定相应的电压值，其函数表达式为式为表1转速开环变频调速系统模型模块提取路径0U f f U U NN +=图4 f U 曲线式中，N U 为电动机额定电压，N f 为电动机额定频率，0U 为初始电压补偿值。
基于SVPWM的vvvf开环控制异步电机斜坡加速启动仿真和传统的SPWM (正弦脉冲调制调制)相比，SVPWM (电压空间矢量脉宽调制)具有如下优点：①对系统中逆变器的直流母线电压利用率较前者提高了15％左右；②开关损耗较前者小；③电动机转速脉动及电流畸变较前者减小；④便于实现数字化控制。
本文在理论分析的基础上，应用Matlab／Simulink构建了基于SVPWM的开环控制异步电机斜坡加速启动仿真模型，并验证理论分析的结论。
1．SVPWM和vvvf转速开环异步电机调速基本原理1.1变压变频(VVVF)调速的基本控制方式原理在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量 m 为额定值不变。
如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。
在交流异步电机中，磁通 m 由定子和转子磁势合成产生定子每相电动势：（1.1）式中：Eg —气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V；f1—定子频率，单位为Hz；Ns—定子每相绕组串联匝数；kNs—基波绕组系数；m—每极气隙磁通量，单位为Wb。
由式（1）可知，只要控制好 Eg 和 f1 ，便可达到控制磁通m 的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。
（1）基频以下调速: 恒压频比的控制方式由式（1）可知，要保持 m 不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低 Eg ，使常值即采用恒值电动势频率比的控制方式。
然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压Us ≈ Eg，则得,这是恒压频比的控制方式。
但是，在低频时 Us 和 Eg 都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。
这时，需要人为地补偿电压 Uc ，以便近似地补偿定子压降，（2）基频以上调速：恒功率控制方式在基频以上调速时，频率应该从f1N向上升高，但定子电压Us 却不可能超过额定电压UsN ，最多只能保持Us = UsN ，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况.如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”，如图1.5所示。
三相异步电动机恒压频比闭环变频调速仿真****(，陕西 西安710054 )摘要：利用Matlab 建立异步电动机恒压频比变频调速仿真模型，通过控制PWM调制波的幅值和频率，达到控制电机输入端电压幅值、频率的目的，并利用PI 调节器构建转速闭环控制，调整PI 控制器参数，最终得到系统的闭环控制模型，给电机负载转矩以扰动，观察转速曲线得出结论。
关键词：恒压频比变频调速 PWM 闭环控制0 引言电力电子器件的飞速发展促使了变频技术的革新，这一技术广泛应用于电机调速领域，可以使变频器输出各种频率的正弦电压波形，使频率的实时控制变成了可能。
而高速开关器件问世，更是让PWM 技术得以硬件实现，利用DSP 芯片可以实现对开关器件的高频控制，同时实现对变频器输出波形的频率和幅值进行控制，电机调速进入了一个崭新的时代。
变频调速方式中以恒压频比调速最为简单实用，本文利用matlab/simulink 工具对恒压频比变频调速进行仿真分析，验证相关结论。
1 变频调速三相异步电动机调速时，保持磁通量m Φ为额定值不变，磁通太弱则电机利用效率低，若磁通过大，又会导致铁心饱和励磁电流过大，严重时会因绕组过热而损坏电机。
在交流感应电机中，磁通是定子和转子磁势合成产生的，而三相异步电机定子每相电动势的有效值是：1114.44g N m E f N k =Φ 1-1式中g E ——气隙磁通和定子每相中感应电动势有效值，单位为V ；1f ——定子频率，单位为Hz ；1N ——定子每相绕组内联匝数； 1N k ——基波绕组系数；m Φ——每极气隙磁通量，单位为Wb由式（1-1）可知，只要保持g E 和1f 的比值恒定，即可保持磁通m Φ恒定。
变频调速即对输入三项交流电的频率进行调节改变，一般分为额定频率以下和额定频率以上两种情况其中恒压频比调速属于额定频率以下调速方式由式（1-1）可知，要保持m φ不变，当频率1f 从额定值1n f 向下调节时，必须同时降低g E ，使1g E f =常值，即采用恒定的电动势频率比的控制方式。
实验四异步电动机变频调速系统（一）转速开环恒压频比控制变频调速系统实验一．实验目的1.通过实验掌握转速开环恒压频比控制调速系统的组成及工作原理。
2.掌握V/F控制方式下，选取不同的模式电机的静特性差异。
二．实验数据及分析转速开环恒压频比控制静特性n（r/min）1475 1488 1501 1511 1525 1543Ia(A) 2.5 2.2 2.0 1.9 1.8 1.7T(N.m) 100% 83.9% 68.1% 54.6% 37.4% 15%n（r/min）902 916 931 945 953 966Ia(A) 2.3 2.1 1.9 1.7 1.7 1.6T(N.m) 100% 82.7% 64.0% 46.4% 33.6% 16.5%n（r/min）475 488 495 508 518 528 Ia(A) 1.9 1.7 1.6 1.6 1.5 1.5T(N.m) 85% 69.2% 56.1% 45.1% 28.0% 21.7%n（r/min）472 485 495 506 508 525 Ia(A) 2.0 1.8 1.7 1.7 1.6 1.6T(N.m) 62.5% 50.5% 39.2% 27.4% 20.8% 3.6%三．思考题1.说明转速开环恒压频比控制静特性特点答：其他条件相同，转速与频率大致成正比；频率一样时，转速越高，带动转矩能力越差。
2.说明低频补偿对系统静特性的影响。
答：由于临界转矩随f减小而减小，f较低时，电动机负载能力较弱。
低频补偿可以增强系统负载能力，同转速时有低频补偿情况T较小。
3.说明载波频率的大小对电机运行影响答：低频时转矩大，噪音小，但此时主元器件开关损耗大，整机发热较多，效率下降。
高频时转矩变小，电流输出波形比较理想。
（二）异步电动机带速度传感器矢量控制系统实验一．实验目的1.通过实验掌握异步电动机带速度传感器矢量控制系统的组成及工作原理；2.掌握异步电动机带速度传感器矢量控制系统静、动特性。
MATLAB仿真实验报告班级： 09电气（2）班姓名：曹艳梅学号： P091812880成绩：转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统仿真一课题背景：随着时间经济的不算发展，科学技术的不断提高，充分有效的利用能源已成为紧迫的问题，为了寻求高效可用的能源，各个国家都投入大量的人力和财力，进行不懈的努力研究。
就目前而言，电能是全世界消耗最多的能源之一，同时也是浪费最多的能源之一，为解决能源问题先从电能着手，其中其代表性的就是电机的控制。
电机是一种将电能转换成机械能的设备，它的用途非常广泛，在现代社会生活中随处可见电机的身影，在发达国家中生产的总电能有一半以上用于电机的能量转换，而这些电机转动系统当中的90%左右又是交流异步电动机。
在国内，电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%，并且使用中的电机绝大部风还是中小型异步电机，加之设备的陈旧，管理、控制技术跟不上，所浪费的电能甚多。
能源工业作为国名经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都起着极为重要的作用，在高速增长的经济条件下，我国能源工业面临着经济增长与环境保护的双重压力。
有资料表明，的、受资金、技术能源价格的影响，我国能源利用效率比发达国家低很多。
为此，国家十五计划中，在电机系统节能方面投入的资金高达500亿元左右，由此可见，在我国异步电动机的变频调速系统将有着巨大的市场潜能。
二仿真原理转速开环恒压频比控制室交流电动机变频调速最基本的控制方式，一般变频调速装置都带有这项功能，恒压频比的转速开环工作方式能满足大多数场合交流异步电动机调速控制的要求，并且使用更方便，是通用变频器的基本方式。
采用恒压频比控制，在基频以下的调速过程中可以保持电动机气隙磁通基本不变，在恒定负载情况下（恒转矩），电动机在变频调速过程中的转差率基本不变，所以电动机的机械特性较硬，电动机有较好的调速性能。
但是如果频率较低，定子阻抗压降所占的比重较大，电动机就很难保持气隙磁通不变，电动机的最大转矩将所频率的下降而减小。
为了使电动机在低频低速时仍有较大的转矩，在低频时应适当提高钉子电压（低频电压补偿）使电动机在低频时仍有较大的转矩。
三 MATLAB介绍：MATLAB的含义是矩阵实验室（MATRIX LABORATORY），主要用于方便矩阵的存取，其基本元素是无须定义维数的矩阵。
MATLAB自问世以来,就是以数值计算称雄。
MATLAB进行数值计算的基本单位是复数数组（或称阵列），这使得MATLAB高度“向量化”。
经过十几年的完善和扩充，现已发展成为线性代数课程的标准工具。
由于它不需定义数组的维数，并给出矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化等领域的问题时，显得大为简捷、高效、方便，这是其它高级语言所不能比拟的。
美国许多大学的实验室都安装有MATLAB供学习和研究之用。
在那里,MATLAB 是攻读学位的大学生硕士生、博士生必须掌握的基本工具。
MATLAB 中包括了被称作工具箱（TOOLBOX）的各类应用问题的求解工具。
工具箱实际上是对MATLAB进行扩展应用的一系列MATLAB函数（称为M 文件），它可用来求解各类学科的问题，包括信号处理、图象处理、控制系统辨识、神经网络等。
随着MATLAB版本的不断升级，其所含的工具箱的功能也越来越丰富，因此，应用范围也越来越广泛，成为涉及数值分析的各类工程师不可不用的工具。
MATLAB5.3中包括了图形界面编辑GUI ，改变了以前单一的“在指令窗通过文本形的指令进行各种操作”的状况。
这可让使用者也可以象VB 、VC 、VJ 、DELPHI 等那样进行一般的可视化的程序编辑。
在命令窗口（matlab command window ）键入simulink ，就出现(SIMULINK) 窗口。
以往十分困难的系统仿真问题，用SIMULINK 只需拖动鼠标即可轻而易举地解决问题，这也是近来受到重视的原因所在。
在SIMULINK 的仿真过程中选择合适的算法是很重要的，仿真算法是要求常微分方程，传递函数，状态方程解的数值计算方法，这些方法主要有欧拉法，阿达姆斯法，这些算法都主要建立在泰勒级数的基础上。
欧拉法是最早出现的一种数值计算方法，它是数值计算的基础，它用矩形面积来近似积分计算，欧拉法比较简单，但精度不高，现在已经较少使用。
阿达姆斯法是偶拉法的改进，它用梯形面积近似积分算法，所以也称梯形法，梯形法计算每步都需要经过多次的迭代，计算量较大，采用预报-校正后迭代一次，计算量减少，但是计算时要用其他算法来计算计算开始的几步。
SIMULINK 汇集了各种求解常微分方程数值的方法，这些方法分为二大类，可变步长类算法和固定步长类的算法。
四 异步电动机的恒压恒频调速原理分析异步电动机的变频调速系统基本控制方式是变压变频，在基频以下采用恒压频比带定子压降补偿的控制方式，基本上要保持磁通在各级转速上都为恒值。
可以通过研究这种控制方式下的稳态机械特性，来进一步研究电压和频率如何协调控制才能获得理想的稳态性能。
4.1 恒压恒频时的电动机的机械特性当定子电压1U 和角频率1ω 都为恒定值时，异步电动机的机械特性方程可以改写为()()211222221121123''e p l l U s R T n sR R s L L ωωω⎛⎫= ⎪+++⎝⎭ （4—1） 当s 很小的时候，可忽略分母中含s 各项，则 211123'e p U s T n s R ωω⎛⎫≈∝ ⎪⎝⎭ （4—2） 当s 很小的时候，转矩近似与s 成正比，机械特性e T =f （s ）是一段直线；当s 接近1时。
可忽略（4—2）式分母中的2'R 则()21122221111213'e p l l U R T n s s R L L ωωω⎛⎫≈∝ ⎪⎡⎤++⎝⎭⎣⎦ （4—3） 即s 接近1时，转矩近似与s 成反比，这时 e T =f （s ）是对称于原点的一段双曲线当 s 为以上两段的中间数值时，机械特性从直线过度到双曲线图 恒压频比的异步电动机的机械特性4.2 恒压频比控制下的机械特性异步电动机带载稳态运行时，由式（4—1）的()()21122222112112'3''l p l l U s R T n sR R s L L ωωω⎛⎫= ⎪+++⎝⎭ （4—4）此式表明，对于同一负载要求，即以一定的转速A n 在一定的负载转矩 lA T 下运行时，电压和频率可以有多种组合，其中恒压频比（11/U ω=恒值）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不便，以便充分利用电机铁心，发挥电机产生转矩的能力，在基频以下采用恒压频比控制，实行恒压频比控制时，同步转速自然也随着频率变化10602pn n ωπ= ()/m i n r （4—5） 因此带负载时的转速降落为01602pn sn s n ωπ∆== ()/min r 在式（4—2）中所表示的机械特性近似直线段上。
可以导出21211'3e p R T s U n ωω≈⎛⎫ ⎪⎝⎭（4—6） 由此可见，当11/U ω为恒值时，对同一转矩T ，1s ω是基本不变的，因而n ∆也是基本不变的，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，它们和直流他激电机调速时特性变化情况近似，所不同的是，当转矩达到最大值以后，转速再降低，特性就折回来了。
而且频率越低的时候转矩越小对前式整理可得出11/U ω为恒值时最大转矩max e T 随角频率1ω的变化关系为21max 132e p U T n ω⎛⎫= ⎪⎝⎭ （4—7） 可见，max e T 是随着1ω的降低而减小的，频率很低时，max e T 太小将限制调速系统的带载能力，采用定子压降补偿，适当提高电压 1U 可以增强带载能力。
五 恒压频比变频调速系统原理图图1压频比变频调速系统原理图恒压频比变频调速系统的基本原理结构如图1所示，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，起软启动控制的作用。
u/f 曲线用于根据频率确定相应的电压，以保持压频比不变，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。
六恒压频比变频调速系统的仿真模型图2恒压频比变频调速系统的仿真模型由图2知，从simulink库中找出各个模块，其中给定积分器GI中的Gain 设置参数为1e4，Saturation设置为-10——+10，取整模块设为round，仿真算法用Ode23tb，逆变器直流侧电压为514V，PWM发生器中的载波频率为1500Hz，仿真精度为1e-3。
放大器的放大倍数设为1e4；saturation为-10到+10；取整模块设为round；变器直流侧电压为514V，用IGBT；交流异步电机为鼠笼式；PWM发生器中的载波频率为1500Hz；仿真精度为1e-3，仿真算法用Ode23tb。
根据三相调制信号，由PWM发生器产生逆变驱动脉冲，经逆变器得到频率和幅值可调的三相电压，使交流电机按给定要求启动和运行。
七给定积分GI的分支模块图3给你积分GI分支模块GI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上升斜率。
由波形可知，系统稳定，并且可以通过电压频率协调控制调节转速，符合设计要求。
交流变频调速系统是恒转矩调速，但交流变频调速调速范围比较大，调速性能比较好，效率也更高。
交流调频调速属于转差不变型调速系统，无论转速高低，转差功率的消耗基本不变。
所以变频调速应用更广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流八仿真结果：在给定频率为50Hz，启动时间为5s的情况下，仿真结果如下图所示：图：1 转速波形图2：逆变器输出线电压图：3 转速—转矩特性图：4 转速波形图5：逆变器输出电压（瞬时值）图：6 正弦调制信号图：7 频率上升曲线九小结:变频调速是最有发展前途的一种交流调速方式，长期以来,虽然变频调速性能优良，但由于缺乏理想的变频器而未获得广泛应用。
直到晶闸管及大功率晶体管等半导体电力开关问世以后，由于它们具有接近理想开关元件的性能（通态压降小，断态阻抗大，开关时间短等），促使各种静止变频器得到了迅速的发展，并在工业上得到了推广应用。
