交流异步电动机的调速系统仿真

三相异步电动机变频调速系统设计及仿真引言随着科技的发展和电力系统的逐步完善，三相异步电动机在工业和民用领域中广泛应用。

为了满足不同负载条件下的调速需求，变频调速技术成为了最为常用的方案之一、本文基于三相异步电动机的特点，设计了一个简单的变频调速系统，并通过仿真验证了系统的性能。

一、系统结构设计根据三相异步电动机变频调速系统的基本结构，本文设计了以下几个部分：输入电源模块、变频器模块、电机驱动模块和反馈传感器模块。

1.输入电源模块输入电源模块通常由整流器和滤波器组成，用于将交流电转换为直流电，并通过滤波器减小输出的纹波电压。

本文采用了简化的输入电源模块结构，以简化设计和仿真过程。

2.变频器模块变频器模块是整个系统的核心部分，用于将直流电转换为固定频率或可调频率的交流电。

本文采用的是PWM（脉宽调制）变频器，控制器利用脉宽调制技术对直流电进行精细的调节，从而实现对输出频率的控制。

3.电机驱动模块电机驱动模块主要由电机和驱动器组成，用于将变频器输出的交流电转换为机械能，驱动电机工作。

本文使用了三相异步电动机作为驱动器，并采用了传统的电动机驱动方式。

4.反馈传感器模块反馈传感器模块用于获取电机的运行状态和工作参数，实时反馈给控制器，以实现对整个系统的闭环控制。

常用的反馈传感器有电流传感器、速度传感器和位置传感器等。

二、设计流程本文设计的变频调速系统采用闭环控制方式进行控制，设计流程如下：1.确定控制策略根据系统需求，选择适合的控制策略。

常用的控制策略有PI控制、模糊控制和神经网络控制等。

本文选择了基于PI控制的控制策略。

2.设计控制器根据控制策略设计控制器，主要包括比例环节和积分环节。

比例环节用于根据偏差信号产生控制量，积分环节用于消除系统的静态误差。

本文设计了基于PI控制器的控制器。

3.仿真系统建模根据系统的物理特性，建立仿真系统的数学模型。

本文仿真系统采用母线电压法，通过电机的等效电路进行建模和仿真。

异步电动机变频调速系统的设计与仿真异步电机数学模型异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。

基于稳态数学模型的异步电机调速系统虽然能够在一定范围内实现平滑调速，要实现高动态性能的系统，必须首先认真研究异步电机的动态数学模型。

假设条件：（1）忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间互差120°电角度，所产生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布；（2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的；（3）忽略铁心损耗；（4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。

这时，异步电机的数学模型由下述电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。

电压方程将电压方程写成矩阵形式，并以微分算子 p 代替微分符号 d /d tA A A sB B B sC C C s a a a r b b b r c c c r 000000000000000000000000000u i R u i R u i R p u i R u i R u i R ψψψψψψ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦可改写为： u Ri ψ=+p 磁链方程每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和，因此，六个绕组的磁链可表达为：⎥⎥⎥⎥⎤⎢⎢⎢⎢⎡⎥⎥⎥⎥⎤⎢⎢⎢⎢⎡=⎥⎥⎥⎥⎤⎢⎢⎢⎢⎡C B A Cc Cb Ca CC CBCA Bc Bb Ba BC BB BA Ac Ab Aa AC AB AA C B A i i i i L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L ψψψψ ABCu A u Bu Cω1ωu au b u ca bcθ可改写为： Li ψ=由于折算后定、转子绕组匝数相等，且各绕组间互感磁通都通过气隙，磁阻相同，故可认为：Lms Lmr =对于每一相绕组来说，它所交链的磁通是互感磁通与漏感磁通之和，因此，定子各相自感为转子各相自感为可得完整的磁链方程：sssr s s rsrr r r LL i L L i ψψ⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦ 转矩方程根据机电能量转换原理，在多绕组电机中，在线性电感的条件下，磁场的储能和磁共能为：'m m 1122T T W W i i L ψ===而电磁转矩等于机械角位移变化时磁共能的变化率 （电流约束为常值），且机械角位移 θm = θ / n p ，于是：''rssr mme pp r s s r mconst.const.12T T i i L L W W T n n i i i i θθθθ==∂∂∂∂⎡⎤===⋅+⋅⎢⎥∂∂∂∂⎣⎦异步电机数学模型的过程中可以看出，这个数学模型之所以复杂，关键是因为有一个复杂的 6⨯6 电感矩阵，它体现了影响磁链和受磁链影响的复杂关系。

《自动控制元件及线路》课程实习报告异步电动机变频调速系统1.4.1 系统原理框图及各部分简介本文设计的交直交变频器由以下几部分组成，如图1.1所示。

图1.1 系统原理框图系统各组成部分简介：供电电源：电源部分因变频器输出功率的大小不同而异，小功率的多用单相220V，中大功率的采用三相380V电源。

因为本设计中采用中等容量的电动机，所以采用三相380V电源。

整流电路：整流部分将交流电变为脉动的直流电，必须加以滤波。

在本设计中采用三相不可控整流。

它可以使电网的功率因数接近1。

滤波电路：因在本设计中采用电压型变频器，所以采用电容滤波，中间的电容除了起滤波作用外，还在整流电路与逆变电路间起到去耦作用，消除干扰。

逆变电路：逆变部分将直流电逆变成我们需要的交流电。

在设计中采用三相桥逆变，开关器件选用全控型开关管IGBT。

电流电压检测：一般在中间直流端采集信号，作为过压，欠压，过流保护信号。

控制电路：采用8051单片机和SPWM波生成芯片SA4828，控制电路的主要功能是接受各种设定信息和指令，根据这些指令和设定信息形成驱动逆变器工作的信号。

这些信号经过光电隔离后去驱动开关管的关断。

1.4.2 变频器主电路方案的选定变频器最早的形式是用旋转发电机组作为可变频率电源，供给交流电动机。

随着电力半导体器件的发展，静止式的变频电源成为了变频器的主要形式。

静止式变频器从变换环节分为两大类：交-直-交变频器和交-交变频器。

1.交-交型变频器：它的功能是把一种频率的交流电直接变换成另一种频率可调电压的交流电（转换前后的相数相同），又称直接式变频器。

由于中间不经过直流环节，不需换流，故效率很高。

因而多用于低速大功率系统中，如回转窑、轧钢机等。

但这种控制方式决定了最高输出频率只能达到电源频率的1/3～1/2,所以不能高速运行。

2.交-直-交型变频器：交-直-交变频器是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再直流变换成频率电压可调的交流，又称间接变频器，交-直-交变频器是目前广泛应用的通用变频器。

交流异步电机调速系统实验报告引言在电力系统中，电机调速是一个非常重要且复杂的问题。

随着技术的不断发展，异步电机调速系统成为了广泛应用的一种方案。

本实验旨在通过搭建和调试一个交流异步电机调速系统，来研究其调速性能和控制策略。

实验目的1.理解交流异步电机调速系统的工作原理；2.掌握电机调速系统的基本组成和实验搭建方法；3.研究不同控制策略对电机调速性能的影响；4.分析实验结果，评价不同控制策略的优劣。

实验原理1.异步电机工作原理：异步电机由主电路和励磁电路组成。

主电路中的三相对称电压产生一个旋转磁场，而励磁电路中的电压和电流则产生感应转子电动势和转矩，使得电机运转起来。

2.异步电机调速原理：异步电机调速主要通过控制转子电阻、定子电压以及改变电机的励磁电流来实现。

常见的调速方法有直接转矩控制(DTC)、矢量控制(VC)等。

实验设备和步骤1.实验设备：–交流异步电动机–实验控制器–电压调节器–电流测量仪–速度测量仪–控制软件2.实验步骤：1.搭建电机调速系统的硬件连接，确保各设备按照要求连接并接通电源。

2.在控制软件中选择合适的控制策略，并设置调速参数。

3.运行实验控制器，观察电机的调速性能，并记录实验数据。

4.根据实验数据分析电机的调速性能，并评价不同控制策略的优劣。

实验结果分析根据实验数据，我们可以得出以下结论：1.不同控制策略对电机调速性能的影响：–直接转矩控制(DTC)可以实现较好的转矩和速度响应，但对转子电阻参数变化较为敏感。

–矢量控制(VC)具有较好的转矩和速度响应特性，并且对转子电阻参数变化不敏感。

2.不同电机负载对调速系统的影响：–在轻载情况下，不同控制策略的性能相对较为接近。

–在重载情况下，矢量控制(VC)表现出较好的调速稳定性和承载能力。

结论本实验通过搭建和调试交流异步电机调速系统，研究了不同控制策略对电机调速性能的影响，并分析了不同负载下的调速系统性能。

通过实验结果，我们得出了以下结论：1.矢量控制(VC)相比直接转矩控制(DTC)具有更好的转矩和速度响应特性，且对转子电阻参数变化不敏感。

摘要近年来，随着电力半导体器件及微电子器件特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，再加上现代控制理论，特别是矢量控制技术向电气传动领域的渗透和应用，使得交流电机调速技术日臻成熟。

以矢量控制为代表的交流调速技术通过坐标变换重建电机模型，从而可以像直流电机那样对转矩和磁通进行控制，交流调速系统的调速性能已经可以和直流调速系统相媲美。

因此，研究由矢量控制构成的交流调速系统已成为当今交流变频调速系统中研究的主要发展方向。

最后，综合矩阵变换的控制策略及异步电动机转子磁场定向理论，采用计算机仿真方法分别建立了矩阵变换仿真模型以及基于矩阵变换的异步电动机矢量控制系统仿真模型，对矩阵变换的控制原理、输入、输出性能以及矢量控制系统的优质的抗扰能力及四象限运行特性进行分析验证，展现了该新型交流调速系统的广阔发展前景，并针对基于矩阵变换的异步电动机矢量控制系统的特点，着重对矢量控制单元进行了软件设计。

关键词：坐标变换矢量控制异步电动机仿真ABSTRACTIn recent years, with the development of the power semiconductor device，the microelectronics component, the microcomputer and large-scale integrated circuit and modern control theory, especially the penetration from vector control technology to electric drive field and application, the feasible AC motor speed regulation technology has become more mature day by day.Depend on the control principle of the MC and the rotor-flux orientation theory, and using the computer simulation technology, the simulation model of the MC and the matrix converter fed induction motor vector control drive system has been build. The input-output characteristic and the ability of four-quadrant operation have been testified, which has proved that the system has wide application field. The software of the vector control unit was designed at the end.Key words: matrix converter vector control induction motor simulation目录1.绪论 (1)1.1引言 (1)1.2 交流调速技术概况 (2)1.3 系统仿真技术概述 (3)1.4仿真软件的发展状况与应用 (4)1.5 MATLAB 概述 (4)1.6 Simulink 概述 (6)2.矢量控制理论 (7)2.1 异步电机的动态数学模型 (7)2.2 坐标变换 (10)2.2.1变换矩阵的确定原则 (10)2.2.2功率不变原则 (10)2.3矢量控制 (11)2.3.1 问题分析 (11)2.3.2直流电机的转矩控制 (12)2.3.3异步电机的转矩分析 (12)2.3.4 矢量控制原理 (12)3.总体模块设计 (15)3.1矢量控制结构框图 (15)3.2各子系统模块 (16)3.2.1求解磁链模块 (16)3.2.2 求解转子磁链角模块 (17)3.2.3 ids*求解模块 (17)3.2.4 iqs*求解模块 (17)3.2.5 ABC到DQ坐标变换模块 (18)3.2.6 DQ到ABC坐标变换模块 (18)3.3 电机参数设置 (19)3.4矢量控制环节模块 (21)3.5矢量控制的异步电动机调速系统模块 (21)4.Simulink 仿真 (23)5.结论 (28)致谢 (29)参考文献 (30)附录1 3s/2r坐标变换 (32)附录2 ω*=100和ω*=150时的比较 (34)1.绪论1.1引言工农业生产、交通运输、国防军事以及日常生活中广泛应用着电机传动，其中很多机械有调速要求，如车辆、电梯、机床及造纸机械等，而风机、水泵等为了减少损耗，节约电能也需要调速。

交流异步电动机变压变频调速系统设计与仿真异步电动机变压变频调速系统是一种常见的电动机调速系统，可以实现电动机转速的精确控制和调节。

本文将介绍异步电动机变压变频调速系统的设计和仿真。

首先，异步电动机的调速原理简要介绍。

异步电动机是一种常用的交流电动机，其转速通常由额定电压和频率决定。

通过改变电动机的电压和频率，可以实现对电动机的调速。

变压变频调速系统通过调节电压和频率的大小，改变电动机的转速。

在设计异步电动机变压变频调速系统之前，首先要确定电动机的参数。

电动机的参数包括额定功率、额定电压、额定电流等，这些参数可以从电动机的标牌上获取。

另外，还需要确定变压变频器的参数，包括额定电压范围、频率范围等。

这些参数将决定整个系统的性能。

设计异步电动机变压变频调速系统的关键是选取合适的变压变频器。

变压变频器是将电网的交流电转换为可调频率和可调电压的交流电的装置。

根据电动机的额定电压和变压变频器的额定电压范围，选取合适的变压变频器，以满足调速系统的要求。

设计异步电动机变压变频调速系统的下一步是进行系统的电路设计。

电路设计包括电动机的接线和变压变频器的接线。

电动机的接线要根据电动机的型号和相数来进行，确保电机的正常运行。

变压变频器的接线要根据变压变频器的接线图进行，确保变压变频器与电动机的连接正确。

完成电路设计后，还需要进行系统的控制设计。

控制设计包括电机的启动和停止控制、电机的转速控制等。

启动和停止控制一般采用按钮控制或者遥控控制，可以通过按钮或者遥控装置来启动和停止电动机。

转速控制一般采用PID控制器进行，通过调节变压变频器的输出电压和频率，来实现对电动机转速的控制和调节。

完成设计后，可以使用仿真软件进行系统的仿真。

常用的仿真软件有MATLAB/Simulink、PSIM等。

通过仿真可以验证系统的设计是否正确，并进行性能评估。

仿真结果可以用来优化系统的设计，提高系统的性能。

综上所述，异步电动机变压变频调速系统的设计和仿真是一个系统工程，需要从确定电动机和变压变频器的参数开始，进行电路设计和控制设计，最后进行仿真验证。

异步电机调压调速系统的matlab仿真代码异步电机是一种常见的电动机类型，广泛应用于各个领域的工业控制系统中。

在工业生产中，对异步电机的调压调速系统进行仿真设计可以帮助工程师们更好地理解电机的工作原理，并且优化控制算法，提高电机的性能和效率。

本文将根据异步电机调压调速系统的需求，介绍如何使用Matlab进行仿真设计。

异步电机调压调速系统主要包括三个部分：电机模型、调速控制器和电源电压。

首先，我们需要建立电机的模型。

在Matlab中，我们可以使用Simulink来搭建电机模型。

在搭建电机模型之前，我们需要明确电机的参数，例如额定功率、额定转速、定子电阻、定子电感、转子电阻、转子电感等。

根据这些参数，我们可以使用Simulink中的“Synchronous Machine”模块来搭建电机模型。

通过调整模块的参数，我们可以设定电机的额定功率和转速。

此外，我们还可以通过添加噪声、扰动等，模拟电机在实际工况下的运行情况。

接下来，我们需要设计调速控制器。

常见的调速控制算法有PID控制、模糊控制、自适应控制等。

在Matlab中，我们可以使用Simulink中的“PID Controller”模块来实现PID控制算法。

在使用PID控制器模块之前，我们需要根据电机的特性调整控制器的参数，例如比例系数、积分时间和微分时间。

通过不断调整参数和观察仿真结果，我们可以优化控制器的性能，实现电机的稳定调速。

最后，我们需要模拟电源电压对异步电机的影响。

在实际应用中，供电电压的波动会对电机的转速和输出功率产生影响。

在Matlab中，我们可以通过添加波动的直流电压源来模拟这种影响。

通过调整电压源的幅值和频率，我们可以观察电压波动对电机转速和输出功率的影响。

这对于调压调速系统的设计和优化非常重要。

在完成上述步骤后，我们可以对整个异步电机调压调速系统进行仿真。

通过控制器和电源电压的输入，我们可以观察电机的转速、输出功率和电流等参数的变化情况。

第1章绪论1.1 双闭环三相异步电动机调压调速系统旳原理和构成调压调速即通过调整通入异步电动机旳三相交流电压大小来调整转子转速旳措施。

理论根据来自异步电动机旳机械特性方程式：其中，p为电机旳极对数；w1为定子电源角速度；U1为定子电源相电压；R2’为折算到定子侧旳每相转子电阻；R1为每相定子电阻；L11为每相定子漏感；L12为折算到定子侧旳每相转子漏感；S为转差率。

图1-1 异步电动机在不一样电压旳机械特性由电机原理可知，当转差率s基本保持不变时，电动机旳电磁转矩与定子电压旳平方成正比。

因此，变化定子电压就可以得到不一样旳人为机械特性，从而到达调整电动机转速旳目旳1.2 双闭环三相异步电动机调压调速系统旳工作原理系统主电路采用3个双向晶闸管，具有体积小。

控制极接线简朴等长处。

A.B.C为交流输入端，A 3.B3.C3为输出端，接向异步电动机定子绕组。

为了保护晶闸管，在晶闸管两端接有阻容器吸取装置和压敏电阻。

控制电路速度给定指令电位器BP1所给出旳电压，经运算放大器N构成旳速度调整器送入移相触发电路。

同步，N还可以得到来自测速发电机旳速度负反馈信号或来自电动机端电压旳电压反馈信号，以构成闭环系统，提高调速系统旳性能。

移相触发电路双向晶闸管有4种触发方式。

本系统采用负脉冲触发，即不管电源电压在正半周期还是负半周期，触发电路都输出负得触发脉冲。

负脉冲触发所需要旳门极电压和电流较小，故轻易保证足够大旳触发功率，且触发电路简朴。

TS是同步变压器，为保证触发电路在电源正负半波时都能可靠触发，又有足够旳移相范围，TS采用DY11型接法。

移相触发电路采用锯齿波同步方式，可产生双脉冲并有强触发脉冲电源（+40V）经X31送到脉冲变压器旳一次侧第2章双闭环三相异步电动机调压调速系统旳设计方案2.1 主电路设计调压电路变化加在定子上旳电压是通过交流调压器实现旳。

目前广泛采用旳交流调压器由晶闸管等器件构成。

它是将三个双向晶闸管分别接到三相交流电源与三相定子绕组之间通过调整晶闸管导通角旳大小来调整加到定子绕组两端旳端电压。

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。