电力拖动自动控制系统 ——运动控制系统
仿真作业
班 级：电气12-6
姓 名：金 坤
指导老师：任老师
变压变频调速下交流异步电机的系统仿真
——转速开环与闭环对比分析
一、 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。基频以下，磁通恒定，属于“恒转矩调速”；基频以上，迫于定子电压不能超过额定电压，磁通与频率成反比下降，转速升高，转矩下降，近似属于“恒功率调速”。
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
()()2112
2222
1121123''e p l l U s R T n sR R s L L ωωω??= ?+++?? （1—1）
当s 很小的时候，可忽略分母中含s 各项，则：
2
11123'e p U s T n s R ωω??≈∝ ??? （1—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（1—2）式分母中的2'R ，则：
()21122221111213'e p l l U R T n s s R L L ωωω??≈∝ ???++????
（1—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。如下图1-1. 由式（1-1），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： 图1-1： 恒压频比控制下的机械特性 p
n w n π26010= （1—4） 带负载时的转速降落为 ，
01602p
n sn s n ωπ?== （1—5） 在式（1—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≈?? ??? （1—6）
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。即：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??= ???（1—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。
二、 恒压频比变频调速开环系统仿真原理
恒压频比变频调速系统原理图
由图，系统由升降速时间设定G1（可由simulink 中Rate Limiter 模块代替），U/f 曲线，SPWM 调制，交流电机和驱动电路等环节组成。只要将不同环节根据特定要求独立地设计出来并有效连接即可。
调速电机选定
表：电机参数设置
根据电机的给定参数，选定合适的电机，参数设置如下图2-2.
U-F 模块和三相调制信号输出
已知，变频调速系统一般要求在变频时保持电机
气隙磁通m Φ不变，这样可在允许的电流下获得最大的
转矩，使电机具有良好的调速性能。交流电机每相定子
感应电动势为：
在改变频率s f 时要保持气隙磁通m Φ不变 就需要常数=s g
f E 。因为s E 不能直接检测和控制，在忽略定子绕组电阻时s E 近似等于电
动机端电压s U 。而s U 和s f 都可以方便地通过变频器控制，因此仅要求稳态时转速的调节，
异步电动机变频调速系统常采用/s s U f =常数的控制，也称为VVVF 控制或恒压频比控制。一般，精度要求需要考虑定子绕组压降，需要抬高s U ，其控制特性如图2-3-1.
所以，U-f 函数关系可设为： 00()N N U U u f f U f -=
+ N U 为电机额定电压；0U 为起动时的补偿电压；N f 为电机额定频率。
不妨取满载时转差率为，根据异步电动机稳态等效电路和感应电动势，以及电机的
阻抗参数，不难得到，V U N 380=，hz f N 50=，V 550≈U ,所以： 555.6+=f f U ）
（。同时，在恒压频比条件下构建三相调制信号
仿真模块如下图2-3-2：
SPWM 调制电路
将恒压频比下输出的三相调制信号导入PWM 发生器，设置其载波频率为1500Hz ，输出的脉宽调制波形下图2-4-1：
将SPWM 波作为三相桥的门极触发脉冲，如图2-4-2.
为得到380V 的整流电压值，直流源电压V U d 6206
4380≈?=. 图：恒压频比控制特性
恒压频比变频开环调速系统的仿真模型
将系统升降速时间设定G1（可由simulink中Rate Limiter模块代替），U/f曲线，SPWM调制，交流电机和驱动电路等环节连接在一起，得到恒压频比变频调速系统的仿真模型图2-5.
已知电机的阻抗、额定频率、额定电压、额定转差率和压频比，由式（1-1）估算额定转矩（已标准化）
T，通过Timer 模块设置转矩为0（空载），转矩为5（轻载），
8.9
N
转矩为（额定负载，转速1455r/min,转差率），转矩为18（过载），各持续,并通过示波器观察定子转子电流、电机转速和电磁转矩等。
三、恒压频比变频调速开环系统仿真结果分析
设定Timer的Time 相量[0 1 ] ,Amplitude相量[0 5 15],设置仿真实践3s,仿真算法ode23,仿真结果见图3-1和3-2
图3-2：恒压频比变频调速开环系统仿真结果
图3-3：电机转速动态图
0—时间内，空载转矩为0，电机从空载到轻负载状态，定子电流跟随输入电压近似呈正弦变化且与空载电流差别不大，转子感应电流因为电机迅速稳定而维持在0附近，
电磁转矩经历初始为0并迅速上升，同时，带动电机转速迅速超过1500r/min，且超调量和上下波动很大；当电磁转矩带动电机稳定在空载转速1500r/min，电磁转矩为0，转子电流在0附近波动，定子电流幅值为4A。
—1S时间内，负载转矩为0，定子电流跟随输入电压近似呈正弦变化，转子感应电流跟随定子电流增大，电磁转矩由0并迅速上升到5，与负载转矩平衡，带动电机转速迅速下降为1480r/min，转子电流在0附近波动，定子电流幅值为4A。
1—时间内，额定转矩为，定子电流跟随输入电压近似呈正弦变化且略微增大，转子感应电流相应增大，电磁转矩从5并迅速上升到，与负载转矩平衡，使得电机转速下降为1455r/min。
后，过负载载转矩为18，定子电流跟随输入电压近似呈正弦变化且为幅值5A，转子感应电流10A呈正弦变化，电磁转矩从并迅速上升到18，与负载转矩平衡，使得电机转速下降为1405r/min下降明显。
四、转速闭环转差频率控制的变频调速系统仿真
在开环系统基础上，加入转速调节器（ASR）和电流调节器（ACR）即可实现对系统的双闭环反馈控制。
转速调节器（ASR）
如下图，ASR由放大器G1、G2，积分环节，饱和限幅等构成，实现对给定频率和反馈转速的无静差调节。ASR使得系统具有抗转速干扰作用，使调节更加平滑。
电流调节器（ACR)与三相调制信号输出
ACR使得在电机启动时，具有较大的启动电流，使启动过程加快，动态性能优化；在转速调节过程中，使转速波动变小；当发生赌转或过载时，起到安全保护作用。
其中，Um=u(1)*sqrt^2+(u(1)*^2)+*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
仿真结果分析
设定Timer的Time 相量[0 1 ] ,Amplitude相量[0 5 15],设置仿真实践3s,仿真算法ode23,仿真结果见图4-3-1和图4-3-2.
图：4-3-1转速闭环转差频率控制的变频调速系统仿真图
图4-3-2：转速闭环转差频率控制的变频调速电机转速变化图
对比开环系统，似乎闭环系统的性能和效果并不如开环。实际上，闭环系统比开环系统动态性能更好，但这是以增加闭环系统的复杂性为代价的。这要求我们必须详细分析和设计每一个参数，大大提高设计系统的难度和复杂性。此处，由于闭环系统参数设置的不好，导致仿真效果不好。
本次课程设计是在巨大的考研压力下进行的，它不仅巩固和强化了我对运动控制课程理论知识的理解，还锻炼和提升了我的动手能力和软件操作技能。课程社一种遇到的各种难题，是通过自己不断地探究和查找资料解决的。尽管做的并不算很好，但它极大的激起了我克服困难、勇往直前的激情，也为我以后的专业理论学习和动手实践提高了宝贵的经验和精神的鼓舞。
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。 For personal use only in study and research; not for commercial use 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
课题：转速开环恒压频比控制的交速 姓名：谢海波 学号：P091812925 专业班级：电气工程及其自动化（3）班 西北民族大学电气工程学院 转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统
摘要：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。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。由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论高速还是低速时效率都较高，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.下文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 1．仿真系统说明 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。对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰 当的补偿，保持不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通由定子和转子磁动势合成产生，要保持磁通恒定就要费一些周折。 2．变频调速控制方式和原理 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，在异步电动机调速时，总希望保持主磁通为额定值。由异步电机定子每相电动势有效值可知，如果略去定子阻抗下降，有 （1） 由(1)式知，若定子端电压不变，随着升高，将减小。又由转矩公式 知，在相同的情况下，减小会导致电动机输出转矩下降，严重时会使电动机堵转。因此， 在变频调速过程中应该同时改变定子电压和频率，以保持主磁通不变。而如何按比例改变电压和频率，要分基频以下和基频以上两种情况。 2.1基频以下调速 恒定压频比调速要求；当相对较高时，可忽略定子电阻那么最大实用转
异步电动机矢量控制系统仿真 1.异步电机矢量控制系统的原理及其仿真 1.1 异步电动机矢量控制原理 异步电机矢量变换控制系统和直接转矩控制系统都是目前已经获得使用的高性能异步电机调速系统，对比直接转矩控制系统，矢量变换系统有可以连续控制，调速范围宽的优点，因此矢量变换控制系统为现代交流调速的重要方向之一。 本文采用的是转子磁场间接定向电流控制型交流异步电机矢量控制系统[1]，如图1所示。 图1矢量变换控制系统仿真原理图 如果把转子磁链方向按空间旋转坐标系的M轴方向定向，则可得到按转子磁场方式定向下的三相鼠笼式异步电动机的矢量控制方程。 （1） （2） （3） （4）
（5） 上列各式中，是转子励磁电流参考值；是转差角频率给定值；是定子电流的励磁分量；是定子电流的转矩分量；是定子频率输入角频率； 是转子速度；是转子磁场定向角度；是转子时间常数；和分别是电机互感和转子自感。 图4所示控制系统中给定转速和实际电机转速相比较，误差信号送入转速调节器，经转速调节器作用产生给定转矩信号，电机的激磁电流给定信号根据电机实际转速由弱磁控制单元产生，再利用式（1）产生定子电流激磁分量给定信号，定子电流转矩分量给定信号则根据式（2）所示的电机电磁转矩表达式生成。、和转子时间常数Lr一起产生转差频率信号，和ωr相加生成转子磁场频率给定信号，对积分则得到转子磁场空间角度给定信号。和经坐标旋转和2/3相变换产生定子三相电流给定信号、和，和定子三相电流实测信号、和相比较，由滞环控制器产生逆变器所需的三相PWM信号。 1.2 异步电机转差型矢量控制系统建模 在MATLAB/SIMULINK环境下利用电气系统模块库中的元件搭建交流异步电机转差型矢量控制系统[2]，电流控制变频模型如图2所示。 图2 电流控制变频模型图 整个仿真图由电气系统模块库中的元件搭建组成，元件的直观连接和实际的主电路相像似，其中主要包括：速度给定环节，PI速度调节器、坐标变换模块、
东北石油大学 MATLAB电气应用训练 2013年 3 月 8日
MATLAB电气应用训练任务书 课程 MATLAB电气应用训练 题目直流电动机开环调速系统仿真 专业电气信息工程及其自动化姓名赵建学号 110603120121 主要内容： 采用工程设计方法对双闭环直流调速系统进行设计,选择调节器结构,进行参数的计算和校验；给出系统动态结构图,建立起动、抗负载扰动的MATLAB /SIMULINK 仿真模型。分析系统起动的转速和电流的仿真波形,并进行调试,使双闭环直流调速系统趋于合理与完善 基本要求： 1.设计直流电动机开环调速系统 2.运用MATLAB软件进行仿真 3.通过仿真软件得出波形图 参考文献： [1] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统—运动控制系统第3版[M]. 北京：机械工业出版社, 2007. [2] 王兆安, 黄俊. 电力电子技术第4版[M]. 北京：机械工业出版社, 2000. [3] 任彦硕. 自动控制原理[M]. 北京：机械工业出版社, 2006. [4] 洪乃刚. 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M]. 北京：机械工业出版社, 2006. 完成期限 2013.2.25——2013.3.8 指导教师李宏玉任爽 2013年 2 月25 日
目录 1课题背景 (1) 2直流电动机开环调速系统仿真的原理 (2) 3仿真过程 (5) 3.1仿真原理图 (5) 3.2仿真结果 (9) 4仿真分析 (12) 5总结 (13) 参考文献 (14)
1课题背景 直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代，随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力传动控制技术研究和应用的繁荣。晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。现在的直流和交流调速装置都是数字化的，使用的芯片和软件各有特点，但基本控制原理有其共性。 长期以来，仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上，即在系统模型建立以后要设计一种算法。以使系统模型等为计算机所接受，然后再编制成计算机程序，并在计算机上运行。因此产生了各种仿真算法和仿真软件。 由于对模型建立和仿真实验研究较少，因此建模通常需要很长时间，同时仿真结果的分析也必须依赖有关专家，而对决策者缺乏直接的指导，这样就大大阻碍了仿真技术的推广应用。 MATLAB提供动态系统仿真工具Simulink，则是众多仿真软件中最强大、最优秀、最容易使用的一种。它有效的解决了以上仿真技术中的问题。在Simulink中，对系统进行建模将变的非常简单，而且仿真过程是交互的，因此可以很随意的改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的结果。另外，使用MATLAB中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。 Simulink可以超越理想的线性模型去探索更为现实的非线性问题的模型，如现实世界中的摩擦、空气阻力、齿轮啮合等自然现象；它可以仿真到宏观的星体，至微观的分子原子，它可以建模和仿真的对象的类型广泛，可以是机械的、电子的等现实存在的实体，也可以是理想的系统，可仿真动态系统的复杂性可大可小，可以是连续的、离散的或混合型的。Simulink会使你的计算机成为一个实验室，用它可对各种现实中存在的、不存在的、甚至是相反的系统进行建模与仿真。 传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。随着生产技术的发展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面提出了更高要求，这就要求大量使用调速系统。由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，从20世纪30年代
二、填空题 1.PWM控制技术包括单极性控制和双极性控制两种方式。 2．反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定。 3.静态环流可以分为直流平均环流和瞬时脉动环流。 4 .PWM逆变器根据电源类型不同可以分为电压型和电流型。 5．直流电动机电枢的电流由负载决定。 6.转速电流双闭环调速系统在启动过程中，转速调节器ASR将经历快速进入饱和、饱和、退饱和三种情况 7．无静差直流调速系统的实质是调节器包含积分环节。 8．调速系统的稳态性能指标包括调速范围和静差率。9．电流截止负反馈环节的作用，是为了解决反馈闭环调速系统起动和堵转时__电流过大______的问题。 10．直流电机的调速的G-M系统可用于四象限运行。 12、P、PI、PID、PD调节器的中文全称为：比例，比例积分，比例积分微分，比例微分。 13．对于转速阶跃响应无静差的双环调速系统，ASR和ACR中的ASR 必须选P、PI、PID三类调节器中的PI 或PID 调节器, 调节系统为Ⅱ型系统。14．调节直流电动机的转速的方法有：调节电枢电压；调节电枢回路电阻；减弱励磁磁通。 15．直流电机的调速的G-M，V-M，PWM系统中文全名是：旋转变流机组电动机调速系统；静止式晶闸管整流器；脉冲宽度调制。17．SPWM控制技术包括单极性控制和双极性控制两种方式。 18..通常电机的数字测速方法有三种，分别是M法、T法和M/T法。 19. 调速系统转速控制的三个基本要求是调速、稳速和加减速。20．V-M系统中，采用三相整流电路，为抑制电流脉动，可采用的主要措施是设置平波电抗器. 21．在单闭环调速系统中，为了限制全压启动和堵转电流过大，通常采用电流截止负反馈。
1 设计任务 1、了解并熟悉双闭环三相异步电机调压调速原理及组成。 2、学习 SIMULINK，熟悉相关的模块功能。 3、进一步理解交流调压系统中电流环和转速环的作用。 2 设计要求 1、利用SIMULINK建立闭环调速系统仿真模型。 2、调试完成调压模块仿真、开环系统仿真、闭环系统仿真。 3 设计设备 1、计算机一台 2、MATLAB仿真软件 4 设计原理 调压调速即通过调节通入异步电动机的三相交流电压大小来调节转子转速的方法。理论依据来自异步电动机的机械特性方程式： 其中，p为电机的极对数； 为定子电源角速度； w 1 为定子电源相电压； U 1 R ’为折算到定子侧的每相转子电阻； 2 为每相定子电阻； R 1 L 为每相定子漏感； 11 L 为折算到定子侧的每相转子漏感； 12 S为转差率。 图1 异步电动机在不同电压的机械特性
由电机原理可知，当转差率s 基本保持不变时，电动机的电磁转矩与定子电压的平方成正比。因此，改变定子电压就可以得到不同的人为机械特性，从而达到调节电动机转速的目的。 4.1 调压电路 改变加在定子上的电压是通过交流调压器实现的。目前广泛采用的交流调压器由晶闸管等器件组成。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的大小来调节加到定子绕组两端的端电压。这里采用三相全波星型联接的调压电路。 图2 调压电路原理图 4.2 开环调压调速 开环系统的主电路由触发电路、调压电路、电机组成。原理图如下： Ua Ub Uc T2 T3 T5 T4 T6 R R R N T1
图3 开环调压系统原理图 AT为触发装置，用于调节控制角的大小来控制晶闸管的导通角，控制晶闸管输出电压来调节加在定子绕组上的电压大小。
实验报告 课程名称：数字调速 实验项目：三相异步电机恒压频比调速系统仿真专业班级：自动化1303班 姓名：任永健学号：130302307 实验室号：实验组号： 实验时间：批阅时间： 指导教师：成绩：
沈阳工业大学实验报告 （适用计算机程序设计类） 专业班级：自动化1303班学号：130302307 姓名：任永健 实验名称：三相异步电机恒压频比调速系统仿真 1.实验目的： 熟悉SIMULINK环境。 建立三相异步电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下搭建三相异步电机恒压频比环调速系统 3. 实验方案（程序设计说明） 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. 实验原理（系统的实现方案分析） 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
摘要 异步电动机采用变频调速技术，具有调速范围广，调速时因转差功率不变而无附加能量损失的优点，因此，变频调速是一种性能优良的高效调速方式。 本文以MATLAB为仿真工具，介绍了Simulink中的仿真模块，研究了交流电机变频调速系统，分析了变频器的构成和工作原理，并据此对逆变电路进行了仿真设计。首先对调速系统仿真所需要的各种电力系统模块做了简要的介绍，说明了逆变器的工作原理，在此基础上用MATLAB/Simulink软件分别对各种电路模块进行了仿真设计，进而设计出了实际中广泛应用的交-直-交变频器的仿真模型，实现了对交流电机变频调速系统的仿真研究，在此基础上建立电机模型，进行矢量控制设计，以带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制的方法对异步电动机变频调速系统进行建模和仿真，并对仿真结果进行了分析,由仿真结果可以看出系统转速的动态响应快，稳态跟踪精度高，表明此建模方法是可行和有效的。 关键词：MATLAB/Simulink变频调速逆变器仿真
ABSTRACT With the application of frequency and speed conversion technology to synchronous motor, its speed can be wide-ranged adjusted. When it comes to adjusting speed, because of slip power unchanged, there is no additional energy lost. Thus it makes this technology a high-equality and efficient way to exchange the speed. This thesis, aiming at MATLAB as simulation tool, introduces Simulink simulation module and the AC motor speed control system as the subject of the research and analyzes the structure of the inverter and how it works. On this basis,a variety of inverter circuit simulation designs are conducted. First of all, this thesis makes a brief introduction about power system module power which needs power electronic simulation, the working principle of the inverter included. Based on the theory above, then MATLAB / Simulink software are used in the simulation designs about different kinds of circuit modules. Moreover the designs of the simulation model of widely-used cross - DC - AC inverter are conducted to achieve the goal of the simulation study of AC motor speed control system, carries the modelling and the simulation on asynchronous motor adjusting-speed system based on vector control with torque inner rim and flux linkage of closed loop，gives out the simulation and makes analyse to it．The simulation result of the model shows the speed of dynamic response and the accuracy of steady-state tracking，also confirmes that the modelling is feasible and effective． Key words：MATLAB/Simulink Frequency Control Inverter Simulation
中南大学 《工程训练》 ——设计报告 设计题目：异步电机变频调速 指引教师：黎群辉 设计人：冯露 学号： 专业班级：自动化0906班 设计日期：9月
交流异步电动机变频调速系统设计 摘要 近年来,交流电机变频调速及其有关技术研究己成为当代电气传动领域一种重要课题,并且随着新电力电子器件和微解决器推出以及交流电机控制理论发展，交流变频调速技术还将会获得巨大进步。 本文对变频调速理论，逆变技术，SPWM产生原理进行了研究，在此基本上设计了一种新型数字化三相SPWM变频调速系统，以8051控制专用集成芯片 SA4828为控制核心，采用IGBT作为主功率器件，同步采用EXB840构成IGBT驱动电路，整流电路采用二极管，可使功率因数接近1，并且只用一级可控功率环节，电路构造比较简朴。 V控制，同步，软件程序使得参数输入和变频器运营方式变本文在控制上采用恒 f 化极为以便，新型集成元件采用也使得它开发周期短。 此外，本文对SA4828三相SPWM波发生器使用和编程进行了详细简介，完毕了整个系统控制某些软硬件设计。 V控制，SA4828波形发生器 核心字:变频调速，正弦脉宽调制， f
目录 摘要................................................ 错误!未定义书签。 1.1 研究目与意义 (1) 1.2本次设计方案简介 (2) 1.2.1 变频器主电路方案选定 (2) 1.2.2 系统原理框图及各某些简介 (3) 1.2.3 选用电动机原始参数 (4) 2交流异步电动机变频调速原理及办法 (5) 2.1 异步电机变频调速原理 (5) 2.2 变频调速控制方式及选定 (6) V比恒定控制 (6) 2.2.1 f 2.2.2 其他控制方式................................ 错误!未定义书签。3变频器主电路设计. (13) 3.1 主电路工作原理 (13) 3.2 主电路各某些设计 (13) 3.3. 采用EXB840IGBT驱动电路 (15) 4控制回路设计 (16) 4.1 驱动电路设计 (16) 4.2 保护电路......................................... 错误!未定义书签。 4.2.1 过、欠压保护电路设计........................ 错误!未定义书签。 4.2.2 过流保护设计................................ 错误!未定义书签。 4.3 控制系统实现 (19) 5变频器软件设计....................................... 错误!未定义书签。 5.1 流程图 (22)
异步电动机变频调速系统的设计与仿真 1. 异步电动机概述 交流电动机，主要指笼式异步电动机和同步电动机。它主要用于不需要变速的电力传动系统中，其原因是:1)不论是异步电动机还是同步电动机，唯有改变定子供电频率调速最为方便，而且可以获得优异的调速特性。而大容量的变频电源却在长时期内没有得到很好的解决。(2)异步电动机和直流电动机不同，它只有一个供电回路定子绕组，致使其速度控制比较困难，不像直流电动机那样通过控制电枢电压或控制励磁电流均可方便地控制电动机的转速。 然而，自20世纪50年代末开始，电气传动领域中进行着一场重要的技术革命一将原来只用于恒速传动的交流电动机实现速度控制，以取代制造复杂、价格昂贵和维护麻烦的直流电动机。随着电力电子器件及微电子技术的不断进步以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，现在从数百瓦的伺服系统到数万千瓦的特大功率高速传动系统;从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应和大范围的调速传动;从单机传动到多机协调运转，几乎都可采用交流调速传动。交流调速传动的客观发展趋势己表明，它完全可以直流传动相媲美、相抗衡，并有取代的趋势。 异步电机可以采用调压调速、改变极对数调速、串电阻调速、变频调速等。在交流调速诸多方式中，变频调速是最有发展前途的一种交流调速方式，也是交流调速的基础和主干内容。变频装置有交一直一交系统和交一交系统两大类。交一直一交系统在传统电压型和电流型变频器的基础上正向着脉宽调制(PWM)型变频器和多重化技术方向发展，而交一交变频器应用于低速大容量可逆系统有上升趋势现代电力电子、微电子技术和计算机技术的飞速发展，以及控制理论的完善、各种工具的日渐成熟，尤其是专用集成电路、DSP和FPGA近年来令人瞩目的发展，促进了交流调速的不断发展。目前异步电机变频调速控制己经成为一门集电机、电力电子、自动化、计算机控制和数字仿真为一体的新兴学科。2. 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。
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 2
2008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。对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，保持不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通由定子和转子磁动势合成产生，要保持磁通恒定就要费一些周折。 2变频调速的原理 在异步电动机调速时，总希望保持主磁通 为额定值。由异步电机定子每相电动势有效值可知，如果略去定子阻抗下降，有 （1） 由(1)式知，若定子端电压不变，随着升高， 将减小。又由转矩公式知，在相同的情况下，减小会导致电动机输出转矩下降， 严重时会使电动机堵转。因此，在变频调速过程中应该同时改变定子电压和频率，以保持主磁通不变。而如何按比例改变电压和频率，要分基频以下和基频以上两种情况。 2.1基频以下调速 恒定压频比调速要求；当相对较高时，可忽略定子电阻那么最大实用转矩公式为；由于，为了保证变频调速时电动机过载能力不变，需要满足变频前后 ，即
交流电动机调速系统的分类 1.同步电动机调速系统 同步电动机只能依靠改变频率来进行调速，而根据频率控制方式的不同，可把同步电动机调速系统分为他控式和自控式两种类型。 如果用独立的变频装置作为同步电动机的变频电源进行调速，则称之为他控式同步电动机调速系统，大多用于类似永磁同步电动机的小容量场合。 采用频率闭环方式的同步电动机调速系统称为自控式同步电动机调速系统，它是用电动机轴上安装的位置检测器来控制变频装置触发脉冲，使同步电动机工作在自同步状态。自控式同步电动机调速系统又可细分为负载换向自控式同步电动机调速系统和交一交变频供电的自控式同步电动机调速系统。 负载换向自控式同步电动机调速系统叉称为x换向器电机，它的主电路采用交一直-交电流型变流器，利用同步电动机电流超前电压的特点，使逆变器的晶闸管工作在自然换向状态。这种系统又被称为LCI(Load Commutated Inve11er)，它的容量已达到数万千伏安，电压达万伏以上。 交一交变频同步电动机调速系统的逆变器由晶闸管组成，采用交一交循环变流结构和矢量控制技术，具有优良的动态性能，广泛地用于轧钢机主传动系统中。交一交变频同步电动机调速系统的容量很大，但调频范围只能限制在工频的三分之一左右。 2.异步电动机调速系统 在异步电动机中，从定子传入转子的电磁功率可以分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率；另一部分是转差功率，与转差率成正比，它的去向是调速系统效率高低的标志。就转差功率的处理方式的不同，异步电动机调速系统可分成三大类。 (1)转差功率消耗型调速系统。这种调速系统全部转差功率都被消耗掉，用增加转差功率的消耗来换取转速的降低，因而效率也随之降低。降电压调速、电磁转差离合器调速及绕线异步电动机转子串电阻调速这三种方法都属于这一类。 (2)转差功率回馈型调速系统。这种调速系统的大部分转差功率通过变流装置回馈给电网或者加以利用，转速越低回馈的功率越多，但是增设的装置也要多消耗一部分功率。绕线异步电动机转子双馈调速即属于这一类。 (3)转差功率不变型调速系统。在这种调速系统中，转差功率仍旧消耗在转子里，但小论转速高低，转差功率基本不变。如变极对数调速、变频调速两种调速方法即属于这一类。 2.异步电动机转差回馈型调速系统 双馈调速足指将电能分别馈入异步电动机的定子绕组和转子绕组，通常将定子绕组接入工频电源，将转子绕组接到频率、幅值、相位和相序都可以调节的变频电源。如果改变转子绕组电源的频率、幅值、相位和相序，就可以调节异步电机的转矩、转速、转向及和定子侧的无功功率。这种双馈调速的异步电动机可以超同步或亚同步运行，不但可以工作在电动状态，而且可以工作在发电状态。 因为交一交变流器采用晶闸管自然换向方式，结构简单，可靠性高，而且交，交变流器能够直接进行能量转换，效率高，所以，在双馈调速方式中采用交．交变流器作为转子绕组的变频电源是比较合适的。 绕线式异步电动机串级调速系统是从定子侧馈入电能，从转子侧馈出电能的系统。从广义上说，它也是双馈调速系统的一种。 在双馈调速中，所用变频器的功率仅占电动机总功率的一小部分，可以大大降低变频器的容量，从而降低了调速系统的成本，此外，双馈电机还可以调节功率因数，由于具有这些优点，双馈电机特别适合应用于大功率的风机、水泵类负载的调速场合；双馈调速方式在风力、
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。本设计研究的是矢量控制的异步电动机的调速系统，采用MATLAB软件在其simulink中进行仿真。 关键词：坐标变换矢量控制异步电动机MATLAB simulink仿真
ABSTRACT In 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
《交流调速》课程综合复习资料 一、选择题 1．以下生产生活设备中，重点强调调速的目的不是节能需要的是（）。 A．抽油机B．风机C．风扇D．泵类 2．恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性，当s接近1时，Te = f（s）是对称于原点的一段（）。 A．直线B．斜线C．双曲线D．对角线 3．晶闸管交-交变压变频器的最高输出频率约为电网频率的（）。 A．1/3～1/2 B．1/2～1 C．1～2倍D．2～3倍 4．PWM技术是指（）。 A．脉冲幅度调制B．脉冲频率调制C．脉冲宽度调制D．脉冲数量调制 5．通用变频器的检测环节包括（）。 A．电流检测B．温度检测C．电压检测D．以上都是 6．（）是恒磁通调速和弱磁调速的分界点。 A．基本频率B．最大频率C．跳跃频率D．起动频率 7．单相逆变器系统的输出电压能力取决于（）。 A．直流母线电压B．直流母线电流C．直流母线功率D．交流母线电压。 8．转速开环控制的变压变频系统中，通常在工作频率设定之后加一个（）限定环节。 A．频率B．电压C．频率变化率D．电压变化率 9．变频器交流输入电压降低会导致输出电压也降低，会影响电机的带负载能力的根源是（）。 A．气隙磁通变大B．气隙磁通变小C．转子磁通变大D．转子磁通变小 10．恒气隙磁通控制与恒压频比控制相比，最大转矩（）。 A．更小B．更大C．相同D．未知 11．三相逆变器系统的输出电压能力取决于（）。 A．直流母线电压B．PWM方式C．A和B D．A或B 12．转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统，必须具有（）。 A．测压环节B．测速环节C．测流环节D．测功环节 二、简答分析题 1．坐标变换是矢量控制的基础，试分析交流电动机矢量变换的基本概念和方法。 U、电源2．简述异步电动机变压变频调速的基本控制方式，说明基频以下和基频以上，定子电压 s
毕业论文声明 本人郑重声明： 1．此毕业论文是本人在指导教师指导下独立进行研究取得的成果。除了特别加以标注地方外，本文不包含他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。对本文研究做出重要贡献的个人与集体均已在文中作了明确标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 2．本人完全了解学校、学院有关保留、使用学位论文的规定，同意学校与学院保留并向国家有关部门或机构送交此论文的复印件和电子版，允许此文被查阅和借阅。本人授权大学学院可以将此文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本文。 3．若在大学学院毕业论文审查小组复审中，发现本文有抄袭，一切后果均由本人承担，与毕业论文指导老师无关。 4.本人所呈交的毕业论文，是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。论文中凡引用他人已经发布或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。论文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中已明确的方式标明。 学位论文作者（签名）： 年月
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《交流调速系统》课后习题答案 第 5 章 闭环控制的异步电动机变压调速系统 5-1 异步电动机从定子传入转子的电磁功率m P 中，有一部分是与转差成正比的转差功率s P ，根据对s P 处理方式的不同，可把交流调速系统分成哪几类？并举例说明。 答：从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统 效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类 。 1）转差功率消耗型调速系统：这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速都属于这一类。在三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。 2）转差功率馈送型调速系统：在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通 过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，绕线电机串级调速或双馈电机调速属于这一类。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成 有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。 3）转差功率不变型调速系统：在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，变极对数调速、变压变频调速属于此类。其中变极对数 调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。 5-2 有一台三相四极异步电动机，其额定容量为5.5kW ，频率为50Hz ，在某一情况下运行，自定子方面输入的功率为6.32kW ，定子铜损耗为341W ，转子铜损耗为237.5W ，铁心损耗为167.5W ，机械损耗为45W ，附加损耗为29W ，试绘出该电动机的功率流程图，注明各项功率或损耗的值，并计算在这一运行情况下该电动机的效率、转差率和转速。 解：87.032 .65.5==η，因为rpm 1500250606010=?==p f n ， 由已知条件得电磁功率为kw 8115.5=m P ，所以有041.08115 .52375.0== s 所以rp m 1439)041.01(150000=-=-=sn n n