三相异步电机VF调速

第1章 绪 论

1.1 毕业论文选题的背景

电动机作为主要的动力设备被广泛的应用于工农业生产、国防、科技、日常生活等各个方面，其负荷约占总发电量的60％\％，成为用电量最多的电气设备。根据采用的电流制式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类，其中交流电动机形式多样、用途各异、拥有量最多，交流电动机又分为同步电动机和异步(感应)电动机两大类。根据统计，交流电动机用电量占电机总用电量的85％左右，可见交流电动机应用的广泛性及其在国民经济中的重要地位。电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，在实际应用中，一是要使电动机具有较高的机电能量转换效率；二是根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能好坏对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。电动机和控制装置一起合成电力传动自动控制系统。以直流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统称之为直流调速系统；以交流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统称之为交流调速系统。根据交流电机的类型，相应有同步电动机调速系统和异步电动机调速系统。

众所周知，直流电动机的转速容易控制和调节，采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。因此，长期以来在变速传动领域中，直流调速一直占据主导地位。但是，由于直流调速系统解决不了直流电动机本身的的换向问题和在恶劣环境下的不适应问题，这就限制了直流调速系统的进一步发展。

交流电动机，特别是鼠笼型异步电动机，具有结构简单、制造容易、坚固耐用、转动惯量小、运行可靠、很少维修、使用环境及结构发展不受限制等优点。但交流电动机自1885年出现后，由于没有理想的调速方案，因而长期用于恒速拖动领域。20世纪70年代后，国际上解决了交流电动机调速方案中的关键问题，使得交流调速系统已具备了宽调速范围、高稳态精度、快速动态响应、高工作效率以及可以四象限运行等优异性能，其静、动态特性均可以和直流调速系统相媲美。

交流调速系统与直流调速系统相比，具有如下特点： （1）容量大。 （2）转速高且耐压高。

（3）交流电动机的体积、重量、价格比同容量的直流电动机小，且结构简

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单、经济可靠、惯性小。

（4）交流电动机环境适应性强，坚固耐用，可在十分恶劣环境下使用。 （5）交流调速系统能显著节能。

（6）高性能、高精度的新型交流调速系统已达到直流调速系统同等性能指标。

从各方面来看，交流调速系统最终将取代直流调速系统。

1.2 课题的研究意义

在工业发展的初级阶段，人们主要使用集中传动。作为动力的鼠笼电动机，是不需要调速的。它只需要满足各种生产条件对它提出的起动和稳速运行的要求就可以，调速的任务是由皮带和齿轮来完成。随着生产规模的不断扩大，对生产的连续性和流程化的要求愈来愈高，发展电机的调速技术已经是势在必行了。直流调速系统，由于其良好的调速性能，很长的时期内在调速领域内占据首位。但是由于直流电动机本身有机械换向器，给直流调速系统造成一些固有的、难于解决的问题。

随着交流传动电动机调速的理论问题的突破和调速装置(主要指变频器)性能的完善，交流电动机调速系统的性能差的缺点已经得到了克服，目前，交流调速系统的性能已经可以和直流系统相媲美，甚至可以超过直流系统。由于交流调速不断显示其本身的优越性和巨大的社会效益，使变频器具有越来越旺盛的生命力。各种性能优越的新型电力半导体器件的出现，如既能控制导通又能控制关断的门极可关断晶闸管GTO；具有良好功率转换效率和适于在高频大功率情况下工作的MOSFET；既有MOS管栅极驱动电压功率小和驱动线路简单，又有双极性功率晶体管导通饱和压降小优点的绝缘栅双极性大功率管IGBT；以及内部既有大功率开关器件，又有各种驱动电路和过压、过流等保护电路的智能型功率模块IPM等器件的应用，不仅使交流调速系统控制装置体积小，效率高，而且还更容易实现各种功能复杂但在结构上简单的控制方案，更加充实和推动了变频器理论的进一步发展。

能完成各种复杂信号和信息处理的集成芯片的出现，如能产生脉宽调制信号的专用集成电路以及各种单片机和计算机系统用的微处理器和接口芯片的大量问世，为高质量的控制创造了良好的条件。建立在电机统一理论和机电一体化理论基础上的各种先进控制方案，通过快速检测电流实现PWM控制的变频技术，通过直接控制转矩来快速控制转速的转速自调整技术，以及具有很强抗干扰能力的变结构控制系统等等，都极大地丰富了电机调速领域的内容。

交流异步电机的V/f比恒定控制是异步电动机变频调速中最基本的控制方式。它是在改变变频器输出电压频率的同时改变输出电压的幅值，以维护电机磁

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通基本恒定，从而在较宽的调速范围内，使电动机的效率、功率因数不下降。V/f控制是目前通用变频器中广泛采用的控制方式。因此，研究异步电机的V/F调速，有着一定的实际意义和应用价值。

1.3 本课题的主要工作

V/f比恒定控制是异步电动机变频调速中最基本的控制方式，常用于速度精

度要求不十分严格或负载变动较小的场合。由于V/f控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电机，所以这种控制方法通用性强、经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。

本课题的主要工作：

(1) 根据毕业设计任务设计书中的给定条件及要求，确定总体方案：V/F控制方式的SPWM变频调速；

(2)熟悉交流异步电机的特点，工作原理及调速方法，介绍交流异步电机变频调速的几种方式，分析V/F调速方式的原理和特点；

(3) 对采用SPWM技术实现V/F控制的交流异步电机变频调速进行研究； (4) 借助MATLAB建立系统模型、仿真，并对仿真结果进行分析；

1.4 本章小结

本章内容简单介绍了电动机在工农业生产、国防、科技、日常生活等各个方面的作用，简述了直流调速系统和交流调速系统各自的特点，分析了交流调速系统将代替直流调速系统的趋势，简单介绍了本课题的研究意义和论文的主要工作。

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第2章 交流异步电动机简介

2.1 异步电动机的特点

异步电动机(asynchronous motor) 又称感应电动机,是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩,从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电动机。 异步电动机按照转子结构分为两种形式:有鼠笼式、绕线式异步电动机。作电动机运行的异步电机。因其转子绕组电流是感应产生的，又称感应电动机。异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。在中国，异步电动机的用电量约占总负荷的60％多。

异步电动机的转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统；与其他电机相比，异步电动机的结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低。以三相异步电动机为例，与同功率、同转速的直流电动机相比，前者重量只及后者的二分之一，成本仅为三分之一。

异步电动机还容易按不同环境条件的要求，派生出各种系列产品。它还具有接近恒速的负载特性，能满足大多数工农业生产机械拖动的要求。其局限性是，它的转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率（见异步电机），因而调速性能较差，在要求有较宽广的平滑调速范围的使用场合（如传动轧机、卷扬机、大型机床等），不如直流电动机经济、方便。此外,异步电动机运行时,从电力系统吸取无功功率以励磁，这会导致电力系统的功率因数变坏。因此，在大功率、低转速场合（如拖动球磨机、压缩机等）不如用同步电动机合理。

2.2异步电动机的分类

异步电动机的种类很多，从不同的角度有不同的分类法。 按定子相数分有单相异步电动机、三相异步电动机；

按转子绕组形式，一般可分为绕线式和鼠笼式两种类型。鼠笼式异步电动机中，又有单鼠笼、双鼠笼和深槽式之分；

按电机尺寸或功率，分为大型、中型、小型和小功率电机； 按电机的防护形式分为开启式、防护式、封闭式。

2.3异步电动机的用途

异步电机主要用作电动机，其功率范围从几瓦到上万千瓦，是国民经济各行业和人们日常生活中应用最广泛的电动机，为多种机械设备和家用电器提供动

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力。例如机床、中小型轧钢设备、风机、水泵、轻工机械、冶金和矿山机械等，大都采用三相异步电动机拖动；电风扇、洗衣机、电冰箱、空调器等家用电器中则广泛使用单相异步电动机。异步电机也可作为发电机，用于风力发电厂和小型水电站等。

2.4异步电动机的发展和发展趋势

1985年大部分地区迅速推广了全封闭自冷式鼠笼型三相异步电动机y系列及其派生系列产品，其功率范围为0.55～250kw，机座中心高为80～315。 通过引进消化美国西屋公司和瑞士bbc公司的技术，自行研发的y系列6kv、220～2800kw中型高压三相异步电动机，采用新颖的箱式结构，是目前国内中型高压电机的主导产品，以后又随着我国电网电压由6kv升高到10kv，又研发了10kv系列中小型高压异步电动机。

1996年以电科所为首组织有关厂家完成了y2系列的开发，功率范围为0.12～315kw，机座中心高为63～355。该系列产品显著降低了空载噪声，有效抑制了负载噪声。

2003年电科所组织有关厂家又完整地建立了全系列采用冷轧硅钢片的y3系列，其能耗达到国标gb18163－2002中能耗限定值的规定，同时也达到欧洲eff2效率标准，并且主要性能指标达到国际同类产品的先进水平。

1992年美国能源部发布了新的能源法规，提出了高效率三相异步电动机的效率标准，并规定从1997年10月24日开始，凡制造和进口一般用途电动机效率必须符合这一标准。以后又更进一步提出超高效率电机。1999年欧洲电机和电力电子制造商协会制定了eff1、eff2、eff3三个等级的效率标准，并决定到2003年削减50％低于eff3标准水平的电机生产，2006年以后不再生产。 我国也于2002年8月正式实施《中小型三相异步电动机能效限定值及节能评定值》的国标（gb18163-2002）。因此借着节能的规划和“以冷代热”的法令，应该大力推广y3新系列，使之成为我国低压三相异步电动机的主导产品，且新一轮的派生系列产品也应在y3新系列上展开。

计算机控制技术和现代控制理论应用与交流调速系统后为其发展创造了更加有利的条件。使交流调速系统成为当前发展和研究的重点。采用微机控制后用软件实现矢量控制算法。使硬件电路规范化。从而降低了成本，提高了可靠性。而且还有可能进一步实现更复杂的动力。交流传动正逐步取代支流传动而成为机电传动的主流。

2.5 三相异步电机工作的基本原理

2.5.1 异步电动机的等效电路

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异步电动机的转子能量是通过电磁感应而得来的。定子和转子之间在电路上没有任何联系，其电路可用图2.1来表示。

图2.1异步电动机的定、转子图

图2.1中：

U1——定子的相电压；

.Ｉ１——定子的相电流；

r１　、　x１ ——定子每相绕组的电阻和漏抗；

.E2s.、I2S、

X2S分别是转子电路产生的电动势、电流、漏电抗；

E1——每相定子绕组反电动势，它是定子绕组切割旋转磁场而产生的。其

有效值可计算如下：

E1?4.44f1N1KN1?m （2-1）

式中: E1—气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值； f1—定子频率； N1—定子每相绕组中串联匝数； KN1—基波绕组系数； ?m—极气隙磁通。

由电动机的基础知识可知：转子回路的频率 f2?sf1，与转差率成正比，所以转子回路中的各电量也都与转差率成正比。

为了方便定量分析定、转子之间的各种数量关系，应将定子、转子放在一个电路中。由于定子、转子回路的频率、绕组、匝数不同，故必须进行折算。根据电机学原理，在下列假定条件下：

a.忽略空间和时间谐波，各绕组的自感和互感都是线性的； b.忽略磁饱和； c.忽略铁损。

可以得到电动机的T形等效电路图，由于交流异步电动机三相对称，所以现

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只取A相进行计算分析。A相的T形等效电路如图2.2所示。

图2.2 电动机的T形等效电路图

图2.2中：

rm——励磁电阻，是表征异步电动机铁心损耗的等效电阻；

xm——励磁电抗，是表征铁心磁化能力的一个参数；

RL——机械负载的等效电阻，在R=,1?sr?在R上消耗的功率就相当

LL2s于异步电动机输出的机械功率；

?、Ｅ???I22　、ｒ2　、Ｘ2等参数——经过折算后的转子参数。

Ｉ0——励磁电流；

.2.5.2 异步电动机的转矩 （1）电磁转矩的表达式

???m?m9550?m??n （2-2）

式中

的单位为KW；n的单位是r/min；Ｔ的单位是V·M。

（2）电磁转矩的物理表达式

?eCT?M?,2cos?2 = （2-3）

式中 CT——转矩常数；

?m——主磁通。

（3）电磁转矩的参数表达式

2psU12r2??e?)2?s2(x1?x2?)2]2?f[(sr?r112 = （2-4） 式中 p——磁极对数；

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U1——电源的相电压； f1——电源频率。 2.5.3异步电动机的机械特性

机械特性是指电动机在运行时，其转速与电磁转矩之间的关系，即n=f(T)，它可由（2-3）所决定的T?f(s)曲线变换而来。异步电动机工作在额定电压、额定频率下，由电动机本身固有的参数所决定的n?f(T)曲线，叫做电动机的自然机械特性。

图2.3 异步电动机机械特性曲线

只要确定曲线上的几个特殊点，就能画出电动机的机械特性。 1.理想空载点

图2.3中的E点，在这点上，电动机以同步转速n0运行（s=0），其电磁转矩T=0。

2.起动点

图2.3中的S点，在起动点上，电动机已接通电源，但尚未起动。对应这一点的转速n＝0（ｓ＝1），电磁转矩称起动转矩?st，起动是带负载的能力一般用

T起动倍数来表示，即 K st ? st 。式中,TN为额定转矩。 TN3.临界点 临界点Ｋ是一个非常重要的点，它是机械特性稳定运行区和非稳定区的分界点。电动机运行在Ｋ点时，电磁转矩为临界转矩TK，它表示了电动机所有能产生的最大转矩，此时的转差率叫临界转差率，用sK表示。TK、sK根据式（2－3）用求极值的办法求出，即：由dTds＝0，可得：

r2?r2?sK??22?x1?x2?)r1?(x1?x2 （2－4）

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3pU12TK??22?)?)]4?f1(x1?x24?f1[r1?r1?(x1?x23pU12 （2－5）

电动机正常运行时，需要有一定的过载能力，一般用?m表示，即

?m＝

TK （2－6） TN普通电动机的?m＝2.0～2.2之间，而对某些特殊用电动机，其过负载能力可以更高一些。

上述分析说明：?K的大小影响着电动机的过载能力，?K越小，为了保证过载能力不变，电动机所带的负载就越小。由nK?n0(1?sK)知：sK越小，nK越大，机械特性就越硬。因此在调速过程中，?K、sK的变化规律常常是关注的重点。特别是研究变频后的电动机机械特性，?K、sK就显得尤其重要。变频后的机械特性将会在下一小节中介绍。

2.6异步电动机的调速方法：

（1）绕线式电动机转子串电阻调速方法

绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。 （2）变极对数调速方法

这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。 （3）定子调压调速方法

当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。为了扩大稳定运行范围，当调速在2：1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。 调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。

（4）串级调速方法

串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动

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机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。 （5）变频调速方法

变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。

2.7 本章小结

本章介绍了交流异步电动机的特点、分类、用途、发展趋势等基本情况，着重介绍了异步电机的工作原理以及调速方法，为后文中研究异步电机变频调速做个铺垫。

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第3章 异步电机的变频调速原理及控制方式的选定

3.1变频调速原理

交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。根据统计，我国异步电动机的使用容量约占拖动总容量的八成以上，因此了解异步电动机的调速原理十分重要。

交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。根据统计，我国异步电动机的使用容量约占拖动总容量的八成以上，因此了解异步电动机的调速原理十分重要。

交流调速是通过改变电定子绕组的供电的频率来达到调速的目的的，但定子绕组上接入三相交流电时，定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转的磁场，它与转子绕组产生感应电动势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩。使电动机转起来。电机磁场转速称为同步转速，用n0表示：

n0?60fp （3-1）

式中：f为三相交流电源频率，一般是50Hz；p为磁极对数。当p=1是，

n0=3000r／min；p=2时，n0=1500r／min。

由上式可知磁极对数p越多，转速n0就越慢，转子的实际转速n比磁场的同步转速n要慢一点，所以称为异步电动机，这个差别用转差率s表示：

0s?

n0?n?100%n0 （3-2）

在加上电源转子尚未转动瞬间，n=0，这时s=1；启动后的极端情况n=n0，则s=0，即s在0～1之间变化，一般异步电动机在额定负载下的 s=1%～6%。综合（3-1）和（3-2）式可以得出：

n?n0(1?s)?60f(1?s)p （3-3）

由式（3-3）可以看出，对于成品电机，其极对数p已经确定，转差率s的变化不大，则电机的转速n与电源频率f成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。

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3.2 变频调速的控制方式及选定

3.2.1 V/f比恒定控制

V/f比恒定控制是异步电动机变频调速中最基本的控制方式。它是在改变

变频器输出电压频率的同时改变输出电压的幅值，以维护电机磁通基本恒定，从而在较宽的调速范围内，使电动机的效率、功率因数不下降。V/f控制是目前通用变频器中广泛采用的控制方式。

三相交流异步电动机在工作过程中铁心磁通接近饱和状态，从而使铁心材料得到充分的利用。在变频调速的过程中，当电动机电源的频率发生变化时，电动机的阻抗将随之变化，从而引起励磁电流的变化，使电动机出现励磁不足或励磁过强。在励磁不足时电动机的输出转矩将降低，而励磁过强时又会使铁心中的磁通处于饱和状态，是电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的功率损耗，降低电动机的效率和功率因数。因此在改变频率进行调速时，必须采取措施保持磁通恒定为额定值。

由电机理论知道，电机定子的感应电势有效值是：

E1?4.44f1N1KN1?m

则 ?m?E1E 即?m?1 （3-4）

f14.44f1KN1N1另外，电机的电磁转矩为:

?e?CT?m?2cos?2 （3-5）

其中 CT—与电动机有关的常数；

Cos?2—转子每相电路功率因数；

?2—转子电压与电流的相位差；

?e—电机的电磁转矩。

由式(3-4)推断，若E1不变，当定子电源频率f1增加，将引起气隙磁通?m减小；而由式(3-5)可知，?m减小又引起电动机电磁转矩?e减小，这就出现了频率增加，而负载能力下降的情况。在E1不变时，而定子电源频率f1减小，又将引起?m增加,?m增加将导致磁路饱和，励磁电流升高，从而导致电动机发热，严重时会因绕组过热而损坏电动机。由以上情况可知:变频调速时，必须使气隙磁通不变。因此，在调节频率的同时，必须对定子电压进行协调控制，但控制方

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式随运行频率在基频以下和基频以上而不同。

1.基频以下调速

由式(3-4)可知，要保持?m不变，当频率f1从额定值fN向下调节时，必须同时降低E1,使

E1/f1=常值

只要保持E1/f1为常数，就可以达到维持磁通恒定的目的。因此这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。 根据电机端电压和感应电势的关系式：

U1?E1?(r1?jx1)I1 (3-6)

式中: U1-定子相电压； r1-定子电阻； x1-定子阻抗； I1-定子电流。

当电机在额定运行情况下，电机定子电阻和漏阻抗的压降较小，U1和E1可以看成近似相等，所以保持V/f=常数即可。

由于V/f比恒定调速是从基频向下调速，所以当频率较低时，U1与E1都变小，定子漏阻抗压降(主要是定子电阻压降)不能再忽略。这种情况下，可以人为地适当提高定子电压以补偿电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。

变频后的机械特性如图3.1所示。

图3.1 电动机低于额定转速方向调速时的机械特性

从图3.1中可以看出，当电动机向低于额定转速n0方向调速时,曲线近似平行地下降，减速后的电动机仍然保持原来较硬的机械特性；但是临界转矩却随着

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电动机转速的下降而逐渐减小，这就是造成了电动机负载能力的下降。

临界转矩下降的原因可以如下解释：为了使电动机定子的磁通量?m保持恒定，调速时就要求感应电动势E1与电源频率f1的比值不变，为了使控制容易实现，采用电源电压U≈E1来近似代替，这是以忽略定子阻抗压降作为代价，当然存在一定的误差。显然，被忽略的定子阻抗压降在电压U中所占的比例大小决定了它的影响。当f1的数值相对较高时，定子阻抗压降在电压U中所占的比例相对较小，U≈E1所产生的误差较少；当f1的数值较低时，定子阻抗压降在电压U中所占的比例下降，而定子阻抗的压降并不按同比例下井，使得定子阻抗压降在电压U中的比例增大，已经不能再满足U≈E1。此时如果仍以U代替E1，将带来很大的误差。因为定子阻抗压降所占的比例增大，使得实际上产生的感应电动势E1减小，E1/f1的比值减小，造成磁通量?m减小，因而导致电动机的临界转矩的下降。

变频后机械特性的降低将是电动机带负载能力减弱，影响交流电动机变频调速的使用。一种简单的解决方法就是所示的V/f转矩补偿法。

转矩补偿法的原理是：针对频率f降低时，电源电压U成比例地降低引起的

U的下降过低，采用适当的提高电压U的方法来保持磁通量?m恒定，使电动机转矩回升，因此，有些变频器说明书又称它为转矩提升（Torque Boost）。

带定子压降补偿的压频比控制特性示于图3.2中的b线，无补偿的控制特性则为a线。

定子降压补偿只能补偿于额定转速方向调速时的机械特性，而对向高于额定转速方向调速时的机械特性不能补偿。

图3.2 压频比控制特性曲线

补偿后的机械特性曲线如图3.3所示。

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图3.3 补偿后的机械特性曲线

2.在基频以上调速

在基频以上调速时，频率可以从额定频率fN向上增高，但是电压却不能超出额定电压UN，由式（3-4）可知，这将迫使磁通与频率成反比例降低。这种调速方式下，转子升高时转矩降低，属于恒功率调速方式。

变频后的机械特性如图3.4所示。

图3.4 电动机高于额定转速方向调速时的机械特性

当电动机向高于额定转速n0方向调速时，曲线不仅临界转矩下降，而且曲线工作段的斜率开始增大，使得机械特性变软。

造成这种现象的原因是：当频率f1升高时，电源电压不可能相应升高。这是因为电动机绕组的绝缘强度限制了电源电压不能超过电动机的额定电压，所以，磁通量?m将随着频率f1的升高反比例下降。磁通量的下将使电动机的转矩下降，造成电动机的机械特性变软。

以上调速方式相应的特性曲线如图3.5所示。

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恒转矩调速恒功率调速

图3.5整个频率调速的特性曲线

注：图中曲线1——在低频时没有定子降压补偿的压频曲线和主磁通曲线 图中曲线2——在低频时有定子降压补偿的压频曲线和主磁通曲线

V/f比恒定控制存在的主要问题是低速性能差。其原因一方面是低速时定子的电压和电势近似相等条件已不能满足，所以仍按V/f比恒定控制就不能保持电机磁通恒定，而电机磁通的减小势必会造成电机的电磁转矩减小。另一方面原因是低速时逆变器桥臂上、下开关元件的导通时间相对较短，电压下降，而且它们的互锁时间也造成了电压降低，从而引起转矩脉动，在一定条件下这将会引起转速、电流的振荡，严重时会导致变频器不能运行。 3.2.2 其它控制方式 （1）转差频率控制变频调速

转差率控制方式是V/f控制的一种改进，这种控制需要由安装在电动机上的速度传感器检测出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出时转差率，而变频器的输出频率则有电动机实际转速与所需转差频率之和决定。它是解决V/f控制静态性能较差的一种有效方法。虽然这种方法可以提高调速精度，但是它需要使用速度传感器来求取转差角频率，还要针对具体电机的机械特性调整控制参数，因而此方法的通用性较差。 （2）矢量控制变频调速

矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流

??1，Ia、Ib、Ic通过三相——两相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流??1、

再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流?m1、?t1（?m1相当于直流电动机的励磁电流；?t1相当于与转矩成比例的电枢电流），然后仿效直流电动机的控制方法，求得直流电动机控制量，经过相应的坐标反变换，

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实现对异步电动机的控制。在高性能的异步电机控制系统中多采用交叉闭环控制的矢量控制。采用矢量控制方式的目的，主要是为了提高变频调速的动态性能。虽然这一理论的提出是交流传动理论上的一个飞跃，但是由于它既要确定转子的磁链，又要进行坐标变换，还要考虑转子参数变动带来的影响，所以系统非常复杂。矢量控制变频器通常应用于轧钢、造纸设备等对动态性能要求较高的场合。 （3）直接转矩控制变频调速

1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

日前市场销售的通用变频器的控制多半为V/f比恒定控制，它的应用比较广泛，特别是在风机，泵及土木机械等方面应用较多，V/f比恒定控制的突出优点是可以进行电机的开环速度控制。

3.3 本章小结

从以上的分析可看出，V/f控制常用于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合。由于V/f控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电机，所以这种控制方法通用性强、经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。由此，在本设计中采用V/f控制。

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第4章 SPWM变频调速系统分析

目前PWM技术已经广泛应用到变频调速系统当中，变频调速系统采用PWM技术不仅能够及时、准确地实现变压变频控制要求，而且更重要的意义是抑制逆变器输出电压或电流中的谐波分量，从而降低或消除了变频调速时电动机的转矩脉动，提高了电动机的工作效率，扩大了调速系统的调速范围。V/F控制的SPWM变频调速系统的主要部分是SPWM变频器，下面先对变频器做个介绍。

4.1变频器简介

变频调速实际上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。能实现这个功能的装置称为变频器。变频器由两部分组成：主电路和控制电路。其中，给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分称为主电路，主电路包括整流器、中间直流环节（又称平波回路）和逆变器等。根据主电路的不同，变频器又可以分为交-交变频器和交-直-交变频器。交-直-交变频器的主要构成环节如图4.1所示。

AC~50Hz恒压恒频（CVCF）整流DC逆变中间直流环节(a)AC变压变频（VVVF）图4.1 变频器的主要构成环节

交-直-交变频器先把交流电转换为直流电，经中间直流环节后再把直流电逆变成变频变压的交流电，又称为间接变频器。按不同的控制方式，间接变频器又分为三种情况。

（1）用可控整流器调压，逆变器调频的交-直-交变频器，如图4.2（a）所示。这种变频器调压和调频在两个环节上分别进行，其结构简单，控制方便。但由于输入环节采用晶闸管可控整流器，当电压调得较低时，电网端功率因数低，而输出环节采用由晶闸管组成的三相六拍逆变器，每周期换相六次，输出谐波大。

（2）用不可控整流器整流，斩波器调压，再用逆变器调频的交-直-交变频器，如图4.2（b）所示。这种变频器输入环节采用不可控整流器，只整流不调压，再增设斩波器进行脉宽调压，这样虽然多了一个环节，但输入功率因数提高，

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克服了4.2（a）中装置功率因数低的缺点。由于输出逆变环节未变，仍然有谐波较大的问题。

（3）用不可控整流器整流，脉宽调制逆变器同时调压调频的交-直-交变频器，如图4.2（c）所示。由图可见，输入用不可控整流器，则输入功率因数高；用PWM逆变，则输出谐波可以减少。PWM逆变器采用全控型电力电子器件，其输出谐波减少的程度取决于PWM的开关频率，而开关则受器件开关时间的限制。采用P-MOSFET或IGBT时，开关频率可达10kHz以上，输出波形已经非常逼近正弦波，因而又称正弦脉宽逆变器（SPWM），这是当前最有发展前途的一种装置形式。

~50HzAC可控整流调压DC逆变AC

(b)（a）

（VVVF）调频

AC~50Hz不控整流DC斩波器DC逆变ACVVVF调压(c)（b）

调频

~ 50 Hz AC

不控 整流 DC PWM 逆变 调压调频 AC （ VVVF ） （c）

图4.2间接变频装置的不同结构形式

采用SPWM技术的变频器输出的电压或电流波形接近于正弦波形。SPWM方案多种多样，归纳起来可以分为电压正弦PWM，电流正弦PWM，磁通正弦PWM三种基本类型，其中电压正弦PWM和电流正弦PWM是从电源角度出发的SPWM，磁通正弦PWM（也称为电压空间矢量PWM）是从电机角度出发的SPWM方法。

图4.3是SPWM变频器主电路的原理图。图中VT1至VT6是逆变器的6个全控型功率开关器件，它们各有一个续流二极管反并连接。整个逆变器由三相不可控整流器供电，所提供的直流恒值电压为Ud。电机绕组上所获得的相电压为Ud/2。

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VT1Ud2VT3VT5~0?VT4Ud2VT6VT2ABCM3~ 图4-42 SPWM变压变频器主电路原理图4.2 SPWM调制技术简介 4.2.1 SPWM调制原理

SPWM调制技术是PWM多脉冲可变脉宽调制技术的一种，即所谓的正弦波脉宽调制.其输出波形是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作n等份，然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等份的中点相重合，这样，由n个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法与一系列负脉冲波等效。如图4.4所示。

设由整流器提供的直流恒值电压为Us，并设电机绕组中点与直流电压中点相连，则SPWM脉冲序列波的幅值为Us/2。令第i个矩形脉冲的宽度为?i，其中心点相位角为?i，则根据面积相等的等效原则，可写成：

?1??图4.3 SPWM变频器主电路原理图

?iUs=Um2??sin?1td?1t?U?cos(???)?cosk(???)?=2Usin?sin?

m?iimi1?2n2n2n?2n???2n（4-1）

当n的数值较大时，近似的认为sin?/(2n)=?/(2n)，于是

2?Umsin?i （4-2） nUs?i?上式 表 明 第i个矩形脉冲的宽度与该处正弦波值近币以成正比。因此，与半个周期正弦波等效的SPWM波是两侧窄、中间宽、脉宽按正弦规律逐渐变化的序列脉冲波形。

相比于其它各种变频变压调制方式，这样的脉冲系列可获得比常规六拍阶梯波更接近于正弦波的输出电压波形，可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，因而转矩脉动小。由于电网的功率因数接近于1，大大提高了系统的整体性

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能。

u0 Umsinwt w1t 2? T 图4.4 SPWM的输出波形

产生SPWM信号的方法是用一组等腰三角波(称为载波)与一个正弦波(称为调制波)进行比较，如图4.5所示，两波形的交点作为逆变开关管的开通与关断时间。当调制波的幅值大于载波的幅值时，开关器件导通，当调制波的幅值小于载波的幅值时，开关器件关断。图4.5为SPWM波生成方法：

u载波调制波0u开的时刻关的时刻t0图4.5 SPWM波生成方法 t 4.2.2 同步调制与异步调制

在实行spwm时，视载波比n的变化与否，有同步调制与异步调制之分。 （1）同步调制

在同步调制方式中，n＝常数，变频时三角载波的频率与正弦调制波的频率

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同步改变，因而输出电压半波内的矩形脉冲数是固定不变的。如果取n等于3的倍数，则同步调制能保证输出波形的正、负半波始终对称，并能严格保证三相输出波形间具有互差 120°的对称关系。但是，当输出频率很低时，由于相邻两脉冲间的间距增大，谐波会显著增加，使负载电动机产生较大脉动转矩和较强的噪声，这是同步调制方式的主要缺点。 （2）异步调制

为了消除同步调制的缺点，可以采用异步调制方式。顾名思义，异步调制时，在变压变频器的整个变频范围内，载波比n不等于常数。一般在改变调制波频率fr时保持三角载波频率ft不变，因而提高了低频时的载波比。这样输出电压半波内的矩形脉冲数可随输出频率的降低而增加，从而减少负载电动机的转矩脉动与噪声，改善了系统的低频工作性能。

有一利必有一弊，异步调制方式在改善低频工作性能的同时，又失去了同步调制的优点。当载波比n随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是3的倍数，势必使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称性，可能引起电动机工作的不平稳。 （3）分段同步调制

为了扬长避短，可将同步调制和异步调制结合起来，成为分段同步调制方式，实用的spwm变压变频器多采用这种方式。

在一定频率范围内采用同步调制，可保持输出波形对称的优点，但频率降低较多时，如果仍保持载波比n不变，输出电压谐波将会增大。为了避免这个缺点，可以采纳异步调制的长处，使载波比分段有级地加大，这就是分段同步调制方式。具体地说，把整个变频范围划分成若干频段，在每个频段内都维持载波比n恒定，而对不同的频段取不同的n值，频率低时，n值取大些，一般大致按等比级数安排。 4.2.3 SPWM控制信号的产生方法

从所能收集到的科研文献中，可以归结出很多种生成SPWM脉冲的方法，大致分为两大类:第一类是完全由模拟电路生成;第二类是由专用集成芯片生成。 （1）SPWM的模拟控制

原始的SPWM是由模拟控制来实现的。图4.6是SPWM模拟控制电路原理框图。三相对称的参考正弦电压调制信号ura，urb，urc由参考信号发生器提供，其频率和幅值都是可调的。三角载波信号ut由三角波发生器提供，各相共用。它分别与每相调制信号在比较器上进行比较，给出正或零的饱和输出，产生SPWM脉冲序列波uda，udb，udc，作为变压变频器功率开关器件的驱动信号。

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图4.6 SPWM波模拟控制电路

本方法原理简单而且直观。但是，由于正弦波调制和三角载波由硬件电路生成，硬件开销大，系统可靠性差。并且当控制电路的直流电源电压有波动或有噪声干扰时，都将引起SPWM脉冲宽度的变化，从而影响到变频器输出频率和电压的稳定性。整个系统受温漂和时漂的影响大，当输出频率低、调制深度很小时，噪声干扰尤其严重，输出频率精度很差。由于以上缺点,SPWM 的模拟控制电路现已很少应用，但它的原理往往是其他控制方法的基础，仍须充分了解。 (2) SPWM的数字控制

数字控制是SPWM目前常用的控制方法。可以采用微机存储预先计算好的SPWM数据表格，控制时根据指令调出;或者通过软件实时生成SPWM波形;也可以采用大规模集成电路专用芯片产生SPWM信号。

分析生成SPWM波形的实现方式,模拟控制和数字控制两种形式。传统的模拟控制在逆变器中应用广泛，技术成熟，控制性能优良，但模拟控制也存在一些缺陷：元件众多，设计周期长，调试复杂，不易管理维护等。随着数字信号处理技术的蓬勃发展，数字控制技术已经成功地应用到电力电子与电力传动控制领域中来，逆变器的数字控制逐渐成为研究热点。

由于微型技术的迅速发展和应用，交流电机变频调速系统的控制回路均以单片微机和SPWM脉宽调制共同完成。由于微机的高度集成化和很强的运算功能，用于PWM调速系统进行直接数字控制，可得到高度的稳定性、高度可靠性以及小型化和便于维修、节能、提高产品质量等应用效果。

4.3 电压型GTR-SPWM异步电机变频调速系统分析

电压型GTR-SPWM异步电机变频调速系统如图4.7所示，系统的主电路由不可

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控三相桥式整流器UR、三相桥式SPWM逆变器UI和中间直流环节等三部分组成。对于电压型而言，中间直流环节采用大电容C进行滤波和中间储能。

二极管整流虽然是全波整流电路，但由于整流桥接滤波电容，只有当交流电压超过电容电压时，整流电路才进行充电。交流电压小于电容电压时，电流为零，这将导致在电网上产生谐波。为了抑制谐波，通常在电网和变频器之间加一个进线电抗器LL。 SA。 。3~ 。 QMLLR0R1RbUIIMR2VTb 图4-50 SPWM变频调速系统结构图图4.7 SPWM变频调速系统结构图

显示设定接口单片微机故障综合电路电压检测泵升限制电流检测温度检测电流检测驱动电路由于电容量很大，合闸突然加电压时，电容相当于短路，将产生很大的充电电流，损坏整流二极管。为了限制充电电流，采用先留电阻R0和延时开关SA组成的预充电电路对电容C进行充电，电源合闸后，延时数秒，通过R0对电容C进行充电。电容的电压升高到一定值后，闭合开关SA将限流电阻R0短路，避免正常运行时的附加损耗。

4.4 本章小结

本章主要介绍了变频器的结构和SPWM调制原理、实现方式以及控制信号的产生方法，简单介绍了一下电压型GTR-SPWM异步电机变频调速系统。将SPWM技术应用与交流变频调速，可以在同一时刻准确的实现调压和调频，并且还能抑制逆变器输出电压或电流中的谐波分量，从而降低或消除了变频调速时电动机的转矩脉动，提高了电动机的工作效率，扩大了调速系统的调速范围。因此，采用SPWM技术实现V/F调速是一种非常不错的调速方式。

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第5章 MATLAB简介

MATLAB是一门计算机编程语言，取名来源于Matrix Laboratory，本意是专门以矩阵的方式来处理计算机数据，它把数值计算和可视化环境集成到一起，非常直观，而且提供了大量的函数，使其越来越受到人们的喜爱，工具箱越来越多，应用范围也越来越广泛。

MATLAB最突出的特点就是简洁。MATLAB用更直观的，符合人们思维习惯的代码，代替了C和FORTRAN语言的冗长代码。MATLAB给用户带来的是最直观，最简洁的程序开发环境。MATLAB还具有以下特点：

(1) 语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。 (2) 运算符丰富。

(3) MATLAB既具有结构化的控制语句（如for循环，while循环，break语句和if语句），又有面向对象编程的特性。

(4) 程序限制不严格，程序设计自由度大。

(5) 程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。

(6) MATLAB的图形功能强大。

(7) MATLAB的缺点是，它和其他高级程序相比，程序的执行速度较慢。由于MATLAB的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执行，所以速度较慢。

(8) 功能强大的工具箱是MATLAB的另一特色。

(9) 源程序的开放性。开放性也许是MATLAB最受人们欢迎的特点。

5.1 MATLAB的安装

MATLAB的安装非常简单，这里以MATLAB 7.0版本为例。运行setup后，输入正确的序列号，选择好安装路径和安装的模块，几乎是一直回车就可以了。这里有一点要注意的是，由于不同操作系统设置，可能会出现一些意外错误，而且越高版本的MATLAB对计算机系统的要求也越高，如6.1版本要求至少64M内存，最好128M。所以根据自身情况选择适合的版本安装，最好还要在操作系统初安装后就安装，避免出现意外。

5.2 MATLAB的启动运行

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MATLAB的启动运行：＃:\\MATLAB7.0\\bin\\win32\\matlab.exe(其中＃为安装盘符)。但一般安装完毕后会在安装目录下有一个快捷运行方式。

MATLAB启动后显示的窗口称为命令窗口，提示符为“>>”。一般可以在命令窗口中直接进行简单的算术运算和函数调用。如果重复输入一组表达式或计算复杂，则可以定义程序文件来执行达到目的。程序文件扩展名为“.mdl”，以文本文件形式保存。有两种方式运行程序文件：一是直接在MATLAB命令窗口输入文件名，二是选择File-Open打开m文件，弹出的窗口为MATLAB编辑器。这时可选择它的Debug菜单的Run子菜单运行。

5.3 MATLAB的帮助文件

学习MATLAB软件最好的教材是它的帮助文件。只要硬盘容量够大，极力推荐安装完整的帮助文档，即使对阅读英文不是很有信心，但我相信其足够的实例还是能让我们对要查询的命令函数有一定的了解的。有两种方法取得帮助信息：一是直接在命令窗口输入>>help 函数名；如help imread，会得到相应函数的有关帮助信息。二是在帮助窗口中查找相应信息。不同版本的帮助菜单界面有所不同，这只能依赖于自己去熟悉了。但总体上都和windows的界面具有相似的处理过程。

5.4 MATLAB所定义的特殊变量及其意义

MATLAB所定义的特殊变量及其意义如表5.1所示。

表5.1 MATLAB所定义的特殊变量及其意义

变量名 help who ans eps pi inf 列出所有定义过的变量名称 最近的计算结果的变量名 意 义 在线帮助命令, 如用help plot调用命令函数plot的帮助说明。 MATLAB定义的正的极小值=2.2204e-16 π值3.14159265... ∞值，无限大

5.5 MATLAB工具箱及SIMULINK简介

MATLAB是目前控制系统计算机辅助设计实用且有效的工具。它有先进和流行的控制策略工具箱，如鲁棒控制、u-分析与综合、神经网络、模糊预测控制、非线性控制设计、模糊逻辑工具箱等。可以说目前理论界和工业界广泛应用和研究的控制算法，几乎都可以在MATLAB中找到相应的工具箱[6]。

MATLAB的工具箱里，软件内容丰富，系统门类齐全。其中，SIMULINK

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仿真工具是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统。在SIMULINK环境中，利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像你用手和纸来画一样容易。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。SIMULINK包含有SINKS（输入方式）、SOURCE（输入源）、LINEAR（线性环节）、NONLINEAR（非线性环节）、CONNECTIONS（连接与接口）和EXTRA（其他环节）子模型库，而且每个子模型库中包含有相应的功能模块。用户也可以定制和创建用户自己的模块。

用SIMULINK创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。在定义完一个模型后，用户可以通过SIMULINK的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行一大类仿真非常有用。采用SCOPE模块和其他的画图模块，在仿真进行的同时，就可观看到仿真结果。除此之外，用户还可以在改变参数后来迅速观看系统中发生的变化情况。仿真的结果还可以存放到MATLAB的工作空间里做事后处理。

由于MATLAB和SIMULINK的集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。

[5]

5.6 本章小结

本章主要介绍了此次系统仿真要用到的

MATLAB7.0软件,具体到它的安

装、启动运行及其所定义的特殊变量和意义。此次系统仿真用到的是SIMULINK工具，SIMULINK有两个明显的功能:仿真与连接,亦即可以利用鼠标器在模型窗口上画出所需的控制系统模型,然后利用该软件提供的功能来对系统直接进行仿真。很明显,这种做法使得一个很复杂系统的输入变得相当容易。

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第6章 系统建模与仿真

本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件MATLAB，以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱和Power System工具箱进行调速系统的建模和仿真。

6.1 系统的建模和模型参数设置

整个SPWM变频调速系统的仿真模型如图6.1所示

图6.1 SPWM变频调速系统仿真模型

6.1.1主电路的建模和参数设置

开环SPWM调速系统的主电路由SPWM变频电源，交流电动机和测量装置等部分组成。

（1）SPWM变频控制信号发生器的建模和参数设置。SPWM变频控制信号发生器仿真模型如图6.2所示。它由正弦波发生器，三角波发生器，SPWM波形发生器等环节组成。

图6.2 SPWM变频控制信号发生器仿真模型

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正弦波发生器仿真模型如图6.3所示。正弦波发送仿真模型的频率输入信号f乘上2π后得到正弦波的频率ω，在与clock模块提供的时间变量t相乘，得到输入三相正弦波发生器模块；正弦波初相位由一个constant模块提供，参数设置为2π/3*[0,-1,1]，每相互差120度。

图6.3 正弦波发送器仿真模型

三角波频率通过constant模块进行设定，三角波的频率设为1650，它由图6.4所示电路模型实现。

图6.4 三角波发生器电路模型

（2）电动机的参数设置。电动机采用三相鼠笼式异步电机，参数设置如图6.5所示。

图6.5 三相鼠笼式异步电机的参数设置

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6.1.2 控制电路的建模和参数设置

控制电路只有一个变频给定环节，系统仿真模型中用阶跃输入信号模块来实现，其初始值为50Hz，在1s时刻阶跃到30Hz，通过改变正弦调制波的频率来实现系统的变频，进而实现调速。本系统采用异步调制，改变正弦调制波的频率时，三角波的频率不变。

6.2 系统的仿真及结果分析

系统的仿真终止时间为2.5s，仿真算法选择ode23tb，相对允许误差和绝对允许误差均为1e-3，变步长仿真。图6.6中自上而下依次为转子a相电流、定子a相电流、电机转速和电机转矩。

图6.6 仿真波形

由仿真结果知，在0至0.25S时，电机处于加速过程，0.25S之后进入稳态。由于空载，所以转速稳定在同步转速1500的r/min附近，定子电流为空载电流，频率为50Hz，转子电流基本为0。在0.5S时突加负载，定转子电流迅速增加，输出转矩也相应增加，电机转速振荡下降，最后稳定在1420r/min附近，转速降落为80r/min左右。在1S时，电机频率指令变为30Hz，电机开始减速并最终稳定于820r/min附近，相对于30Hz下的同步转速900r/min，转速降落同样为80r/min，这与前面对变频调速特性的分析一致。由于转子电流频率即为转差频率，因此在同一负载下，无论定子频率是否变化，转子电流频率基本不变。同时还可以看出启动电流相对较小。这也是采用变频器的优势之一。此外，只要改变定子的频率就可以得到相应的转速。

6.3 本章小结

本章主要通过借助工程软件MATLAB建立SPWM变频调速系统仿真模型并进行了仿真。由上面的仿真结果可以看出，采用SPWM技术实现对交流异步电机的V/F

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调速，调速范围较宽，调速性能较好，实现起来也比较简单，是一种比较理想的调速方式。

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结 论

本文设计的SPWM变频调速系统能够及时、准确地实现变压变频控制要求，抑制逆变器输出电压或电流中的谐波分量，拥有较好的动态和稳态性能，但仍然存在很多问题。在按照工程设计方法交流电机SPWM变频调速系统的过程中，由于非线性环节线性化处理、近似处理、降阶处理、调节器的饱和非线性等因素导致了工程设计与性能要求有差距。从而，仿真出来的波形超调量过大，抗扰性能不是很理想。所以在系统的仿真过程中，必须经过大量的调试，适当的调整参数，才能得出超调量较低、抗扰性能较好的双闭环调速系统。

造成系统工程设计方法与仿真实验之间有差距的原因，现总结如下几点: (1) 工程设计方法在推导过程中做了许多近似的处理，而这些简化处理在一定的条件下才能成立。

(2) 仿真实验在建立模型过程中忽略了许多非线性因素和次要因素。 (3) 用MATLAB/SIMULINK软件是控制系统的一种功能完善，实现系统控制容易，构造模型简单的强大的动态仿真工具。该方法经济又方便，能大大缩短科研开发的速度，提高开发效率，同时可以尝试不同的控制策略，进行优化设计。

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参考文献

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的应用［Ｍ］．清华大学出版社，2007.1

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[12] 袁锴，汤炳新．基于MATLAB电机调速系统设计［Ｍ］．河海大学学报，2004，

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Induction Motor Drive［Ｍ］. IEEE Trans. IA-21 No.5.1995：10-15 [15] Starr BG. LSI Circuit for AC Motor Speed Control［Ｍ］. Electronic

Components and Application. Vol.2, NO.4，1999：36-39

[16] Taniguchi K. Application of power Chopper to thyristor Scherbius

［Ｍ］. IEEE Froceedings,Vol.133 pt，b，1999(4)：71-76

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致 谢

随着为期一个学期的毕业设计接近尾声，我四年的大学生活也即将结束，突然很强烈地感觉到时间过得是那么的快，大一刚进校门时的情景在我脑海里都依稀记得。此次毕业设计的完成，凝聚着许多人的关怀和帮助。首先要感谢我敬爱的指导教师李建军老师在学术上的精心指导和严格要求，李老师教会我的不仅仅是一些课本知识，更重要的是，他教会了我一种思考问题的思维方式。其次要感谢一起做毕业设计的我的同学们。通过跟老师和同学们的一起探讨和研究，才使我能顺利的完成毕业设计。

四年的大学时光转瞬即逝，在这过程当中，每个人都在成长，我们以后的路还很长很长，等待我们的还有一个又一个的四年，随着时间的变化，我们只不过是换了一个地方和换了经常要遇到的人，对于我们自己而言，要做的就是坚持自己的理想，不停的前进。

最后，感谢所有支持我,鼓励我，帮助过我的人。

学生签名： 日 期：

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