恒压频比控制下交流异步电机调速系统仿真

——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U1 和角频率1 都为恒定值时，异步电动机的机械特性方程可以改写为

UTe3np112s1R2sR1R'22s221Ll1L'l22 （1—1）

当s 很小的时候，可忽略分母中含s 各项，则：

Us1Te3np1s （1—2）

R'122 当s 很小的时候，转矩近似与s 成正比，机械特性Te=f（s）是一段直线；当s接近1时。可忽略（1—2）式分母中的R'2 ，则：

U11R21T3np2 e22s （1—3） 1sR11Ll1L'l2 即s 接近1时，转矩近似与s成反比，这时 Te=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nA 在一定的负载转矩 TlA下运行时，电压和频率可以有多种组合，其中恒压频比（U1/1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

2 n060w1 （1—4） 2np带负载时的转速降落为 ，

nsn060s1 （1—5） 2np在式（1—2）中所表示的机械特性近似直线段上。可以导出

s1R'2TeU3np112 （1—6）

可见，当U1/1为恒值时，对同一转矩T，s1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U1/1为恒值时最大转矩Temax随角频率1的变化关系为

Temax3Unp121R1212 （1—7）

R21Ll1L'l211可见，Temax是随着1的降低而减小的，频率很低时，Temax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 U1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

2.1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。

2.2调速电机选定

表2.2：电机参数设置

逆变器直流侧电压Ud 交流异步电机参数(4.7KW) 电压 定子绕组电阻 转子绕组电阻 互感 摩擦系数 380V 1.115 1.083 0.2037H 0.005752F 频率 定子绕组漏感 转子绕组漏感 转动惯量 极对数 50Hz 0.005974H 0.005974H 0.021J 2 514V 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.

2.3 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fs时要保持气隙磁通m不变

图2-3.1：恒压频比控就需要

Egfs常数。因为Es不能直接检测和控制，在忽略定子绕组电阻时Es近似等于电

动机端电压Us。而Us和fs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Us/fs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Us，其控制特性如图2-3-1.

UNU0fU0fN

所以，U-f函数关系可设为： u(f)

UN为电机额定电压；U0为起动时的补偿电压；fN为电机额定频率。

不妨取满载时转差率为0.97，根据异步电动机稳态等效电路和感应电动势，以及电

6.5f55。机的阻抗参数，不难得到，UN380V，fN50hz，U055V,所以： U（f）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：

2.4 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Ud3804620V. 62.5 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

8定转矩TN9.（已标准化），通过Timer 模块设置转矩为0（空载），转矩为5（轻载），

转矩为9.8（额定负载，转速1455r/min,转差率0.97），转矩为18（过载），各持续0.5s,

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 0.5 1 1.5] ,Amplitude相量[0 5 9.8 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—0.5S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。

0.5—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—1.5S时间内，额定转矩为9.8，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9.8，与负载转矩平衡，使得电机转速下降为1455r/min。

1.5S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9.8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。

4.1 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。 4.2 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(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 仿真结果分析

设定Timer的Time 相量[0 0.5 1 1.5] ,Amplitude相量[0 5 9.8 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。