恒壓頻比控制下交流異步電機調(diào)速系統(tǒng)仿真.docx
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電力拖動自動控制系統(tǒng) ——運動控制系統(tǒng) 仿真作業(yè) 班 級:電氣12-6 姓 名:金 坤 學(xué) 號:1205030207 指導(dǎo)老師:任老師 變壓變頻調(diào)速下交流異步電機的系統(tǒng)仿真 ——轉(zhuǎn)速開環(huán)與閉環(huán)對比分析 一、 異步電動機的恒壓恒頻調(diào)速原理分析 異步電動機的變頻調(diào)速系統(tǒng)基本控制方式是變壓變頻,在基頻以下采用恒壓頻比帶定子壓降補償?shù)目刂品绞?,基本上要保持磁通在各級轉(zhuǎn)速上都為恒值?;l以下,磁通恒定,屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”;基頻以上,迫于定子電壓不能超過額定電壓,磁通與頻率成反比下降,轉(zhuǎn)速升高,轉(zhuǎn)矩下降,近似屬于“恒功率調(diào)速”。 當定子電壓 和角頻率 都為恒定值時,異步電動機的機械特性方程可以改寫為 (1—1) 當s 很小的時候,可忽略分母中含s 各項,則: (1—2) 當s 很小的時候,轉(zhuǎn)矩近似與s 成正比,機械特性=f(s)是一段直線;當s接近1時??珊雎裕?—2)式分母中的 ,則: (1—3) 即s 接近1時,轉(zhuǎn)矩近似與s成反比,這時 =f(s)是對稱于原點的一段雙曲線; 當 s為以上兩段的中間數(shù)值時,機械特性從直線過度到雙曲線。如下圖1-1. 由式(1-1),對于同一負載要求,即以一定的轉(zhuǎn)速 在一定的負載轉(zhuǎn)矩 下運行時,電壓和頻率可以有多種組合,其中恒壓頻比(恒值)最容易實現(xiàn)的。它的變頻機械特性基本上是平行下移,硬度也較好,能滿足一般的調(diào)速要求。但是低速帶載能力還較差,需對定子壓降實行補償 為了近似的保持氣隙磁通不便,以便充分利用電機鐵心,發(fā)揮電機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力,在基頻以下采用恒壓頻比控制,實行恒壓頻比控制時,同步轉(zhuǎn)速自然也隨著頻率變化: 圖1-1: 恒壓頻比控制下的機械特性 (1—4) 帶負載時的轉(zhuǎn)速降落為 , (1—5) 在式(1—2)中所表示的機械特性近似直線段上??梢詫?dǎo)出 (1—6) 可見,當為恒值時,對同一轉(zhuǎn)矩,是基本不變的,因而也是基本不變的。即:在恒壓頻比條件下改變頻率時,機械特性基本上是平行下移的,它們和直流他激電機調(diào)速時特性變化情況近似,所不同的是,當轉(zhuǎn)矩達到最大值以后,轉(zhuǎn)速再降低,特性就折回來了。而且頻率越低的時候轉(zhuǎn)矩越小。 對前式整理可得出為恒值時最大轉(zhuǎn)矩隨角頻率的變化關(guān)系為 (1—7) 可見,是隨著的降低而減小的,頻率很低時,太小將限制調(diào)速系統(tǒng)的帶載能力,采用定子壓降補償,適當提高電壓 可以增強帶載能力。 2、 恒壓頻比變頻調(diào)速開環(huán)系統(tǒng)仿真原理 2.1恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖 由圖,系統(tǒng)由升降速時間設(shè)定G1(可由simulink中Rate Limiter模塊代替),U/f曲線,SPWM調(diào)制,交流電機和驅(qū)動電路等環(huán)節(jié)組成。只要將不同環(huán)節(jié)根據(jù)特定要求獨立地設(shè)計出來并有效連接即可。 2.2調(diào)速電機選定 表2.2:電機參數(shù)設(shè)置 逆變器直流側(cè)電壓Ud 514V 交流異步電機參數(shù)(4.7KW) 電壓 380V 頻率 50Hz 定子繞組電阻 1.115 定子繞組漏感 0.005974H 轉(zhuǎn)子繞組電阻 1.083 轉(zhuǎn)子繞組漏感 0.005974H 互感 0.2037H 轉(zhuǎn)動慣量 0.021J 摩擦系數(shù) 0.005752F 極對數(shù) 2 根據(jù)電機的給定參數(shù),選定合適的電機,參數(shù)設(shè)置如下圖2-2. 2.3 U-F模塊和三相調(diào)制信號輸出 已知,變頻調(diào)速系統(tǒng)一般要求在變頻時保持電機氣隙磁通不變,這樣可在允許的電流下獲得最大的轉(zhuǎn)矩,使電機具有良好的調(diào)速性能。交流電機每相定子感應(yīng)電動勢為: 圖2-3.1:恒壓頻比控制特性 在改變頻率時要保持氣隙磁通不變 就需要。因為不能直接檢測和控制,在忽略定子繞組電阻時近似等于電動機端電壓。而和都可以方便地通過變頻器控制,因此僅要求穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié),異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)常采用常數(shù)的控制,也稱為VVVF控制或恒壓頻比控制。一般,精度要求需要考慮定子繞組壓降,需要抬高,其控制特性如圖2-3-1. 所以,U-f函數(shù)關(guān)系可設(shè)為: 為電機額定電壓;為起動時的補償電壓;為電機額定頻率。 不妨取滿載時轉(zhuǎn)差率為0.97,根據(jù)異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路和感應(yīng)電動勢,以及電機的阻抗參數(shù),不難得到,,,,所以: 。同時,在恒壓頻比條件下構(gòu)建三相調(diào)制信號 仿真模塊如下圖2-3-2: 2.4 SPWM調(diào)制電路 將恒壓頻比下輸出的三相調(diào)制信號導(dǎo)入PWM發(fā)生器,設(shè)置其載波頻率為1500Hz,輸出的脈寬調(diào)制波形下圖2-4-1: 將SPWM波作為三相橋的門極觸發(fā)脈沖,如圖2-4-2. 為得到380V的整流電壓值,直流源電壓. 2.5 恒壓頻比變頻開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型 將系統(tǒng)升降速時間設(shè)定G1(可由simulink中Rate Limiter模塊代替),U/f曲線,SPWM調(diào)制,交流電機和驅(qū)動電路等環(huán)節(jié)連接在一起,得到恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型圖2-5. 已知電機的阻抗、額定頻率、額定電壓、額定轉(zhuǎn)差率和壓頻比,由式(1-1)估算額定轉(zhuǎn)矩,通過Timer 模塊設(shè)置轉(zhuǎn)矩為0(空載),轉(zhuǎn)矩為5(輕載),轉(zhuǎn)矩為9.8(額定負載,轉(zhuǎn)速1455r/min,轉(zhuǎn)差率0.97),轉(zhuǎn)矩為18(過載),各持續(xù)0.5s,并通過示波器觀察定子轉(zhuǎn)子電流、電機轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩等。 3、 恒壓頻比變頻調(diào)速開環(huán)系統(tǒng)仿真結(jié)果分析 設(shè)定Timer的Time 相量[0 0.5 1 1.5] ,Amplitude相量[0 5 9.8 15],設(shè)置仿真實踐3s,仿真算法ode23,仿真結(jié)果見圖3-1和3-2 圖3-2:恒壓頻比變頻調(diào)速開環(huán)系統(tǒng)仿真結(jié)果 圖3-3:電機轉(zhuǎn)速動態(tài)圖 0—0.5S時間內(nèi),空載轉(zhuǎn)矩為0,電機從空載到輕負載狀態(tài),定子電流跟隨輸入電壓近似呈正弦變化且與空載電流差別不大,轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流因為電機迅速穩(wěn)定而維持在0附近,電磁轉(zhuǎn)矩經(jīng)歷初始為0并迅速上升,同時,帶動電機轉(zhuǎn)速迅速超過1500r/min,且超調(diào)量和上下波動很大;當電磁轉(zhuǎn)矩帶動電機穩(wěn)定在空載轉(zhuǎn)速1500r/min,電磁轉(zhuǎn)矩為0,轉(zhuǎn)子電流在0附近波動,定子電流幅值為4A。 0.5—1S時間內(nèi),負載轉(zhuǎn)矩為0,定子電流跟隨輸入電壓近似呈正弦變化,轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流跟隨定子電流增大,電磁轉(zhuǎn)矩由0并迅速上升到5,與負載轉(zhuǎn)矩平衡,帶動電機轉(zhuǎn)速迅速下降為1480r/min,轉(zhuǎn)子電流在0附近波動,定子電流幅值為4A。 1—1.5S時間內(nèi),額定轉(zhuǎn)矩為9.8,定子電流跟隨輸入電壓近似呈正弦變化且略微增大,轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流相應(yīng)增大,電磁轉(zhuǎn)矩從5并迅速上升到9.8,與負載轉(zhuǎn)矩平衡,使得電機轉(zhuǎn)速下降為1455r/min。 1.5S后,過負載載轉(zhuǎn)矩為18,定子電流跟隨輸入電壓近似呈正弦變化且為幅值5A,轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流10A呈正弦變化,電磁轉(zhuǎn)矩從9.8并迅速上升到18,與負載轉(zhuǎn)矩平衡,使得電機轉(zhuǎn)速下降為1405r/min下降明顯。 4、 轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真 在開環(huán)系統(tǒng)基礎(chǔ)上,加入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR)即可實現(xiàn)對系統(tǒng)的雙閉環(huán)反饋控制。 4.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR) 如下圖,ASR由放大器G1、G2,積分環(huán)節(jié),飽和限幅等構(gòu)成,實現(xiàn)對給定頻率和反饋轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)節(jié)。ASR使得系統(tǒng)具有抗轉(zhuǎn)速干擾作用,使調(diào)節(jié)更加平滑。 4.2 電流調(diào)節(jié)器(ACR)與三相調(diào)制信號輸出 ACR使得在電機啟動時,具有較大的啟動電流,使啟動過程加快,動態(tài)性能優(yōu)化;在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中,使轉(zhuǎn)速波動變?。划敯l(fā)生賭轉(zhuǎn)或過載時,起到安全保護作用。 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 仿真結(jié)果分析 設(shè)定Timer的Time 相量[0 0.5 1 1.5] ,Amplitude相量[0 5 9.8 15],設(shè)置仿真實踐3s,仿真算法ode23,仿真結(jié)果見圖4-3-1和圖4-3-2. 圖:4-3-1轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真圖 圖4-3-2:轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速電機轉(zhuǎn)速變化圖 對比開環(huán)系統(tǒng),似乎閉環(huán)系統(tǒng)的性能和效果并不如開環(huán)。實際上,閉環(huán)系統(tǒng)比開環(huán)系統(tǒng)動態(tài)性能更好,但這是以增加閉環(huán)系統(tǒng)的復(fù)雜性為代價的。這要求我們必須詳細分析和設(shè)計每一個參數(shù),大大提高設(shè)計系統(tǒng)的難度和復(fù)雜性。此處,由于閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的不好,導(dǎo)致仿真效果不好。 本次課程設(shè)計是在巨大的考研壓力下進行的,它不僅鞏固和強化了我對運動控制課程理論知識的理解,還鍛煉和提升了我的動手能力和軟件操作技能。課程社一種遇到的各種難題,是通過自己不斷地探究和查找資料解決的。盡管做的并不算很好,但它極大的激起了我克服困難、勇往直前的激情,也為我以后的專業(yè)理論學(xué)習和動手實踐提高了寶貴的經(jīng)驗和精神的鼓舞。- 1.請仔細閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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