1、摘 要本設計是利用MATLAB對異步電動機轉差頻率控制調速系統進行仿真研究。首先分析了異步電動機轉差頻率控制技術的主要控制方法、基本組成與工作原理。其次，完成對異步機轉差頻率控制的變壓變頻調速系統進行主電路的設計，主要器件的參數選擇及選型。最后，通過對仿真結果進行分析，歸納出如下結論：開環的轉差頻率控制帶載能力差，閉環設計的轉差頻率控制的變頻調速系統有助于改善調速范圍，并減小轉速的超調量。關鍵詞 異步電動機 轉差頻率 調速目 錄1.轉差頻率控制系統基本原理11.1轉差頻率控制的基本概念11.2基于異步電動機穩態模型控制的轉差頻率控制規律2 1.2.1基本規律之一2 基本規律之二32.轉差頻率控

2、制系統設計32.1控制系統原理圖32.2轉速調節器ASR參數計算43.MATLAB仿真43.1 轉速開環變壓變頻系統仿真43.2轉速閉環轉差頻率控制調速系統仿真53.2.1轉速閉環轉差頻率控制調速系統仿真53.2.2轉速閉環轉差頻率控制調速系統改進6 3.3仿真結果分析8心得體會9參考文獻10異步電動機轉差頻率控制變頻調速1. 調速系統基本原理1.1轉差頻率控制的基本概念 已知電力拖動的基本方程式: （1-1） 由式（1-1）克制運動控制系統的根本問題是轉矩控制。異步電動機的穩態等效電路如圖1-1所示圖1-1 異步電動機穩態模型 已知異步電動機恒氣隙磁通的電磁轉矩公式如下所示： （1-2）電機

3、氣隙電動勢公式如下 （1-3)將式（1-3）帶入式（1-2）得 (1-4)式（1-4）中，是電動機的結構常數。定義轉差角頻率，則 （1-5）當電動機穩態運行時，轉差率較小，因而也較小，則可做一個近似，表示為 （1-6）由此可知，當能夠保持氣隙磁通不變，且在s值較小的穩態運行范圍內，可以通過控制轉差角頻率來孔子轉矩，此為轉差頻率控制的基本思想。由式（1-5）可得轉矩特性如圖1-2所示圖1-2 按恒m值控制的Te=(s)特性1.2轉差頻率控制的基本規律1.2.1基本規律之一前文中已有提到，要實現轉差頻率控制，是要保證在氣隙磁通不變的前提。按恒控制時可保持氣隙磁通恒定，由異步電動機等效可得定子電壓為

4、 (1-7)可見要實現恒控制,必須采用定子電壓補償控制，以補償定子電阻和漏抗的壓降。但為了降低控制系統的復雜性，忽略電流相量相位變化的影響，僅采用幅值補償，則電壓頻率特性為 （1-8)特性圖如圖1-3所示。圖1-3 恒壓頻比控制的電壓-頻率特性1.2.2基本規律之二由圖1-2可見，當較小時處于穩定運行段，轉矩與轉差頻率成正比，當達到最大值時，達到。要保證系統穩定運行，必須使<sm。對于式（1-5），取，可得最大轉差角頻率 （1-9）在轉差頻率控制系統中，只要給定限幅，使其限幅值小于338.6，則可保持Te與s的正比關系，也就可以用轉差頻率來控制轉矩。2. 轉差頻率控制系統設計2.1控制系

5、統原理圖轉速閉環轉差頻率控制的變壓變頻調速系統結構原理圖如圖2-1所示，系統共有兩個轉速反饋控制。圖2-1轉速閉環轉差頻率控制的變壓變頻調速系統結構原理圖轉速外環為負反饋，ASR為轉速調節器，一般選為PI調節器，轉速調節器ASR的輸出轉差頻率給定相當于電磁轉矩給定。內環為正反饋，將轉速調節器ASR的輸出信號轉差頻率給定與實際轉速相加，得到定子頻率給定信號，實際轉速由速度傳感器FBS測得。然后根據式（1-8）所給出的電壓-頻率特性函數，求得定子電壓給定信號，用定子電壓給定和定子頻率給定控制PWM變頻器，即可得要不電動機調速所需的定子電壓和頻率。2.2轉速調節器ASR參數計算 首先，寫出系統各個環

6、節相應的傳遞函數。（1）設轉速調節器ASR為PI調節，其傳遞函數表達式為 （2-1)（2）令PWM變換器的開關頻率為8kHz，放大系數為40，則其傳遞函數表達式為 （2-2）（3）異步電動機的傳遞函數：由于異步電機的動態數學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統，為了使計算更簡單，令其傳遞函為其中，。由已給定的參數計算可得Tm=1.69*10-5s，Kma=0.11。（4） 測速環節的傳遞函數為，其中，并令Tou=0.01s。利用以上的傳遞函數，可得到轉速閉環系統的開環傳遞函數。又令閉環系統為型系統，則計算可得Kp=10，n=0.2。3. MATLAB仿真 3.1轉速開環變壓變頻系統仿真

7、轉速開環變壓變頻調速系統仿真模型如圖3-1所示。 設定異步機的參數如下：三相相電壓200V 同步頻率50Hz 額定功率2.2kW 定子電阻Rs=0.877轉子電阻0.022 勵磁電感360.8mH 定子和轉子漏感相等，都為0.4342mH極對數為2 轉動慣量0.015kg·m2圖3-1轉速開環變壓變頻調速系統并設置系統在0.8s時突加負載。系統中的f（u）為正弦函數，另兩個各滯后120度，這是為了生成三相調制波。系統運行后得到的轉速波形如圖3-2所示圖3-2 轉速開環調速系統轉速波形由圖3-2可知，轉速的超調為2/150=0.133=13.3%。在0.8s突加負載后，產生動態降落Cm

8、ax=3.5/150*100%=2.33%。3.2轉速閉環轉差頻率控制調速系統仿真3.2.1轉速閉環轉差頻率控制調速系統參數根據圖2-1轉速閉環原理圖得到仿真模型如圖3-2所示。圖3-3 轉速閉環轉差頻率控制的變頻調速系統對圖3-3轉速閉環轉差頻率控制變頻調速系統中的參數作如下說明：1) 角速度給定2) ASR積分上限一般取轉差角頻率最大值為最終角頻率的10%，則定ASR的積分上限為15。3) 常數Cg4) 為滿足生成的調制波的幅值不大于1，特給予其上限為1。3.2.2轉速閉環轉差頻率控制調速系統改進基于原圖2-1所示原理圖所搭建的系統，得到的轉速波形如下圖3-4所示。圖3-4 未改進前轉速波

9、形由圖3-4可知，對于電壓源型逆變器，當采用方式控制策略時，由于轉差頻率控制本身結構的特點，電機無法正常起動。根本原因如下：1 對于電壓源型變頻器，當采用方式控制時，頻率變化的時刻不一定是發生在調制信號一個完整周期的末尾，在調制正弦信號一周期尚未結束時，頻率發生了變化就可能使下一周期信號的前半周期變寬或變窄，使相應的一周期頻率減小或增加，這時的三相電壓的相序也可能出現異常，出現瞬時的負相序，電動機也產生了負的轉矩，從而使電動機的轉矩和轉速發生急劇波動，這就是所謂“跳頻”現象，這就使得變頻器輸出的頻率降低，進而使轉速降低，由于是正反饋，使得電機轉速進一步下降，因此當電壓源型變頻器常用控制時，轉差

10、頻率控制往往造成無法正常起動。2 在起動階段，存在許多擾動，當擾動引起轉速波動時，由于轉差頻率控制結構的固有缺點，都會導致轉速持續下降，最終造成電機只能在低速下爬行，甚至不能正常起動。對于上述問題，要對系統進行改進，那么可以對電機的頻率實現動態補償，補償要求是電機降速越大，補償就越大，保證電機在一定頻率下正常起動，當電機達到穩態轉速時，補償為0，使得電機在轉差功率進行調節。本文采用的改進的轉差頻率控制方式如圖3-5所示。圖3-5 改進后的轉差頻率控制系統原理圖而改進之后得到的轉差頻率控制的變頻調速系統仿真運行之后，得到的速度波形圖如圖3-6所示。圖3-6改進后轉差頻率控制的變頻調速系統轉速波形

11、有仿真結果可知，轉速的超調為1/150*100%=0.67%；突加負載后產生的動態降落Cmax=15/150=0.1。3.3仿真結果分析轉速閉環轉差頻率控制的交流變壓變頻調速系統的靜、動態性能接近轉速、電流雙閉環的直流電動機調速系統，是一個較好的控制策略。但，它的性能還不能完全達到直流雙閉環的水平，其原因如下：1) 轉差頻率控制系統是基于異步電動機穩態模型的。2) 函數關系式中只抓住了釘子電流的幅值，沒有控制到電流的相位，在動態中電流的相位也是影響轉矩變化的因素。3) 在頻率控制環節中，取，使頻率得以與轉速同步升降，這本是轉差頻率控制的有點，然而當存在干擾時，由于這是正反饋，使得偏差毫無衰減的

12、傳遞到頻率控制信號上。心得體會通過這一次的課程實踐，我對電力拖動與控制系統這門課程有了進一步的了解，尤其是對轉差頻率控制的變壓變頻調速系統有了更深刻的印象。為了完成本次課程實踐，我將課本知識，課堂知識與實踐相結合，并通過網絡搜索了相關資料文獻，以及在老師的幫助下，將實踐中遇到的問題逐個擊破。例如最開始我并不知道如何將轉速與電壓相結合一起生成PWM的調制波。后來，在老師的上課講解中，我認識到轉速，角頻率的改變相當于改變的是調制波的頻率，利用函數發生器，將兩者結合在一起，生成三相調制波。另外一個難關就是在MATLAB仿真過程中，無論怎樣設置參數，得到的轉速波形都不夠理想，同樣也是在老師的指導和網絡中搜索到的文獻知識給了我很大的幫助。這一次