恒壓頻比異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真

詹莊春

變頻調(diào)速電機(jī)系統(tǒng)在傳動(dòng)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，但由于異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有強(qiáng)耦合、非線性的特點(diǎn)，難以用解析的方法進(jìn)行分析。作為系統(tǒng)分析研究的一種重要手段，仿真技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。通過(guò)仿真，可以驗(yàn)證理論分析和設(shè)計(jì)的正確性、模擬實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程、分析系統(tǒng)特性隨參數(shù)的變化規(guī)律、描述系統(tǒng)的狀態(tài)與特性，其對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用與故障診斷，都具有重要的指導(dǎo)意義。本設(shè)計(jì)將在MATLAB的Simulink環(huán)境中，建立恒壓頻比異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的模型，通過(guò)仿真，實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)按給定運(yùn)行。

恒壓頻比調(diào)速原理

異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為： （1）

因此三相異步電機(jī)的調(diào)速方式有很多，其中一種就是改變供電電源頻率。在電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，一個(gè)重要的因素是希望保持每極的磁通量為額定值不變。因?yàn)榇磐ㄌ鯖](méi)有充分利用電機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)；若要增大磁通，又會(huì)使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過(guò)熱而損壞電機(jī)。在交流異步電機(jī)中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)合成產(chǎn)生的，三相異步電機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值是： （2）

由式（2）可知，要保持不變，當(dāng)使=常值，這是恒定的電動(dòng)勢(shì)頻率比。然而，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以直接控制的，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)值較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)定定子相電壓，則得=常值，即恒壓頻比的控制方式。

低頻時(shí)，和都較小，定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不再能忽略。這時(shí)，可以人為地把電壓抬高一些，以便近似地補(bǔ)償定子壓降，以增強(qiáng)低速帶載能力。高頻時(shí)，電壓不能增加的比額定電壓還要大，最多只能保持=，由式（2）可知這將迫使磁通與頻率成反比地降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。恒壓頻比調(diào)速系統(tǒng)的基本原理結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由升降速時(shí)間設(shè)定，曲線，正弦脈沖寬度調(diào)制SPWM及其驅(qū)動(dòng)等環(huán)節(jié)組成。

在圖1中，升降速時(shí)間設(shè)定用來(lái)限制電動(dòng)機(jī)的升頻速度，避免轉(zhuǎn)速上升過(guò)快而造成電流和轉(zhuǎn)矩的沖擊，起軟啟動(dòng)控制的作用。u/f曲線用于根據(jù)頻率確定相應(yīng)的電壓，以保持壓頻比不變，并在低頻時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾妷貉a(bǔ)償。SPWM和驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)將根據(jù)頻率和電壓要求產(chǎn)生按正弦脈沖寬調(diào)制的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制逆變器以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的變壓變頻調(diào)速。

恒壓頻比調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

在MATIAB7.1環(huán)境下，依次從simulink庫(kù)中找出各個(gè)模塊，包括逆變器、脈沖寬度調(diào)制PWM信號(hào)發(fā)生器、直流源、異步電動(dòng)機(jī)及檢測(cè)模塊等，如圖2所示。

在圖2中，模塊Constant為頻率給定；給定積分器GI模塊用于設(shè)定啟動(dòng)曲線，其放大器Gain的作用是使積分時(shí)間常數(shù)不受放大器輸入偏差大小的影響，所以放大倍數(shù)可以取大一些，設(shè)為1e4，限幅器saturation用于設(shè)定積分時(shí)間常數(shù)，調(diào)節(jié)限幅器的上下限可以調(diào)節(jié)給定積分器輸出曲線的上升斜率，設(shè)為-10到+10，取整模塊設(shè)為round；逆變器用IGBT，其直流側(cè)電壓為514V；PWM發(fā)生器中的載波頻率為1500Hz，三相橋式6脈沖外部調(diào)制觸發(fā)模式；交流異步電機(jī)為鼠籠式，額定功率為37.3kW，額定電壓380V，額定頻率50Hz，額定轉(zhuǎn)矩237N·m，定子電阻0.087 ，定子電感0.0008H，轉(zhuǎn)子電阻0.228 ，轉(zhuǎn)子電感0.0008H，互感0.00047H，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1.662kg·m2，摩擦系數(shù)0.1，極對(duì)數(shù)為2；另外，異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)多路測(cè)試儀后輸出角速度，放大器Gain1設(shè)為9.55，脈沖模塊Step可對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行干擾測(cè)試，時(shí)鐘模塊提供時(shí)間變量u（3）。還有函數(shù)模塊1、2、3分別設(shè)置為：

其他未說(shuō)明的參數(shù)部分均采用系統(tǒng)默認(rèn)值，仿真精度為1e-3，仿真算法用Ode23tb，仿真時(shí)間為[0.015.0]秒。

仿真波形及分析

通過(guò)改變頻率給定值，可以相應(yīng)得到頻率、電壓和轉(zhuǎn)速的仿真波形，限于篇幅，取頻率給定值30的仿真波形如圖3所示。其中，頻率單位：Hz，電壓?jiǎn)挝唬篤，轉(zhuǎn)速單位：轉(zhuǎn)/分。

首先，由圖3可知，轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)值約為900轉(zhuǎn)/分；將頻率給定值代入理論式（1），可計(jì)算出轉(zhuǎn)速為900轉(zhuǎn)/分，仿真值與理論值相符合，結(jié)果正確。其次，可以通過(guò)電壓頻率協(xié)調(diào)控制來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，調(diào)速范圍寬，穩(wěn)定性好；同時(shí)由于頻率可以連續(xù)調(diào)節(jié)，所以恒壓頻比調(diào)速為無(wú)級(jí)調(diào)速，平滑性好，效率高。最后，轉(zhuǎn)速在啟動(dòng)時(shí)存在波動(dòng)，原因是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)較小，若其較大，則轉(zhuǎn)速響應(yīng)滯后。具體分析如下：

當(dāng)定子電壓和角頻率比值恒定時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程為：

當(dāng)s很小的時(shí)候，可忽略分母中含s各項(xiàng)，則，機(jī)械特性是一段直線；當(dāng)s接近1時(shí)，可忽略（6）式分母中的R2，則，這時(shí)是對(duì)稱于原點(diǎn)的一段雙曲線；當(dāng)s為以上兩段的中間數(shù)值時(shí)，機(jī)械特性從直線過(guò)渡到雙曲線，見(jiàn)圖4。

由此可見(jiàn)，當(dāng)?shù)皖l時(shí)，機(jī)械特性為雙曲線段，這就是電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動(dòng)的原因。

經(jīng)過(guò)分析，得出仿真結(jié)果與理論相符合，證明了恒壓頻比調(diào)速系統(tǒng)模型的正確性。變頻調(diào)速是最有發(fā)展前途的一種交流調(diào)速方式，隨著變頻裝置向大容量、高性能的方向發(fā)展，其在價(jià)格和性能上已可與直流調(diào)速相媲美了。電壓和頻率是電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的兩個(gè)獨(dú)立的控制變量，在調(diào)速系統(tǒng)中，要對(duì)這兩個(gè)控制變量協(xié)調(diào)控制，其中恒壓頻比控制最容易實(shí)現(xiàn)，它的機(jī)械特性基本上是平行下移的，硬度較好，能夠滿足一般的調(diào)速要求，但是低速帶載能力較差，須對(duì)定子壓降進(jìn)行補(bǔ)償。