基于IGBT逆变器的异步电机变频调速系统的MATLAB仿真

基于IGBT逆变器的异步电机变频调速系统分析及其MATLAB仿真07电牵1班13号伍群芳摘要：异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。本文给出了变频调查速的理论分析和MATLAB仿真，从中分析得知。变频调速调速范围宽，启动电流比直接启动电流小，无论是高速还是低速时效率都较高。在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现在应用面很广。关键字：异步电机变频调速MATLAB仿真根据异步电机的转速公式（1）可见，可以通过改变异步电机的定子频率、转差率、和极对数来实现异步电机调速。异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，（1）在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量m为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。为了协调控制好电压和频率，便达到控制好m的目的，对此，需考虑基频以下和基频以上两种情况。（1）基频以下调速。根据式子：式中：Eg—气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V。f1—定子频率，单位为Hz；Ns—定子每相绕组串联匝数；kNs—基波绕组系数；m—每极气隙磁通量，单位为Wb。只要控制好Eg和f1，便可达到控制磁通m的目的，要保持m不变，当频率f1从额定值f1N向下调节时，必须同时降低Eg，使Eg/f1=常数。即采用恒值电动势频率比的控制方式。然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压Us≈Eg，则得Us/f1=常数。但是，在低频时Us和Eg都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压Us抬高一些，以便近似地补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于图（1）中的b线，无补偿的控制特性则为a线。（2）基频以上调速。在基频以上调速时，频率应该从f1N向上升高，但定子电压Us却不可能超过额定电压UsN，最多只能保持Us=UsN，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起如图（2）所示如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。图（1）图（2）)1(60)1(10spfnsnmNs1gΦ44.4SkNfE基于以上的垣压频比控制，下面对基于IGBT逆变电路的异步电机变频调速系统进行MATLAB仿真，异步电机变频调速控制系统的的恒压频比控制系统仿真框图如图（3）所示。图（3）f1为系统最终要输出的频率指令，经过加、减速时间高定环节得到逆变器实际输出的频率f1。以电机从中开始加速为例，如果设定f1从0加速到f1的需的时间为T,则在0tT的时间内的输出频率为f1=t/T*f1.减速时类似。设置加减速时间的目的是避免频率突变引起的转差频率过大问题。频率f1的积分可得t时刻逆变器输出电压的相角。根据f1和设定的恒压频比曲线可得输出的电压幅值，由电压的相角我幅值便可计算所需的正弦电压，通过PWM调制算法可得逆变器的驱动信号。异步电机变频调速系统电路仿真模型如图（4）所示。直流电压不621V，逆变器为IGBT的三相半桥逆变器，电机为异步电机模块，其主电路由直流电压源、逆变器和电机依次相连。图（4）变频调速系统控制部分，利用“Step”模块设定频率指令f1*，而加减速模块用“RateLimiter”模块来实现，此仿真系统加减速的斜率分别设置为200和平200，表示0~50Hz的加速时间为0..25s。恒压频比曲线可以用Simulink中的“LookupTable”模块完成，此系统设置表中的频率点为[0，5，25，50，100]，对应的调制度为[0.1，0.1，0.5，1，1]，表示5Hz以下时调制度为0.1，在5~50Hz时调制度随频率线性增长，在50Hz时调制度达到1，在50~100Hz时调制度保持为1。得到的频率和调制度送入PWM模块，该模块内部结构如图（5）所示，PWM模块的输出连接到三相逆变器的驱动信号输入端。从中实现对变频调速系的控制。从系统仿真图中可以看出，选用了“MachinesMeasurementDemux”模块测量电机状态，采用“Selector”模块对三相信号进行分离，只观察其中的一相。图（5）仿真及结果分析：利用“Timer”设置0~0.5S时电机空载，0.5S之后电机带额定负载。利用“Step”设置0~1S时的频率指令为50Hz，1S以后为30Hz。以行后可得仿真结果如图（6）所示。图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）由仿真结果知，在0~0.25S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。小结：基于以上的理论分析和MATLAB仿真结果可知，异步电机的变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变同步转速的方法，。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。其特点是效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型异步电动机，调速范围大，特性硬，精度高；技术复杂，造价高，维护检修困难。本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。致谢：经过为期一学期的“交流调速系统”的学习，对系统概念比以前清晰多了，对逆变器的控制方案也明了。一学期下来受益匪浅，在此特别感谢老师辛勤的教导！参考文献：[1]刘卫国.MATLAB程序设计与应用(第二版).高等教育出版社,2006-7.[2]林飞杜欣电力电子技术应用技术的MATLAB仿真.中国电力出版社,2009-1[3]黄忠霖黄京.电力电子技术的MATLAB实践.国防工业出版社,2009-1.