交流异步电动机变频调速系统

摘要现在流行的异步电动机的调速方法可分为两种：变频调速和变压调速，其中异步电动机的变频调速应用较多，它的调速方法可分为两种：变频变压调速和矢量控制法，前者的控制方法相对简单，有二十多年的发展经验。因此应用的比较多，目前市场上出售的变频器多数都是采用这种控制方法。本设计采用恒压变频调速并在MTALAB运行环境下进行仿真设计并运行仿真模型得出结论。关键词:交流调速系统,异步电动机,PWM技术MATLAB.....目录摘要.................................错误!未定义书签。第一章前言...........................错误!未定义书签。1.1设计的目的和意义..................错误!未定义书签。1.2变频器调速运行的节能原理..........错误!未定义书签。第二章交流异步电动机................错误!未定义书签。2.1交流异步电动机变频调速基本原理....错误!未定义书签。2.2变频变压（VVVF）调速时电动机的机械特性............62.3变压变频运行时机械特性分折.......................7第三章变频技术简介和控制方法.....................113.1变频调速技术简介...............................113.2变频器工作原理及分类............................123.3交流调速的基本控制方法.........................183.4脉冲宽度调制（PWM）技术.........................21第四章异步电动机变频调速系统设计的仿真和实现.......244.1MATLAB的编程环境..............................244.2仿真结果.......................................29结论...............................................30致谢...............................错误!未定义书签。参考文献.............................错误!未定义书签。第一章绪论1.1设计的目的和意义近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。深入了解交流传动与控制技术的走向，具有十分积极的意义．1.2变频器调速运行的节能原理实现变频调速的装置称为变频器。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器（MCU／DSP）等部分组成。首先将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤波后，形成幅值基本固定的直流电压加在逆变器上，利用逆变器功率元件的通断控制，使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。在这里，通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值；通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制，而满足变频调速对U／f协调控制的要求。PWM的优点是能消除或抑制低次谐波，使负载电机在近正弦波的交变电压下运行，转矩脉冲小，调速范围宽。采用PWM控制方式的电机转速受到上限转速的限制。如对压缩机来讲，一般不超过7000r／rain。而采用PAM控制方式的压缩机转速可提高1．5倍左右，这样大大提高了快速增速和减速能力。同时，由于PAM在调整电压时具有对电流波形的整形作用，因而可以获得比PWM更高的效率。此外，在抗干扰方面也有着PWM无法比拟的优越性，可抑制高次谐波的生成，减小对电网的污染。采用该控制方式的变频调速技术后，电机定子电流下降64％，电源频率降低30％，出胶压力降低57％。由电机理论可知，异步电机的转速可表示为：n=60·f8（1—8）／p第二章交流异步电动机交流异步电动机广泛使用在电梯的电气控制系统中。实际上交流曳引电动机就是一台交流鼠笼式异步电动机。由于交流电力传动技术以及其控制理论的发展与提高，同时，大功率半导体器件（GTO、GTR等）技术的日趋完善，以及PLC、微电子、微处理器等技术在电力拖动系统中得以充分地利用，使得结构简单、维护保养方便、价格低廉的交流异步电动机在电梯的电力控制系统中又得以充分发挥其最大的效率。使用交流鼠笼式电动机变频变压调速拖动系统的电梯（VVVF交流调速电梯）在目前电梯的电气控制应用中具有领先地位。2.1交流异步电动机变频调速基本原理从电机及电力拖动中可知，三相交流异步电动机的机械特性可分成两种：①异步电动机的固有机械特性是指异步电动机工作在额定电压UN和额定频率fN下，按规定的接线方式接线，定子、转子及外接电阻均为0时，讨论转速n与电磁转矩Tem的关系：n=f（Tem）（见图1）。②异步电动机的人为机械特性是指人为地改变电动机参数或电源参数而得的机械特性。电动机参数又可分为三类：1．异步电动机的结构参数2．异步电动机的运行参数3．异步电动机的输入参数U1和f1。异步电动机调速调节转子电阻、定子端电压、磁极对数时的机械特性见图（2）。图2.1交流异步电机机械特性曲线交流异步电动机变频调速时电动机的转速为：式中：f1为电源频率；P为磁极对数；S为转差率。交流异步电动机定子绕组上的感应电动势：式中：N1为定子绕组匝数；k1为绕组系数；φm为气隙合成磁通。图2.2异步电动机S、U、P机械特性曲线忽略电动机定子绕组的阻抗压降，交流异步电动机的端电压：交流异步电动机的电磁转矩：式中：C′T为电动机的转矩常数；I′2cosφ转子电流有功分量。从电磁转距公式可知，连续不断地改变送入异步电动机定子端的的供电电源频率f1，则可连续地改变异步电动机的同步转速：。但是若U1不变，则f1上升将会导致的φm下降增加，这样会出现电动机的转子电流有功分量I′2cosφ的变化；电动机效率η会下降及电动机最大转距Tm会变化等问题，严重的时候会出现电动机的堵转。或者由于f1的减低会使φm增大，导致电机磁路饱和使I0增大，即电动机的铜耗PCu、和铁耗PFe增大。因此在电梯电气控制系统中，要求变频的同时，必须同时改变电动机定子端输入的端电压，从而保持气隙合成磁通φm近似不变。2.2变频变压（VVVF）调速时电动机的机械特性根据端电压和频率不同的比例关系，将会有几种不同的变频调速方式。2.2.1．比例控制方式：根据电压公式，在忽略异步电动机定子绕组的阻抗压降后可近似的得到：，要维持φm不变的情况下，只要U1和f1成比例的变化即可，从最大转矩公式中可研得知：在低频段时，由于定子绕组中的Xm，Xδ1，X′δ2以及Lδ1，L′δ2不可忽略，则将会增加使得最大转矩Tm也将随f1的降低而降低就会将使低频段时异步电动机的起动转矩Tq大大减小。这在电梯的电力拖动控制系统中是不希望出现的。2.2.2．恒磁通控制方式要求调速范围大、恒转矩的电梯负载希望在整个调速范围中保持Tem=C不变，按公式进行控制减小时，应适当提高输入定子的端电压U1，以补偿异步电动机定子绕组的阻抗压降。按Tem=C的恒磁通φem=C控制方式，变频时异步电动机机械特性见图（3）。这是电梯的电力拖动控制系统要求和希望的。2.2.3．恒功率控制方式这种控制方式是在变频调速时，保持异步电动机定子绕组的电流为恒定值。即通过PI调节器和电流闭环系统调节作用而实现的。但这种控制方式仅仅适用负载变化不大的场合，而不适用于电梯的电力拖动控制系统。由此可见，按Tem=C的恒磁通变频的异步电动机的机械特性是电梯电力拖动所需求的。2.3变压变频运行时机械特性分折异步电动机的T型等效电路见图4。图2.3异步电动机变频调速机械特性曲线图2.4异步电动机T型等效电路2.3.1．电压为额定值时改变频率的机械特性电源频率f1的改变，对异步电动机产生两方面的影响：一是改变同步转速n1；二是改变电动机的结构参数。（1）当f1下降时，由于，所以f1的下降会造成n1上升（2）由于，所以f1下降时，Xδ1，X′δ2，Xm均会成正比下降。又由于PFe与f21成正比，所以f1下降时会造成Xm下降。（3）因为励磁电流由于f1的下降，会使I0的变化为非线性，在低频段I0将急剧上升。（4）气隙合成磁通φm同是由励磁电流I0所产生的。磁通大小取决于I0的大小以及电动机磁路的状况。由于电动机的磁路一般设计在接近饱和的状态，故频率f1下降时，φm会出现过饱和。这也是I0随f1下降急剧上升的原因。（5）转子电流I′2的大小决定于负载的大小。在额定负载下，当f1下降时，φm上升，cosφ2上升，所以I′2会下降。（6）因为定子电流I1=I0+（-I′2），因此当f1下降时，I1可能会出现变化。在低频段重负载下I1上升；在较高频率段轻负载下I1下降。（7）f1的下降对起动转矩Tq的影响。因为当f1处于较高频率段时，随着f1的下降Tq会出现急剧上升；在低频段时随着f1的下降Tq的上升将会趋缓。2.3.2．频率为额定值时改变电压的机械特性改变输入定子电压U1，主要影响电动机的运行参数，并会对运行时的I0，I2，φm等产生影响。（1）I0的影响。因为当U1下降，I0也随之下降。（2）气隙合成磁通φm的影响。由于电压U1的下降，电机磁路处于非饱和的状态，所以可以认为φm随U1正比下降。（3）转子电流I′2的影响。I′2的大小取决于负载的大小，在额定负载时，因为TN=Tem，当U1下降时，I′2上升。（4）定子电流I1的影响。当U1下降时，使I′2上升，造成I1的变化，轻负载时I1则下降，重负载时I1则上升。（5）起动转矩Tq。因为当U1下降时，Tq随U21成正比下降。（6）最大转矩Tm。因为Tm与U21成正比，电压降低，会使电动机过载能力下降。第三章变频技术简介和控制方法3.1变频调速技术简介PWM控制技术是电气传动自动控制领域研究的一个热点[18]。PWM控制技术的原理是通过控制全控型半导体器件动作，把直流电压转换成电压脉冲序列，进而通过控制电压脉冲宽度与周期，最终实现变压、变频的一种控制技术，并且可以消除谐波。在交流变频系统中，早期使用较多的控制技术是变压变频控制技术，通常把该控制技术分为两种：1.把变压和变频分开完成，即把交流电变为直流电与相控调压同步进行，然后逆变为可调频率的交流电，脉冲幅值随着信号幅度的变化而变化，这种前后分VVVF控制技术称为脉冲幅值调制方式。2.在逆变器中将变压和变频一起完成，变频器主要由三部分组成：不可控流器、续流二极管、逆变器，由逆变器来完成变频与变压，这种控制技术称为脉冲宽度调制技术。由于其中的整流器不需要控制，即电路结构得到简化，尤其是相控整流被全波整流所取代，增大了输入端的功率因数，降低了高次谐波对电网的影响。随着PWM控制技术的不断发展，PWM控制技术可分为不同种类，基于控制思想上可分为四大类：（1）等脉宽PWM法，（2）正弦波PWM法，即SPWM法，（3）电流跟踪PWM法，（4）磁链追踪型PWM法（SVPWM法，也称电压空间矢量PWM法）。通过自然采样法，对称规则采样法、特定谐波消去法，梯形调制技术，相位调制技术，面积等效法等10多种调制技术来实现PWM控制技术。等脉宽PWM法的原理是把每一相脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，调频采取的办法是改变脉冲列的周期，调压采用的方法是改变脉冲的宽度或占空比，采取适当控制方法可以使电压与频率的协调变化。该方法缺点在于逆变器输出电压除了基波外，包含了很多的谐波分量。SPWM法在克服等脉宽PWM法的缺点的基础上，提出了从电动机供电电源的角度出发，通常利用正弦波作为基准的调制波，用等腰三