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变压变频调速下交流异步电机的系统仿真 ——转速开环与闭环对比分析

一、 异步电动机的恒压恒频调速原理分析

异步电动机的变频调速系统基本控制方式是变压变频，在基频以下采用恒压频比带定子压降补偿的控制方式，基本上要保持磁通在各级转速上都为恒值。基频以下，磁通恒定，属于“恒转矩调速”；基频以上，迫于定子电压不能超过额定电压，磁通与频率成反比下降，转速升高，转矩下降，近似属于“恒功率调速”。

当定子电压U1 和角频率?1 都为恒定值时，异步电动机的机械特性方程可以改写为

?U?Te?3np?1???1?2s?1R2?sR1?R'2?22?s?221?Ll1?L'l2?2 （1—1）

当s 很小的时候，可忽略分母中含s 各项，则：

?U?s?1Te?3np?1??s （1—2）

??1?R'2 当s 很小的时候，转矩近似与s 成正比，机械特性Te=f（s）是一段直线；当s接近1时。可忽略（1—2）式分母中的R'2 ，则：

即s 接近1时，转矩近似与s成反比，这时 Te=f（s）是对称于原点的一段双曲线；

由式（1-1），对于同一负载要求，即以一定的转速nA 在一定的负载转矩 TlA下运行时，电压和频率可以有多种组合，其中恒压频比（U1/?1?恒值）最容易实现的。它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能满足一般的调速要求。但是低速带载能力还较差，需对定子压降实行补偿

为了近似的保持气隙磁通不便，以便充分利用电机铁心，发挥电机产生转矩的能力，在基频以下采用恒压频比控制，实行恒压频比控制时，同步转速自然也

?U1??1R21T?3n??p?2 e （1—3） ?R12??12?Ll1?L'l2??s?1?s???2当 s为以上两段的中间数值时，机械特性从直线过度到双曲线。如下图1-1.

随着频率变化：

图1-1： 恒压频比控制下的机械特性

n0?60w1 （1—4） 2?np带负载时的转速降落为 ，

?n?sn0?60s?1 （1—5） 2?np在式（1—2）中所表示的机械特性近似直线段上。可以导出

R'2Te （1—6） s?1?2?U1?3np????1? 可见，当U1/?1为恒值时，对同一转矩T，s?1是基本不变的，因而?n也是

基本不变的。即：在恒压频比条件下改变频率时，机械特性基本上是平行下移的，它们和直流他激电机调速时特性变化情况近似，所不同的是，当转矩达到最大值以后，转速再降低，特性就折回来了。而且频率越低的时候转矩越小。

对前式整理可得出U1/?1为恒值时最大转矩Temax随角频率?1的变化关系为

Temax3?U??np?1?2??1?R1212 （1—7）

?R?2??1???Ll1?L'l2??1??1?可见，Temax是随着?1的降低而减小的，频率很低时，Temax太小将限制调速系统的带载能力，采用定子压降补偿，适当提高电压 U1可以增强带载能力。

二、 恒压频比变频调速开环系统仿真原理

2.1恒压频比变频调速系统原理图

G1U/fUf升降速时间设定低频电压补偿

fUSPWM调制和驱动电压源型逆变器M3～f*频率给定由图，系统由升降速时间设定G1（可由simulink中Rate Limiter模块代替），U/f曲线，SPWM调制，交流电机和驱动电路等环节组成。只要将不同环节根据特定要求独立地设计出来并有效连接即可。

2.2调速电机选定

表2.2：电机参数设置

逆变器直流侧电压Ud 交流异步电机参数(4.7KW) 电压 定子绕组电阻 转子绕组电阻 互感 摩擦系数 380V 1.115? 1.083? 0.2037H 0.005752F 频率 定子绕组漏感 转子绕组漏感 转动惯量 极对数 50Hz 0.005974H 0.005974H 0.021J 2 514V 根据电机的给定参数，选定合适的电机，参数设置如下图2-2.

2.3 U-F模块和三相调制信号输出

已知，变频调速系统一般要求在变频时保

持电机气隙磁通?m不变，这样可在允许的电流下获得最大的转矩，使电机具有良好的调速性能。交流电机每相定子感应电动势为：

Es?4.44fsNsKs?m?Cfs?m

在改变频率fs时要保持气隙磁通?m不变

图2-3.1：恒压频比控制特性 就需要

Egfs?常数。因为Es不能直接检测和控制，在忽略定子绕组电阻时Es近

似等于电动机端电压Us。而Us和fs都可以方便地通过变频器控制，因此仅要求稳态时转速的调节，异步电动机变频调速系统常采用Us/fs?常数的控制，也称为VVVF控制或恒压频比控制。一般，精度要求需要考虑定子绕组压降，需要抬高Us，其控制特性如图2-3-1.

所以，U-f函数关系可设为： u(f)?

UN?U0f?U0fN

UN为电机额定电压；U0为起动时的补偿电压；fN为电机额定频率。

不妨取满载时转差率为0.97，根据异步电动机稳态等效电路和感应电动势，以及电机的阻抗参数，不难得到，UN?380V，fN?50hz，U0?55V,所以：

U（f）?6.5f?55。同时，在恒压频比条件下构建三相调制信号

(f*t)?ua?usin2??2?(f*t?2?3) ?ub?usin?u?usin2?(f*t?2?3)?c仿真模块如下图2-3-2：

2.4 SPWM调制电路

将恒压频比下输出的三相调制信号导入PWM发生器，设置其载波频率为

1500Hz，输出的脉宽调制波形下图2-4-1：