三相异步电动机变频调速专业系统设计及仿真.doc

天津职业技术师范大学
课 程 设 计 说 明 书

题目：三相异步电动机变频调速系统设计及仿真

指导老师：

班 级： 机 检1112班
组 员

天津工程师范学院
课 程 设 计 任 务 书

机械工程 学院 机检1112 班 学生
课程设计课题：
三相异步电动机变频调速系统设计及仿真
一、课程设计工作日自 年 1 月 12 日至 年 1 月 23 日
二、同组学生：
三、课程设计任务要求（包含课题起源、类型、目标和意义、基础要求、完成时间、关键参考资料等）：
1、目标和意义
交流调速是一门关键专业必修课，它含有很强实践性。为了加深对所学课程（模拟电子技术、数字电子技术、电机和拖动、电力电子变流技术等）了解和灵活应用所学知识去处理实际问题，培养学生设计实际系统能力，特开设为期一周课程设计。
2、具体内容
写出设计说明书，内容包含：
（1）各关键步骤工作原理；
（2）整个系统工作原理（包含开启、制动和逻辑切换过程）；
（3）调整器参数计算过程。
2．画出一张具体电气原理图；
3．采取Matlab中Simulink软件对整个调速系统进行仿真研究，对计算得到调整器参数进行校正，验证设计结果正确性。将Simulink仿真模型，和开启过程中电流、转速波形图附在设计说明书中。
 4、考评方法
1．周五采取口试方法进行考评（以小组为单位），成绩按百分制评定。其中小组分数占60%，个人成绩占40%（包含口试情况和上交材料内容）；
2．天天早晨8:30--11:30在综合楼226房间答疑。
五、参考文件
1、陈伯时．电力拖动自动控制系统----运动控制系统（第3版）．机械工业出版社，
指导老师签字： 教研室主任签字：

目录
第一章 绪论 2
第二章 系统总体设计方案 4
2.1 概述 4
2.2系统组成结构及工作原理 4
2.2.1恒压频比控制下机械特征 4
2.2.2变频器 6
2.2.3变频器主电路工作原理 6
2.2.4整流电路 7
2.2.5逆变电路 7
2.2.6调整器 9
2.2.7开启制动 10
第三章 硬件设计及选型 11
3.1主电路设计 11
3.2整流电路设计 11
3.3逆变电路设计 12
第四章 simulink仿真 13
4.1建立模型 13
4.2 未变频时仿真结果 14
4.3变频时仿真结果（基频以下调速） 15
4.4变频时仿真结果（基频以上调速） 17
相关变频调速总结 18
附电气图 19
参考文件 19

第一章 绪论

在交流调速中，交流电动机调速方法有三种：变极调速、改变转差率调速和变频调速。其中变频调速含有绝对优势，而且它调速性能和可靠性不停完善，价格不停降低。变频调速是以变频器向交流电动机供电，并能够组成开环或闭环系统。变频器能够将原先固定电压和频率交流电源转换为可调电压和可调频率交流电，所以变频器已经成为当今交流调速关键部件。[1]
变频调速是一个经典交流电动机调速方法，交流电动机采取变频调速技术不仅能够实现无级调速，而且能够依据负载不一样，经过合适调整电压和频率关系，使电动机一直在高效率区运行，而且确保良好动态性能，所以被广泛使用。[6]
现在，应用较为广泛变频调速系统关键有以下多个：
1. 转速开环变频调速系统
所谓转速开环变频调速就是采取开环、恒压频比，而且带低频电压赔偿控制方法。该控制系统成本低及其结构简单，所以多用于风机等节能调速上面。
2. 转速闭环转差率控制PWM变频调速系统
利用电机稳定运行时，在转差率S很小范围内，当磁通Φ不变时，转矩和转差角频率成正比关系来实现电动机较高性能调速，但其动态性能不够。
3. 转速、磁链双闭环矢量控制电流滞环型PWM变频调速系统。
应用矢量控制理论，对转速、磁链进行分别控制，采取了滞环电流跟踪型PWM逆变器，所以其动态性能很好，还配有正确转子磁链观察器，则系统全部达成和直流电动机调速系统相媲美。[6]
研究意义：生产机械经过电动机拖动来进行预定生产方法。直流电动机可方便地进行渊速,但直流电动机体积大、造价高，而且无节能效果。而交流体积小、价格低廉、运行性能优良、重量轻，所以对交流电动机凋速含有重大实用性。使用调速技术后，生产机械控制精度可大为提升，并能够较大幅度地提升劳动生产率和产品质量，而且可对很多生产过程实施自动控制。经过大量理论研究和试验，大家逐步认识到对交流电动机进行调速控制，不仅能使电力拖动系统含有很优异控制性能，而且在很多场所中，还含有很显著节能效果。鉴于多个调速方法中，交流变频调速含有系统体积小，重量轻、控制精度高、保护功效完善、工作安全可靠、操作过程简单，通用性强，使传动控制系统含有优良性能，同时节能效果显著，产生经济效益显著。尤其当和计算机通信相配合时，使得变频控制愈加安全可靠，易于操作(因为计算机控制程序含有良好人机交互功效)，变频技术必将在工业生产发挥巨大作用，让工业自动化程度得到更大提升。[4][5]

第二章 系统总体设计方案
2.1 概述
本系统采取恒压频比开环交流控制。经过外部线路控制电机开启制动；经过三相调制波调整电机速度；
变频器将工频交流电转换为需要电压和频率；测速发电机测得电机实际转速并反馈回控制回路。系统原理图以下图2.1所表示：

图2-1 恒压频比开环交流控制系统

2.2系统组成结构及工作原理
2.2.1恒压频比控制下机械特征
异步电动机带载稳态运行时，由

此式表明，对于同一负载要求，即以一定转速 在一定负载转矩 下运行时，电压和频率能够有多个组合，其中恒压频比（恒值）最轻易实现。它变频机械特征基础上是平行下移，硬度也很好，能满足通常调速要求。不过低速带载能力还较差，需对定子压降实施赔偿
为了近似保持气隙磁通不便，方便充足利用电机铁心，发挥电机产生转矩能力，在基频以下采取恒压频比控制，实施恒压频比控制时，同时转速自然也伴随频率改变

所以带负载时转速降落为

在机械特征近似直线段上。能够导出

由此可见，当为恒值时，对同一转矩，是基础不变，所以也是基础不变，也就是说，在恒压频比条件下改变频率时，机械特征基础上是平行下移，它们和直流她激电机调速时特征改变情况近似，所不一样是，当转矩达成最大值以后，转速再降低，特征就折回来了。而且频率越低时候转矩越小
对前式整理可得出为恒值时最大转矩随角频率改变关系为

可见，是伴随降低而减小，频率很低时，太小将限制调速系统带载能力，采取定子压降赔偿，合适提升电压 能够增强带载能力。
2.2.2变频器
变频器是利用电力半导体器件通断作用将工频电源变换为另一频率电能控制装置。我们现在使用变频器关键采取交-直-交（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源经过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制交流电源以供给电动机。变频器电路通常由整流、中间直流步骤、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流步骤为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
2.2.3变频器主电路工作原理
变频调速实际上是向交流异步电动机提供一个频率可控电源。能实现这个功效装置称为变频器。变频器由两部分组成：主电路和控制电路，其中主电路通常采取交-直-交方法，先将交流电转变为直流电(整流，滤波)，再将直流电转变为频率可调交流电（逆变）。

图2.2 电压型交直交变频调速主电路
2.2.4整流电路
整流电路是把交流电变换为直流电电路。现在在多种整流电路中，应用最广泛是三相桥式全控整流电路，三相桥式全控整流电路每个时刻均需2个晶闸管导通，而且这两个晶闸管一个是共阴极组，一个是共阳极组，只有它们能同时导通，才能形成导电回路。因为整流电路原理比较简单，设计中不再做具体介绍，其原理图2.3所表示。

图2.3 三相桥式全控整流电路
2.2.5逆变电路
将直流电转换为交流电过程称为逆变。完成逆变功效装置叫做逆变器，它是变频器关键组成部分，电压性逆变器工作原理以下：
（1）单相逆变电路
在图2.3单相逆变电路原理图中：
当、同时闭合时，电压为正；、同时闭合时， 电压为负。
因为开关～轮番通断，从而将直流电压逆变成了交流电压。
能够看到在交流电改变一个周期中，一个臂中两个开关如：、交替导通，每个开关导通电角度。所以交流电周期（频率）能够经过改变开关通断速度来调整，交流电压幅值为直流电压幅值。

图2.4 单相逆变器原理图
（2）三相逆变电路
三相逆变电路原理图见图2.4所表示。
图2.4中，～组成了桥式逆变电路，这6个开关交替地接通、关断就能够在输出端得到一个相位相互差三相交流电压。
当、闭合时，为正；、闭合时，为负。
用一样方法得：当、同时闭合和、同时闭合，得到,,同时闭合和、同时闭合，得到。
为了使三相交流电、、在相位上依次相差；各开关接通、关断需符合一定规律，其规律在图2.4b中已标明。依据该规律可得、、波形图2.4c 所表示。

a）结构图 b) 开关通断规律 c) 波形图
图2.5三相逆变器原理图

上述分析说明，经过6个开关交替工作能够得到一个三相交流电，只要调整开关通断速度就可调整交流电频率，当然交流电幅值可经过大小来调整。
2.2.6调整器
调整器将生产过程参数测量值和给定值进行比较，得出偏差后依据一定调整规律产生输出信号推进实施器消除偏差量，使该参数保持在给定值周围或按预定规律改变控制器用于运动控制调整器有：百分比调整器、积分调整器、百分比积分调整器、百分比微分调整器、百分比积分微分调整器等。
I调整器特点
(1) 积累作用；(2) 记忆作用；(3) 延缓作用。

PI调整器特点
(1) 积累作用；(2) 记忆作用；(3) 快速响应。
PD调整器特点
(1) 抑制改变；(2) 快速响应
PID调整器特点
(1) 消除累积误差作用；(2) 抑制改变作用；(3) 快速跟随响应。
此次设计是采取PI调整器转速负反馈单闭环调速系统
2.2.7开启制动
经过电气元件控制该电机开启制动，原理图以下所表示：

图2.6 电气原理图
SB1为开启按钮，SB2为制动按钮。按下SB1，继电器KM1得电吸合并保持，变频器接入电网，将频率转换后输送给电机开启；按下SB2，KM1失电解除自锁，变频器和电网断开，电机制动。
第三章 硬件设计及选型
3.1主电路设计
主电路为单相全桥逆变电路，主开关管采取GTR，输出100V，50-400Hz频率可调交流电压，由单极性PWM波来控制该逆变电源。该系统主电路图3.2所表示，采取交-直-交电压源变频器结构。

图3.1 PWM变频调速系统主电路图
3.2整流电路设计
用三相桥式不可控整流电路将交流电整流成直流电，电路图5.1左半部分由6个二极管组成。
经过二极管峰值电流为：

经过二极管电流有效值：

二极管电流额定值：

整流二极管额定电压为：

依据上面计算电压和电流和市场价格和供货情况，实际选择整流二极管为5A、1000V。
3.3逆变电路设计
逆变电路功率器件选择6个GTR和6个快速续流二极管。
IGBT正反向峰值电压为：

考虑到2～3倍安全系数，取耐压值为1000V。
通态峰值电流：

考虑1.5～2倍安全系数，取电流额定值为5A。续流二极管耐压和续流计算和上相同，考虑到市场价格和供货情况，实际选择GTR为GT25Q101，续流二极管为MUR860。
驱动信号PWM波可由单片机控制发出，此处不作说明。
第四章 simulink仿真
4.1建立模型
建立三相异步电动机变频调速仿真模型，能够采取simulink提供仿真模块，如交流电源，电压测量，异步电机，电机测量等。其中，三相交流电源在【Power System】Power Electronics中，将三相交流电源频率设置成50，电压值设置和电机电压相同。电压表在【Power System】Measurement中，异步电机模块在【Power System】库Machines中，双击电机模型，设置其参数，设置图4.1所表示，设置增益K值为（30/3.14）其仿真图形以下图4.2所表示。

图4.1异步电动机参数设置

图4.2变频调速仿真模型
这是个简单电机调速仿真系统，即使简单不过仍然要观察电机性能指标，其中比如超调，调整时间等。
上升时间是输出响应从零开始第一次上升到稳态值所需时间。越小，表示初始响应速度越快。由自动控制原理可知，系统快，稳是相对矛盾，二者是冲突，通常我们全部在寻求一个二者最好平衡点。
因为初始设定频率为50，依据
可知应该为1500r/min。
4.2 未变频时仿真结果

图4.3 仿真结果（由上到下分别为定子电流、转子电流、转速、负载转矩）

图4.4 稳定转速
由图可知，依据公式可知，转速最终稳定在1487r/min，同时在0.8s左右，电机转速抵达标准，和预定结果差入不大。
4.3变频时仿真结果（基频以下调速）
改变电源频率，将其变为40，因为这是基频以下调速，所以为了预防磁路饱和，当降低定子电源频率时，保持常数，所以电压要对应改变成320v，重新运行仿真模型，得到仿真结果图4.5所表示。

图4.5 仿真结果（由上到下分别为定子电流、转子电流、转速、负载转矩）

图4.6 稳定转速
由图可知，依据公式可知，转速最终稳定在1179r/min，略小于1200 r/min同时在0.75s左右，电机转速抵达标准，和预定结果差入不大。反应时间也变短了，也就是说反应愈加快了。
4.4变频时仿真结果（基频以上调速）
改变电源频率，将其变为60，由前面理论知识可知，基频以上调速时电源电压是不变，重新运行仿真模型，得到仿真图形图4.7所表示。

图4.7 仿真结果（由上到下分别为定子电流、转子电流、转速、负载转矩）

图4.8 稳定转速

由图可知，转速约为1770r/min，略小于1800 r/min，满足这个公式理论计算结果，不过电机响应时间和基频以上调整时响应时间要大多，同时，假如将频率进行更细微调整，转速也会有对应细微改变。

相关变频调速总结
该仿真只是从原理上揭示了变频调速机制，和通常变频调速系统不是同一回事，该变频调速关键是从公式入手，经过改变电源频率来改变电动机同时转速，使转子转速随之改变。
依据变频调速和变极调速,调压调速对比，能够知道变频调速部分特点和性能：
（1）变频调速设备（简称变频器）结构复杂，价格昂贵，容量有限。但伴随电力电子技术发展，变频器向着简单可靠、性能优异、价格廉价、操作方便等趋势发展。
（2）变频器含有机械特征较硬，静差率小，转速稳定性好，调速范围广（可达10：1），平滑性高等特点；可实现无级调速,这是和变极调速最大区分.
（3）变频调速时，转差率较小，则转差功率损耗较小，效率较高。
（4）能够证实：变频调速时，基频下调速为恒转矩调速方法；基频调速以上时，近似为恒功率调速方法。
(5）变频调速器已广泛用于生产机械等很多领域内。
不过变频调速一样也有些问题，变频器输出交流电压、电流波形通常不是完全正弦波，除了基波分量外，还有高频谐波分量，这将对电机运行性能产生不良影响。对此，为适应变频器供电要求，专门设计形成变频调速电动机。而且针对超调，响应时间问题，这些全部是要处理问题。

附电气图

参考文件

[1] 胡虔生 胡敏强.电机学.北京: 中国电力出版社, .
[2] 曹弋.MATLAB教程及实训.北京: 机械工业出版社,.6
[3] 胡虔生.电机学习题手册.北京：中国电力出版社，.11
[4] 林飞，杜欣. 电力电子应用技术MATLAB仿真.北京：中国电力出版社，
[5] 王正林，刘明. 精通MATLAB[M]. 北京：电子工业出版社，
[6] 陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社，.7
[7] 洪乃刚，电力电子技术.北京： 清华大学出版社，.1
[8] 戴文进，电机学.北京：清华大学出版社，.09
[9] 钟麟/王峰，MATLAB仿真技术和应用教程.北京：国防工业出版社，.1
[10] 王兆安，电力电子技术.北京：机械工业出版社，.2