转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统仿真

转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统仿真转速开环恒压频比控制是交流电动机变频调速最基本的控制方式，一般变频调速装置都带有这项功能，恒压频比的转速开环工作方式能满足大多数场合交流电动机调速控制的要求，并且使用方便，是通用变频器的基本模式。采用恒压频比控制，在基频以下的调速过程中可以保持电动机气隙磁通基本恒定，在恒定负载情况下(恒转矩)，电动机在变频调速过程中的转差率基本不变，所以电动机的机械特性较硬，电动机有较好的调速性能。但是如果频率较低，定子阻抗压降所占比重较大，电动机就难于保持气隙磁通不变，电动机的最大转矩将随频率的下降而减小。为了使电动机在低频低速时仍有较大的转矩，在低频时应适当提高定子电压(低频电压补偿)，使电动机在低频时仍有较大的转矩。恒压频比变频调速系统的基本原理结构如图1所示，系统由升降速时间设定、fU曲线、SPWM调制和驱动等环节组成。其中升降速时间设定用来限制电动机的升频速度，避免转速上升过快而造成电流和转矩的冲击，相当于软起动控制的作用。fU曲线用于根据频率确定相应的电压，以保持压频比不变(fU=常数)，并在低频时进行适当的电压补偿。SPWM和驱动环节将根据频率和电压要求产生按正弦脉宽调制的驱动信号，控制逆变器，以实现电动机的变压变频调速。图1恒压频比变频调速系统原理图转速开环变频调速系统的仿真模型如图2所示。图中逆变器、电动机、SPWM生成等主要模块提取路径见表1。图2转速开环VVVF系统仿真模型其中给定积分器的模型同图3，设定恰当的积分时间常数可以控制频率上升的速率，从而设定电动机的起动时间。在给定积分器的后面插人了一个取整环节(integer)，使频率为整数。图3定积分器的模型fU曲线(见图4)由函数发生器Fcn产生，根据频率确定相应的电压值，其函数表达式为式为表1转速开环变频调速系统模型模块提取路径0UffUUNN图4fU曲线式中，NU为电动机额定电压，Nf为电动机额定频率，0U为初始电压补偿值。电压U、频率f、时间t经Dux汇总为一维向量二)3(),2(),1(uuux，式中u(1)、u(2)、u(3)依次表示电压、频率和时间。函数模块cbauuu,,分别用于产生三相调制信号;)]3()2(2sin[)1(uupiuua]32)3()2(2sin[)1(piuupiuub]34)3()2(2sin[)1(piuupiuub根据三相调制信号，由PWM发生器产生逆变器驱动脉冲，经逆变器得到频率和幅值可调的三相电压，使交流电动机按给定要求起动和运行。模型中的其他参数设定见表2。表2转速开环VVVF系统模型参数在给定频率为50Hz，起动时间为5s，的情况下，仿真结果如图5所示。其中图a是电动机输人的一相线电压(有效值)，图b为转速变化曲线，图c为转速一转矩特性。从图中可以看到，电动机电压基本按U-f曲线的设定上升，但是起动中转速和转矩的波动很大。a）逆变器输出线电压Uabb）转速波形nc）转矩Te波形图5VVVF起动过程为分析转速和转矩产生较大波动的原因，将起动过程中一段(3-4s)的电压、转速等波形展开，如图6所示。从逆变器输出电压的波形(b)中可以看到，输出电压的频率变化呈现出不规则，电压频率不是均匀地上升，中间部分时段电压波形的周期变大、频率减小。将起动过程中的升频曲线(见图d)和相应时段的正弦调制信号(见图c),以及转速曲线(见图a)相比较，在频率变化的边界上，正弦调制信号和转速都发生了畸变，这是因为频率变化的时刻不一定是发生在调制信号一个完整周期的末尾，在调制正弦信号一周期尚未结束时，频率发生了变化，就可能使下一周期信号的前半周期变宽或变窄，使相应的一周期频率减小或增加。a)转速n的波形b)逆变器输出电压（瞬时值）Uabc）正弦调制信号图6VVVF系统启动分析进一步比较频率变化时刻的三相电压波形，这时的三相电压的相序也可能异常，出现瞬时的负相序，电动机也就产生了负的转矩，从而使电动机的转矩和转速发生急剧的波动。延长起动时间，波动的情况可以减小，但是波动还是存在的。如果起动时间设定过小，在正弦一周内发生多次频率的变化，还可以出现增频现象，使逆变器输出频率超过设定频率(5OHz)，使电动机转速出现超调。因此采用等时间间隔的升频过程，都难于完全避免输出电压周期不规则的现象，工程上也称之“跳频”现象。