基于MATLAB-SIMULINK三相交流异步电机SPWM控制调速的仿真与研究

基于MATLAB_SIMULINK实现三相交流异步电机SPWM调速控制的仿真与研究课程名称：电气工程课程设计1基于MATLAB_SIMULINK三相交流异步电机SPWM控制调速的仿真与研究一．PWM控制的基本原理在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲在具有惯性的环节上，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常相近，仅在高频段略有差异。当窄脉冲的形状不同，而它们的面积相等，那么，当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。当窄脉冲变为单位冲击函数时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。脉冲越窄，各脉冲响应波形的差异也越小。如果周期性的施加脉冲，则响应也是周期的，用傅里叶级数分解后将可看出各波形在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。上述原理即称之为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。下面分析如何使用一系列等副不等宽的脉冲来代替一个正弦波。将正弦半波分成N等份，就可以把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于π/N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等副而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦半波部分面积相等，而得到一系列的脉冲序列，即2PWM波形。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦半波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称之为SPWM（SinusoidalPWM)波形。二．电压型PWM逆变电路及其控制方法本实验采用调制法，即把希望输出的波形（正弦波）作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。在此采用等腰三角形作为载波。如下图①所示。采用等腰三角形是因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度呈线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求。在调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形，如下图②所示。图①本实验中三相桥式PWM型逆变电路，采用双极性控制方式。三相的PWM控制通常公用一个三角波载波Uc，如图③所示。三相的调制信号三个正弦波U、V、W依次相差120°。由于三相功率开3关器件的控制规律相同，现以其中一相为例来说明。当U＞Uc时，给上桥臂VT1以导通信号，给下桥臂VT2以关断信号；当UUc时，给上桥臂以导通信号，给下桥臂以关断信号，从而同一桥臂上两IGBT图②互补导通。V、W相的控制方式相同。将控制信号分别对应加入三相图③逆变电路中的IGBT的控制端，并施加直流电压，得到的线电压SPWM输出波形如下图④所示：4将三相异步电机星形连接，高压绕组三端A、B、C分别与U、V、W相连，从而通过改变调制信号的频率来实现变频调速，通过改变直流电压的大小观察电机转速即转矩的变化。电路图如下图⑤所示。图⑤三．仿真结果与分析1.产生频率为50Hz时，将控制电路（即图③）中的三相正弦波函数发生器SineWave的频率调为50Hz，即在频率参数栏中输入100*pi。并用阶跃信号发生器产生负载转矩输入电机，负载产生时刻定位0.25秒，大小为100。运行仿真系统，显示如下图⑥所示：5上图中最上面为转速仿真结果，中间为转矩，下面为U相电流（以下仿真结果排列顺序一样）。从仿真结果可以看出，电机起动转速上升过程中，输出转矩较低，而电流很大，并出现振荡。起动电流2'2')21()21(1xxrrUIst，起动转矩（C1=1，s=1)2'2''2)21()21(2111xxrrrUwpmTst，由以上两个公式可以看出启动电流比额定电流大的多，约为额定电流的5~7倍，起动时转子的功率因数很低，大约在0.2左右，因此从转矩公式2'2cosICTmT来看22cosI电流的有功分量较小。同时由于电流较大，定子漏抗压降增大，电动势E1减少，主磁通m也会相应减小，虽然'2I较大，但是起动转矩并不大。由于在0.25秒以前并未加入负载转矩，转速趋近于同步转速1n为157r/s，输出转矩为0，线电流以幅度为9A作正弦振荡；0.25s时加入负载转矩100N*m，转差率S增大，转速有所增大变为173r/s，输出转矩上升变为100N*m，线电流以幅度为33A作正弦振荡。由此可6见在输入电压频率不变的情况下，电机转速与负载大小是有关系的。2.产生频率为60Hz时，运行仿真结果如下图⑦所示：由仿真结果可以看出输出转速、输出转矩、线电流的变化趋势是一样的，只是大小幅度发生了变化。0.25s以前稳定输出转速由50Hz时的157r/s增大到189r/s，加入转矩后转速同样有所增大变为214r/s，线电流幅度增大到40A。增大输入电压的频率转速增加，在此对频率为30Hz，图⑦40Hz，50Hz，60Hz，70Hz，80Hz的仿真结果转速列表如下（0.25s以前）：直流电压（V)700频率（Hz）304050607080转速Wm（r/s)95125157189220250由上述表格可以看出，随着频率的增加，转速呈线性增加，可见变频调速精度高、调速范围较宽。在增加频率仿真过程中，发现随着频率的增加输出转矩和线电流达到稳定所需要的时间也在逐渐增加，并且当频率达到80Hz后，输出转矩开始出现振荡，如下图上端图所示：73.保持频率为50Hz，改变直流电压源电压，不加负载转矩，运行仿真系统，观察电机输出转速的变化，发现当直流电源电压由300v增加到800V，电机输出转速几乎没有发生变化，约为157r/s。再来考虑改变直流电压的大小对启动性能的影响，仿真结果如下：上面分别为800v、600v、400v时的输出转矩仿真结果。有上图可见，随着输入电压的增大，起动转矩增大，达到稳定转矩所需的时间减少。综上所述：三相交流异步电机起动时，启动电流较大，但起动转矩不大，并且增大输入电压可增大起动转矩同时缩短起动时间，然而8增大输入电压会出现电流、转矩振荡，稳态精度不高；改变供电电源的频率对异步电机进行调速可以得到较好的效果，并且可实现线性调速，改变输入电压起不到好的调速效果；空载运行时，线电流和输出转矩为零，加入负载转矩后，输出转矩逐渐趋近负载转矩并达到稳定，线电流则以一定的幅度作正弦振荡。四．课题设计总结本次课题设计历时两个星期左右，主要是在学长的指导下，从SPWM调速控制原理开始着手，最终用MATLAB_SIMULINK进行仿真，对预期结果进行验证并对所出现的现象进行分析研究。刚开始着手，由于《电机学》和《电力电子技术》两门课程的学习是在一学期以前了，不免有所生疏。学长划出一些重点之后，在第一个星期主要是熟悉课本、了解原理为主，并尝试着在SIMULINK中搭接电路进行仿真，所遇到的问题和组员探讨之后，仍有不明白的地方再去向学长请教。第二个星期开始全力进行电路仿真，同样是在学长的指导和帮助下循序渐进，这个星期结束，电路图终于完成并且出现预期的结果，在学长指出可进行分析的方向后开始写报告，最终完成这篇课题设计报告。在此次设计过程中，我深深感受到遇到不懂的地方向人请教是一个很好的学习方法，在学长的帮助下设计才得以按计划有步骤的进行。同时发现学过的知识要学会运用，并且要经常回顾，在实践的过程中对原理的深层次掌握才是对知识点的真正学习与把握。最后，由衷的感谢李老师作为本次课题设计的指导老师，以及徐9斌学长在整个设计过程中对我们组的帮助和指导。