恒压频比控制下交流异步电机调速系统仿真

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1U 和角频率1ω 都为恒定值时，异步电动机的机械特性方程可以改写为

()

()

2

112

2

2

2

21121

123''e p l l U s R T n sR R s L L ωωω

⎛⎫

= ⎪

+++⎝⎭

（1—1）

当s 很小的时候，可忽略分母中含s 各项，则：

2

11

12

3'e p U s T n s R ωω⎛⎫≈∝ ⎪⎝⎭ （1—2）

当s 很小的时候，转矩近似与s 成正比，机械特性e T =f （s ）是一段直线；当s 接近1时。可忽略（1—2）式分母中的2'R ，则：

()2

1122221111213'e p l l U R T n s s R L L ωωω⎛⎫≈∝ ⎪⎡⎤++⎝⎭⎣⎦

（1—3）

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

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.

由式（1-1），对于同一负载要求，即以一定的转速A n 在一定的负载转矩 lA T 下运行时，电压和频率可以有多种组合，其中恒压频比（11/U ω=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

随着频率变化：

图1-1： 恒压频比控制下的机械特性

p

n w n π2601

0=

（1—4） 带负载时的转速降落为 ，

0160

2p

n sn s n ωπ∆==

（1—5） 在式（1—2）中所表示的机械特性近似直线段上。可以导出

212

11'3e

p R T s U n ωω≈⎛⎫ ⎪

⎝⎭

（1—6） 可见，当11/U ω为恒值时，对同一转矩T ，1s ω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11/U ω为恒值时最大转矩max e T 随角频率1ω的变化关系为

()2

1max

2

121

1121132'e p l l U T n R

R L L ωωω⎛⎫

= ⎪⎝⎭⎛⎫+++ ⎪⎝⎭

（1—7）

可见，max e T 是随着1ω的降低而减小的，频率很低时，max e T 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 1U 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

SPWM 调制和驱动

电压源型逆变器

M 3～

U

f

f 频率给定

升降速时

间设定

G1

低频电压补偿

U/f U

f

*

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

514V

交流异步电机参数(4.7KW)

电压 380V 频率 50Hz 定子绕组电阻 1.115Ω 定子绕组漏感 0.005974H 转子绕组电阻 1.083Ω 转子绕组漏感 0.005974H 互感 0.2037H 转动惯量 0.021J 摩擦系数

0.005752F

极对数

2

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 Φ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：

4.44s s s s m s m E f N K Cf =Φ=Φ

在改变频率s f 时要保持气隙磁通m Φ不变

就需要

常数=s

g f 。因为s E 不能直接检测和控制，在忽略定子绕组电阻时s E 近

似等于电动机端电压s U 。而s U 和s f 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/s s U f =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s U ，其控制特性如图2-3-1.

图2-3.1：恒压频比控制特性