恒压频比交流调速系统MATLAB仿真

恒压频比控制的调速系统仿真

摘要：作为一种常用的变频调速方法，恒压频比控制（简称U/F 控制）在改变输出频率和电压的同时保持磁通不变，实现电机在较大范围内的平滑调速运行。该方法能够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，从而得到广泛的应用。本文通过介绍恒压频比变频调速的原理，应用MATLAB 仿真软件，实现了异步电动机变频调速系统的仿真，并且详细分析了其仿真结果。

关键字：变频调速，恒压频比，异步电机，MATLAB 仿真

一、恒压频比变频调速原理

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 （1）

式中，C 是由电动机结构决定的常数。

从式（1）可见，在改变频率s f 时要保持气隙磁通m Φ不变，就需要同时改

变s E ，使s E 随s f 变化并保持/s s E f 为固定的常数m C Φ。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。

给定升降速时

间设定低频电压补偿

图1 恒压频比变频调速系统原理图

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G1，U/f 曲线，SPWM 调制和驱动等环节组成。

二、恒压频比变频调速系统模型

恒压频比变频调速系统的仿真模型如图2所示。

图2 恒压频比变频调速系统的仿真模型

（1）G1模块

G1模块如图3所示，用于限制升频速度。其中放大器的放大倍数取10000，避免积分时间受输入偏差的影响。限幅器用于设定积分时间，调节限幅器上下限可调节输出频率信号的上升速度。

图3 G1模块结构

（2）U-F模块

U-F模块结构如图4所示，用于设定U/f曲线（图5）。

图4 U-F 模块结构

U

U U N

图5 U/f 曲线 模型中函数发生器Fcn1用于产生与频率f 相应的电压信号u ，函数表达式为

00()N N

U U u f f U f -=+（2）式中，N U 为电机额定电压；0U 为起动时的补偿电压；N f 为电机额定频率。

模型中用放大模块Gain2调整Fcn1模块的输出信号幅值，并且经过Saturation 模块限幅以保证U-F 模块输出不大于1。

（3）函数模块a u ,b u ,c u 经汇总的变量输入三个函数模块产生三相调制信号a u ,b u ,c u

(1)sin[2(2)(3)]

2(1)sin[2(2)(3)]34(1)sin[2(2)(3)]3a b c u u pi u u pi u u pi u u pi u u pi u u =*****=****-*=****+

（3）

再经PWM Generator 模块产生逆变器的驱动脉冲，经逆变器得到三相可调电压，控制电机的起动和运行。

三、恒压频比变频调速系统模型参数

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0.02J 摩擦系数0.005752F 极对数 2 四、恒压频比变频调速系统仿真

在给定频率50Hz、电动机空载起动、1s时加负载50N.m情况下，仿真结果如图6所示。

图6（a）频率给定曲线

图6（b）补偿后电压曲线图6（c）逆变器输出线电压

图6（d）逆变器输出线电压有效值图6（e）转速波形

图6（f）转矩波形

其中图（a）为频率上升曲线，经过一段时间频率上升到给定频率50Hz。图（b）为补偿后与频率对应的电压上升曲线，电压和频率基本保持同步，最后稳定到1V。图（d）为电动机输入的一相线电压（有效值），电压最终达到380V左右的电压额定值。图（e）为转速变化过程，电机从转速零起动，空载稳定转速为1500r/min，在1s时给电机施加负载，转速下降到1300r/min。图（f）为转矩波形，空载时转矩为零，1s时加负载，转矩变为500N.m。

从图中可以看到电动机电压基本按曲线的设定上升，但是起动中转速和转矩的波动很大。从逆变器输出电压的波形中可以看到，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。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。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，电动机也产生了负的转矩，从而使电动机的转矩和转速发生急剧波动。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(50Hz) ，电动机转速出现超调。因此采用等时间间隔的升频过程，都难以完全避免输出电压周期不规则的现象，工程上称之为"跳频"现象。

五、总结

这次通过Matlab软件仿真，我了解到电力电子变流技术在实际生活中的重要作用，并且对常用电力电子器件在MATLAB中的实现以及常用器件参数的设置有了实际的体验。这次仿真让我认识到掌握基础知识的重要性。复杂知识都是基础知识的堆积，抓住了基础，再难的问题都可以拆解开来简化处理。同时也深深体会到Matlab软件在本专业中的应用。

参考文献

[1]李华德. 交流调速控制系统[M]. 电子工业出版社. 2003.3.

[2] 洪乃刚. 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M]. 北京：机械