交流电机转子电阻斩波调速方法研究

交流电机转子电阻斩波调速方法研究

转子电阻斩波仿真研究闭环控制分级电阻

1引言

随着电力电子学、微电子学和自动控制理论的发展，交流电动机的调速技术近年来发展迅猛。由于交流传动克服了直流传动的缺点，发挥了交流电动机固有的优点，当前又很好的解决了交流电动机调速系统的电源装置，所以交流传动已得到越来越多的重视。

本文介绍的绕线式异步电动机转子电阻斩波调速是对转子串电阻调速的一种改进。这种调速系统通过对转子回路的固定阻值进行斩波控制，实现对固定电阻的无级调节，从而实现电机转子转速的无级调节。和转子串电阻调速相比，该系统易于实现闭环控制，控制精度高，平稳性好，装置体积小，投资少，是一种很好的改进方法，但和串级调速，变频调速相比，无论在损耗、效率、机械特性还是控制精度等方面都有一定的差距，所以该系统适用于一些对调速性能要求不太高的场合。

2电阻斩波调速原理

转子电阻斩波调速的核心理论便是斩波原理。在该调速系统中，转子外串电阻RO与斩波器并联，设外串电阻两端电压为Ud，直流回路中电流为Id。当斩波器未收到触发信号时，其相当于开路，此时外串电阻两端电压为IdRO；当斩波器收到触发信号时，其相当于短路，此时外串电阻两端电压为0。而触发信号是周期性的，斩波器只会在每个周期中的某一时刻导通，设触发信号的周期为Ts，每周期内的导通时间为ton，则，即，见图1所示。其中称为占空因数，记为ρ，则。

图1 控制信号脉冲波形

外串电阻两端平均电压为

(1)

其中，称为转子外接等效电阻，如图2所示。

图2 转子等效直流电路图

因为0 #ρ 1

所以0 1 ρ≤1

即0 #Uab IdR0

可知，改变斩波器占空因数ρ，就可以改变转子外接等效电阻Re。理想斩波器的ρ可以从0~1连续调节，则Re可以从R0~0连续变化，因而可以实现电动机转速的连续平滑调节。

3单片机控制电阻斩波调速系统介绍

3.1 电阻斩波调速系统简介

本文介绍的是单片机控制的转子电阻斩波调速系统对电动机转速的较为精确的控制，如图3所示。该调速系统的实质是通过改变直流控制回路两端电压的大小来调节交流电动机的转速，其调速方法与直流电动机类似，即通过一个整流装置把电动机转子上的三相交流电转换为直流电，在形成的直流回路中串接一外接电阻，并与之并联一个斩波开关(IGBT)，这样就可以通过输入一个PWM脉冲信号控制斩波开关的导通与关断时间来改变外串电阻两端等效电压的大小，进而调节转子上电压的大小，从而达到调节电动机转速的目的。为了实现对转速动态、精确的调节，系统需采用电流、转速双闭环反馈结构，即使用测速发电机来检测电动机转速的当前值，使用霍尔元件来检测直流回路中电流的当前值。并把转速、电流的检测值分别输入到单片机中，与各自的设定值相比较，以此产生一个不断变化的PWM控制信号，并通过驱动装置的放大来满足对控制斩波开关所需要的电压幅值的要求，这样就可以调整斩波开关的导通与关断时间，从而实现对电动机转速的实时、精确的控制。

3.2 单片机接口电路

图4为单片机控制系统图。

图3 单片机控制的电阻斩波调速系统结构图

图4单片机控制系统图

3.3控制电路直流电源的设计

电源电路由变压器T1，桥式整流器B1，滤波电容和集成稳压电路组成。变压器T1用于将220V交流电压转换为9V低压电压；整流电路B1用于将低压交流电压整流为全波直流脉动电压。该全波直流脉动电压经三极管D1，与滤波电容C1和C2相连，形成较平滑的直流电压。该直流电压送入三端稳压器MC7805T 的输入端VIN后，在输出端形成5V直流稳压电压，供单片机和其他电路使用。电容C3和C4负责负载突变情况下的滤波工作。

由于控制系统的各个部件需要不同的电压幅值和极性，所以需要接上分抽头来得到不同的电压，具体接法如图5所示。

图5 直流电源电路图

4基于MATLAB/SIMULINK的仿真

本文以YZR型绕线式异步电动机为控制对象，额定功率为7.5kW，设计过载能力为1.5，调速范围为2.5；电流超调量，Unm=Uim=5V，其系统仿真结构图如图6所示。

图6 系统仿真结构图

5电流仿真波形图

经过MATLAB仿真可以发现，按照理论分析和计算得出的系统动态结构图中各参数在进行仿真时，其输出动态曲线，如图7～图9所示，基本上满足设计要求。由于调速系统的最终目的是使转速按照要求进行调节，所以可以把转速曲线作为主要观察对象。

图7 转速仿真波形图

图8 电流仿真波形图

图9 控制电压仿真波形图

6结束语

可以看出，转子电阻斩波调速能够较好地克服传统的转子串电阻调速方法存在的缺点，易于实现闭环控制、控制精度较高、平稳性较好、装置体积小，投资少，因而在对传统的起重机拖动系统进行改造时是一种较好的选择。

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