1、IV异步电动机 SPWM 变频调速原理与仿真分析摘 要在分析 SPWM 原理的基础上，利用 MATLAB/SIMULINK 软件构造了 SPWM 调速系统的仿真模型并说明了规则采样法的可行性。该模型主要利用 S-函数模拟自然采样法和规则采样法的控制规则并应用电力系统工具箱构建逆变桥和电机，能够比较好的模拟真实的系统并实现变频调速的功能。通过对仿真结果的分析，对比自然采样法和规则采样法控制性能的差异，得出了规则采样法在工程实际中应用的可行性。关键词：SPWM，异步电机，MATLAB，仿真，规则采样法，自然采样法The Simulation and Analysis of the Fundment
2、al Principle of Asynchronous Motor SPWM Speed AdjustingABSTRACTBase on analizing SPWM principle, the SPWM velocity modulation systems simulation model has been constructed by using the MATLAB/SIMULINK software.After analizing the results of simulation,the feasibility of the regular sample law is giv
3、en out. This model mainly uses the S- function analogue natural sampling law and the regular sampling method control rule and construct inverter and machine ,this model can simulate the real system and realize the frequency conversion velocity modulation function. The simulation results is given out
4、 in this paper, though analizing the simulation results and constrasting the difference of the control performance of natural sampling law and regular sampling,the application feasibility of the regular sampling law in the project has been obtained.KEYWORDS: SPWM ,aynchronous motor,MATLAB,simulation
5、, regular sampling law, ntural sampling law目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 交流调速系统的发展11.2 交流调速系统的基本类型21.2.1 异步电动机调速系统的基本类型21.2.2 同步电动机调速的基本类型42 Siulink 仿真基础52.1 Simulink 简介52.1.1 Simulink 启动52.1.2 Simulink 组成52.1.3 仿真过程62.2 Simulink 模块库简介62.3 电力系统工具箱简介62.4 S-函数简介62.4.1 S-函数的基本概念62.4.2 S-函数的使用72.4.3 与 S-函数相
6、关的一些术语72.4.4 S-函数的工作原理82.4.5 编写 M 文件 S-函数93 异步电动机变压变频调速系统113.1 概述113.2 变压变频调速的基本控制方式113.2.1 基频以下调速113.2.2 基频以上调速123.3 异步电动机电压频率协调控制时的机械特性124 PWM 控制技术154.1 正弦脉宽调制原理及其优点154.1.1 SPWM 原理154.1.2 SPWM 的优点184.1.3 关于 SPWM 的开关频率194.2 同步调制和异步调制194.2.1 异步调制194.2.2 同步调制194.2.3 分段同步调制204.3 SPWM 波形的生成204.3.1 自然采样
7、法204.3.2 规则采样法215 异步电动机 SPWM 变频调速仿真系统的设计235.1 自然采样法系统的设计235.1.1 三角波的生成235.1.2 自然采样法 SPWM 脉冲的生成255.1.3 直流电源255.1.4 逆变器的设计255.1.5 系统总框图的设计265.2 规则采样法系统的设计265.2.1 规则采样法脉冲的生成265.2.2 规则采样法系统总框图的设计285.3 仿真分析285.3.1 额定转速（50HZ）的波形295.3.2 性能对比分析30致 谢36参 考 文 献371异步电动机变频调速原理与仿真分析1 绪论1.1 交流调速系统的发展1直流电气传动和交流电气传动
8、在 19 世纪先后诞生。在 20 世纪上半叶，鉴于直流传动具有优越的调速性能，高性能可调速传动都采用直流电机，而约占电气传动总容量 80%以上的不变传动系统则采用交流电动机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。直到 20 世纪 60、70 年代，随着电力电子技术的发展，采用电力电子变流器的交流传动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，使高性能交流调速系统应运而生，交直流传动按调速性能分工的格局终于被打破了。此时直流电动机和交流电动机相比的缺点日益显露出来，例如具有电刷和换向器而必须经常检查维修，换向火花使它的应用环境受到限制，换向能力限制了直流电动机的容量和速度。于是
9、交流可调传动取代直流传动的呼声越来越高，交流传动控制系统已经成为电气传动控制的主要发展方向。据统计，在 2001 年的世界可调电气传动产品中，交流传动已占 2/3 以上。目前，交流传动系统的应用领域主要以下三个方面：（1） 一般性能的节能调速和按工艺要求调速 在过去大量的所谓“不变速交流传动” 中，风机、水泵等通用机械的容量几乎占工业电气传动总容量的一半，其中有不少场 合并不是不需要调速，只是因为过去的交流传动本身不能调速，不得不依赖挡板和阀 门来调节送风和供水的流量，因而把许多电能白白的浪费掉。如果改造成交流调速系 统，把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机、水泵可以节约 20%30%
10、的电能，效果十分可观。而且风机和水泵对调速范围和动态性能的要求都不是很高，只要 有一般的调速性能就足够了。许多工艺上需要调速的生产机械过去多采用就直流传动，鉴于交流电动机比直流电动机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯性小、效率高，如果改成交流传动，显然能够带来不少的效益，于是一般按工艺要求需要调速的场合也应该采用交流调速。（2） 高性能的交流调速系统和伺服系统 由于交流电动机的电磁转矩 难以像直流电动机那样通过电枢电流施行灵活的控制，交流调速系统的性能在一段时期内赶不上直流调速系统。直到 20 世纪 70 年代发明了矢量控制技术，通过坐标转换，把交流电动机的定子电流分解成转矩分量和励磁
11、分量，用来分别控制电动机的转矩和磁通，可以获得和直流电动机相仿的高动态性能，才使交流电动机的调速技术取得了突飞猛进的发展。其后，又陆续提出了直接转矩控制和解耦控制等方法，形成了一系列可以与直流调速系统相媲美的高性能交流调速系统和交流伺服系统。（3） 特大容量、极高转速的交流调速 直流电动机的换向能力限制了它容量转速积不超过106 kWr/min ，否则其设计与制造就非常困难了。交流电动机没有换向问题，2陕西科技大学毕业论文（设计说明书）不受这种限制，因此特大容量的电气传动设备，如厚板轧机、矿场卷扬机、巨型电动船舶，以及极高转速的传动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。1.2 交流调速
12、系统的基本类型交流电动机有异步电动机和同步电动机两大类，每类电动机又有不同类型的调速方法。1.2.1 异步电动机调速系统的基本类型2常见的交流调速方法有：降电压调速；转差离合器调速；转子串电阻调速；绕线电机串级调速或双馈电机调速；变极对数调速；变压变频调速等等。（1） 调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点：调压调速线路简单，易实现自动控制；调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。调压调速一般适用于 100KW 以下的生产机械。（2） 电磁调速电动机由笼型电动机、电磁
13、转差离合器和直流励磁电源（控制器） 三部分组成。直流励磁电源功率较小，通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成， 改变晶闸管的导通角，可以改变励磁电流的大小。电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组三部分组成。电枢和后者没有机械联系，都能自由转动。电枢与电动机转子同轴联接称主动部分，由电动机带动；磁极 用联轴节与负载轴对接称从动部分。当电枢与磁极均为静止时，如励磁绕组通以直 流，则沿气隙圆周表面将形成若干对 N、S 极性交替的磁极，其磁通经过电枢。当电枢随拖动电动机旋转时，由于电枢与磁极间相对运动，因而使电枢感应产生涡流， 此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动有磁极的转子按同一方向旋转，但其转速恒 低于
14、电枢的转速 N1，这是一种转差调速方式，变动转差离合器的直流励磁电流，便可改变离合器的输出转矩和转速。电磁调速电动机的调速特点：装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便； 调速平滑、无级调速；对电网无谐影响； 速度失大、效率低。本方法适用于中、小功率，要求平滑动、短时低速运行的生产机械。（3） 绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。3异步电动机变频调速原理与仿真分析（4） 变极对数调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动
15、机定子极对数达到调速目的，特点如下：具有较硬的机械特性，稳定性良好； 无转差损耗，效率高；接线简单、控制方便、价格低；有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。（5） 串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，
16、多采用晶闸管串级调速，其特点为：可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高； 装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速70 90的生产机械上；调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产； 晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。（6） 变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器。其特点：效率高，调速过程中没有附加损耗； 应用范围广，可用于笼型异步电动机；
17、调速范围大，特性硬，精度高；技术复杂，造价高，维护检修困难。本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率 Pm 可分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率（ Pmech = (1 - s)Pm ）；另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率s 成正比( Ps = sPs )。从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类。（1） 转差功率消耗型调速系统 这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，上述的第、三种调速方法都属于这一类。在三类
18、异步电机调速系统中，4陕西科技大学毕业论文（设计说明书）这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。（2） 转差功率馈送型调速系统 在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，上述第种调速方法属于这一类。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。（3） 转差功率不变型调速系统 在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基
19、本不变，因此效率更高，上述的第、两种调速方法属于此类。其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。1.2.2 同步电动机调速的基本类型 同步电机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电机调速系统只能是转差功率不变型（恒等于 0 ）的，而同步电机转子极对数又是固定的，因此只能靠变压变频调速，没有像异步电机那样的多种调速方法。在同步电机的变压变频调速方法中，从频率控制的方式来看，可分为他控变频调速和自控变频调速两类。自控变频调速利用转子磁极位置的检测信号来控
20、制变压变频装置换相，类似于直流电机中电刷和换向器的作用，因此有时又称作无换向器电机调速，或无刷直流电机调速。开关磁阻电机是一种特殊型式的同步电机，有其独特的比较简单的调速方法，在小容量交流电机调速系统中很有发展前途。 5异步电动机变频调速原理与仿真分析2 Siulink 仿真基础2.1 Simulink 简介Simulink 是 MATLAB 最重要的组件之一，Math Works 公司在 1993 年推出 MATLAB 4.1 时推出了 Simulink 1.0 。至 2008 年 3 月 1 日，Math Works 公司已推出最新版本的 MATLAB R2008a ，同时还推出了最新版本
21、的 Simulink 7.1 。Simulink 是Simulation (仿真) 和 link（连接）的简写形式，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，不用大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠 标操作，就可以构造出复杂的系统模型。Simulink 具有适用性广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，广泛应用于控制理论和数字信号处理等复杂系统的方针和设计。同时 Simulink 也成为 MATLAB 其他工具箱的图形化仿真平台， 如神经网络工具箱、模糊控制工具箱、电力系统工具箱等。2.1.1 Simulink 启动启动 MATLAB 软件之后，可以通
22、过 3 种方式打开 Simulink 工具箱。（1） 在 Command Window 输入 “sinmulink” 命令。（2） 单击 MATLAB主窗口左下角的【Start】按钮，在弹出的快捷菜单中选择【Simulink】/ 【Library Browser】命令。（3） 单击 MATLAB 主窗口工具栏中的工具。启动 Simulink 工具箱后，同时也打开了其他基于 Simulink 平台的工具箱，如Neural Network Toolbox 、Fuzzy Logic Toolbox 和 Simpowrsystem 等。2.1.2 Simulink 组成Simulink 7.1 模块库
23、共包含 16 个子模块库，它们是 Commonly Used Blocks （常用模块库）、Continous （连续）系统模块库、Discrete（离散）系统模块库、Logic and Bit Operation （逻辑与位操作）模块库、Lookup Tables（查询表）模块库、Math Operation (数学操作)模块库、Model Verification (模型验证)模块库、Model-Wide Utilities Ports & Subsystems（接口与子系统）模块库、Signal Attributes（信号属性）模块库、Signal Routing（信号路由）模块库、Si
24、nk（输出） 模块库、Sources（信号源）模块库、User-Defined Function（用户自定义）模块库、Additional Math & Discrete（附加数学和离散系统）模块库。单击 Simulink 库浏览左侧子模块库标题，在库右侧显示该库所有模块。也可以右击子模块库标题，在弹出的快捷菜单中选择【Open】命令，弹出子模块库独立窗口。6陕西科技大学毕业论文（设计说明书）2.1.3 仿真过程 在已知系统数学模型或系统框图的情况下，利用 Simulink 进行建模仿真的基本步骤如下：(1)启动 Simulink ，打开 Simulink 库浏览器。(2) 建立空白模型窗口。
25、(3) 由控制系统数学模型或结构图建立 Simulink 仿真模型。(4) 设置仿真参数，进行仿真。(5) 输出仿真结果。2.2 Simulink 模块库简介为便于用户能够快速构建自己所需的动态系统，Simulink提供了大量以图形方式给出的内置系统模块，使用这些内置模块可以快速方便地设计出特定的动态系统。Simulink的模块库能够对系统模块进行有效的管理与组织，使用Simulink模块库浏览 器可以按照类型选择合适的系统模块、获得系统模块的简单描述以及查找系统模块等， 并且可以直接将模块库中的模块拖动或者拷贝到用户的系统模型中以构建动态系统模 型。Simulink公共模块库是Simulin
26、k中最为基础、最为通用的模块库，它可以被应用到不 同的专业领域中。Simulink公共模块库共包含14个模块库。它们分别为：常用模块库、连续系统模块库、非连续系统模块库、离散系统模块库、逻辑与位操作模块库、表格 查询模块库、数学操作模块库、端口与子系统模块库、信号属性操作模块库、信号路 由模块库、接收模块库、信号源模块库、用户自定义模块库附加数据及离散系统模块 库等16。2.3 电力系统工具箱简介在 Command Window 命令窗口输入“powerlib”命令，弹出 SimPowersystem 工具箱，也可以通过 Simulink 库浏览器，单击“Simpowersystem”前的 按
27、钮，可逐级打开电力系统仿真工具箱的模块库。还可通过 MATLAB 的开始菜单依次单击【Start】、【Simulink】、【SimPowersystem】、【BlockLibrary】命令，弹出电力系统仿真工具箱窗口。电力系统仿真工具箱主要包括电源模块库、电力元件模块库、电力电子元件模块库、电机模块库、测量模块库、应用模块库、特别模块库以及电气系统仿真分析的图形用户接口3。7异步电动机变频调速原理与仿真分析2.4 S-函数简介2.4.1 S-函数的基本概念S-函数是系统函数(System Function)的简称，是指采用非图形化的方式（即计算机语言，区别于Simulink的系统模块）描述的一
28、个功能块。用户可以采用MATLAB代码，C，C+，FORTRAM或Ada等语言编写S-函数。S-函数由一种特定的语法构成，用来描述并实现连续系统、离散系统以及复合系统等动态系统；S-函数能够接收来自Simulink 求解器的相关信息，并对求解器发出的命令做出适当的响应，这种交互作用类似于Simulink系统模块与求解器的交互作用。S-函数作为与其他语言相结合的接口，可以使用这个语言所提供的强大能力。例如，MATLAB语言编写的S-函数可以充分利用MATLAB所提供的丰富资源，方便地调用各种工具箱函数和图形函数；使用C语言编写的S-函数则可以实现对操作系统的访问，如实现与其它进程的通信和同步等。
29、简单来说，用户可以从如下的几个角度来理解S-函数：（1）S-函数为Simulink的“系统”函数。（2） 能够响应Simulink求解器命令的函数。（3） 采用非图形化的方法实现一个动态系统。（4） 可以开发新的Simulink模块。（5） 可以与已有的代码相结合进行仿真。（6） 采用文本方式输入复杂的系统方程。（7） 扩展Simulink功能。M文件S-函数可以扩展图形能力，C MEX S-函数可以提供与操作系统的接口。（8）S-函数的语法结构是为实现一个动态系统而设计的（默认用法），其它S-函数的用法是默认用法的特例（如用于显示目的）4。2.4.2 S-函数的使用在动态系统设计、仿真与分析
30、中，用户可以使用Functions & Tables模块库中的S-function模块来使用S-函数；S-function模块是一个单输入单输出的系统模块，如果有多个输入与多个输出信号，可以使用Mux模块与Demux模块对信号进行组合和分离操作。S-函数的使用步骤如下：（1） 创建S-函数源文件。创建S-函数源文件有多种方法，当然用户可以按照S-函数的语法格式自行书写每一行代码，但是这样做容易出错且麻烦。Simulink为我们提供了很多S-函数模板和例子，用户可以根据自己的需要修改相应的模板或例子即可。（2） 在动态系统的Simulink模型框图中添加S-function模块，并进行正确的设置
31、。（3） 在Simulink模型框图中按照定义好的功能连接输入输出端口。8陕西科技大学毕业论文（设计说明书）2.4.3 与 S-函数相关的一些术语（1） 仿真例程（Routines）Simulink在仿真的特定阶段调用对应的S-函数功能模块（函数），来完成不同的任务，如初始化、计算输出、更新离散状态、计算导数、结束仿真等，这些功能模块（函数）称为仿真例程或者回调函数（call backfunctions）。表2-1列出了S-函数的仿真阶段。表2-1 S-函数例程S-函数仿真例程仿真阶段S-函数仿真阶段mdlGetTimeofNextVarHit 计算下一个采样点mdlInitialization 初始化mdlUpdate 更新离散状态mdlOutput 计算输出mdlTerminate 结束仿真mdlDerivatives 计算导数S-函数仿真例程仿真阶段mdlInitialization 初始化mdlGetT
