恒压频比异步电动机调速系统的仿真

詹庄春

变频调速电机系统在传动领域得到广泛的应用，但由于异步电动机调速系统具有强耦合、非线性的特点，难以用解析的方法进行分析。作为系统分析研究的一种重要手段，仿真技术得到了越来越广泛的应用。通过仿真，可以验证理论分析和设计的正确性、模拟实际系统的运行过程、分析系统特性随参数的变化规律、描述系统的状态与特性，其对于调速系统的设计、应用与故障诊断，都具有重要的指导意义。本设计将在MATLAB的Simulink环境中，建立恒压频比异步电动机调速系统的模型，通过仿真，实现异步电动机按给定运行。

恒压频比调速原理

异步电动机的转速为： （1）

因此三相异步电机的调速方式有很多，其中一种就是改变供电电源频率。在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极的磁通量为额定值不变。因为磁通太弱没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；若要增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。在交流异步电机中，磁通是定子和转子磁势合成产生的，三相异步电机定子每相电动势的有效值是： （2）

由式（2）可知，要保持不变，当使=常值，这是恒定的电动势频率比。然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认定定子相电压，则得=常值，即恒压频比的控制方式。

低频时，和都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，可以人为地把电压抬高一些，以便近似地补偿定子压降，以增强低速带载能力。高频时，电压不能增加的比额定电压还要大，最多只能保持=，由式（2）可知这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。恒压频比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，曲线，正弦脉冲宽度调制SPWM及其驱动等环节组成。

在图1中，升降速时间设定用来限制电动机的升频速度，避免转速上升过快而造成电流和转矩的冲击，起软启动控制的作用。u/f曲线用于根据频率确定相应的电压，以保持压频比不变，并在低频时进行适当的电压补偿。SPWM和驱动环节将根据频率和电压要求产生按正弦脉冲宽调制的驱动信号，控制逆变器以实现电动机的变压变频调速。

恒压频比调速系统仿真模型

在MATIAB7.1环境下，依次从simulink库中找出各个模块，包括逆变器、脉冲宽度调制PWM信号发生器、直流源、异步电动机及检测模块等，如图2所示。

在图2中，模块Constant为频率给定；给定积分器GI模块用于设定启动曲线，其放大器Gain的作用是使积分时间常数不受放大器输入偏差大小的影响，所以放大倍数可以取大一些，设为1e4，限幅器saturation用于设定积分时间常数，调节限幅器的上下限可以调节给定积分器输出曲线的上升斜率，设为-10到+10，取整模块设为round；逆变器用IGBT，其直流侧电压为514V；PWM发生器中的载波频率为1500Hz，三相桥式6脉冲外部调制触发模式；交流异步电机为鼠笼式，额定功率为37.3kW，额定电压380V，额定频率50Hz，额定转矩237N·m，定子电阻0.087 ，定子电感0.0008H，转子电阻0.228 ，转子电感0.0008H，互感0.00047H，转动惯量1.662kg·m2，摩擦系数0.1，极对数为2；另外，异步电动机经多路测试仪后输出角速度，放大器Gain1设为9.55，脉冲模块Step可对异步电动机进行干扰测试，时钟模块提供时间变量u（3）。还有函数模块1、2、3分别设置为：

其他未说明的参数部分均采用系统默认值，仿真精度为1e-3，仿真算法用Ode23tb，仿真時间为[0.015.0]秒。

仿真波形及分析

通过改变频率给定值，可以相应得到频率、电压和转速的仿真波形，限于篇幅，取频率给定值30的仿真波形如图3所示。其中，频率单位：Hz，电压单位：V，转速单位：转/分。

首先，由图3可知，转速稳态值约为900转/分；将频率给定值代入理论式（1），可计算出转速为900转/分，仿真值与理论值相符合，结果正确。其次，可以通过电压频率协调控制来调节转速，调速范围宽，稳定性好；同时由于频率可以连续调节，所以恒压频比调速为无级调速，平滑性好，效率高。最后，转速在启动时存在波动，原因是转动惯量参数较小，若其较大，则转速响应滞后。具体分析如下：

当定子电压和角频率比值恒定时，异步电动机的机械特性方程为：

当s很小的时候，可忽略分母中含s各项，则，机械特性是一段直线；当s接近1时，可忽略（6）式分母中的R2，则，这时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，机械特性从直线过渡到双曲线，见图4。

由此可见，当低频时，机械特性为双曲线段，这就是电机在启动时转速出现波动的原因。

经过分析，得出仿真结果与理论相符合，证明了恒压频比调速系统模型的正确性。变频调速是最有发展前途的一种交流调速方式，随着变频装置向大容量、高性能的方向发展，其在价格和性能上已可与直流调速相媲美了。电压和频率是电动机系统的两个独立的控制变量，在调速系统中，要对这两个控制变量协调控制，其中恒压频比控制最容易实现，它的机械特性基本上是平行下移的，硬度较好，能够满足一般的调速要求，但是低速带载能力较差，须对定子压降进行补偿。