基于Matlab的异步电动机变频调速系统的仿真研究
收稿日期 : 20052112161
曾国树 男 1952年生 ;毕业于华侨大学电气工程与自动化专业 ,实验室主任 ,现从事电工电子实验教学工作 1
基于 Matlab的异步电动机变频调速系统的仿真研究
曾国树
华侨大学电气工程与自动化系 ,福建泉州 (362021)
摘 要 近年来 ,变频技术越来越多的应用于电机控制 ,但是由于电机的复杂性使得电气工
程师很难对控制系统进行优化设计。利用 Matlab /Simulink对系统进行仿真 ,从而检验系统设计的
正确性。实验表明 :无论是时域还是频域 , Matlab都能给出满意的计算和分析结果。
关键词 Matlab /Simulink 异步电机 变频调速 仿真
中图分类号 TM343 文献标识码 A 文章编号 1008 - 7281 (2006) 04 - 0029 - 04
S im ulation Research of the Var iable2Frequency Adjustable2Speed
System for the Induction M otor Ba sed on M a tlab
Zeng Guoshu
Abstract The variable2frequency technique is more and more applied to the motor
controlling recently. Because of complexity of motor, it is difficult for the electrical engi2
neer to optim ize and design the controlling system. TheMatlab /Simulink is used for simu2
lation of the system, thus design of system is verified to be right. The test expresses that
whether the time domain or frequency domain, through Matlab, the calculated and ana2
lyzed result can be satisfied.
Key words Matlab /Simulink, induction, variable2frequency adjustable speed,
simulation.
0 引言
三相异步电动机变频器调速系统 ,它通过变
频器 ,将频率固定的交流电变换成频率连续可调
交流电源。由于三相异步电动机的同步转速 n0 =
60f /p,当频率连续可调时 ,电动机的同步转速也
连续可调 ;又因为异步电动机的转子转速总是比
同步转速略低一些 ,所以当同步转速连续可调时 ,
转子转速也连续可调。利用变频器对异步电动机
转速的控制 ,调速范围广 ,调速平滑性好 ,在工作
特性方面 ,不管是静态特性 ,还是动态特性 ,都能
做到和直流调速不相上下的程度。
对于变频器的系统设计 ,工程师们很少利用
仿真软件对系统进行仿真 ,设计者需要进行大量
的编程计算 ,特别是对电机进行仿真实验更是非
常困难 ,影响了仿真软件应具有的简单易学的特
点。
MathWorks公司 1998年推出的 Matlab5. 2版
本中 ,增加了一个电力系统工具箱 ( Power System
B lockset) ,最新的 Matlab5. 3版本又进行了一些改
进 ,特别简单易学 ,不需自己编程 ,它基于 Matlab
的图形仿真环境 Simulink ,特别适于对电路设计
进行仿真。Simulink中可以使用的电力系统工具
箱 ( Power System B lockset) 主要是 由加拿 大的
HydroQuebec和 TECSIM International公司共同开
发 ,其功能非常强大 ,可以用于电路、电力电子系
统、电机系统、电力传输等过程的仿真 ,它提供了
一种类似电路建模的方式进行模型绘制 ,在仿真
前自动将其变化成状态方程描述的系统形式 ,然
后才能在 Simulink下进行仿真分析。下面就利用
Simulink对异步电动机变频调速系统进行仿真的
方法作一介绍。
1 Matlab软件的应用与操作
Matlab对电路进行仿真是基于图形仿真软件
Simulink环境下 ,操作只需鼠标的拖放和设定元
件的参数 ,然后联线进行仿真。下面对本系统的
四个模块 ,即 PWM 模块、三相异步电动机模块、
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2006年第 4期
第 41卷 (总第 131期 ) ( EXPLOSION - PROOF ELECTR IC MACH INE) 防爆电机
测量模块和输出模块逐个介绍其组成与仿真。
1. 1 PWM模块的组成与仿真
变频器的调制方式可分为 PAM (脉幅调制 )
和 PWM (脉宽调制 )两种 ,中小型电机大都采用
PWM方式 ,脉宽调制时 ,变频器输出电压的大小
通过改变输出脉冲的占空比进行调制 ,目前普遍
应用的是占空比按正弦规律安排的正弦波脉宽调
制方式。PWM 模块是由一个 PWM 信号发生模
块和一个三臂逆变桥组成的。打开电力系统工具
箱 (Power System B lockset) ,打开特殊元件库 ( ex2
tra library) ,双击 discrete control blocks,将出现一
些离散控制模块 ,通过对话框来选择相关的模式
和电子器件 ,如图 1的对话框中 ,为 PWM 系统提
供了基于载波的脉冲。这个模块可以用来触发单
相、两相、三相或者是三相桥相连接的电子器件 ,
如 (FET, GTO,或者是 IGBT)。通过在“发生器模
式 ”参数中选择桥臂个数 ,这个模块可以用于控
制单相和三相的 PWM电路。
图 1 PWM模块对话框
1. 2 电机模块的仿真
电力系统模块集提供了一些常用的电机仿真
模块 ,双击该模块集中的 Machines图标 ,则将打
开如图 2所示的子模块集。
图 2 子模块集
它包含各种各样的电机模型 ,包括直流机、
异步机、同步机及其各种其他形式 ,本系统选择国
际单位制 ( SI unit)异步电机为例 ,如图 3所示。
图 3 国际单位制 ( SI unit)异步电机模型
将其拖至工作窗口 ,双击 ,出现如图 4所示对
话框。
图 4 电机模块对话框
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防爆电机 ( EXPLOSION - PROOF ELECTR IC MACH INE) 2006年第 4期
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异步电机模块有四个输入端 ,四个输出端。
前三个端入端 (A, B, C)为电机的定子电压输入 ,
接前面的 PWM输出 ,有星形和三角形两种接法。
第四个输入端接负载 ,为轴上的机械转矩 ,电机作
电动机运行时应为正值 ,作发电机运行时应为负
值。模块的前三个输出为转子电压输出。一般短
接在一起 ,或连接到其它附加电路中。第四个输
出端为 m 端 ,它返回一系列电机的内部信号集 ,
共有 21路信号组成 ,如图 4所示。电机需设定的
参数有 :电机额定功率、线电压、频率 ;定子电阻、
漏感 ;转子电阻、漏感 ;定转子互感 ;转动惯量、摩
擦系数、电机极对数 ;电机初始条件 :转差率、电位
角、定子相电流和相角。通常最后一项除转差率
设为 1,其他各项则根据仿真所用的电机实际参
数设 定。在 图 4 中 , 绕 组 类 型 分 为 绕 线 式
(Wound)和鼠笼式 ( Squirrel2cage)两种 ,后者将不
显示输出端 a, b, c,而直接将其在模块内部短接 ,
本系统选择绕线式。参考坐标系有静止坐标系 ,
转子的和同步的坐标系 ,一般常选择静止坐标系。
其余参数如图 4所示设置。
1. 3 测量模块的仿真
通过测量模块 ,在对话框中选择异步电机的
测量信号 ,可以测得定子电流、转速、转子电流、定
子线电压和转矩波形 ,然后用仿真示波器直接观
测电机各个量的波形。
1. 4 输出观察模块的仿真
本系统中使用 Scope和 To Workspace来显示
输出。本系统中要观察的是 PWM 波形、转子电
流、定子电流、电磁转矩和电机转速。Scope和 To
Workspace都来自于 simulink中的 sinks库。将它
们由 sinks库中拖至工作空间 ,分别连到需要观察
的模块上即可。如图 5的对话框。
这个模块一般将多路信号作为输入 ,在 Mat2
lab环境中生成一个矩阵 ,矩阵的每一列代表在给
定时间步的输入变量值。变量在矩阵中出现的顺
序与它们连接到 Mux模块的顺序一样。在下面
对话框中可以改变变量名以及数据存储方式。默
认的存储方式为“Structure”,但是这种方式对数
据进行处理比较繁琐 ,所以本系统中选择“Ma2
trix”。仿真结束时 ,进行 Matlab命令窗口 ,键入命
令 : plot( tout, simout(: , 1) ) ,便可以画出 simout的
第一列的所有行随 tout的变化曲线 ,也可以使用
下列命令同时画出 simout矩阵的所有随时间的变
化曲线
plot( tout, simout(: 1) , tout, simout(: , 2) , tout,
simout(: , 3). . . . . . )
图 5 输出观察模块对话框
2 仿真波形与分析比较
设定完以上参数 ,开始仿真可得到如图所示
仿真结果。图 6为 PWM模块输出线电压 ;图 7为
电磁转矩的波形 ;图 8为转速的波形 ;图 9为转子
电流的波形 ;图 10为定子电流的波形。从图 7可
以看出 ,稳定时 ,电磁转矩稍大于 20,这与我们系
统中设定的负载为 20正好相符合。
图 6 PWM模块输出线电压
图 7 电磁转矩波形
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图 8 转速波形
图 9 转子电流波形
图 10 定子电流波形
仿真结果表明 ,用 Matlab对异步电动机变频
调速系统进行仿真简便易行。
3 结语
本系统通过一个实例介绍了 Matlab在电机
仿真中的应用 ,在本系统的基础上 ,还可以构造更
加复杂的电机控制系统。例如 ,可将电机的一些
输出量 ,如电流、电压、转速接回输入端 ,形成闭环
控制 ,甚至可以再加上各种控制器 ,以实现更准确
的控制。事实上 ,Matlab是一个功能强大的软件 ,
它将数值计算、图形处理、图像处理、符号计算、文
字处理、数学建模、实时控制、动态仿真、信号处理
等功能集为一体。利用它可以对非常复杂的电路
进行仿真 ,如电机矢量控制系统、电力输变电系统
等。利用 Matlab对设计的电路进行仿真实验 ,能
起到事半功倍的效果。
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(上接 28页 )
持了输出频率恒定定子输出有功无功得到了解耦
控制 ,有功功率输出较好地跟踪了风力机的最大
输出功率 ,验证了定子磁链定向矢量控制策略的
正确性。
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