交流調(diào)速系統(tǒng)MATLAB仿真應(yīng)用

朱賢勇 萬曉慧

The Application of MATLAB Simulation in AC Speed Regulation System

ZHU Xian-yong1， WAN Xiao-hui2

（1.School of Electric Information and Electrical Engineering， Chongqing University of Arts and Sciences， Chongqing 402160， China;

2.School of Civil Engineering， Chongqing University of Arts and Sciences， Chongqing 402160， China）

【摘? 要】基于交流異步電動機機械特性方程和正弦波脈沖寬度調(diào)制技術(shù)基本思想，論文運用MATLAB仿真軟件編寫計算程序和搭建仿真模型，揭示了交流異步電動機在變頻調(diào)速過程中機械特性的變化規(guī)律和驗證了正弦波脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的基本原理。

【Abstract】Based on the mechanical properties equation of AC asynchronous motor and the basic idea of sinusoidal wave pulse width modulation technology， this paper uses MATLAB simulation software to write calculation program and construct simulation model， reveals the change law of mechanical properties of AC asynchronous motor in the process of variable frequency speed regulation， and verifies the basic principle of sinusoidal wave pulse width modulation technology.

【關(guān)鍵詞】交流異步電機;機械特性;正弦波脈沖寬度調(diào)制技術(shù);MATLAB仿真計算

【Keywords】AC asynchronous motor; mechanical properties; sinusoidal wave pulse width modulation technology; MATLAB simulative calculation

【中圖分類號】TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）05-0180-02

1 異步電機變頻調(diào)速時機械特性的MATLAB仿真分析

交流異步電動機的機械特性描述了交流異步電機電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系，實質(zhì)揭示了交流異步電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的變化關(guān)系。通過編寫MATLAB程序繪制異步電機在變頻調(diào)速過程中的機械特性曲線變化規(guī)律。一臺三相四極鼠籠異步電機，額定電壓380V，額定轉(zhuǎn)速1458r/min，額定頻率50Hz，定子繞組△連接，定子電阻1.375Ω，轉(zhuǎn)子電阻1.047Ω，定子漏感2.43H，轉(zhuǎn)子漏感2.43H。基頻50Hz以下采用恒轉(zhuǎn)矩控制方式，基頻以上采用恒功率控制方式，程序計算時頻率值取10Hz、30Hz、50Hz、70Hz、90Hz共5組數(shù)據(jù)，各頻率對應(yīng)電壓值分別為76V、228V、380V、380V、380V。程序計算流程圖如圖1所示，計算結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，只要保證交流異步電機在變頻調(diào)速過程中，電機能夠輸出的最大電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，即能處于穩(wěn)定運行階段，變頻調(diào)速過程中機械特性曲線是上下平行移動，基本能實現(xiàn)平滑調(diào)速。此外，在基頻50Hz時，電機能夠輸出的電磁轉(zhuǎn)矩最大，無論頻率升高還是降低，電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩的能力都會減弱。要實現(xiàn)基頻50Hz以下的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速（即輸出電磁轉(zhuǎn)矩的能力不變），基頻以下通常要帶定子電壓補償（或稱為轉(zhuǎn)矩提升）。

圖3是基頻以下定子電壓補償30%后異步電機變頻調(diào)速時機械特性曲線的變化曲線。由圖3可知，低頻段帶定子電壓補償后，電機能夠輸出的最大電磁轉(zhuǎn)矩明顯增強。所以異步電機基頻以下的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速是指帶定子電壓補償后電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩的能力不變的調(diào)速方式。

2 PWM調(diào)制原理的MATLAB仿真分析

圖4所示的電路中，通過V1至V6這6個開關(guān)管的通斷把Ud1和Ud2（各100V）所串接的直流電源逆變成三相交流電源加在三相RL負(fù)載上（與三相交流異步電機類似）。此時，逆變所得的三相交流電壓不再是正弦波，而是一系列脈沖序列，關(guān)鍵是如何控制V1至V6這6個開關(guān)管的通斷，使得加在三相RL負(fù)載或三相交流異步電機上的電壓脈沖序列與正弦波電壓等效，這正是PWM調(diào)制技術(shù)所解決的問題。實現(xiàn)原理是采用調(diào)制波與載波信號的大小關(guān)系來產(chǎn)生脈沖信號加在V1至V6開關(guān)管的觸發(fā)極上。載波通常采用頻率較高的等腰三角波，幅值取±1，頻率取1250Hz。逆變的目的是期望獲得頻率為50Hz，相角相差120°的三相正弦波，故調(diào)制波采用幅值為1V，頻率為50Hz，相角相差120°的三相正弦信號波sinA、sinB、sinC，分別與載波比較大小，產(chǎn)生的開關(guān)脈沖信號分別控制V1至V6開關(guān)管的通斷，即可在電路逆變側(cè)產(chǎn)生三相脈沖序列。

圖5為交流逆變側(cè)的電壓波形，圖6為交流逆變側(cè)的電流波形。由圖5可知，交流側(cè)加在負(fù)載上的線電壓和相電壓均為脈沖序列，而流過負(fù)載的電流卻為正弦波電流。因此，對于三相RL負(fù)載或三相交流異步電機而言，該脈沖序列與三相正弦波電壓近似等效。

由圖6可知，隨著負(fù)載電感量逐漸減小，PWM調(diào)制所得正弦波電流波動更劇烈，若為純電阻負(fù)載，則電流與電壓波形相同，也為脈沖序列。因此，PWM調(diào)制技術(shù)應(yīng)用中的負(fù)載必須為慣性負(fù)載，即帶有儲能元件。

3 結(jié)語

本文借助MATLAB仿真平臺編寫計算程序和搭建仿真模型，對交流異步電機變頻調(diào)速過程中機械特性變化規(guī)律和正弦波脈沖寬度調(diào)制技術(shù)基本原理進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，通過應(yīng)用MATLAB仿真軟件能更直觀清楚地分析研究交流調(diào)速系統(tǒng)的運行原理。

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