PWM變頻器與異步電動機系統的建模與仿真

2015-01-04 06:24:04黃費濤付澤斌

船電技術 2015年9期

黃費濤，榮軍，周磊，羅超，付澤斌

（湖南理工學院信息與通信工程學院，湖南岳陽414006）

0 引言

異步電動機具有使用方便、體積小以及成本低等優點，廣泛應用于各行各業[1,2]。對于異步電動機的調速控制系統設計一般通過改變電壓或者改變頻率，對于電壓的改變一般采用直流斬波電路把一種直流可調的電壓變成另外一種直流電壓，然后再通過逆變器將直流電變成交流電對異步電動機供電，采用這種供電方式整個供電裝置比較復雜，而且成本也比較高。對于變頻調速，目前最常用的是采用專門的變頻裝置，其變頻器的購買成本遠高于電機成本，在單一應用場合，使用成本過高。針對以上兩個問題，有沒有一種控制裝置能夠把調壓和變頻結合起來，既能夠增大使用范圍，又能節約生產成本[3,4]。因此本文研究PWM變頻器-異步電機調速控制，這種控制系統可以將調壓和變頻結合起來的裝置，不但使用方便，而且可以顯著降低生產成本，在生產和生活中具有很高的應用價值。

1 PWM 變頻器-異步電動機系統的工作原理介紹

PWM 變頻器-異步電動機電路主要由 PWM變頻電路和異步電動機組成[5]，圖1所示的電路為PWM變頻電路，它主要的作用是產生三相交流電供異步電動機使用。其中圖1所示的 PWM變頻電路由二極管整流橋，濾波電容和逆變器組成。逆變器的輸入為直流電壓，通過調節逆變器的脈沖寬度和輸出交流電壓的頻率，既實現調壓又實現調頻。PWM 變頻電路簡單，而且還有以下優點：第一簡化了主電路和控制電路的結構。由二極管整流器對逆變器提供恒定的直流電壓。在PWM逆變器內，在變頻的同時控制其輸出電壓。系統只有一個控制功率級，從而使裝置的體積和重量減小，從而也降低了生產成本。第二改善系統的動態性能。PWM 逆變器的輸出功率和電壓，都在逆變器內控制和調節。因此，調節速度快，調節過程中頻率和電壓配合好，系統動態性能好[6]。

圖1 PWM變頻器-異步電動機電路

2 PWM 變頻器-異步電動機控制系統在MATLAB/Simulink的建模與仿真

3.1 PWM變頻器-異步電動機的仿真模型

PWM 變頻器-異步電動機電路在MATLAB/Simulink中的仿真模型如圖3所示[7,8]，為了方便仿真，在模型中將圖1所示的三相交流整流直接用一個550 V的直流電源代替，整流電路直接用直流電源代替不影響其工作原理。因此圖3所示的仿真模型實際上主要直流電源 DC、逆變器Universal Bridge、調制器PWM Generator、異步電動機模塊及測量模塊組成。其中PWM調制參數設置采用內部產生正弦波調制波方式，調制度為0.9，頻率為50 HZ。電動機參數設置為電動機電壓為380 V，頻率為50 Hz,定子繞組Rs為0.68 Ω，定子繞組漏感為0.0042 H，轉子繞組電阻 0.45 Ω，轉子繞組漏感為 0.0042 H，互感為0.1486 H，轉動慣量J為0.05 kg/m2，摩擦系數F為0.0081，極對數為2。

圖2 PWM變頻器-異步電動機電路仿真模型

3.2 仿真結果及其分析

PWM變頻器-異步電動機電路的仿真結果如圖3～圖7所示。其中圖3為逆變器輸出電壓的線電壓仿真波形，從圖3(a)、(b)和(c)可以看出550 V的直流電經過三相逆變器后變成了三相交流電，如果通過改變逆變器的6個開關管可以改變其頻率和電壓波形，從而方便實現變頻和變壓。圖4為異步電動機定子電流的仿真波形，從圖4(a)、(b)和(c)可以看出定子電路在剛啟動時，電流接近100 V，在0.2 s后電流達到穩定，這與異步電動機直接起動電流比較大相符合。圖5為異步電動機轉子電流的仿真波形，從圖5(a)、(b)和(c)可以看出轉子電流在剛起動時，電流比較大也接近100 V，但是在0.2 s后轉子平穩運行后，轉子電流為零，這是因為轉子為空載運行，轉速接近定子三相旋轉磁場轉速，因此轉子沒有電流。圖6為異步電動機轉速的仿真波形，從圖6可以看出電流波形在0.2 s后達到1500 r/m的轉速，其輸出波形有點超調，不過很快達到穩定，說明PWM變頻器-異步電動機控制系統動態性能比較好。圖7為異步電動機轉矩的仿真波形，從圖7可以看出輸出轉矩脈動比較大，造成轉矩脈動大的原因是由于調制頻率和輸出頻率之比固定的情況下，特別是在低頻時，高次諧波影響較大，因而電動機的轉矩脈動和噪聲都較大，這是 PWM變頻器-異步電動機控制系統的一個缺點，在實際應用中應采取措施消除或者減少轉矩脈動。