交流调速系统MATLAB仿真应用

    朱贤勇 万晓慧

    

    

    

    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】基于交流异步电动机机械特性方程和正弦波脉冲宽度调制技术基本思想，论文运用MATLAB仿真软件编写计算程序和搭建仿真模型，揭示了交流异步电动机在变频调速过程中机械特性的变化规律和验证了正弦波脉冲宽度调制技术的基本原理。

    【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.

    【关键词】交流异步电机;机械特性;正弦波脉冲宽度调制技术;MATLAB仿真计算

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

    【中图分类号】TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文献标志码】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章编号】1673-1069（2021）05-0180-02

    1 异步电机变频调速时机械特性的MATLAB仿真分析

    交流异步电动机的机械特性描述了交流异步电机电磁转矩与转差率之间的关系，实质揭示了交流异步电机转子转速与负载转矩之间的变化关系。通过编写MATLAB程序绘制异步电机在变频调速过程中的机械特性曲线变化规律。一台三相四极鼠笼异步电机，额定电压380V，额定转速1458r/min，额定频率50Hz，定子繞组△连接，定子电阻1.375Ω，转子电阻1.047Ω，定子漏感2.43H，转子漏感2.43H。基频50Hz以下采用恒转矩控制方式，基频以上采用恒功率控制方式，程序计算时频率值取10Hz、30Hz、50Hz、70Hz、90Hz共5组数据，各频率对应电压值分别为76V、228V、380V、380V、380V。程序计算流程图如图1所示，计算结果如图2所示。

    由图2可知，只要保证交流异步电机在变频调速过程中，电机能够输出的最大电磁转矩大于负载转矩，即能处于稳定运行阶段，变频调速过程中机械特性曲线是上下平行移动，基本能实现平滑调速。此外，在基频50Hz时，电机能够输出的电磁转矩最大，无论频率升高还是降低，电机输出电磁转矩的能力都会减弱。要实现基频50Hz以下的恒转矩调速（即输出电磁转矩的能力不变），基频以下通常要带定子电压补偿（或称为转矩提升）。

    图3是基频以下定子电压补偿30%后异步电机变频调速时机械特性曲线的变化曲线。由图3可知，低频段带定子电压补偿后，电机能够输出的最大电磁转矩明显增强。所以异步电机基频以下的恒转矩调速是指带定子电压补偿后电机输出电磁转矩的能力不变的调速方式。

    2 PWM调制原理的MATLAB仿真分析

    图4所示的电路中，通过V1至V6这6个开关管的通断把Ud1和Ud2（各100V）所串接的直流电源逆变成三相交流电源加在三相RL负载上（与三相交流异步电机类似）。此时，逆变所得的三相交流电压不再是正弦波，而是一系列脉冲序列，关键是如何控制V1至V6这6个开关管的通断，使得加在三相RL负载或三相交流异步电机上的电压脉冲序列与正弦波电压等效，这正是PWM调制技术所解决的问题。实现原理是采用调制波与载波信号的大小关系来产生脉冲信号加在V1至V6开关管的触发极上。载波通常采用频率较高的等腰三角波，幅值取±1，频率取1250Hz。逆变的目的是期望获得频率为50Hz，相角相差120°的三相正弦波，故调制波采用幅值为1V，频率为50Hz，相角相差120°的三相正弦信号波sinA、sinB、sinC，分别与载波比较大小，产生的开关脉冲信号分别控制V1至V6开关管的通断，即可在电路逆变侧产生三相脉冲序列。

    图5为交流逆变侧的电压波形，图6为交流逆变侧的电流波形。由图5可知，交流侧加在负载上的线电压和相电压均为脉冲序列，而流过负载的电流却为正弦波电流。因此，对于三相RL负载或三相交流异步电机而言，该脉冲序列与三相正弦波电压近似等效。

    由图6可知，随着负载电感量逐渐减小，PWM调制所得正弦波电流波动更剧烈，若为纯电阻负载，则电流与电压波形相同，也为脉冲序列。因此，PWM调制技术应用中的负载必须为惯性负载，即带有储能元件。

    3 结语

    本文借助MATLAB仿真平台编写计算程序和搭建仿真模型，对交流异步电机变频调速过程中机械特性变化规律和正弦波脉冲宽度调制技术基本原理进行了分析。结果表明，通过应用MATLAB仿真软件能更直观清楚地分析研究交流调速系统的运行原理。

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