1、计算机仿真及应用 B答卷题目名称： 三相异步电机变频 原理及仿真 班 级： 2012 级电气工程及其自动化本科一班 学 号： 201240220135 姓 名： 周侃 指导教师： 陈学珍 三相异步电动机变频调速原理及其种类根据三相异步电动机的转速公式为1160fnsnp式中 为异步电动机的定子电压供电频率； 为异步电动机的极对数；1f为异步电动机的转差率。s所以调节三相异步电动机的转速有三种方案。异步电动机的变压变频调速系统一般简称变频调速系统，由于调速时转差功率不变，在各种异步电动机调速系统中效率最高，同时性能最好，是交流调速系统的主要研究和发展方向。变频调速原理及其机械特性改变异步电动机定
2、子绕组供电电源的频率 ，可以改变同步转速 ，从而1f n改变转速。如果频率 连续可调，则可平滑的调节转速，此为变频调速原理。1f三相异步电动机运行时，忽略定子阻抗压降时，定子每相电压为11m4.UEfNk式中 为气隙磁通在定子每相中的感应电动势； 为定子电源频率；1Ef为定子每相绕组匝数； 为基波绕组系数， 为每极气隙磁通量。1Nmk如果改变频率 ，且保持定子电源电压 不变，则气隙每极磁通 将增1f 1 m大，会引起电动机铁芯磁路饱和，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，这是不允许的。因此，降低电源频率 时，必须同时降低电1f源电压，已达到控制磁通 的目的。对此，需要考虑基频
3、（额定频率）以下的m调速和基频以上调速两种情况。基频以下变频调速为了防止磁路的饱和，当降低定子电源频率 时，保持 为常数，使气1f1Uf每极磁通 为常数，应使电压和频率按比例的配合调节。这时，电动机的电磁m转矩为 2221 112 21 12pr rpUfmUs sTffx x 18上式对 求导，即 ，有最大转矩和临界转差率为s 0dTs2 211122 2112mpUmpUfTfrxfrx 由上式可知：当 常数时，在 较高时，即接近21msrx 1f1f额定频率时， ，随着 的降低， 减少的不多；当 较低时，2=1fmT1f较小； 相对变大，则随着 的降低， 就减小了。显然，当 降低12x1
4、r 1f时，最大转矩 不等于常数。保持 常数，降低频率调速时的机械特征如图mT1Uf1 所示。这相当于他励直流电机的降压调速。图 1 变频调速的机械特性（a） 基频以下调速（ 常数） （b）基频以上调速（ =常数）1Uf1U基频以上变频调速在基频以上变频调速时，也按比例身高电源电压时不允许的，只能保持电压为 不变，频率 越高，磁通 越低，是一种降低磁通升速的方法，这相nU1fm当于它励电动机弱磁调速。保持 =常数,升高频率时，电动机的电磁转矩为nU 21212rmpUsTfx 上式求 ，得最大转矩和临界转差率为0dTs21212mpUfrx21mrsx由于 较高， 、 和 比 大的多，则上式变
5、为1f12rs1211221 1mpUTfxfrrsLf因此，频率越高时， 越小， 也越小。保持 为常数，升高频率调速mTn时的机械特性如图 1（b）所示。三相异步电动机变频调速仿真模型SIMULINK 仿真模型（1）电机参数设置这是个简单的电机调速仿真系统，虽然简单但是仍然要观察电机的性能指标，其中比如超调，调节时间等。上升时间 是输出响应从零开始第一次上升到稳态值所需的时间。 越小，rt rt表示初始响应速度越快。由自动控制原理可知，系统的快，稳是相对矛盾的，两者是冲突的，一般我们都在寻找一个两者最佳的平衡点。根据参数设定将， 分别设定为 40ms，由于初始设定的频率为 60 ，根据st
6、zH160fnp可知 应该为 1800r/min。1未变频时仿真结果示波器读数由图可知，由于没有负载，所以定子和转子电流以及电磁转矩均最终趋于0，根据公式 可知，转速最终稳定在 1800r/min，同时在 40ms 左右，160fnp电机的转速到达标准，与预定结果差入不大。变频时仿真结果（基频以下调速）改变电源频率，将其变为 50 ，由于这是基频以下调速，所以为了防止磁zH路的饱和，当降低定子电源频率 时，保持 常数，因此电压要相应的改变1f1Uf成 183.3v，重新运行仿真模型，得到仿真结果如图所示。示波器读数由示波器读数可知，当频率变为 50Hz，根据公式 可知，转速最终稳定160fnp
7、在 1500r/min，同时由图可知频率改变后，相应的反应时间也变短了，也就是说反应更快了。变频时仿真结果（基频以上调速）改变电源频率，将其变成为 70 ，由前面的理论知识可知，基频以上调速zH时电源电压 是不变的，重新运行仿真模型，得到仿真图形如图所示。nU由图可知，转速约为 2100r/min，满足 这个公式的理论计算结果，160fnp不过电机的响应时间与基频以上调整时的响应时间要大的多，同时，如果将频率进行更细微的调整，转速也会有相应细微的变化。变极调速当电源频率保持不变，改变定子绕组的极对数，也能改变同步转速，从而改变转子的转速。利用这样的方法调整，定子绕组需要有特殊的绕法个接法，应使
8、绕组的的极对数能依外部接法的改变而改变。由于电机的极对数只能是整数，故变极调速是有级不平滑的，例如极对数增加一倍，同步转速将减小一半，转子转速也会成倍减小。现在的变极电机不仅有倍极比如 2/4，4/8 等，还有非倍极比，如 4/6，6/8 极，以及三速，四速变极电机。为了适应不同负载需求，变极电机又可以分为恒功率，恒转矩以及递减转矩（风机，泵负载）类电机。变极电机定子绕组的绕制方法有：一是双绕组变极，定子上有两套对数不同，相对独立的绕组，每次运行只用其中一套，这种双绕组设计较方便，但是材料利用率差，较少使用；二是单绕组变极，定子上只有一套绕组，通过线圈间的不同接法，构成不同的极对数，这种绕组的
9、材料利用率较高，但欲使不同极对数时电机均有较好的性能，绕组设计难度大，我国大多数变极电机采用这种方法。有时为了获得三速或者是四速电机，还可以将上诉两种方法结合起来使用。为了避免转子绕组换接，变极电机基本采用笼型转子，它可以随着定子极对数的改变而自动改变极对数。变极调速使用的系统模型及电机参数与变频调速的均相同，在仿真时，只改变它的极对数 ，然后观察示波器中定子，转子电流，转矩及转速的变化。p其电机的参数如图所示，将电机的极数设置成 3.如果将极对数设置成非整数或者其他的，系统将无法正常仿真。 然后运行仿真系统，得到示波器读数如图（e）所示：图（e）由图可知，根据公式 可计算得当 =3 时， =
10、1200r/min，而定子及转160fnpp1n子电流和转矩与变频调速均无较大的差别，同时由图可知反映时间约为 20ms，低于变频调速的响应时间，超调量也比变频调速小，但是由于极对数的限制，变极调速并不能平滑的调速，它是有级的，这是它跟变频调速的最大区别。不过变极调速是一种比较经济，它不要需要逆变器，它是高效的调速方法，控制设备简单，只需要加转换开关，使用维护方便。双速电机的尺寸一般要比同容量的普通异步电机稍打，运行性能也稍差，常用于不需要连续调速场合。2.7 调压调速当外施电源电压改变时,最大转矩将随 的平方而变化,但最大转矩出现的1U转差率 保持不变.改变电源电压的有效值 ,将其设置成如图
11、的数据,而其他的ms参数不变,重新运行仿真模型,得到示波器的读数如图所示.由示波器的读数可知,调压调速是改变机械特性,而当电机空载或者轻载时,转速基本不变.调压调速目前广泛采用交流调压器,由晶闸管等器件组成,通过调整晶闸管的导通角大小来调节加到定子绕组上的端电压.结构比较简便,控制电路价格较低.但是低速时转子铜耗较大,效率较低.对于风机类负载,负载功率近似与转速的三次方成正比,虽然转速下降不多,但是输入功率下降的较多,节能效果明显,所以比较适合风机类负载的调速.关于变频调速的总结该仿真只是从原理上揭示了变频调速的机制，与通常的变频调速系统不是同一回事，该变频调速主要是从公式 入手，通过改变电源
12、频率来改变160fnp电动机的同步转速，使转子转速随之变化。根据变频调速与变极调速,调压调速的对比，可以知道变频调速的一些特点与性能：（1）变频调速设备（简称变频器）结构复杂，价格昂贵，容量有限。但随着电力电子技术的发展，变频器向着简单可靠、性能优异、价格便宜、操作方便等趋势发展。（2）变频器具有机械特性较硬，静差率小，转速稳定性好，调速范围广（可达 10：1），平滑性高等特点；可实现无级调速,这是与变极调速的最大区别.（3）变频调速时，转差率 较小，则转差功率损耗较小，效率较高。s（4）可以证明：变频调速时，基频下的调速为恒转矩调速方式；基频调速以上时，近似为恒功率调速方式。(5）变频调速器已广泛用于生产机械等很多领域内。但是变频调速同样也有些问题，变频器输出的交流电压、电流波形通常不是完全的正弦波，除了基波分量外，还有高频谐波分量，这将对电机运行性能产生不良影响。对此，为适应变频器供电的要求，专门设计形成变频调速电动机。而且针对超调，响应时间的问题，这些都是要解决的问题。
