黃費濤，榮 軍，周 磊，羅 超，付澤斌

（湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)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(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)[1,2]。對于異步電動機的調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)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(diào)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(fù)雜，而且成本也比較高。對于變頻調(diào)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(yīng)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(diào)壓和變頻結(jié)合起來，既能夠增大使用范圍，又能節(jié)約生產(chǎn)成本[3,4]。因此本文研究PWM變頻器-異步電機調(diào)速控制，這種控制系統(tǒng)可以將調(diào)壓和變頻結(jié)合起來的裝置，不但使用方便，而且可以顯著降低生產(chǎn)成本，在生產(chǎn)和生活中具有很高的應(yīng)用價值。

1 PWM 變頻器-異步電動機系統(tǒng)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(chǎn)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(diào)節(jié)逆變器的脈沖寬度和輸出交流電壓的頻率，既實現(xiàn)調(diào)壓又實現(xiàn)調(diào)頻。PWM 變頻電路簡單，而且還有以下優(yōu)點：第一簡化了主電路和控制電路的結(jié)構(gòu)。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(nèi)，在變頻的同時控制其輸出電壓。系統(tǒng)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(chǎn)成本。第二改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。PWM 逆變器的輸出功率和電壓，都在逆變器內(nèi)控制和調(diào)節(jié)。因此，調(diào)節(jié)速度快，調(diào)節(jié)過程中頻率和電壓配合好，系統(tǒng)動態(tài)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(tǒng)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(diào)制器PWM Generator、異步電動機模塊及測量模塊組成。其中PWM調(diào)制參數(shù)設(shè)置采用內(nèi)部產(chǎn)生正弦波調(diào)制波方式，調(diào)制度為0.9，頻率為50 HZ。電動機參數(shù)設(shè)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(zhuǎn)子繞組電阻 0.45 Ω，轉(zhuǎn)子繞組漏感為 0.0042 H，互感為0.1486 H，轉(zhuǎn)動慣量J為0.05 kg/m2，摩擦系數(shù)F為0.0081，極對數(shù)為2。

圖2 PWM變頻器-異步電動機電路仿真模型

3.2 仿真結(jié)果及其分析

PWM變頻器-異步電動機電路的仿真結(jié)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(jīng)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(guān)管可以改變其頻率和電壓波形，從而方便實現(xiàn)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(wěn)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(zhuǎn)子電流的仿真波形，從圖5(a)、(b)和(c)可以看出轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子平穩(wěn)運行后，轉(zhuǎn)子電流為零，這是因為轉(zhuǎn)子為空載運行，轉(zhuǎn)速接近定子三相旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，因此轉(zhuǎn)子沒有電流。圖6為異步電動機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，其輸出波形有點超調(diào)，不過很快達到穩(wěn)定，說明PWM變頻器-異步電動機控制系統(tǒng)動態(tài)性能比較好。圖7為異步電動機轉(zhuǎn)矩的仿真波形，從圖7可以看出輸出轉(zhuǎn)矩脈動比較大，造成轉(zhuǎn)矩脈動大的原因是由于調(diào)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(zhuǎn)矩脈動和噪聲都較大，這是 PWM變頻器-異步電動機控制系統(tǒng)的一個缺點，在實際應(yīng)用中應(yīng)采取措施消除或者減少轉(zhuǎn)矩脈動。

圖3 逆變器三相線電壓輸出仿真波形

圖4 異步電動機定子電流仿真波形

3 結(jié)束語

本文詳細分析PWM變頻器-異步電動機控制系統(tǒng)的工作原理，然后在Matlab/Simulink進行對其進行了建模和仿真，最后對其仿真結(jié)果進行了詳細地分析，通過仿真結(jié)果得出 PWM 變頻器-異步電動機控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定及動態(tài)性能比較好的優(yōu)點，同時也指出其具有轉(zhuǎn)矩脈動過大的缺點。

圖5 異步電動機定子電流仿真波形

圖6 異步電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速仿真波形

圖7 異步電動機輸出轉(zhuǎn)矩仿真波形

[1]唐介.電機與拖動[M].高等教育出版社,2007.

[2]彭鴻才.電機原理及拖動[M].北京:機械工業(yè)出版社,2001.

[3]王鋒,姜建國.風(fēng)力發(fā)電機用雙PWM變換器的功率平衡聯(lián)合控制策略研究[J].中國電機工程學(xué)報,2006,26(2):134-139.

[4]王丹,賈石峰.雙饋風(fēng)機中雙 PWM 變換器的協(xié)調(diào)控制策略[J].新特器件應(yīng)用,2009,11(10):26-29.

[5]蘇臨亞,黃俊.變頻器用于異步電機應(yīng)注意的設(shè)計施工問題[J].冶金動力,2003,98(4):81-82.

[6]劉永順,李淑平.基于雙 PWM 技術(shù)的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)[J].繼電器,2003,31(10):63-65.

[7]吳慰,黃烜,劉會河.三相交流異步電機控制系統(tǒng)仿真[J].計算技術(shù)與自動化,2011,30(4):68-72.

[8]榮 軍,李一鳴,萬軍華.三相異步電動機三種起動方式的比較研究[J].湖南理工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版,2015,28(1):50-54.