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制技術基本思想，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制技術的基本原理。

【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.

【關鍵詞】交流異步電機;機械特性;正弦波脈沖寬度調制技術;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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）05-0180-02

1 異步電機變頻調速時機械特性的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矩與轉差率之間的關系，實質揭示了交流異步電機轉子轉速與負載轉矩之間的變化關系。通過編寫MATLAB程序繪制異步電機在變頻調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，額定轉速1458r/min，額定頻率50Hz，定子繞組△連接，定子電阻1.375Ω，轉子電阻1.047Ω，定子漏感2.43H，轉子漏感2.43H。基頻50Hz以下采用恒轉矩控制方式，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組數據，各頻率對應電壓值分別為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速過程中，電機能夠輸出的最大電磁轉矩大于負載轉矩，即能處于穩(wěn)定運行階段，變頻調速過程中機械特性曲線是上下平行移動，基本能實現(xiàn)平滑調速。此外，在基頻50Hz時，電機能夠輸出的電磁轉矩最大，無論頻率升高還是降低，電機輸出電磁轉矩的能力都會減弱。要實現(xiàn)基頻50Hz以下的恒轉矩調速（即輸出電磁轉矩的能力不變），基頻以下通常要帶定子電壓補償（或稱為轉矩提升）。

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矩明顯增強。所以異步電機基頻以下的恒轉矩調速是指帶定子電壓補償后電機輸出電磁轉矩的能力不變的調速方式。

2 PWM調制原理的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，關鍵是如何控制V1至V6這6個開關管的通斷，使得加在三相RL負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調制技術所解決的問題。實現(xiàn)原理是采用調制波與載波信號的大小關系來產生脈沖信號加在V1至V6開關管的觸發(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，產生的開關脈沖信號分別控制V1至V6開關管的通斷，即可在電路逆變側產生三相脈沖序列。

圖5為交流逆變側的電壓波形，圖6為交流逆變側的電流波形。由圖5可知，交流側加在負載上的線電壓和相電壓均為脈沖序列，而流過負載的電流卻為正弦波電流。因此，對于三相RL負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，隨著負載電感量逐漸減小，PWM調制所得正弦波電流波動更劇烈，若為純電阻負載，則電流與電壓波形相同，也為脈沖序列。因此，PWM調制技術應用中的負載必須為慣性負載，即帶有儲能元件。

3 結語

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速過程中機械特性變化規(guī)律和正弦波脈沖寬度調制技術基本原理進行了分析。結果表明，通過應用MATLAB仿真軟件能更直觀清楚地分析研究交流調速系統(tǒng)的運行原理。

【參考文獻】

【1】阮毅，楊影，陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016.

【2】顧春雷.電力拖動自動控制系統(tǒng)與MATLAB仿真[M].北京：清華大學出版社，2011.

【3】蒯松巖，衡鳳平，崔鑫，等.基于Matlab的“運動控制系統(tǒng)”課程教學改革[J].電氣電子教學學報，2016，38（1）：29-31.

【4】周海軍，侯靜.變頻調速系統(tǒng)的仿真及分析[J].變頻器世界，2013（9）：79-82.

【5】李中望.基于MATLAB的交流調速系統(tǒng)課程仿真教學研究[J].蕪湖職業(yè)技術學院學報，2015，17（1）：6-8.