摘要：以往的異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真主要針對(duì)變頻器恒頻恒壓狀態(tài)進(jìn)行分析，實(shí)際的變頻調(diào)速系統(tǒng)往往處于動(dòng)態(tài)的調(diào)速過(guò)程，輸出頻率和輸出電壓隨時(shí)間在發(fā)生變化。利用Simulink和PowerSystemBlocksets，建立了異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型，通過(guò)電壓和頻率隨時(shí)間變化規(guī)律的設(shè)定，可以完成動(dòng)態(tài)調(diào)速過(guò)程的仿真。文章介紹了模型的建立方法，并以恒壓頻比調(diào)節(jié)模式為例，對(duì)恒加速情況進(jìn)行了仿真。對(duì)仿真獲取的輸出電壓進(jìn)行時(shí)頻分析，提取的頻率變化規(guī)律與設(shè)定值完全吻合；對(duì)仿真獲取的輸出電流進(jìn)行Park矢量分析，得到的矢量軌跡圖與理論推論一致，這些表明該模型是可行和有效的。

　　關(guān)鍵詞：異步電機(jī)；變頻調(diào)速；瞬時(shí)頻率；SPWM

　　1引言

　　變頻調(diào)速電機(jī)系統(tǒng)在傳動(dòng)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，其技術(shù)日趨成熟[1]。由于變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)具有強(qiáng)耦合、非線性的特點(diǎn)，難以用解析的方法進(jìn)行分析。作為系統(tǒng)分析研究的一種重要手段，仿真技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。通過(guò)仿真，可以驗(yàn)證理論分析和設(shè)計(jì)的正確性，模擬實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程，分析系統(tǒng)特性隨參數(shù)的變化規(guī)律，描述系統(tǒng)的狀態(tài)與特性。

　　文獻(xiàn)[2]利用MATLAB軟件中的Simulink模塊，以帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制的方法對(duì)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，基本上解決了一般的調(diào)速方法存在的速度動(dòng)態(tài)特性較差和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率低的問(wèn)題；文獻(xiàn)[3-5]建立變頻系統(tǒng)矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制運(yùn)行模型，提取了轉(zhuǎn)速、定子線電壓、定子電流、電磁轉(zhuǎn)矩4個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)隨時(shí)間變化的波形圖,分析了轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)跟蹤精度。

　　以上文獻(xiàn)的仿真研究都集中在電機(jī)恒頻恒壓運(yùn)行狀態(tài)下，但是實(shí)際的變頻調(diào)速系統(tǒng)往往處于動(dòng)態(tài)的調(diào)速過(guò)程，輸出頻率和輸出電壓隨時(shí)間在發(fā)生變化。因此，構(gòu)建變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)速過(guò)程中的仿真平臺(tái)，分析調(diào)速過(guò)程中電磁參數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用與故障診斷，具有重要的指導(dǎo)作用。

　　本文將在MATLAB的Simulink環(huán)境中，設(shè)計(jì)具有通用性的變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)。

　　2．電機(jī)恒壓頻比調(diào)速原理

　　異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速

　　（1）

　　因此三相異步電機(jī)的調(diào)速方式有很多，其中一種就是改變供電電源頻率。

　　三相異步電機(jī)每相電壓

　　（2）

　　3 異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型

　　在MATIAB7.5環(huán)境下,利用Simulink模塊，采用恒壓頻比控制方式搭建了一個(gè)簡(jiǎn)單的交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 異步電機(jī)變頻調(diào)速線系統(tǒng)的仿真模型

　　3.1 變頻調(diào)速仿真模型的組成

　　本文建立的變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型由整流、逆變、SPWM變頻控制信號(hào)發(fā)生器、電機(jī)及檢測(cè)模塊組成。電壓源經(jīng)整流和直流濾波環(huán)節(jié)得到一個(gè)直流恒壓源Ud，逆變電路采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件。SPWM變頻信號(hào)控制發(fā)生器輸出頻率線性恒加速變化的控制信號(hào)，控制橋式逆變電路中IGBT的導(dǎo)通和截止，產(chǎn)生與控制信號(hào)頻率相同的電壓，完成電機(jī)的恒壓頻比調(diào)速。在電機(jī)側(cè)設(shè)有檢測(cè)模塊，負(fù)責(zé)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、定子電流、轉(zhuǎn)子電流、電磁轉(zhuǎn)矩等指標(biāo)參數(shù)加以觀測(cè)。逆變電路輸出電壓信息包括基波和諧波分量的分布及其幅值變化情況，主要受到SPWM模塊中的調(diào)制比M和載波比N的影響[6]。

　　3.2 SPWM設(shè)計(jì)

　　SPWM模塊是整個(gè)恒壓頻比模型的關(guān)鍵部分。SPWM根據(jù)面積等效原理，以頻率f隨時(shí)間線性增加的“正弦波”作為調(diào)制波，以頻率為f1=Nf的“三角波”作為載波，采用自然采樣法，按照“正弦波”與“三角波”交點(diǎn)進(jìn)行脈沖寬度與間隙時(shí)間的采樣，生成SPWM波形來(lái)控制逆變器電路進(jìn)而控制逆變輸出壓大小和頻率。

　　SPWM模塊封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，輸入端由一個(gè)Clock模塊和三個(gè)constant模塊組成。在恒加速仿真中，根據(jù)需要設(shè)定a和b的值，經(jīng)Fcn函數(shù)模塊計(jì)算轉(zhuǎn)換后，就可以得到頻率f=a+bt的隨時(shí)間變化的“正弦波”和相應(yīng)頻率f1的“三角波”，k表示正弦波的初相位，參數(shù)設(shè)置為[0,-1,1],每相互差120°。載波比N在Fcn模塊中根據(jù)f的范圍大小自動(dòng)分段調(diào)節(jié)，調(diào)制比M恒定。

圖2 SPWM模塊

　　3.2.1載波比變化對(duì)逆變器輸出的影響

　　SPWM有一個(gè)重要參數(shù)——載波比N,它是載波頻率與調(diào)制波頻率之比。在恒速運(yùn)行中，載波比N是固定的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，N比較大時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)脈沖數(shù)增多，會(huì)導(dǎo)致高次諧波分量減少，電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，得到的轉(zhuǎn)矩、電流等效果比較理想。但是，如果保持N不變，逆變電路輸出高頻時(shí)，調(diào)制的載波頻率會(huì)過(guò)高，使開(kāi)關(guān)器件難以承受。

　　因此在本文設(shè)計(jì)中采用分段同步調(diào)制，即載波比N分段有級(jí)的變化。把整個(gè)變頻范圍分成若5個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)都維持載波比N恒定，而不同的頻段取不同的N值，如表1所示。N取3的倍數(shù)，嚴(yán)格保證三相輸出波形之間120°的對(duì)稱關(guān)系，有效消除逆變器輸出電壓的諧波分量。

表1分段調(diào)制載波比值

　　3.2.2調(diào)制比變化對(duì)逆變器輸出的影響

　　為分析調(diào)制比M對(duì)逆變器輸出電壓，以及對(duì)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、電流、轉(zhuǎn)速等的影響，在圖1的仿真模塊中，分別取M=0.25,0.3,0.35,…,0.9,通過(guò)一系列的仿真可以發(fā)現(xiàn)，在其他條件不變的情況下，調(diào)制比變化有如下結(jié)果：

　　(1)在不同調(diào)制比M下線電壓基波和各次諧波的幅值都發(fā)生了變化。隨著調(diào)制比M降低，轉(zhuǎn)矩等的波形畸變程度加劇，諧波幅值增大，對(duì)電動(dòng)機(jī)不利影響加重；在其它條件相同情況下，調(diào)制比M增大，諧波幅值減??；另外根據(jù)仿真圖形發(fā)現(xiàn)隨著調(diào)制比M的增大異步電動(dòng)機(jī)輸出的定子電流波形和電磁轉(zhuǎn)矩波形的振動(dòng)幅度有所減小，與之對(duì)應(yīng)的諧波損耗和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也將隨之減??；但為了不過(guò)多降低中間直流電壓，調(diào)制比選擇在接近1左右比較合理。

　　(2)定子電流的諧波畸變也隨調(diào)制比M的增大而減小，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)其值遠(yuǎn)小于逆變器輸出線電壓的畸變，這就說(shuō)明了電機(jī)繞組對(duì)電壓有濾波作用，其濾波作用的大小與電機(jī)的參數(shù)有關(guān)。

　　3 仿真結(jié)果及分析

圖3 恒加速時(shí)電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的仿真曲線

　　通過(guò)仿真可以驗(yàn)證，電機(jī)負(fù)載恒定運(yùn)行時(shí)，當(dāng)f=40Hz時(shí)，角速度=120rad/s；當(dāng)f=50Hz時(shí)，角速度=150rad/s；當(dāng)調(diào)制波頻率隨時(shí)間從40Hz線性增加到50Hz時(shí)，從圖2可以發(fā)現(xiàn)，忽略電機(jī)啟動(dòng)狀態(tài)，電機(jī)角速速?gòu)?20rad/s線性增加到150rad/s，增加趨勢(shì)與f隨時(shí)間增加趨勢(shì)相同，電流為幅值逐漸增大的“正弦波”，電機(jī)運(yùn)行于線性恒加速狀態(tài)。

　　3.1定子電壓分析

　　在以往的電壓信號(hào)處理中多采用傅里葉和小波分解方法。1998年Huang等人提出經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EmpiricalModeDecomposition,簡(jiǎn)稱EMD)方法[7-8]。它依據(jù)數(shù)據(jù)自身的時(shí)間尺度特征來(lái)進(jìn)行信號(hào)分解，無(wú)須預(yù)先設(shè)定任何基函數(shù)。這一點(diǎn)與建立在先驗(yàn)性的諧波基函數(shù)和小波基函數(shù)上的傅里葉分解與小波分解方法具有本質(zhì)性的差別。正是由于這樣的特點(diǎn)，EMD方法在理論上可以應(yīng)用于任何類型的信號(hào)的分解，因而在處理非平穩(wěn)及非線性數(shù)據(jù)上，具有很高的信噪比，優(yōu)勢(shì)明顯。因此本文中采用該方法做定子電壓做時(shí)頻分析。

　　電機(jī)定子輸入線電壓如圖4中所示，由占空比不同、幅值恒定的方波信號(hào)組成。對(duì)線電壓經(jīng)過(guò)EMD分解后提取基波信號(hào)，發(fā)現(xiàn)電壓基波是一個(gè)幅值恒定，頻率線性增大的正弦波信號(hào)。對(duì)線電壓做時(shí)頻分析后發(fā)現(xiàn)，電壓的瞬時(shí)頻率與給定值f完全一致，從而證明建立的模型的正確性。

圖4 恒加速時(shí)定子線電壓電壓基波電壓瞬時(shí)頻率

　　3.2定子電流Park矢量分析

圖5仿真電流Park矢量圖

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　文中建立異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)在電機(jī)正常時(shí)動(dòng)態(tài)仿真模型，模型直觀，實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速系統(tǒng)的恒加速運(yùn)行；進(jìn)一步對(duì)輸出電壓和電流進(jìn)行信號(hào)分析，驗(yàn)證了EMD分解后電壓的瞬時(shí)頻率與給定頻率值相同，Park變換后的電流矢量圖與理論推論基本符合，證明了建立的模型的正確性。本文僅僅是對(duì)線性恒加速過(guò)程進(jìn)行分析，如需對(duì)電機(jī)其他運(yùn)行模式，像恒速、恒減速速、非線性加、減速等模式研究分析，只需要在此基礎(chǔ)上修改SPWM模塊的調(diào)制波給定頻率即可，通用性強(qiáng)。同時(shí)，可在此模型基礎(chǔ)上，聯(lián)系其他故障診斷方法，如小波、傅里葉、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，做進(jìn)一步的故障診斷研究。

　　作者簡(jiǎn)介：

　　劉振興(1965-),男，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)樾D(zhuǎn)設(shè)備的故障診斷技術(shù)和現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)及應(yīng)用．

　　沈開(kāi)雄(1983-)，男，碩士研究生，研究方向電機(jī)故障診斷。

　　李月棠(1985-)，女，碩士研究生，研究方向自動(dòng)化儀表檢測(cè)。

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