发电厂用恒压频比控制的变压变频调速系统案例分析 摘要：将Simulink的建模仿真引入到课程的虚拟实验教学之中，利用Simulink搭建了转速开环恒压频比控 制的变压变频(VVVF)调速系统的仿真模型，给出了主要的仿真参数。依据仿真波形，详细分析了转速 开环恒压频比控制的变压变频调速系统的起动、突加负载时的动态调节过程，验证了VVVF调速系统的理 论分析与仿真模型的正确性。该仿真分析可以帮助学生加深对VVVF调速系统动态调节过程的理解，同时 也有助于研究和开发三相交流异步电动机的变频调速系统。 关键词：异步电机：变压变频(VVVF):仿真模型：Simulink Research on VVVF Speed Regulation System Controlled by Constant Voltage Frequency Ratio in Power Plant Abstraet:Simulink is introduced into the course's virtual experiment teaching.The simulation model of the variable voltage variable(VVVF)speed system with speed open-oop is built by Simuln The main simulation parameters are given respectively.According to the simulation experimental waveforms,the dynamic adjustment processes of the starting and the sudden loading of the VVVF controlled system are analyzed The correctness of the theoretical analysis and simulation model of VVVF speed regulation system is verified.In the course teaching process of AC speed control system,the simulation analysis can help students to understand Key words:asynchronous motor,variable voltage variable frequeney(VVVF)simulation model Simulink 0案例研究思维导图： 1案例说明 2.1VVVF调速系统的调速原理 2VVVF调速系统的调速原理与电路结构 (1)主电路 22VVVF调速系统的硬件组成 (2)控制电路 变压变频调 系统案 例分析 3仿真模型的建立与主要仿真参数设置 4仿真结果与分析 5结论 参考文献 1案例说明 变化而变化，电机的调速范围比较宽，不管是在低 速时还是在高速时都能获得较高的效率，采取一定 交流三相异步电动机由于价格偏宜、可靠耐用， 控制策略后可以实现高动态性能，甚至可以和直流 成为运动控制系统中最常见的动力机械四。变频调 调速系统相媲美。目前三相交流异步电动机的 速系统是交流异步电动机的变压变烦调速系统的 变压变顷调速系统（简称VVVF调速系统）已经 简称，在调速的过程中，转差功率不随电机转速的 泛应用于风机、泵类、空调器、给料系统、传送带
发电厂用恒压频比控制的变压变频调速系统案例分析 摘要：将 Simulink 的建模仿真引入到课程的虚拟实验教学之中，利用 Simulink 搭建了转速开环恒压频比控 制的变压变频（VVVF）调速系统的仿真模型，给出了主要的仿真参数。依据仿真波形，详细分析了转速 开环恒压频比控制的变压变频调速系统的起动、突加负载时的动态调节过程，验证了 VVVF 调速系统的理 论分析与仿真模型的正确性。该仿真分析可以帮助学生加深对 VVVF 调速系统动态调节过程的理解，同时 也有助于研究和开发三相交流异步电动机的变频调速系统。 关键词：异步电机；变压变频（VVVF）；仿真模型；Simulink Research on VVVF Speed Regulation System Controlled by Constant Voltage Frequency Ratio in Power Plant Abstract: Simulink is introduced into the course’s virtual experiment teaching. The simulation model of the variable voltage variable frequency (VVVF) speed regulation system with speed open-loop is built by Simulink. The main simulation parameters are given respectively. According to the simulation experimental waveforms, the dynamic adjustment processes of the starting and the sudden loading of the VVVF controlled system are analyzed. The correctness of the theoretical analysis and simulation model of VVVF speed regulation system is verified. In the course teaching process of AC speed control system, the simulation analysis can help students to understand the dynamic adjustment process of the VVVF speed regulation system. Simultaneously, it can also help to study and develop the variable frequency speed regulation system of three-phase AC asynchronous motor. Key words: asynchronous motor; variable voltage variable frequency (VVVF); simulation model ; Simulink 0 案例研究思维导图： 发电厂用 恒压频比控制的 变压变频调速系统案 例分析 1 案例说明 2 VVVF调速系统的调速原理与电路结构 4 仿真结果与分析 3. 仿真模型的建立与主要仿真参数设置 5 结论 参考文献 2.1 VVVF调速系统的调速原理 2.2 VVVF调速系统的硬件组成 （1）主电路 （2）控制电路 1 案例说明 交流三相异步电动机由于价格偏宜、可靠耐用， 成为运动控制系统中最常见的动力机械 [1]。变频调 速系统是交流异步电动机的变压变频调速系统的 简称，在调速的过程中，转差功率不随电机转速的 变化而变化，电机的调速范围比较宽，不管是在低 速时还是在高速时都能获得较高的效率，采取一定 控制策略后可以实现高动态性能，甚至可以和直流 调速系统相媲美 [2-5] 。目前三相交流异步电动机的 变压变频调速系统（简称 VVVF 调速系统）已经广 泛应用于风机、泵类、空调器、给料系统、传送带
数控机床等设各的申力源和动力题，起到了提高设 异步电动机变压变频调速系统常采用U,/=常数 备自动化、提高产品质量和节省电能的良好效 果 的控制，也称为恒压频比控制或者VVVF控制9，可 现行的专业教材和参考书籍中，丰要针对变压 2.2VVVF调速系统的硬件组成 变频调速系统的基本控制方式、电压一频率协调控 所设计的转速开环恒压频比控制的VV调 制时的机械特性、主电路结构等进行了分析、讲解 速系统的原理图如图1所示，整个调速系统由交 而对于动态过程很少涉及 本文在分析转速开环 一交电压源型变频器和控制电路两部分构 压频比控制变压变频调速系统的基本结构与工作 原理的基础上，利用Simulink仿真软件，建立恒压 变频调速系统的主电路包括 极管不控整洗 频比控制的恋压恋频调速系续的仿直横型，通过付 器、泵升电压抑制电路和三相逆变器三部分。其中， 真实验波形分析变压变频调速系统的起动以及突 一极管不控整流哭将工频交流申整流为直流由，大 加负载时的动态调速过程，旨在拓展现有教材内容 申容C起稳压、无功能量鳄冲和滤波作用，限流申 让学生加深对转速开环恒压频比控制变压变烦调 阻R是为了抑制系统启动时电容C的过大充电电 谏系统的理解并能深入开展研究 系升电制 2VVV℉调速系统的调速原理与电路结构 2.1VVVF调速系统的调速原理 异步电动机的转速公式可由式(1)表示为： 0 式中，f是定子供电颜率，m。为极对数，@=2π SPWM GD M更动 为定子供电角频率，几，为同步转速，5=(%。-m)/m 调别 a 为转差率。 由式()可知，如果能够均匀的改变异步电 图1转速开环恒压频比控制的变频调速系统 动机的定子供电频率厂，就可以平滑的对异步电机 而设置的，待电容充申结衷后，为避免在电机工作 的转速n的进行调节，实现调频调速。 时电阻R消耗电能，利用开关S将限流电阻R短路 在额定频率（基频）以下进行调速时，通常需 泵升电压抑制电路是为了防止三相逆变器直流环 要保持异步电动机的每极磁适为额定值不变 节的过电压而设置的41，在异步电动机制动时 实际控制时通常保持电机气隙磁通为最大值Φ不 三相定子感应电动热会经过三相逆变器给申容C充 变，这样就可以在允许的电流下获得最大的电破封 电，使直流环节电压急刷升高，当电压高 额定值 矩，从而使交流异步申动机具有良好的调速性能 时，稳压二极管VS被击穿，品体管VT导通，为 异步电动机每相定子感应电动势可以表示为 电容C提供了放电回路，多余的电能在制动电阻R 上消耗掉，因此该系统属于能耗制动方式。 E.=4.44fNkg=Cf④ (2) 式中C=4.44N,w,是由电动机结构决定的常数。 控制电路包括：频率给定环节了、升降速时间 由式(2)可知，在改变时，要保证异步电 设定环节、U训曲线和电压补偿设定环节、 SPWM调制器和驱动环节。其中，给定频率环节 机气隙磁通Φ恒定不变，就需要同时改变气隙磁 给出的是异步电动机三相定子电压的顿率，由于采 通在定子每相绕组中的感应电动势E,，使E,跟随 用的是转速开环控制，在转速不能达到预期值时 频率变化且保持E。/f=C中（常数）。由于感应 只有通过增大∫来提高转速。升降速时间设定环节 电动势E不能直接检测和控制，在忽略定子绕组电 用来限制异步电动机的起动和制动速度，在起动过 阻时，可以近似认为电动机端电压U,E-1。 程中，尽管给定频率是阶跃信号，但是升降速设 而电压和频率￡都能够很方便的通过变频器进 定环节输出的信号按规定的曲线上升，使异光 行控制，所以，在仅要求稳态的转速调节时，交流 电动机 三相端频率也逐渐上升 从而避免异步电 动机以给定频率直接起动可能造成的过电流跳
数控机床等设备的电力源和动力源，起到了提高设 备自动化、提高产品质量和节省电能的良好效 果 [6-7]。 现行的专业教材和参考书籍中，主要针对变压 变频调速系统的基本控制方式、电压—频率协调控 制时的机械特性、主电路结构等进行了分析、讲解， 而对于动态过程很少涉及，本文在分析转速开环恒 压频比控制变压变频调速系统的基本结构与工作 原理的基础上，利用 Simulink 仿真软件，建立恒压 频比控制的变压变频调速系统的仿真模型，通过仿 真实验波形分析变压变频调速系统的起动以及突 加负载时的动态调速过程，旨在拓展现有教材内容， 让学生加深对转速开环恒压频比控制变压变频调 速系统的理解并能深入开展研究。 2 VVVF 调速系统的调速原理与电路结构 2.1 VVVF 调速系统的调速原理 异步电动机的转速公式可由式（1）表示为： ( ) ( ) 1 1 0 60 60 (1 ) 1 1 2 p p f n s sn s n n ω p = −= −= − (1) 式中， 1f 是定子供电频率，np 为极对数， 1 1 ω = 2π f 为定子供电角频率， 0 n 为同步转速，s n nn = − ( 0 0 ) 为转差率。 由式（1）可知，如果能够均匀的改变异步电 动机的定子供电频率 1f ，就可以平滑的对异步电机 的转速 n 的进行调节，实现调频调速。 在额定频率（基频）以下进行调速时，通常需 要保持异步电动机的每极磁通为额定值不变 [8-12]。 实际控制时通常保持电机气隙磁通为最大值 Φm 不 变，这样就可以在允许的电流下获得最大的电磁转 矩，从而使交流异步电动机具有良好的调速性能。 异步电动机每相定子感应电动势可以表示为 1 1 Eg = 4.44 s Ns m φ = Φm f N k Cf (2) 式中 4.44 C Nk = s Ns ，是由电动机结构决定的常数。 由式（2）可知，在改变 1f 时，要保证异步电 机气隙磁通 Φm 恒定不变，就需要同时改变气隙磁 通在定子每相绕组中的感应电动势 Eg ，使 Eg 跟随 频率 1f 变化且保持 Ef C g m 1 = Φ （常数）。由于感应 电动势 Eg 不能直接检测和控制，在忽略定子绕组电 阻时，可以近似认为电动机端电压U E s g ≈ [7-9,13] 。 而电压Us 和频率 1f 都能够很方便的通过变频器进 行控制，所以，在仅要求稳态的转速调节时，交流 异步电动机变压变频调速系统常采用U f s 1 = 常数 的控制，也称为恒压频比控制或者 VVVF控制 [7-9,13] 。 2.2 VVVF 调速系统的硬件组成 所设计的转速开环恒压频比控制的 VVVF 调 速系统的原理图如图 1 所示，整个调速系统由交— 直—交电压源型变频器和控制电路两部分构 成 [14-15]。 变频调速系统的主电路包括：二极管不控整流 器、泵升电压抑制电路和三相逆变器三部分。其中， 二极管不控整流器将工频交流电整流为直流电，大 电容 C 起稳压、无功能量缓冲和滤波作用，限流电 阻R是为了抑制系统启动时电容C的过大充电电流 三相逆变器 M 3~ VT VS R1 R2 R3 + C 3~ S 不控 整流器 泵升电压抑制电路 Us f1 f t SPWM GD f U 0 Us * f1 * 0 f * 频率 给定 升降速时 间设定 U/f 曲线和电 压补偿设定 三相SPWM 调制器 驱动器 R 图 1 转速开环恒压频比控制的变频调速系统 而设置的，待电容充电结束后，为避免在电机工作 时电阻 R 消耗电能，利用开关 S 将限流电阻 R 短路。 泵升电压抑制电路是为了防止三相逆变器直流环 节的过电压而设置的 [14-15]，在异步电动机制动时， 三相定子感应电动势会经过三相逆变器给电容C充 电，使直流环节电压急剧升高，当电压高于额定值 时，稳压二极管 VS 被击穿，晶体管 VT 导通，为 电容 C 提供了放电回路，多余的电能在制动电阻 R3 上消耗掉，因此该系统属于能耗制动方式。 控制电路包括：频率给定环节 * f 、升降速时间 设定环节、U/f 曲线和电压补偿设定环节、三相 SPWM 调制器和驱动环节。其中，给定频率环节 * f 给出的是异步电动机三相定子电压的频率，由于采 用的是转速开环控制，在转速不能达到预期值时， 只有通过增大 * f 来提高转速。升降速时间设定环节 用来限制异步电动机的起动和制动速度，在起动过 程中，尽管给定频率 * f 是阶跃信号，但是升降速设 定环节输出的 * 1f 信号按照规定的曲线上升，使异步 电动机三相端频率 1f 也逐渐上升，从而避免异步电 动机以给定频率 * f 直接起动可能造成的过电流跳
铜故暗知转矩的冲击，相当干软启动控制的作用 制了转速的升隆速度，曲线知申压补偿设定环 在厂=了时起动结束， 电动机即在给定频率下丁 节保证 了基以下的U, 常数控制 调频调速 作。在异步电动机制动时，升降速时间设定环节使 时气隙的磁通中恒定不变，异步电动机升降速比 厂逐步下降，异步电动机转速逐步减小。现在的电 较平稳，稳态性能较好。 力由子变烦器有多种起动和制动曲线可以洗择，以 现代电子变颊器基本上内置相压频出控制功 满足不同场合对电动机起、制动的要求。听曲线 能14，由于恒压频比控制采用转速开环控制 和电压补偿设定环节是根据升、降速环节输出的频 有转速反馈环节，不需要设计转速调节器，结构比 率信号(，按照恒压频比控制的要求（即U,/(=常 较简单，一台变频器接上异步电动机就可以使用。 数)产生相应的由压控制信号”，以保证异步申动 3.仿真模型的建立与主要仿真参数设置 机调速时气隙磁通Φ恒定不变， 并且在低频时能 够进行电压补偿，提升转矩能力 三相SPWM调 利用Matlab/Simulink建立的转速开环恒压 制器根据频率厂和电压U;信号产生可调制的三相 比控制VVVF调速系统的仿真模型如图2所示。模 正弦调制波，与三角波比较后，产生三相道变器6 型的主电路由逆变器SPWM Bridge和异步电动 个开关器件所需的PWM驱动脉冲。这6路PWM ACm0r拉块组成。为简化型逆弯直流由 脉冲经驱动环节隔离放大后驱动逆变器开关管，使 源， 用定电压模块E代替了不控整流和滤波电容 逆变器产生三相输出，这样输出的三相频率和电压 三相逆变器SPWM Bridge由PWM Generator模块 与给定的频率和电压相对应。 提供驱动信号。异步电动机负载由TL模块设定， 需要调速的时候，调节给定频率∫，异步电动 通过异步电动机测量端m连接的Machines Demu 机的端电压和频率随者频率∫广自动调整，异步电云 机的转速也随之发生变化，由于升降速设定环节挡 图2恒压频比控制的异步电动机调速系统的仿真模型 模块可以观测异步电动机的项参数，模型中 图3为G1模块结构，这是 一个带反馈的积分器 选择了定子三相电流、转子三相电流、定子磁通 通过放大器Gain放大倍数的设定实现输出频率 转子磁通、转速和转矩等6个参数进行观测。仿 信号的上升师率的调节。 直模型中，多路测量仪Multimeter用来观测和 VF模块完成压频比（矿曲线）的设定， 记录逆变器的输入直流电压和输出三相交流电 使逆变器电压随频率调节，在调频中保持气隙磁 压（线电压）。 通恒定不变。V-F模块如图4所示，仿真模型中 控制电路部分，异步电动机的频率给定由仿 函数模块Fcnl用于产生与频率信号∫相应的电 真模型中的*Hz设定，升频速率由G1模块限制， 压信号，函数表达式如下：
闸故障和转矩的冲击，相当于软启动控制的作用。 在 * * 1f f = 时起动结束，电动机即在给定频率下工 作。在异步电动机制动时，升降速时间设定环节使 * 1f 逐步下降，异步电动机转速逐步减小。现在的电 力电子变频器有多种起动和制动曲线可以选择，以 满足不同场合对电动机起、制动的要求。U/f 曲线 和电压补偿设定环节是根据升、降速环节输出的频 率信号 * 1f ，按照恒压频比控制的要求（即U f s 1 = 常 数）产生相应的电压控制信号 * Us ，以保证异步电动 机调速时气隙磁通 Φm 恒定不变，并且在低频时能 够进行电压补偿，提升转矩能力。三相 SPWM 调 制器根据频率 * 1f 和电压 * Us 信号产生可调制的三相 正弦调制波，与三角波比较后，产生三相逆变器 6 个开关器件所需的 PWM 驱动脉冲。这 6 路 PWM 脉冲经驱动环节隔离放大后驱动逆变器开关管，使 逆变器产生三相输出，这样输出的三相频率和电压 与给定的频率 * 1f 和电压 * Us 相对应。 需要调速的时候，调节给定频率 * f ，异步电动 机的端电压和频率随着频率 * f 自动调整，异步电动 机的转速也随之发生变化，由于升降速设定环节控 制了转速的升降速度，U/f 曲线和电压补偿设定环 节保证了基频以下的U f s 1 = 常数控制，调频调速 时气隙的磁通 Φm 恒定不变，异步电动机升降速比 较平稳，稳态性能较好。 现代电子变频器基本上内置恒压频比控制功 能 [14-15]，由于恒压频比控制采用转速开环控制，没 有转速反馈环节，不需要设计转速调节器，结构比 较简单，一台变频器接上异步电动机就可以使用。 3. 仿真模型的建立与主要仿真参数设置 利用 Matlab/Simulink 建立的转速开环恒压频 比控制 VVVF 调速系统的仿真模型如图 2 所示。模 型的主电路由逆变器 SPWM Bridge 和异步电动机 AC motor 模块组成。为简化模型逆变器直流侧电 源，用定电压模块 E 代替了不控整流和滤波电容。 三相逆变器 SPWM Bridge 由 PWM Generator 模块 提供驱动信号。异步电动机负载由 TL 模块设定， 通过异步电动机测量端 m 连接的 Machines Demux 图2 恒压频比控制的异步电动机调速系统的仿真模型 模块可以观测异步电动机的 11 项参数，模型中 选择了定子三相电流、转子三相电流、定子磁通、 转子磁通、转速和转矩等 6 个参数进行观测。仿 真模型中，多路测量仪 Multimeter 用来观测和 记录逆变器的输入直流电压和输出三相交流电 压（线电压）。 控制电路部分，异步电动机的频率给定由仿 真模型中的f*Hz设定，升频速率由GI模块限制， 图3为GI模块结构，这是一个带反馈的积分器， 通过放大器 Gain 放大倍数的设定实现输出频率 信号的上升频率的调节。 V-F 模块完成压频比（U/f 曲线）的设定， 使逆变器电压随频率调节，在调频中保持气隙磁 通恒定不变。V-F 模块如图 4 所示，仿真模型中 函数模块 Fcn1 用于产生与频率信号 f 相应的电 压信号u ，函数表达式如下：
甲？②但 感值为0.0693H,转动惯量为0.189kgm2,摩擦 系数为0，磁极对数2对。逆变器直流侧电压为 电机空载启动，5s时加载4ONm,给完 积分器增益设为2，PWM发生器载波频率为 图3G1模块结构 3000Hz. 甲 4仿真结果与分析 采用0de23地仿真算法、1e-3仿真精度，对 电动机在给定频率为50Hz、空载启动、5s时加 图4VF模块结构 载40N·m的情况进行仿真。 m)=U-Uf+0 图5为G1模块输出的频率信号的升频仿真 (3) 波形，由图可知频率上升到给定频率50z需要 式中，U表示电动机额定电压：起动时补 3s的时间，图6是A相电压的调制波仿真波形， 偿定子电阻压降的电压为，：人表示电动机额 调制电压信号是幅值随着频率增大的正弦波。 定频率。 由于PWM Generator模块对调制信号的幅 值具有限制，电压调制信号的幅值小于等于1， 所以仿真模型中用放大模块Gainl调整Fcml模 块的输出信号幅值 并且经过Saturationl模块 限幅以保证V-F模块输出不大于1。利用Mu 将电压4、频率∫和时间信号汇总为一维向量 图5频率给定曲线 图6A相调制正弦波 [),(2),(3)l,依次表示申压、频率和时间 图7所示仿真波形为正弦调制下经计算的 三个变量，经汇总的变量输入三个函数模块(Fcn 异步电动机定子线电压有效值被形，起动时线 产生三相调制信号ua、ub、uc,再经Mux输入 压约为100V,在3s时线电压达到380V左右的 PWM Generator模块产生逆变器SPWM Bridge 电压额定值，电压和频率上升保持同步。与U叶 的控制脉冲 曲线控制相符。图8所示仿真波形为转速的变化 函数模块a、b、c的表达式为 过程，异步电动机的转速从零起动，在起动的 [4。=0*sin[2*pi*w(2)*u(3) 03s时间内转速经过了转速上升、转速超调到 4。=u)*sin[2*pmi*u2)*3)-2*p/3](④) 稳定的过程，空载起动时，转速稳定后的转速值 为1500r/min,在5s时给电动机突加负载40N,m 4.=0*sim[2◆pm2)*4(3)-4*pm/3) 转速下降到1400rmim 频率、电压和转速的变 通过异步电动机测量模块Machines Demu 化与理论分析情况相符合。 可以观察电动机定子和转子磁链，在图2所示仿 真模型中，通过函数模块phsl计算定子磁链平， 计算表达式为 Ψ.=Va(+u(2 式中，)是定子磁链的直轴分量phisd,(2)是 定做链的交轴分量phisa. 图7定子线电压有效值 图8转速响 仿直模型中，三相交流异步申动机的参数为 图9和图10分别给出了异步电动机定子磁 额定功率17W,额定电压380V,额 定领率50H2 链和转矩的仿点波形，从异步电动机的磁链曲线 额定电流27A,额定转速1450rmin,定子电阻 可以看出，恒压频比控生制还不能很好的保持磁 值为0.4350，定子漏感值为0.004H,转子电阻 稳定 气隙磁通不稳定会造成转矩的较大波动， 值为0.6160，转子漏感值为0.004H,定转子互 这也是异步电动机转速波动的重要原因
图3 GI模块结构 图4 V-F模块结构 0 0 ( ) N N U U uf f U f − = + (3) 式中，UN 表示电动机额定电压；起动时补 偿定子电阻压降的电压为U0 ； Nf 表示电动机额 定频率。 由于 PWM Generator 模块对调制信号的幅 值具有限制，电压调制信号的幅值小于等于 1， 所以仿真模型中用放大模块 Gain1 调整 Fcn1 模 块的输出信号幅值，并且经过 Saturation1 模块 限幅以保证 V-F 模块输出不大于 1。利用 Mux 将电压u 、频率 f 和时间信号汇总为一维向量 [uu u (1) (2) (3) ， ， ] ，依次表示电压、频率和时间 三个变量，经汇总的变量输入三个函数模块（Fcn） 产生三相调制信号 ua、ub、uc，再经 Mux1 输入 PWM Generator 模块产生逆变器 SPWM Bridge 的控制脉冲。 函数模块 ua、ub、uc 的表达式为 [ ] [ ] [ ] (1) sin 2 (2) (3) (1) sin 2 (2) (3) 2 3 (1) sin 2 (2) (3) 4 3 a b c u u pi u u u u pi u u pi u u pi u u pi = ∗ ∗∗ ∗ = ∗ ∗ ∗ ∗ −∗ = ∗ ∗ ∗ ∗ −∗ (4) 通过异步电动机测量模块 Machines Demux 可以观察电动机定子和转子磁链，在图 2 所示仿 真模型中，通过函数模块 phis1 计算定子磁链ψs ， 计算表达式为 ( ) ( ) 2 2 = + 1 2 s ψ u u (5) 式中，u(1) 是定子磁链的直轴分量 phisd，u(2) 是 定子磁链的交轴分量 phisq。 仿真模型中，三相交流异步电动机的参数为： 额定功率 17W，额定电压 380V，额定频率 50Hz， 额定电流 27A，额定转速 1450r/min，定子电阻 值为0.435Ω ，定子漏感值为 0.004H，转子电阻 值为0.616Ω ，转子漏感值为 0.004H，定转子互 感值为 0.0693H，转动惯量为 2 0.189kg m⋅ ，摩擦 系数为 0，磁极对数 2 对。逆变器直流侧电压为 510V，电机空载启动，5s 时加载 40N⋅m ，给定 积分器增益设为 2，PWM 发生器载波频率为 3000Hz。 4 仿真结果与分析 采用 Ode23tb 仿真算法、1e-3 仿真精度，对 电动机在给定频率为 50Hz、空载启动、5s 时加 载 40N⋅m 的情况进行仿真。 图 5 为 GI 模块输出的频率信号的升频仿真 波形，由图可知频率上升到给定频率 50Hz 需要 3s 的时间，图 6 是 A 相电压的调制波仿真波形， 调制电压信号是幅值随着频率增大的正弦波。 图 5 频率给定曲线 图 6 A 相调制正弦波 图 7 所示仿真波形为正弦调制下经计算的 异步电动机定子线电压有效值波形，起动时线电 压约为 100V，在 3s 时线电压达到 380V 左右的 电压额定值，电压和频率上升保持同步。与 U/f 曲线控制相符。图 8 所示仿真波形为转速的变化 过程，异步电动机的转速从零起动，在起动的 0~3s 时间内转速经过了转速上升、转速超调到 稳定的过程，空载起动时，转速稳定后的转速值 为 1500r/min，在 5s 时给电动机突加负载 40N⋅m ， 转速下降到 1400r/min，频率、电压和转速的变 化与理论分析情况相符合。 图 7 定子线电压有效值 图 8 转速响应 图 9 和图 10 分别给出了异步电动机定子磁 链和转矩的仿真波形，从异步电动机的磁链曲线 可以看出，恒压频比控制还不能很好的保持磁通 稳定，气隙磁通不稳定会造成转矩的较大波动， 这也是异步电动机转速波动的重要原因
5结论 分析了转速开环恒压频比控制的变压变频 调速系统的调速原理，详细分析了恒压频比控制 149 的变频调速系统的主电路与控制电路。通过对变 频调速系统的建模与仿真分析，验证了利用 图9定子磁链 图10转矩响应 Simulink建立的调速系统仿真模型的正确性。虚 拟实验仿真结果表明： 图11和图12给出了定子和转子磁链轨迹的 1)所建立的转速开环恒压频比控制的变 仿真波形，对于电动机加载的磁场轨迹来说，受 颊调速系统仿直模型的动态响应与实际调速系 转矩波动影响 定子磁链有较 大的不规则性，转 统的运动过程是相符合的，仿真结果能够比较准 子磁链还能保持较好的圆形磁场。 确地反映变频调速系统的实际工作状况 (②)转速开环恒压频比控制的变压变频调 速系统在起动过程完成后，异步电动机的转速趋 向平稳，具有良好的稳态性能。 )在教学过程中利用Simulink搭建的转 速开环恒压顷比控制的变压变频调速系统仿真 模型进行仿真演示，可以方便的展示调速系统各 图11定子磁链轨迹 图12转子磁链轨迹 占参量的实时动态波形，能够让学生全方位的观 图13给出了定子由流的仿直波形，从图中 测变频调速系统在不同控制参数 下的动态输出 可以看出，异 力机的起动电流也较大，并 响应，进而能够帮助相应专业学生加深对恒压费 在起动中通有从零上升的过程，产生的电 比控制的变压变频调速系统动态调节过程的理 矩比较小，限制了转速的上升速度。图14所示 解 仿直波形是异步电动机的转矩一转速特性，破链 参考文献 大幅度变化引起的转矩波动对转矩一转速特性 [山陈伯时.电力拖动自动控制系 一运动控制系统 有很大的影响。 (第3版M.北京 :机械工业出版社，2010 2.孙文杰.仿真技术在电气工程及其自动化专 业教学改革中的应用).实验室研究与探索， 201635121104.107 张文义，张强，张谬钟，等。特定消谐变频调速 实验装置的研制.实验室研究与探素，2011 图13定子电流有效值图4转矩一转速特性 3061:24.26 4L.张睛.任家富，徐廷生，等.基于PROFINET通 图15分别给出了∫为40和30z时的 转速仿真波形，调节∫可以改变异步电动机的 信的变频调速系统设计与研究实验室研 究与探索，2017,36(4131-136 稳定转速，实现VVVF调速，在5s加载时转速 「】陈伟、杨荣峰，于泳等，具有低速高性能的电压定 都有所下降，这是转速开环控制时必然存在的 向VF控制方法川.电机与控制学报.2010 407- [6.朱高中.电压补偿在变频调速系统中的应用研究U 工矿自动化，2013.39353-56. 「刀.江春冬。田晓梅。变頓湖速系统低领电压补偿规韩 间40给定时转速波形 )30给定时转速波形 探讨0微特电机2015,43425-27. 图15VVVF变颜调速的转速仿真波形 [8.康辉民，陈小安，陈文曲，等.U作控制下高速电主轴 的低频电压补偿与负载特性分析)机械工程学报
图 9 定子磁链 图 10 转矩响应 图11和图12给出了定子和转子磁链轨迹的 仿真波形，对于电动机加载的磁场轨迹来说，受 转矩波动影响，定子磁链有较大的不规则性，转 子磁链还能保持较好的圆形磁场。 图 11 定子磁链轨迹 图 12 转子磁链轨迹 图 13 给出了定子电流的仿真波形，从图中 可以看出，异步电动机的起动电流也较大，并且 在起动中磁通有从零上升的过程，产生的电磁转 矩比较小，限制了转速的上升速度。图 14 所示 仿真波形是异步电动机的转矩—转速特性，磁链 大幅度变化引起的转矩波动对转矩—转速特性 有很大的影响。 图 13 定子电流有效值 图 14 转矩—转速特性 图 15 分别给出了 * f 为 40Hz 和 30Hz 时的 转速仿真波形，调节 * f 可以改变异步电动机的 稳定转速，实现 VVVF 调速，在 5s 加载时转速 都有所下降，这是转速开环控制时必然存在的。 (a) 40Hz 给定时转速波形 (b) 30Hz 给定时转速波形 图 15 VVVF 变频调速的转速仿真波形 5 结论 分析了转速开环恒压频比控制的变压变频 调速系统的调速原理，详细分析了恒压频比控制 的变频调速系统的主电路与控制电路。通过对变 频调速系统的建模与仿真分析，验证了利用 Simulink 建立的调速系统仿真模型的正确性。虚 拟实验仿真结果表明： (1) 所建立的转速开环恒压频比控制的变 频调速系统仿真模型的动态响应与实际调速系 统的运动过程是相符合的，仿真结果能够比较准 确地反映变频调速系统的实际工作状况。 (2) 转速开环恒压频比控制的变压变频调 速系统在起动过程完成后，异步电动机的转速趋 向平稳，具有良好的稳态性能。 (3) 在教学过程中利用 Simulink 搭建的转 速开环恒压频比控制的变压变频调速系统仿真 模型进行仿真演示，可以方便的展示调速系统各 点参量的实时动态波形，能够让学生全方位的观 测变频调速系统在不同控制参数下的动态输出 响应，进而能够帮助相应专业学生加深对恒压频 比控制的变压变频调速系统动态调节过程的理 解。 参考文献 [1]. 陈伯时. 电力拖动自动控制系——运动控制系统 (第 3 版)[M]. 北京: 机械工业出版社, 2010. [2]. 孙文杰. 仿真技术在电气工程及其自动化专 业教学改革中的应用[J]. 实验室研究与探索, 2016, 35(12):104-107. [3]. 张文义, 张强, 张谬钟,等. 特定消谐变频调速 实验装置的研制[J]. 实验室研究与探索, 2011, 30(6):24-26. [4]. 张晴, 任家富, 徐廷生,等. 基于 PROFINET 通 信的变频调速系统设计与研究[J]. 实验室研 究与探索, 2017, 36(4):131-136. [5]. 陈伟, 杨荣峰, 于泳,等. 具有低速高性能的电压定 向 V/F 控制方法 [J]. 电机与控制学报 , 2010, 14(1):7-11. [6]. 朱高中. 电压补偿在变频调速系统中的应用研究[J]. 工矿自动化, 2013, 39(3):53-56. [7]. 江春冬, 田晓梅. 变频调速系统低频电压补偿规律 探讨[J]. 微特电机, 2015, 43(4):25-27. [8]. 康辉民, 陈小安, 陈文曲,等. U/f 控制下高速电主轴 的低频电压补偿与负载特性分析[J]. 机械工程学报
201l,479y132-138 3503166-170 [9高会民，谢小英，杜金桥高压MMC变换器低频运 【12杨酸华.异步电动机变频调速系统仿真设计平台的 行特性分析及控制方法)电气传动，2015， 研究D1.华北电力大学，2012. 45425.28 13引，周海军，侯静。变频调速系统的仿真及分析.变 10陈家鑫，张团善，何文莉，等.基于恒压比的交流 器世界，20139y79-82 异步电机调速研究.西安工程大学学报，2016，[14洪乃刚.电力电子电机控制系统仿真技术M.北 30M6701.796 京：机械工业出版社2013. [1孟彦京，张焕，马汇海，等。基于恒压颊比交直交无 [15],洪乃刚.电力电子、电机控制系统的建模与仿真 级变颊调速方法研究U.陕西科技大学学报，2017， M北京：机械工业出版社，2012
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