摘要：以往的異步電機變頻調速系統(tǒng)仿真主要針對變頻器恒頻恒壓狀態(tài)進行分析，實際的變頻調速系統(tǒng)往往處于動態(tài)的調速過程，輸出頻率和輸出電壓隨時間在發(fā)生變化。利用Simulink和PowerSystemBlocksets，建立了異步電動機變頻調速系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型，通過電壓和頻率隨時間變化規(guī)律的設定，可以完成動態(tài)調速過程的仿真。文章介紹了模型的建立方法，并以恒壓頻比調節(jié)模式為例，對恒加速情況進行了仿真。對仿真獲取的輸出電壓進行時頻分析，提取的頻率變化規(guī)律與設定值完全吻合；對仿真獲取的輸出電流進行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。

　　關鍵詞：異步電機；變頻調速；瞬時頻率；SPWM

　　1引言

　　變頻調速電機系統(tǒng)在傳動領域得到廣泛的應用，其技術日趨成熟[1]。由于變頻調速異步電動機系統(tǒng)具有強耦合、非線性的特點，難以用解析的方法進行分析。作為系統(tǒng)分析研究的一種重要手段，仿真技術得到了越來越廣泛的應用。通過仿真，可以驗證理論分析和設計的正確性，模擬實際系統(tǒng)的運行過程，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[2]利用MATLAB軟件中的Simulink模塊，以帶轉矩內環(huán)的轉速、磁鏈閉環(huán)矢量控制的方法對異步電動機變頻調速系統(tǒng)進行建模和仿真，基本上解決了一般的調速方法存在的速度動態(tài)特性較差和電動機轉矩利用率低的問題；文獻[3-5]建立變頻系統(tǒng)矢量控制和直接轉矩控制運行模型，提取了轉速、定子線電壓、定子電流、電磁轉矩4個關鍵性能指標隨時間變化的波形圖,分析了轉速的動態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)跟蹤精度。

　　以上文獻的仿真研究都集中在電機恒頻恒壓運行狀態(tài)下，但是實際的變頻調速系統(tǒng)往往處于動態(tài)的調速過程，輸出頻率和輸出電壓隨時間在發(fā)生變化。因此，構建變頻調速異步電動機系統(tǒng)動態(tài)調速過程中的仿真平臺，分析調速過程中電磁參數(shù)的變化規(guī)律，對于調速系統(tǒng)的設計、應用與故障診斷，具有重要的指導作用。

　　本文將在MATLAB的Simulink環(huán)境中，設計具有通用性的變頻調速異步電動機系統(tǒng)動態(tài)仿真平臺。

　　2．電機恒壓頻比調速原理

　　異步電動機的轉速

　　（1）

　　因此三相異步電機的調速方式有很多，其中一種就是改變供電電源頻率。

　　三相異步電機每相電壓

　　（2）

　　3 異步電機變頻調速系統(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簡單的交-直-交變頻調速系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 異步電機變頻調速線系統(tǒng)的仿真模型

　　3.1 變頻調速仿真模型的組成

　　本文建立的變頻調速系統(tǒng)的仿真模型由整流、逆變、SPWM變頻控制信號發(fā)生器、電機及檢測模塊組成。電壓源經整流和直流濾波環(huán)節(jié)得到一個直流恒壓源Ud，逆變電路采用IGBT作為開關器件。SPWM變頻信號控制發(fā)生器輸出頻率線性恒加速變化的控制信號，控制橋式逆變電路中IGBT的導通和截止，產生與控制信號頻率相同的電壓，完成電機的恒壓頻比調速。在電機側設有檢測模塊，負責對電機的轉速、定子電流、轉子電流、電磁轉矩等指標參數(shù)加以觀測。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模塊中的調制比M和載波比N的影響[6]。

　　3.2 SPWM設計

　　SPWM模塊是整個恒壓頻比模型的關鍵部分。SPWM根據(jù)面積等效原理，以頻率f隨時間線性增加的“正弦波”作為調制波，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”交點進行脈沖寬度與間隙時間的采樣，生成SPWM波形來控制逆變器電路進而控制逆變輸出壓大小和頻率。

　　SPWM模塊封裝，其內部結構如圖2所示，輸入端由一個Clock模塊和三個constant模塊組成。在恒加速仿真中，根據(jù)需要設定a和b的值，經Fcn函數(shù)模塊計算轉換后，就可以得到頻率f=a+bt的隨時間變化的“正弦波”和相應頻率f1的“三角波”，k表示正弦波的初相位，參數(shù)設置為[0,-1,1],每相互差120°。載波比N在Fcn模塊中根據(jù)f的范圍大小自動分段調節(jié)，調制比M恒定。

圖2 SPWM模塊

　　3.2.1載波比變化對逆變器輸出的影響

　　SPWM有一個重要參數(shù)——載波比N,它是載波頻率與調制波頻率之比。在恒速運行中，載波比N是固定的。通過實驗驗證，N比較大時，一個周期內脈沖數(shù)增多，會導致高次諧波分量減少，電機轉矩脈動小，得到的轉矩、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，調制的載波頻率會過高，使開關器件難以承受。

　　因此在本文設計中采用分段同步調制，即載波比N分段有級的變化。把整個變頻范圍分成若5個頻段，每個頻段內都維持載波比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)，嚴格保證三相輸出波形之間120°的對稱關系，有效消除逆變器輸出電壓的諧波分量。

表1分段調制載波比值

　　3.2.2調制比變化對逆變器輸出的影響

　　為分析調制比M對逆變器輸出電壓，以及對電機電磁轉矩、電流、轉速等的影響，在圖1的仿真模塊中，分別取M=0.25,0.3,0.35,…,0.9,通過一系列的仿真可以發(fā)現(xiàn)，在其他條件不變的情況下，調制比變化有如下結果：

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

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

　　3 仿真結果及分析

圖3 恒加速時電流、轉速和轉矩的仿真曲線

　　通過仿真可以驗證，電機負載恒定運行時，當f=40Hz時，角速度=120rad/s；當f=50Hz時，角速度=150rad/s；當調制波頻率隨時間從40Hz線性增加到50Hz時，從圖2可以發(fā)現(xiàn)，忽略電機啟動狀態(tài)，電機角速速從120rad/s線性增加到150rad/s，增加趨勢與f隨時間增加趨勢相同，電流為幅值逐漸增大的“正弦波”，電機運行于線性恒加速狀態(tài)。

　　3.1定子電壓分析

　　在以往的電壓信號處理中多采用傅里葉和小波分解方法。1998年Huang等人提出經驗模態(tài)分解(EmpiricalModeDecomposition,簡稱EMD)方法[7-8]。它依據(jù)數(shù)據(jù)自身的時間尺度特征來進行信號分解，無須預先設定任何基函數(shù)。這一點與建立在先驗性的諧波基函數(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性的差別。正是由于這樣的特點，EMD方法在理論上可以應用于任何類型的信號的分解，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)勢明顯。因此本文中采用該方法做定子電壓做時頻分析。

　　電機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組成。對線電壓經過EMD分解后提取基波信號，發(fā)現(xiàn)電壓基波是一個幅值恒定，頻率線性增大的正弦波信號。對線電壓做時頻分析后發(fā)現(xiàn)，電壓的瞬時頻率與給定值f完全一致，從而證明建立的模型的正確性。

圖4 恒加速時定子線電壓電壓基波電壓瞬時頻率

　　3.2定子電流Park矢量分析

圖5仿真電流Park矢量圖

　　4 結束語

　　文中建立異步電機變頻調速系統(tǒng)在電機正常時動態(tài)仿真模型，模型直觀，實現(xiàn)了變頻調速系統(tǒng)的恒加速運行；進一步對輸出電壓和電流進行信號分析，驗證了EMD分解后電壓的瞬時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。本文僅僅是對線性恒加速過程進行分析，如需對電機其他運行模式，像恒速、恒減速速、非線性加、減速等模式研究分析，只需要在此基礎上修改SPWM模塊的調制波給定頻率即可，通用性強。同時，可在此模型基礎上，聯(lián)系其他故障診斷方法，如小波、傅里葉、神經網(wǎng)絡等，做進一步的故障診斷研究。

　　作者簡介：

　　劉振興(1965-),男，博士，教授，博士生導師。研究方向為旋轉設備的故障診斷技術和現(xiàn)代信號處理技術及應用．

　　沈開雄(1983-)，男，碩士研究生，研究方向電機故障診斷。

　　李月棠(1985-)，女，碩士研究生，研究方向自動化儀表檢測。

　　基金資助:國家自然科學基金資助項目（60874109）

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