变频调速异步电动机系统动态调速过程仿真研究
摘要：以往的异步电机变频调速系统仿真主要针对变频器恒频恒压状态进行分析，实际的变频调速系统往往处于动态的调速过程，输出频率和输出电压随时间在发生变化。利用Simulink和PowerSystemBlocksets，建立了异步电动机变频调速系统的动态仿真模型，通过电压和频率随时间变化规律的设定，可以完成动态调速过程的仿真。文章介绍了模型的建立方法，并以恒压频比调节模式为例，对恒加速情况进行了仿真。对仿真获取的输出电压进行时频分析，提取的频率变化规律与设定值完全吻合；对仿真获取的输出电流进行Park矢量分析，得到的矢量轨迹图与理论推论一致，这些表明该模型是可行和有效的。
关键词：异步电机；变频调速；瞬时频率；SPWM
1引言
变频调速电机系统在传动领域得到广泛的应用，其技术日趋成熟[1]。由于变频调速异步电动机系统具有强耦合、非线性的特点，难以用解析的方法进行分析。作为系统分析研究的一种重要手段，仿真技术得到了越来越广泛的应用。通过仿真，可以验证理论分析和设计的正确性，模拟实际系统的运行过程，分析系统特性随参数的变化规律，描述系统的状态与特性。
文献[2]利用MATLAB软件中的Simulink模块，以带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制的方法对异步电动机变频调速系统进行建模和仿真，基本上解决了一般的调速方法存在的速度动态特性较差和电动机转矩利用率低的问题；文献[3-5]建立变频系统矢量控制和直接转矩控制运行模型，提取了转速、定子线电压、定子电流、电磁转矩4个关键性能指标随时间变化的波形图,分析了转速的动态响应和稳态跟踪精度。
以上文献的仿真研究都集中在电机恒频恒压运行状态下，但是实际的变频调速系统往往处于动态的调速过程，输出频率和输出电压随时间在发生变化。因此，构建变频调速异步电动机系统动态调速过程中的仿真平台，分析调速过程中电磁参数的变化规律，对于调速系统的设计、应用与故障诊断，具有重要的指导作用。
本文将在MATLAB的Simulink环境中，设计具有通用性的变频调速异步电动机系统动态仿真平台。
2．电机恒压频比调速原理
异步电动机的转速
（1）
因此三相异步电机的调速方式有很多，其中一种就是改变供电电源频率。
三相异步电机每相电压
（2）
3 异步电机变频调速系统的仿真模型
在MATIAB7.5环境下,利用Simulink模块，采用恒压频比控制方式搭建了一个简单的交-直-交变频调速系统，如图1所示。
图1 异步电机变频调速线系统的仿真模型
3.1 变频调速仿真模型的组成
本文建立的变频调速系统的仿真模型由整流、逆变、SPWM变频控制信号发生器、电机及检测模块组成。电压源经整流和直流滤波环节得到一个直流恒压源Ud，逆变电路采用IGBT作为开关器件。SPWM变频信号控制发生器输出频率线性恒加速变化的控制信号，控制桥式逆变电路中IGBT的导通和截止，产生与控制信号频率相同的电压，完成电机的恒压频比调速。在电机侧设有检测模块，负责对电机的转速、定子电流、转子电流、电磁转矩等指标参数加以观测。逆变电路输出电压信息包括基波和谐波分量的分布及其幅值变化情况，主要受到SPWM模块中的调制比M和载波比N的影响[6]。
3.2 SPWM设计
SPWM模块是整个恒压频比模型的关键部分。SPWM根据面积等效原理，以频率f随时间线性增加的“正弦波”作为调制波，以频率为f1=Nf的“三角波”作为载波，采用自然采样法，按照“正弦波”与“三角波”交点进行脉冲宽度与间隙时间的采样，生成SPWM波形来控制逆变器电路进而控制逆变输出压大小和频率。
SPWM模块封装，其内部结构如图2所示，输入端由一个Clock模块和三个constant模块组成。在恒加速仿真中，根据需要设定a和b的值，经Fcn函数模块计算转换后，就可以得到频率f=a+bt的随时间变化的“正弦波”和相应频率f1的“三角波”，k表示正弦波的初相位，参数设置为[0,-1,1],每相互差120°。载波比N在Fcn模块中根据f的范围大小自动分段调节，调制比M恒定。
图2 SPWM模块
3.2.1载波比变化对逆变器输出的影响
SPWM有一个重要参数——载波比N,它是载波频率与调制波频率之比。在恒速运行中，载波比N是固定的。通过实验验证，N比较大时，一个周期内脉冲数增多，会导致高次谐波分量减少，电机转矩脉动小，得到的转矩、电流等效果比较理想。但是，如果保持N不变，逆变电路输出高频时，调制的载波频率会过高，使开关器件难以承受。
因此在本文设计中采用分段同步调制，即载波比N分段有级的变化。把整个变频范围分成若5个频段，每个频段内都维持载波比N恒定，而不同的频段取不同的N值，如表1所示。N取3的倍数，严格保证三相输出波形之间120°的对称关系，有效消除逆变器输出电压的谐波分量。
表1分段调制载波比值
3.2.2调制比变化对逆变器输出的影响
为分析调制比M对逆变器输出电压，以及对电机电磁转矩、电流、转速等的影响，在图1的仿真模块中，分别取M=0.25,0.3,0.35,…,0.9,通过一系列的仿真可以发现，在其他条件不变的情况下，调制比变化有如下结果：
(1)在不同调制比M下线电压基波和各次谐波的幅值都发生了变化。随着调制比M降低，转矩等的波形畸变程度加剧，谐波幅值增大，对电动机不利影响加重；在其它条件相同情况下，调制比M增大，谐波幅值减小；另外根据仿真图形发现随着调制比M的增大异步电动机输出的定子电流波形和电磁转矩波形的振动幅度有所减小，与之对应的谐波损耗和转矩脉动也将随之减小；但为了不过多降低中间直流电压，调制比选择在接近1左右比较合理。
(2)定子电流的谐波畸变也随调制比M的增大而减小，通过仿真发现其值远小于逆变器输出线电压的畸变，这就说明了电机绕组对电压有滤波作用，其滤波作用的大小与电机的参数有关。
3 仿真结果及分析
图3 恒加速时电流、转速和转矩的仿真曲线
通过仿真可以验证，电机负载恒定运行时，当f=40Hz时，角速度=120rad/s；当f=50Hz时，角速度=150rad/s；当调制波频率随时间从40Hz线性增加到50Hz时，从图2可以发现，忽略电机启动状态，电机角速速从120rad/s线性增加到150rad/s，增加趋势与f随时间增加趋势相同，电流为幅值逐渐增大的“正弦波”，电机运行于线性恒加速状态。
3.1定子电压分析
在以往的电压信号处理中多采用傅里叶和小波分解方法。1998年Huang等人提出经验模态分解(EmpiricalModeDecomposition,简称EMD)方法[7-8]。它依据数据自身的时间尺度特征来进行信号分解，无须预先设定任何基函数。这一点与建立在先验性的谐波基函数和小波基函数上的傅里叶分解与小波分解方法具有本质性的差别。正是由于这样的特点，EMD方法在理论上可以应用于任何类型的信号的分解，因而在处理非平稳及非线性数据上，具有很高的信噪比，优势明显。因此本文中采用该方法做定子电压做时频分析。
电机定子输入线电压如图4中所示，由占空比不同、幅值恒定的方波信号组成。对线电压经过EMD分解后提取基波信号，发现电压基波是一个幅值恒定，频率线性增大的正弦波信号。对线电压做时频分析后发现，电压的瞬时频率与给定值f完全一致，从而证明建立的模型的正确性。
图4 恒加速时定子线电压电压基波电压瞬时频率
3.2定子电流Park矢量分析
图5仿真电流Park矢量图
4 结束语
文中建立异步电机变频调速系统在电机正常时动态仿真模型，模型直观，实现了变频调速系统的恒加速运行；进一步对输出电压和电流进行信号分析，验证了EMD分解后电压的瞬时频率与给定频率值相同，Park变换后的电流矢量图与理论推论基本符合，证明了建立的模型的正确性。本文仅仅是对线性恒加速过程进行分析，如需对电机其他运行模式，像恒速、恒减速速、非线性加、减速等模式研究分析，只需要在此基础上修改SPWM模块的调制波给定频率即可，通用性强。同时，可在此模型基础上，联系其他故障诊断方法，如小波、傅里叶、神经网络等，做进一步的故障诊断研究。
作者简介：
刘振兴(1965-),男，博士，教授，博士生导师。研究方向为旋转设备的故障诊断技术和现代信号处理技术及应用．
沈开雄(1983-)，男，硕士研究生，研究方向电机故障诊断。
李月棠(1985-)，女，硕士研究生，研究方向自动化仪表检测。
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