图1.43所示是晶闸管-直流电动机开环直流调速系统主电路模型，模型中主要模块提取路径见表1.11。现以例1.2的双闭环控制直流调速系统为例说明。......
2025-09-29
恒压频比VVVF调速系统仿真优化
【摘要】：图3.15 恒压频比控制VVVF变频调速系统仿真模型模型的控制部分由fHz模块设定电动机频率，GI模块限制升频速率，V-F模块设定压频比，函数模块ua、ub、uc产生三相调制波[见式]。图3.20c所示是正弦调制下经计算的电动机定子线电压有效值曲线，起动时Ul≈100V，3s左右Ul达到380V，与V-F曲线控制相符。
1.恒压频比VVVF调速系统仿真模型
图3.13所示的恒压频比控制VVVF变频调速系统仿真模型如图3.15所示，模型主电路由逆变器SPWM Bridge和异步电动机AC motor模块组成。为简化模型逆变器直流测电源，用定压源模块E代替了不控整流器和滤波电容。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，通过电动机测量端m连接的Machines Demux模块可观测电动机的11项参数，模型选用了其中定子三相电流（is_abc）、转子三相电流（ir_abc）、定子磁通、转速和转矩五项参数。模型中，多路测量仪Multimeter用于观察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）。
图3.15 恒压频比控制VVVF变频调速系统仿真模型
模型的控制部分由f∗Hz模块设定电动机频率，GI模块限制升频速率，V-F模块设定压频比（U/f曲线），函数模块ua、ub、uc产生三相调制波[见式（3.35）]。模型的主要模块提取路径见表3.1。
表3.1 变频器-电动机系统模型的主要模块提取路径
（1）GI模块 GI模块的作用是限制起动时逆变器的升频速度，升频速度过快易引起跳频现象。GI模块结构如图3.16所示。模块是一个带反馈的积分电路，设定放大器Gain放大倍数可以调节输出频率信号的上升速度，反馈使Out1端输出频率的稳定值与In1端输入频率相同。
图3.16 GI模块结构
（2）V-F模块 V-F模块用于设定压频比，使逆变器电压随频率调节，在调频中保持气隙磁通不变。V-F模块结构如图3.17所示。模块中函数模块Fcn1用于产生与频率信号f相应的电压信u∗，函数的表达式为
式中，UN为电动机额定电压；U0为起动时补偿定子电阻压降的电压；fN为电动机额定频率。
图3.17 V-F模块结构
因为PWM Generator模块有调制信号的幅值限制，电压调制信号的幅值不能大于1，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。电压u、频率f和时间t信号经Mux模块汇总为一维矢量x=[u（1），u（2），u（3）]，式中u（1）、u（2）、u（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。(https://www.chuimin.cn)
（3）磁链观察通过电动机测量模块Machines Demux可以观察电动机定子和转子磁链。在图3.15所示模型中，通过函数模块phis1计算定子磁链Ψs，计算表达式为
。式中，u（1）为定子磁链的直轴分量phisd，u（2）为定子磁链的交轴分量phisq。
2.恒压频比控制调速系统仿真
例3.1仿真异步电动机恒压频比控制调速系统，电动机额定参数为17kW、380V、27A、4极、1450r/min。
（1）参数设置 逆变器和异步电动机模块参数设置如图3.18和图3.19所示，其他控制模块参数设置见表3.2。
图3.18 逆变器模块参数设置
图3.19 异步电动机模块参数设置
表3.2 恒压频比控制VVVF系统模块参数
（2）仿真和分析 电动机在给定频率为50Hz、空载起动、4s时加额定负载30N·m的情况下，观察到的波形如图3.20所示。从GI模块输出的升频曲线（见图3.20a）可看到，频率上升到给定的50Hz有3s的过程。图3.20b所示是一相电压的调制波，调制电压信号是幅值随频率增大的正弦波。图3.20c所示是正弦调制下经计算的电动机定子线电压有效值曲线，起动时Ul≈100V，3s左右Ul达到380V，与V-F曲线控制相符。从电动机磁链曲线（见图3.20e）可以看到恒压频比控制还不能很好地保持磁通稳定，气隙磁通不稳定会造成转矩较大波动（见图3.20f），这也是转速波动（见图3.20d）的重要原因。电动机的起动电流较大（见图3.20g），并且在起动中磁通有从0上升的过程，产生的转矩较小，限制了转速的上升速度。图3.20h所示是电动机工作时的转矩-转速特性，磁链大幅度变化引起的
图3.20 VVVF起动过程（50Hz）
转矩波动对转矩-转速特性有很大影响。图3.21所示是给定f∗为40Hz和30Hz时的转速波形，调节f∗可以改变电动机的稳定转速，实现了VVVF变频调速，在4s加载时转速都有下降，这是转速开环控制时必然存在的。
图3.21 VVVF变频调速的转速波形
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