摘 要

本文对交流电机调速系统的发展背景以及国内外的发展现状进行了阐述。紧接着根据交流电机的基本结构以及其基本原理对交流电机建立了数学等效模型。并对交流电机的转矩产生的原因以及其机械特性进行了具体的分析，并在此基础上结合课题的要求对交流电机调速的基本原理进行了分析。紧接着本文基于交流变频调速常用的主电路即两电平逆变器，采用了以SPWM调制方法为主要调制方法的交流电机调速控制系统对交流电机转速闭环进行研究。最后交流电机矢量控制理论研究的基础上对其进行MATLAB/SIMULINK仿真设计，利用MATLAB建立了转差频率控制系统仿真模型，最后在多次调试取得最佳参数的基础之上对仿真结果进行细致的分析，细致地揭示了怎样建立矢量控制系统的仿真模型与怎样配置参数这一过程。对模型的正确性进行了进一步的验证。最终根据不同速度和转矩给定状态下的交流电机矢量控制系统所呈现出来的电压、电流、速度等动态波形分析，证明了交流电机矢量系统的良好特性，进一步拓展了其在实际应用中的重要意义。

关键词：异步电机 转差频率 变频调速 矢量控制 正弦脉宽调制

Design and Simulation of variable frequency closed-loop speed regulation system for AC motor

Abstrct

Firstly, this paper describes the development background of AC motor speed control system and the development status at home and abroad. Then, according to the basic structure and principle of AC motor, a mathematical equivalent model of AC motor is established. The causes of AC motor's torque and its mechanical characteristics are analyzed in detail. On this basis, the basic principle of AC motor's speed regulation is analyzed according to the requirements of the subject. Then, based on the main circuit of AC variable frequency speed regulation, i. e. two-level inverters, this paper adopts the SPWM modulation method as the main modulation method of AC motor speed regulation control system to study the closed-loop of AC motor torque and flux. Finally, based on the theory of vector control of AC motor, the simulation design of the vector control system is carried out by using MATLAB/SIMULINK. The simulation model of slip frequency control system of AC motor is established by using MATLAB . The establishment process of the simulation model of vector control system and how to configure the parameters are explained in detail. Finally, on the basis of obtaining the best parameters after several debugging, the simulation results are analyzed in detail, and the correctness of the model is further verified. Finally, according to the analysis of the dynamic waveforms of voltage, current and speed in the vector control system of AC motor under different speed and torque given conditions, the good characteristics of the vector control system of AC motor are proved, and its significance in practical application is further expanded.

Key words：asynchronous motor；Slip frequency； VVVF；vector control； SPWM

目 录

摘要 I

Abstrct II

第一章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2国内外发展现状 2

1.3本文的主要内容 3

第二章 交流异步电动机特性 5

2.1交流异步电动机的等效电路 5

2.2交流电动机转矩 7

2.3变频调速工作原理 7

2.4交流异步电动机的机械特性 8

2.5交流异步电动机性能仿真研究 10

2.6本章小结 13

第三章 交流异步电机矢量控制系统 14

3.1 SPWM调制基本原理 14

3.2 SPWM逆变器主电路拓扑及其开关状态 17

3.3矢量控制 20

3.4控制系统结构 26

3.5本章小结 27

第四章 交流异步电机矢量控制系统MATLAB仿真设计 29

4.1MATLAB软件概述 29

4.2控制系统电路仿真设计 30

4.3转差频率控制的交流异步电机闭环变频调速系统仿真分析 32

4.4 本章小结 37

第五章 总结与展望 39

参考文献 40

致 谢 42

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

因为直流电机的控制方法简单且易于理解，并且调速范围宽，转矩大。在先前的调速方法背景下要想在控制精度较高的领域运用交流电机调速往往是困难的。所以在新型调速方法被提出之前，直流电机才是一直被工业生产大规模地进行应用。但是时间到了20世纪60年代至20世纪70年代的末期，伴随材料技术的飞跃发展，电力电子器件在其传动技术领域的应用规模也在逐渐扩大，就像晶闸管、IGBT、IEGT等电力电子器件的不断涌现，为适应于高性能电力电子器件的电力变换器的出现开辟了新的发展航向。与此同时，另一方面，在同样飞跃发展的数字技术的支撑下，越来越多的有利资源也如雨后新笋般蓬勃而出。其中不得不提的便是以单片机为代表的微控制芯片的出场。伟大的科学家和工程师们将两者巧妙地结合在一起并且应用在交流调速的过程中，以不断被完善的交流电机控制理论为基础，在越来越多的实践过程中，人们也越来越肯定的是，只要交流电机控制得当，在成本范围相一致的情况下，交流电机调速性能将与直流电机调速系统性能相媲美，甚至超越直流调速系统。

在交流电机调速性能不断趋于稳定的过程中，变频调速技术的出现和发展无疑是其中关键的一部分。首先为了要从根本上解决交流电机无极平滑调速的这一问题，变频调速技术的原理就是通过一定的控制方法去改变交流电机供电电源频率继而来控制电机转速的变更从而达到稳定调速的目的。近几年来，随着我国大环境的趋势改变，尤其是中国制造2025口号的提出，预示着我国以往的发展模式已经不再继续适应当下国情，这种转变在工业生产领域的体现就是直流电机在现在生产力的巨大提升中已经应接不暇，急需升级改造，改用交流电机来满足生产需求。交流电机的出现便意味着工业生产领域的再一次蓬勃发展新时期的到来，尤其是在电气领域的发展历程中，扮演着至关重要的角色。然而还有一点需要我们注意的是，像一些传统的交流电机的控制方法，例如串电阻调速、V-M（晶闸管-电动机调速）调速等已经比较老旧的调速方法已经无法继续支撑目前以及之后的生产发展需求了，正在逐步退出历史舞台，不排除其他一些特殊环境的使用。在发展步伐如此快速的今天，我们也依然要不断地摸索前进，寻找最新、最适应当下发展需求的交流电机调速控制方法用来为我们的生产生活继续服务，不断靠近我们的口号目标。

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