交直交变频调速设计及仿真

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1、摘要近些年来，随着现代电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的迅速开展， 交流传动与控制技术成为目前开展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术 已成为开展趋势。变频调速技术的迅速开展被越来越多的应用丁电机控制领域中， 是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效 果，以及广泛的适用范围和调速时因转差功率不变而无附加能量损失等优点而被 国内外公认为是最有开展前途的高效调速方式。所以，对交一直一交变频调速系 统的根本工作原理和特性的

2、研究是十分有积极意义的。本文研究了变频调速系统的根本组成局部，主回路主要有三局部组成：将工 频电源变换为直流电源的“整流器；吸收由整流器和逆变器回路产生的电压脉 动的“滤波回路，也是储能回路；将直流功率变换为交流功率的“逆变器。以Matlab/Simulink为仿真工具，搭建交一直一交变频调速系统的仿真模型，并 对仿真结果进行分析研究。通过仿真试验对该交一直一交变频调速系统的根本工 作原理、工作特性及作用有更深的认识，也对谐波对丁交一直一交变频调速系统 的影响有了一定的了解。第一章绪论1.1交流调速技术开展概况在很长的一个历史时期内，直流调速系统以其所具有优良的静、动态性能 指标垄断调速传动应

3、用领域。但是随着生产技术的不断开展，直流电机的缺点逐 步显示出来，由丁机械式换向器的存在使直流电机的维护工作量增加并限制了电 机容量、电压、电流和转速的上限值，加之故障率高、效率低、本钱高、使用环 境受限等缺点，使其在一些大容量的调速领域中无法应用。而异步电动机特别是鼠笼异步电动机，容量、电压、电流和转速的上限，不像直流电动机那样受限制。而且异步电动机的转子绕组不需与其他电源相连，其 定子电流直接取自交流电力系统。 与其它电机相比，异步电动机的结构简单，制 造、使用、维护方便，巩固耐用，运行可靠，重量轻，故障率低，本钱低。以三 相异步电动机为例，与同功率、同转速的直流电动机相比，前者重量只及后

4、者的 二分之一，本钱仅为三分之一。异步电动机还容易按不同环境条件的要求， 派生 出各种系列产品。它还具有接近恒速的负载特性，能满足大多数工农业生产机械 拖动的要求。但是在过去很长的时间里由于交流电动机调速困难的致命缺点，简单调速方案不能得到很好的性能指标。20世纪70年代之后，随着交流电动机调速的理论 问题的突破和调速装置(主要是变频器)性能的完善，交流电动机调速性能的缺 点得到了克服，使得交流调速系统得到了迅速的开展，其技术和性能胜过其它任何一种调速方式(如：降压调速、变极调速、滑差调速、内反应串级调速和液力偶合调速)。目前，交流调速系统的性能已经可以和直流调速系统相匹敌，甚至可以超过并逐步

5、取代直流调速系统。目前，从数白瓦级的家用电器到数千千瓦级乃至数万千瓦 级的调速传动装置，可以说无所不包的都可用交流调速传动方式来实现。交流调 速传动已经从最初的只用于风机、泵类的调速过渡到针对各类高精度、快响应的 高性能指标的调速控制。与直流调速系统相比，交流调速系统具有以下特点：(1) 容量大;(2) 转速高且耐高压；(3) 交流电动机的体积、重量、价格比同等容量的直流电动机小， 且结构 简单、经济可靠、惯性小；(4) 交流电动机环境使用性强，巩固耐用，可以在十分恶劣的环境下使用；(5) 高性能、高精度的新型交流拖动系统已达同直流拖动系统一样的性能指标；(6) 交流调速系统能显著的节能。从性

6、能价格比的角度看，交流调速装置已经优于直流调速装置。交流调速系 统最终将取代直流调速系统。而交流调速传动控制技术之所开展得如此迅速，与一些关键性技术的突破性进展有关，这些技术包括电力电子器件(包括半控型和全控型器件)的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、 交流电动机的矢量变换控制技术、 直接转矩控制技术、PWM (Pulse Width Modulation)技术以及微型计算机和大规模集成电路为根底的全数字化控制技术等。控制相比，加、减速更为平滑，且容易使系统稳定。但是转差频率控制并未能实施对电机瞬时转矩的闭环控制，而且动态电流相位的延时会影响系统的实际动态响应。目前，交流调速系统的主要

7、应用方向可分为如下三大类。(1) 以节能目的的改包速为可调速。在原来大量的交流不调速领域(如风机、水泵、压缩机等)中，改直流启动 为软启动；改包速为可调速；在调速性能要求不高的场合，为降低本钱采用 开环调速。仅以泵的控制改造为例，节电高达 20%以上。(2) 以少维护省力为目的的取代直流调速系统。在直接关系到生产和人身平安的重要场合，为减少直流电机的故障和节省维 护时间，改用交流调速系统。如直流电梯改为交流电梯，有利丁保证人身安 全，增加正常运转运营时间；直流轧机改为交流轧机，可以大大节省检修时 问，提高生产效率；电动汽车中采用交流驱动，可以减小体积和重量，提高 可靠性。(3) 直流调速难以实

8、现的领域在直流电机很难实现的大容量高速领域，交流调速系统可以大显身手。如电 动机车、厚板轧机、高速电钻等。从多方面来看，交流调速系统完全可以取代直流调速系统，并将为工业生产以及节电节能等方面带来巨大的经济效益和社会效益【0】。1.2 研究变频调速的目的与意义异步电动机比直流电机结构简单、本钱低、工作可靠、维护方便、效率高。 因此，研究异步电动机的调速系统，对丁提高经济效益具有十分重要的现实意义。 由电机学可知，异步电动机的转速表达式为：P(1-1)式中n 一电动机的输出转速；fl为电机的定子供电频率；s 电动机的转差率：P 一电机的极对数。由公式(1-1)可知，实现异步电动机输出速度的改变，主

9、要通过 3类方式来实现， 即改变电机的极对数、变化转差率以及改变供电频率。目前常见到的具体实现调 速方案有：变极调速、调压调速、申级调速以及变频调速等。其中变极调速方式 届丁有级调速，调速范围窄，应用场合有限；调压调速方式是以消耗转差功率为 代价，不利丁节能，一般应在中小型风机、泵类等功率调速系统中；申级调速是 以消耗局部转差功率为代价较前者在节能方面略胜一筹，是一种结构简单，实现方便，较为经济方式，多用在绕线式异步电动机技术改造中；变频调速是最为理想的异步电动机调速方式，以其高效率和高性能等优势，目前应用最为广泛。通过流体力学的根本定律可知：风机(或水泵)类设备均属平方转矩负载，其转速n与流

10、量Q、压力(扬程)H以及轴功率P具有如下关系Qi /Q2 = Q 伉(1-2 )2Hi/H 2 = (n/ f)(1-3 )3 PP2=(n1/n2)(1-4)由公式(1-4)可知，在其它运行条件不变的情况下，通过下调电机的运行速度，其节电效果是与转速降落成立方的关系，因此，节电效果非常明显。例如在工况只需要50%勺风量或水量时，那么可以将电机的转速调节为额定的一半，而此时电机消耗的功率仅为额定的2.5%,即理论上节能可达 87.5%.目前交流传动己经上升为电气调速传动的主流，直流传动系统占统治地位的局面已经受到强烈的冲击。推广使用可调速电动机及其控制系统的节能具有广阔的前景，在不久的将来，交

11、流电气传动将会完全取代直流电气传动。电动机作为风机、水泵、压缩机、机床等各种设备的动力，已广泛应用于工业、商业、公用设施和家用电器等各个领域，其中异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的提高电机系统的效率，对节约一种。使之成为国内外企业采用电机节能方式的首选。因此, 电能意义十分重大。随着电力电子技术、 计算机技术、自动控制技术的迅速开展，交流变频调速技术得到了迅速开展，其显著的节能效益，高精确的调速精度，宽泛的调速范围，完善的保护功能，以 及易于实现的自动通信功能，得到了广阔用户的认可，在运行的平安可靠、安装使用、维修维护等方面，也给使用者带来了极大的便利。因此，研究交直交变频调速系统

12、将有利于提高系统的可靠性和工作效率。为了研究交直交变频调速系统，本论文主要利用 Matlab/ Simulink仿真工具，搭建交一直一交变频调速系统的仿真模型，通过对系统各局部参数的设定对该系统进行仿 真，根据仿真结果，分析三相异步电动机交流交直交变频调速的工作原理与工作 特性及变频器对电机的影响等，实现优化系统设计，这对高性能的变频调速系统 具有一定的应用价值和现实意义。1.3 交流调速的研究分析1电力电子器件的使用现代交流调速技术的快速开展和电力电子技术的开展是分不开的，以电力为对象的电子技术称为电力电子技术。它是一门利用电力电子器件对电能进行转换、 传输的学科，是现代电子学的一个重要分支

13、。从20世纪50年代末晶闸管问世以来，经过几十年的开展，电力电子器件得 到了迅猛的开展。从只能触发导通而不能控制关断的半控型器件如Thyristor晶闸管，到可以控制导通和关断的全控型器件如GTOH极可关断晶闸管、GTR电力晶闸管；从电流控制到电压电场控制如IGBT绝缘栅双极型晶闸管、 MOSFET力场效应晶闸管，它们的使用使得开关高频化的 PWMfc术成为可能。目前功电力电子器件正向大功率、高频化、集成化、智能化、易触发、低损 耗和好保护等方向开展。典型的电力电子变频装置有电压型交一直一交变频器、 电流型交一直一交变频器和交一交变频器三种。 电压型交直交变频器的中间直流 环节采用大电容作储能

14、元件，无功功率将由大电容来缓冲，不具有四象运行能力。 对于负载电动机而言，电压型变频器相当于一个交流电压源，在不超过容量限度的情况下，可以驱动多台电动机并联运行。电压型PWM频器在中小功率电力传动系统中占有主导地位，是目前开展最快，应用最广的变频器。但电压型变频 器的缺点在于电动机处于制动发电状态时，回馈到直流侧的再生电能难以回馈给交流电网，要实现这局部能量的回馈，网侧不能采用不可控的二极管整流器或 一般的可控整流器，必须采用可逆变频器，这种再生能量回馈式高性能变频器具 有直流输出电压连续可调，输入电流 网侧电流波形根本为正弦波，电压波形 为矩形波，功率因数保持为1并且能量可以双向流动的特点。

15、电流型交一直一交 变频器的中间直流环节采用大电感作储能元件，无功功率将由大电感来缓冲，它的一个突出优点是当电动机处于制动 发电状态时，只需改变网侧可控整流器 的输出电压极性即可使回馈到直流侧的再生电能方便地回馈到交流电网，构成的调速系统具有四象限运行能力，能很好地实现电机的制动功能，可用于频繁加减 速等对动态性能有要求的单机应用场合。交-交变频器电路具有效率高，可实现 四象限工作，低频输出波形接近正弦波。但它接线复杂，输入电流谐波大，输入 功率因数低，受电网频率和变流电路脉波数的限制，所以一般只用于低速低频 的大容量调速传动中。为此，矩阵式交一交变频器应运而生。 矩阵式交一交变频 器是近年出现

16、的一种新颖的变频电路， 它是直接的变频电路，采用全控型的开关 器件，以斩波方式控制，具有功率密度大，没有中间直流环节，输入功率因数为 1,输入电流为正弦波，以及具有能量双向流动、四象限运行能力和输出频率不受 电网频率的限制的优点。2应用脉宽调制PWM技术电压型PWM频器是目前最常用的，开展最快的变频器，也是一种很有开展 前途的变频调速方法。PWMK术利用功率半导体器件的高频开通和关断， 把直流 电压变成按一定的宽度规律变化的电压脉冲序列，以实现变频与变压，并有效地抑制和消除谐波的影响。PWM空制技术一般可分为三大类，即：正弦PWM优化 PWMS随机PWM正弦PWMfe括电压、电流和磁通的正弦

17、PWM 正弦PWMH!殳 随着功率器件开关频率的提高而得到很好的性能。在中小功率交流传动的系统中被广泛的采用。但是对于大容量的电力变换装置来说， 太高的开关频率会增加开 关的损耗，而且大功率器件的开关频率目前还不能做得很高，在这种情况下，优化PWMjJ术正好符合装置的需要。特定谐波消除法Selected HarmonicMi-inationPWM,SHE PWM效率最优 PWhffi转矩脉动最小 PWMtK届于优化 PWM 技术的范畴。对于普通的PW旋频器，其输出电流往往含有较大的谐波成分，谐波电流的存在，会使电动机定子产生振动而发出电磁噪声而且还容易引起电动机 的机械共振，导致系统的稳定性降

18、低。为了解决以上问题，可以提高功率器件的 开关频率，但这会增加开关的损耗；另一种解决方法是随机地改变功率器件的导 通位置和开关频率，使变频器输出电压的谐波成分均匀地分布在较宽的频带范围 内，从而抑制那些幅值比拟大的谐波成分， 以到达抑制电磁噪声和机械共振的目 的，这就是随机PW啾术。(3) 应用欠量控制技术、直接转矩控制技术及现代控制理论交流传动系统中的交流电动机是一个多变量、非线性、强祸合、时变的被控对象，VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)控制是从电动机稳态方程出发研究其控制特性，动态控制效果很不理想。20世纪70年代初提出用欠量变换 的方法来

19、研究交流电动机的动态控制过程。它其原理是将异步电动机在三相坐标 系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相/二相变换，等效成两相静止坐标系下的 交流电流Ia1及Ib1 ,再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系 下的直流电流Im1及It1(Im1相当丁直流电动机的励磁电流；It1相当丁与转矩成 正比的电枢电流)，然后模仿对直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机 等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。 通过控制转子磁 链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。欠

20、量控制方法的提出具有划时代的意义。但是在实际应用中，由丁转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大， 且在等效直流电动机控 制过程中所用欠量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以到达理想分析的结 果。此外，它必须直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流 解耦控制，这需要在控制系统中配置转子位置或速度传感器，这显然给许多应用 场合带来不便。0为了解决系统复杂性和控制精度的问题，乂提出了直接转矩 控制方法。该技术在很大程度上解决了上述欠量控制的缺乏，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速开展。 该技术已成功地 应用在电力机车牵引的大功率交流传动上

21、。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机 等效为直流电动机，因而省去了欠量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。(4) 应用微电子技术随着微电子技术的快速开展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到 了很大的提高，实现了模拟控制无法实现的复杂控制，这使得全数字化控制系统有望取代模拟控制系统。目前用于交流传动系统的微处理器有单片机、数字信号 处理器(Digital Signal Processor, DSP )、专用集成电路(Application Specific Int

22、egratedCircuit, ASIC) 等。其中，高性能的计算机结构形式采用 超高速缓冲储存器、多总线结构、流水线结构和多处理器结构等。核心控制算法 的实时完成、功率器件驱动信号的产生以及系统的监控、保护功能都可以通过微处理器实现，为交流传动系统的控制提供很大的灵活性，且控制器的硬件电路标准化程度高，本钱低，使得微处理器组成全数字化控制系统到达了较高的性能价 格比。(5) 开发新型电动机和无机械传感器技术交流传动系统的开展对电动机本体也提出了更高的要求。电动机设计和建模 有了新的研究内容，如三维涡流场的计算、考虑转子运动及外部变频供电系统方 程的联解、电动机阻尼绕组的合理设计及笼条的故障检

23、测等。为了更详细地分析 电动机内部过程，如绕组短路或转子断条等问题，多回路理论应运而生。随着永 磁材料特别是钦铁硼永磁的开展，永磁同步电动机(Permanent-Magnet Synchronous Motor, PMSM)J研究逐渐热门和深入，由于这类电动机无需励磁电 流，运行效率、功率因数和功率密度都很高，因而在交流传动系统中获得了日益 广泛的应用。在高性能的交流调速传动系统中，转子速度 (位置)闭环控制往往 是必需的。为了实现转速(位置)反应控制，须用光电编码器或旋转变压器等与 电动机同轴安装的机械速度(位置)传感器来实现转子速度和位置的检测。但机械 式的传感器有安装、电缆连接和维护等问

24、题，降低了系统的可靠性。对此，许多 学者开展了无速度(位置)传感器控制技术的研究，即利用检测到的电动机出线 端电量(如电机电压、电流)，估测出转子的速度、位置，还可以观测到电动机 内部的磁通、转矩等，进而构成无速度 (位置)传感器高性能交流传动系统。该 技术无需在电动机转子和机座上安装机械式的传感器，具有降低本钱和维护费用、不受使用环境限制等优点，将成为今后交流电气传动技术开展的必然趋势。(6) 变频调速系统产生的谐波对交流电机负载运行的影响电机的转速和电源的频率是线性关系，变频器就是利用这一原理将50Hz的工频电通过整流和逆变电路转换为频率可调的交流电源。从结构来看，变频器可分为间接变频和直

25、接变频两大类。 间接变频将工频电流通过整流器变成直流， 然 后再经过逆变器将直流变换成频率和电压可控的交流。直接变频器那么将工频交流 直接变换成频率和电压可控的交流， 没有中间的直流环节。目前变频调速系统应 用较多的还是间接变频器，即交一直一交变频器 .由于变频器供电侧电流中会含有谐波， 这些谐波电流注入电网后将对电网的 电能质量产生不利影响，而其逆变电路输出侧产生的高次谐波也会给电动机带来 诸如发热加剧、转矩脉动及噪声等问题，甚至造成电机损坏，另外，谐波还对通 信以及电子设备产生严重十扰，影响周围设备的正常运行。因此，研究变频器的 谐波特性将有利于提高交流传动系统的可靠性和工作效率。1.4论

26、文内容安排第一章 绪论：主要介绍交流调速技术的开展概况、研究变频调速的目的与 意义、交流调速的研究分析及介绍论文章节内容的安排。第二章 系统仿真技术：比拟交流调速系统的各种调速方案，重点分析了交 流调压调速系统的原理及机械特性，及对交流调压调速电路以及闭环调压调速系 统进行了重点的研究分析。第三章 交流调压调速系统的MATLA丽真：运用MATLAIB勺SIMULINKX具箱 分别对异步电动机调压调速系统的主电路与控制电路进行建模和参数设置，最终建立了异步电动机调压调速系统电路的仿真模型， 并对其进行了仿真分析和研究， 给出仿真结果，通过对仿真结果的分析验证了交流调压电路的工作原理和所建模 型的

27、正确性。第四章 结论：对全文进行总结，指明异步电动机调压调速系统的开展方向。第二章系统仿真技术2.1系统仿真技术的概述系统是由客观世界中实体与实体间的相互作用和相互依赖的关系构成的具 有某种特定功能的有机整体。系统的分类方法是有多种多样的，习惯上依照其应 用范围可以将系统分为工程系统和非工程系统。工程系统的含义是指由相互关联部件组成的一个整体，以实现特定的目的。 例如电机驱动自动控制系统是由执行部件、功率转换部件以及检测部件所组成， 用它来完成电机的转速、位置和其他参数控制的某个特定目标。非工程系统的定义范围很广，大至宇宙，小至原子，只要存在着相互关联、 相互制约的关系，形成一个整体，实现某种

28、目的的均可以认为是系统。如果想定量地研究系统地行为，可以将其本身的特性及内部的相互关系抽象 出来，构造出系统的模型，系统的模型分为物理模型和数学模型。由于计算机技 术的快速开展和广泛应用，数学模型的应用越来越普遍。系统的数学模型是描述系统动态特性的数学表达式，用来表示系统运动过程 中的各个量的关系，是分析与设计系统的依据。从它所描述的系统的运动性质和 数学工具来分，乂可以分为连续系统、离散时间系统、离散事件系统及混杂系统 等。还可细分为线性、非线性、定常、时变、集中参数、分布参数、确定性、随 机等子类。系统仿真是根据被研究的真实系统的数学模型研究系统性能的一门重要的 学科，现在尤指是利用计算机

29、去研究数学模型行为的方法。计算机仿真的根本内容包括了系统、算法、模型、计算机程序设计与仿真结果显示、分析与验证等环 节。2.2仿真软件与仿真步骤2.2.1仿真软件电力拖动自动控制系统的动态过程是非常复杂的，这是由变流器一电机系统的非线性何不连续性引起的。因此，当研究一种控制的方案时， 通常的做法是将电气传动系统在计算机上进行仿真。这样在建立线路实验模型之前，即可对性能进行详细的研究。电气传动系统覆盖着纳秒级的电子器件暂态过程、毫秒级的控制其调节过程和秒级的机电过渡过程。因此， 对于电力电子系统必须分别研究其变流器局部和系统局部。前者需要采用精确的电力电子器件模型；后者那么只需采用理想化的器件模

30、型，包括理想化的交流器和系统的完整传动系统， 防止了诸多的假定条件和复杂的数学运算，是系统的设计和研究更加直观、实际。在电力拖动自动控制系统中，直流电动机、异步电动机和同步电动机的电气动态特性可以分别用不同阶数的非线性微分方程表示。此方程可以以定子作为参考系统，或者采用同步旋转参考系统。整流器和逆变器可以准确的用开关电路表示，并忽略其离散时间性质，经过变换与电机模型合并起来。 待反应控制的变流器一电机模型可以在计算上进行仿真，对控制参数可以进行细微的调整，得到所需要的性能。另一种研究方法是利用小信号扰动原理，对变流器一电机系统进行稳定性分析，一旦得到满意的仿真性能，就可以着手进行模拟线路实验，

31、并与仿真结果进行比拟。近年来多个著名的仿真软件已成功的应用于电力电子仿真，如MATLAB 、Pspice、Saber、IsPspice、dSPACE 等。当前电子技术已经全面进入了数字化时代，为了大幅度提高效率，在研制新型电子系统过程中，往往首先提出一个新的设想；然后对其进行仿真以验证设想的可行性，并预测其性能参数；在到达了预期的效果之后，在进行硬件的实现。 这种方法已经逐步成为科研工作的一种主要模式，其中进行系统仿真是其重要的一环。2.2.2电子系统的仿真步骤一般来说，一个电子系统可以抽象为由线性器件和非线性器件组成的数学模型，而电子系统仿真就是根据适当的模型对实际的电子系统进行实验研究的过

32、程。数学模型的建立是进行系统仿真的根底，也是进行系统仿真必须首先解决的问题。数学模型的正确与否、与实际电子系统的近似程度都会直接影响仿真的结果。数学模型的建立通常又称为系统建模，它是对电子系统进行仿真的一个重要的环节。在确定了电子系统的数学模型之后，就可以用适当的仿真语言或仿真工具对系统进行仿真。在电子系统的数学模型建立起来后，必须利用一种或几种适宜的仿真算法编制仿真程序，对于进而进行电子系统的仿真实验。仿真算法、仿真语言和仿真程序构成了数学仿真软件。 电子系统来说，可以采用的仿真语言有很多种， 其中MATLAB语言具有非常突出的优点， 目 前已经成为电子系统的首选的仿真语言， 在科研与教学领

33、域内被广泛使用。 一般来说，电子 系统的仿真可以分为如下五个步骤：1、根据要分析的电子系统，建立相应的数学模型；2、找到适宜的仿真算法；3、应用仿真语言编制计算程序；4、根据初步的仿真结果对该数学模型进行验证；5、进行系统仿真并认真分析仿真结果。上述五个步骤之间是有连带关系的，不可能将它们完全别离开。在实际仿真时，往往反复重复前四个步骤，以保证数学模型的正确性和仿真算法的可行性。2.3 MATLAB 概述MATLAB是国际上仿真领域最权威、最实用的计算机工具。它是MathWork 公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化数学软件，被誉为“巨人 肩上的工具。MATLAB是一种应用于计算

34、技术的高性能语言。它将计算、可视化和编程 结合在一个易于使用的环境中，此而将问题解决方案表示成我们所熟悉的数学符 号，其典型的使用包括:.数学计算.运算法那么的推导.模型仿真和复原.数据分析，采集及可视化.科技和工程制图.开发软件，包括图形用户界面的建立MATLAB是一个交互式系统，它的根本数据元素是矩阵，且不需要指定大 小。通过它可以解决很多技术计算问题，尤其是带有矩阵和矢量公式推导的问题， 有时还能写入非交互式语言如 C和Fortran等。MATLAB的名字象征着矩阵库。它最初被开发出来是为了方便访问由LINPACK和EISPAK开发的矩阵软件，其代表着艺术级的矩阵计算软件。MATLAB在

35、拥有很多用户的同时经历了许多年的开展时期。 在大学环境中， 它作为介绍性的教育工具，以及在进阶课程中应用于数学，工程和科学。在工业 上它是用于高生产力研究、开发、分析的工具之一。MATLAB的一系列的特殊应用解决方案称为工具箱(toolboxes)。作为用 户不可缺少的工具箱，它可以使你学习和使用专门技术。工具箱包含着M-file集，它使MATLAB可延展至解决特殊类的问题。在工具箱的范围内可以解决单 个过程、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波、仿真及其他很多问题。经过几十年的完善和扩充，它已开展成线形代数课程的标准工具。在美国， MATLAB是大学生和研究生必修的课程之一。美国许多大学的实验

36、室都安装有 MATLAB ,供学习和研究之用。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显 示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。其包含的SIMULINK是用于在MATLAB下建立系统框图和仿真环境的组件，其包含有大量的模块集， 可以很方便的调取各种模块来搭建所设想的试验平台，同时SIMULINK还提供时域和频域分析工具，能够直接绘制系统的Bode图和Nyquist图。MATLAB系统可分为五个局部：(1) MATLAB 语言：这是一种高级矩阵语言，其有着控制流程状态，功能，数据结构，输入输出及面 向对象编程的特性。它既有“小型编程的功能，快速建立小型可弃程序，乂有“大型编程的功能，开发

37、一个完整的大型复杂应用程序。MATLAB语言具有功能强大、界面友好、编程效率高、扩展性强的特点。(2) MATLAB 的工作环境：这是一套工具和设备方便用户和编程者使用MATLAB。它包含有在你的工作空间进行管理变量及输入和采集数据的设备。同时也有开发、管理、调试 profiling、 M-files、 MATLAB s applications 的系歹U工具。图形操作：这是MATLAB的图形系统。它包含有系列高级命令，其内容包括二维及三 维数据可视化，图形处理，动画制作，表现图形。同时它也提供低级命令便于用 户完全定制图形界面并在你的 MATLAB软件中建立完整的用户图形界面。(4) MAT

38、LAB数据功能库：它拥有庞大的数学运算法那么的集合，包含有根本的加，正弦，余弦功能到复杂的求逆矩阵及求矩阵的特征值，Besse l功能和快速傅立叶变换。(5) MATLAB应用程序编程界面：这是一个允许你在MATLAB界面下编写C和Fortran程序的库。它方便从 MATLAB中调用例程(即动态链接)，使MATLAB成为一个计算器，用于读写 MAT-files。Simulink是MATLAEM件的扩展，是用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软 件包，是面向系统结构的方便的仿真工具。它支持线形和非线性系统，能在连续 时间、离散时间或两者的复合情况下建模。系统也能采用复合速率，也就是不同的局部用不

39、同的速率来采样和更新。Simulink提供一个图形化用户界面用于建模，用鼠标拖拉块状图表即可完成 建模。在此界面下能像用铅笔在纸上一样画模型。相对于以前的仿真需要用语言 和程序来说明不同的方程式而言有了极大的进步。Simulink拥有全面的库，如接 收器，信号源，线形及非线形组块和连接器。同时也能自己定义和建立自己的块。 模块有等级之分，因此可以由顶层往下的步骤也可以选择从底层往上建模。可以在高层上统观系统，然后双击模块来观看下一层的模型细节。 这种途径可以深入 了解模型的组织和模块之间的相互作用。在定义了一个模型后，就可以进行仿真了，用综合方法的选择或用Simulink 的菜单或MATLAB

40、命令窗口的命令键入。菜单的独特性便于交互式工作，当然 命令行对于运行仿真的分支是很有用的。使用scopes或其他显示模块就可在模拟运行时看到模拟结果。进一步，可以改变其中的参数同时可以立即看到结果的 改变，仿真结果可以放到 MATLAB工作空间来做后处理和可视化。模型分析工具包括线性化工具和微调工具，它们可以从 MATLAB命令行直 接访问，同时还有很多 MATLAB 的toolboxes中的工具。因为 MATLAB 和 Simulink是一体的，所以可以仿真、分析，修改模型在两者中的任一环境中进行。2.5变频调速系统2.5.1变频调速的控制方式变频调速的控制方式经历了 V/F控制、转差频率控

41、制、欠量控制的开展，前 者届丁开环控制，后两者届丁闭环控制，正在开展的是直接转矩控制.1.V/F控制异步电动机的转速与定子电源频率、极对数有关，改变频率就可平滑地调节 同步转速.但频率上升或下降可能会引起磁路饱和转矩缺乏现象，所以在改变频 率的同时， 需调节定子电压，使气隙磁通维持不变、电机效率不下降，这就是V/F控制.V/F控制简单，通用性优良，但因是开环控制，调速精度低、范围小， 只能用在调速精度和动态响应要求不高的场合。2.转差频率控制由电机根底知识知，异步电动机转矩M与气隙磁通 、转差频率L的关系 为：Mb酒为只要保持气隙磁通，一定，控制转差频率就能控制电机转矩，这就 是转差频率控制。

42、转差频率控制利用速度检测器检出电机的转速，然后以电机速度与转差频率的和给定逆变器的输出频率，其控制精度和过电流的抑制等特性较 V/ F控制都有所提高，但没有考虑电机电磁惯性的影响，动态转矩仍没得到控 制，动态响应效果仍不理想。3. 欠量控制欠量控制是在交流电动机上模拟直流电机控制转矩的规律， 将定子电流分解 成相应丁直流电机的电枢电流的量和励磁电流的量， 并分别进行任意控制。欠量 控制能够对转矩进行控制，获得和直流电机一样的优良性能，它适用丁要求快速 响应或对起动、制动有严格要求的场合。4. 直接转矩控制直接转矩控制(DTC)的变频调速是目前正在开展的调速方式，它无需像欠量 控制那样进行复杂的

43、欠量变换运算，直接由定子空间欠量分析三相电动机的数学模型，并决定其控制量.DTC够用开环方式对转速和转矩进行控制，简化了控制结构，但不可防止地产生转矩脉动，影响低速性能，调速范围受到限制同。2.5.2变频调速原理及其机械特性在各种异步电机调速系统中，效率最高、性能最好的系统是变频调速系统。 从式(1 1)中可以看出，当异步电动机的磁极对数 Pn 一定，转差率s一定时， 改变异步电动机定子绕组供电电源的频率 /1可以到达调速目的，如果频率/1连 续可调，那么可平滑地调节异步电动机的转速，即为变频调速原理。像三相异步电动机在运行时，忽略定子阻抗压降时，定子每相电压为如&=444伊峥式中用为气隙磁通

44、在定子每相中的感应电动势；。为定子电源频率； M为定子每相绕组匝数；b为基波绕组系数，缶为每极气隙磁通量。如果改变频率/】，且保持定子电源电压不变，那么气隙每极磁通 缶将增大， 会引起电动机铁芯磁路饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而 损坏电机，这是不允许的。因此，降低电源频率 胃时，必须同时降低电源电压， 已到达控制磁通 机的目的。对此，需要考虑基频(额定频率 f=50Hz)以下的调 速和基频以上调速两种情况。2.5.3基频以下变频调速lh为了防止磁路的饱和，当降低定子电源频率 。时，保持。为常数，使气每 极磁通知为常数，应使电压和频率按比例的配合调节。这时，电动机的电磁矩 为

45、mpUif挡SI+3+折ar n-o上式对s求导，即成 ，有最大转矩和临界转差率为2ff/in+Jn*(xi ()，)mp (Ufi打十 +(xtH-/2)3Uxs=,、由上式可知：当/常数时，在贝较高时，即接近额 定频率时，随着贝的降低，L减少的不多；当J】较低时， + ?较小；n相对变大，那么随着 方的降低，北就减小了。显然，当降低时，最大t/i转矩E不等丁常数。保持 代 常数，降低频率调速时的机械特征如图 1所示。 这相当丁他励直流电机的降压调速。图i变频调速的机械特性Ui_a基频以下调速了*常数 b基频以上调速1=常数2.5.4基频以上变频调速在基频以上变频调速时，也按比例身高电源电压

46、时不允许的，只能保持电 压为不变，频率越高，磁通知越低，是一种降低磁通升速的方法，这相当 丁它励电动机弱磁调速。保持4=常数，升高频率时，电动机的电磁转矩为:mpU 3=0上式求ds ,得最大转矩和临界转差率为：H J叫W力2 2伽+3+妍)血折+即丫寸A由丁Ji较高，a、七和$比n大的多，那么上式变为1 imp?/? 1. CC2 2ff/i(xi+V2) /i因此，频率越周时，越小，n也越小。保持4为常数，升局频率调速时 的机械特性如图1 (b)所示第三章2交直交变频调速系统的根本原理及特性研究变频调速系统的结构框图：1+kC -Vdk-Vd4IGBT/2IGBT/6 16IGBT/V5I

47、1IGBT/3-LIGBT4IGBT1图2-1变频器调速系统的原理接线图变频器原理是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率 的电能控制装置。交一直一交变频器那么是先把交流电经整流器先整流成直流电， 直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波， 再经过逆变器把这个直流电流变 成频率和电压都可变的交流电。交一直一交变频器乂可以分为电压型和电流型两种，由丁控制方法和硬件设计等各种因素，电压型逆变器应用比拟广泛。传统的电流型交直交变频器采用自 然换流的晶闸管作为功率开关，其直流侧电感比拟昂贵，而且应用丁双馈调速中， 在过同步速时需要换流电路，在低转差频率的条件下性能也比拟差，在双馈异步 风

48、力发电中应用的不多。采用电压型交直交变频器这种整流变频装置具有结构简 单、谐波含量少、定转子功率因数可调等优异特点， 可以明显地改善双馈发电机 的运行状态和输出电能质量，并且该结构通过直流母线侧电容完全实现了网侧和 转子侧的别离。变频器的整流局部通常采用三相 6脉动桥式整流电路，因此，交流供电侧电 流中所包含的谐波主要是6k1k为正整数次谐波，这些谐波电流注入电网后将 对电网的电能质量产生不利影响。 在变频器的逆变侧，通过控制装置产生6组脉 宽可调的PWM波控制三相的6组功率元件的导通和关断，从而形成电压、频率 可调的三相输出电压。2.1 系统的构成交直交变频调速系统的根本构成如原理图 2-1

49、所示，它由整流、滤波、逆变 等局部组成。交流电源经整流、滤波、逆变后变成直流电源，再通过逆变器的有 规那么的导通和截止使之输出频率可变的电源。其主回路主要有三局部构成：将工频电源变换为直流电源的“整流器；吸收由整流器和逆变器回路产生的电压脉 动的“滤波回路，也是储能回路；将直流功率变换为交流功率的“逆变器。(1) 整流器近来大量使用的就是二极管整流器， 它把工频电源变换为直流电源，电功率 的传送是不可逆的。滤波回路在整流器整流后的直流电压中， 含有六倍电源频率的脉动电压，此外，逆变 器回路产生的脉动电流也使直流电压波动。为了抑制这些电压波动，采用直流电抗器和电容器吸收脉动电压(电流)。装置容量

50、较小时，如果电源输出阻抗和整 流器容量足够时，可以省去直流电抗器而采用简单的阻容滤波回路。(3)逆变器同整流器相反，逆变器的作用是在所确定的时间里有规那么地使六个功率开关 器件导通、关断，从而将直流功率变换为所需电压和频率的交流输出功率。2.2 交直交变频的根本工作特性调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。调速范围较大，精度高。起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。易于实现过程自动化。必须有专用的变频电源，目前造价较高。在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。2.3 交直交变频调速的优越性交流电动机的调速方法有三种

51、：变极调速、改变转差率调速和变频调速。其中，变频 调速最具优势。这里仅就交流变频调速系统与直流调速系统做一比拟。在直流调速系统中， 由于直流电动机具有电刷和整流子，因而必须对其进行检查， 电机安装环境受到限制。 例如：不能在有易爆气体及尘埃多的场合使用。此外，也限制了电机向高转速、大容量开展。而交流电机就不存在这些问题，主要表现为以下几点：第一，直流电机的单机容量一般为12 - 14MW，还常制成双电枢形式， 而交流电机单机容量却可以数倍于它。第二，直流电机由于受换向限制， 其电枢电压最高只能做到一千多伏， 而交流电机可做到 6 - 10kV。第三，直流电机受换向器局部机械强度的约束，其额定转

52、速随 电机额定功率而减小，一般仅为每分钟数百转到一千多转，而交流电机的到达每分钟数千转。 第四，直流电机的体积、重量、价格要比同等容量的交流电机大。最后，特别要指出的是交 流调速系统在节约能源方面有着很大的优势。一方面，交流拖动的负荷在总用电量中占一半或一半以上的比重， 这类负荷实现节能， 可以获得十分可观的节电效益。另一方面，交流拖 动本身存在可以挖掘的节电潜力。在交流调速系统中， 选用电机时往往留有一定余量，电机又不总是在最大负荷情况下运行；如果利用变频调速技术，轻载时，通过对电机转速进行控制，就能到达节电的目的。工业上大量使用风机、水泵、压缩机等，其用电量约占工业用电 量的50%;如果采

53、用变频调速技术，既可大大提高其效率，又可减少10%的电能消耗。2.4 交直交变频调速合理应用交流变频调速技术在工业兴旺国已得到广泛应用。美国有60% - 65%的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了变频调速技术，仅工业传动用电就节约了15% - 20%的电量。采用变频调速，一是根据要求调速用，二是节能。它主要基于下面几个因素：(1) 变频调速系统自身损耗小，工作效率高。(2) 电机总是保持在低转差率运行状态，减小转子损耗。(3) 可实现软启、制动功能，减小启动电流冲击。在采用变频调速时，需从工艺要求、节约效益、投资回收期等各方面考虑。如果仅从工艺要求、节约效益考虑，下面几种情况选用变频调速较有

54、利：(1) 根据工艺要求，生产线或单台设备需要按程序或按要求调整电机速度的。如：包装机传送系统，根据不同品种的产品， 需要改变系统传送速度，使用变频调速可使调速控制系统结构简单，控制准确，并易于实现程序控制。(2) 用变频调速代替机械变速。如：机床，不仅可以省去复杂的齿轮变速箱，还能 提高精度、满足程序控制要求。(3) 用变频调速代替用闸门或挡板调整流量适于风机、水泵、压缩机等。例如：锅炉上水泵、鼓风机、引风机实行了变频调速控制，不仅省去了伺服放大器、电动操作器、电 动执行器和给水阀门或挡风板，而且使得整个锅炉锅炉控制系统得到了快速的动态响应、 高的控制精度和稳定性。2.5 变频器容虽确实定变

55、频调速是通过变频器来实现的，对于变频器的容量确定至关重要。合理的容量选择本身就是一种节能降耗措施。根据现有资料和经验，比拟简便的方法有三种：1电机实际功率确定发首先测定电机的实际功率，以此来选用变频器的容量。2公式法设平安系数取1.05,那么变频器的容量 pb为Pb =1.05Pm/hm *cosy(kw)(2-1 )式中，Pm为电机负载；hm为电机功率。计算出Pb后，按变频器产品目录可选出具体规格。、为第n台电动机的额定电流，n为电机的台数。在任何情况下，都不能在连续使用时超过额定电流I,当一台变频器用于多台电机时，应满足 电机额定电流法变频器 变频器容量选定过程，实际上是一个变频器与电 机

56、的最正确匹配过程，最常见、也较平安的是使变频器的容量大于或等于电机的额定功率，但实际匹配中要考虑电机的实际功率与额定功率相差多少，通常都是设备所选能力偏大，而实际需要的能力小，因此按电机的实际功率选择变频器是合理的，防止选用的变频器过大，使投资增大。虽然变频调速有诸多优点， 但也有其不利因素， 主要问题是电流中含高次谐波较多，除对电网有污染外，也使电机自身增加损耗，引起电机发热。再有，变频器价格贵、投资回收 器长、技术复杂、尤其在实现闭环自动控制时，还需进行技术处理。此外，不是任何情况下变频器都节电，如果电机负载变化不大，或深井泵配有水塔，节 电、节水效果都不大，就不宜使用变频调速。2.6 熟

57、悉Matlab的原理及应用及Simulink仿真Matlab Matrix Laboratory的缩写是Mathworks公司开发的一种集计算、图形可视化和 编辑功能于一体的功能强大、操作简便、易于扩充的语言，是目前国际上公认的优秀的数学 应用软件之一。Matlab系统的强大功能是由其核心内容语言系统、开发环境、图形系统、数学函数 库、应用程序接口等和辅助工具箱符号计算、图象处理、优化、统计和控制等工具箱 两大局部构成。Simulink是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它可以处理的系统 包括：线性、非线性系统；离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散事件系统。在Simulin

58、k提供的图形用户界面 GUI上，只要进行鼠标的简单拖拉操作就可构造出复 杂的仿真模型。它外表以方块图形式呈现，且采用分层结构。从建模角度讲，这既适于自上而下Top-down的设计流程概念、功能、系统、子系统、直至器件，又适于自下而上Bottum-up 逆程设计。从分析研究角度讲，这种Simulink模型不仅能让用户知道具体环节的动态细节，而且能让用户清晰地了解各器件、各子系统、各系统间的信息交换，掌握各局部之间的交互影响。在Simulink环境中，用户将观察到现实世界中摩擦、风阻、齿隙、饱和、死区等非线性 因素和各种随机因素对系统行为的影响。在Simulink环境中，用户可以在仿真进程中改变感

59、兴趣的参数，实时地观察系统行为的变化。Simulink环境使用户摆脱了深奥数学推演的压力和烦琐编程的困扰。3工作原理研究及仿真实验3.1 设计方案在此次设计中是交直交变频调速系统的仿真研究，主要是通过一个具体的交直交变频方案或者自己搭建一个交直交变频的方案来研究交直交变频的根本原理、工作特性、各局部的根本作用及变频调速系统产生的谐波对负载运行的影响。对交直交变频调速系统进行仿真研究需要从几个模块分别进行研究，例如有降压模块、 整流模块、逆变模块、负载模块及测量模块几个局部。其主回路主要有三局部构成：将工频 电源变换为直流电源的“整流器；吸收由整流器和逆变器回路产生的电压脉动的“滤波回 路，也是

60、储能回路；将直流功率变换为交流功率的“逆变器。之后利用 Matlab/Simulink搭建模型对其输出的波形进行仿真研究，并进行谐波分析，并分析输出谐波对交流电机负载运行的影响。对交直交变频器的根本原理和根本组成局部进行研究。然后选定适宜的电压源， 再进行降压，然后通过对整流器的分析研究选定适宜的整流方案并进行研究分析，通过对逆变器的研究和分析选定适宜的逆变器并选定适宜的逆变器搭建方案。其中这些局部的研究要根据负载模块的相关要求来确定，例如：负载的电压、频率等的要求。接下来要对交直交变频调速系统的根本特性进行研究，并与其他的调速方法作比拟说明其优越性，确定其根本的参数。并在前面的理论根底上熟悉

61、和学会在Matlab / Simulink中搭建模型的方法。为后面成功搭建交直交变频调速系统的模型和仿真作准备。在前面的根底上搭建交直交变频调速系统的仿真模型，并对其中的参数进行设置进行仿真，对整流后的波形，逆变后的波形进行结果分析。3.2 整流器的工作原理研究及实验3.2.1整流器的根本工作原理在电容滤波器的三相不可控整流电路中，最常用的就是三相桥式结构。考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路原理图如下列图所示：id:?ivp avid 2NDTlaiciR0UdTfliVD 冗VD M图3-1 (a)考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路Ud图3-1 (b)考虑电感时电容滤波的波形该电路中，当

62、某一对二极管导通时，输出直流电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载供电，按 指数规律下降。设二极管在距线电压过零点6角处开始导通，并以二极管 VD6和VD1开始同时导通的时刻为时间零点，那么线电压为u ab =、6U 2 sin(、)(3-1 )而相电压为Ua=% 2U 2 sin( t c -)(3-2)在cot=0时，二极管VD6和VDi开始同时导通，直流侧电压等于Uab ;下一次同时导通的一对管子是VDi和VD2,直流侧电压等于 Uac。这两段导通过程之间的交替有两种情况，一种是在VDi和VD2同时导通之前 VDi和VD6是关断的，交流侧向直流侧的充电电流id是断续的，另一种是 VD一直导通，交替时由 VD6导通换相至VD2导通，id是连续的。介于者之间的临界情况是，VD6和VD1同时导通的阶段与 VD1和VD2同时导通的阶段在st +5 =2兀/3处恰好衔接了起来，id恰好连续。由“电压下降速度相等的原那么，可以确定临界条件。假设在 由t + 8 =2兀/3的时刻“速度相等恰好发生，贝U有d、,6U2sin( t、)d( t)wt3