矢量控制交流变频调速系统设计_毕业设计论文Word格式.doc
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武汉工程大学毕业设计
目录
摘要 II
Abstract III
第一章绪论 1
1.1变频调速技术的发展 1
1.2变频调速系统的类型及其主电路结构 2
1.3变频调速系统的控制方法 6
1.4设计任务与要求 8
第二章系统主电路设计 9
2.1主电路结构设计 9
2.2主电路参数计算及元器件选型分析 10
第三章三相异步电动机的矢量控制数学模型 15
3.1异步电动机在三相坐标系上的数学模型和性质 15
3.2坐标变换 20
3.3异步电动机在两相dq同步旋转坐标系上的数学模型 23
3.4按转子磁链（磁通）定向的数学模型 25
第四章异步电动机的矢量控制策略 27
4.1矢量控制的基本思想 27
4.2按转子磁场定向的矢量控制方法的实现 28
第五章系统仿真建模与分析 33
5.1MATLAB/SIMULINK简介 33
5.2仿真模型的建立 33
5.3系统仿真分析 36
总结与展望 39
致谢 41
参考文献 43
I
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摘要
变频调速是交流电动机各种调速方式中效率最高、性能最好的调速方法,在整个交流调速中占有重要的地位。
采用MATLAB软件包中的SIMULINK对基于数学模型基础上的电气传动控制系统进行仿真建模，具有建模简便、结构直观、操作灵活等优点，并且仿真结果具有较高的精度。
本文介绍了现代交流调速系统的发展概况、小容量矢量控制的变频调速系统的主电路设计方法、三相异步电动机在三相坐标系和两相坐标系下的动态数学模型及其矢量控制方法。
并在此基础上应用MATLAB/SIMULINK仿真工具建立了按转子磁场定向的异步电动机矢量控制变频调速系统的仿真模型，并对其性能进行了仿真分析。
仿真结果证明了所设计的系统主电路及其控制算法的可行性和有效性。
关键词：
MATLAB/SIMULINK；
矢量控制；
异步电动机；
仿真
II
Abstract
Variable-frequencyspeedregulationisthemostefficientwayandthebestperformanceandplaysanimportantroleinthewholemotorspeedcontrol.TheelectrictransmissioncontrolsystemsimulationmodelsarebasedonmathematicalmodelsusedtheSIMULINKwhichbelongstotheMATLABsoftwarepackagetosimulate,itprovideswithmodelingasimple,intuitivestructure,operationalflexibilityandotheradvantages,andthesimulationresultswithhighaccuracy.
ThisarticledescribesthedevelopmentofmodernACdrivesystemoverview,small-capacityvectorcontrolinvertermaincircuitsystemdesign,three-phasethree-phaseasynchronousmotorinthecoordinatesystemandthetwo-phasecoordinatesystemdynamicmathematicalmodelanditsvectorcontrolmethods.AndonthisbasistheapplicationofMATLAB/SIMULINKsimulationtoolcreatedbytherotorfieldorientedvectorcontrolofinductionmotorvariablespeedsystemsimulationmodel,anditsperformanceissimulated.Simulationresultsshowthatthedesignedsystemmaincircuitandcontrolmethodisfeasibleandeffective.
Keywords:
MATLAB/SIMULINK；
Vectorcontrol；
Asynchronousmotor；
Simulation
III
第一章绪论
1.1变频调速技术的发展
电动机作为主要的动力设备被广泛应用于工农业生产、国防、科技、日常生活等各个方面，其负荷约占总发电量的60％-70％，成为用电量最多的电气设备。
根据采用的电流制式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类，其中交流电动机形式多样、用途各异、拥有量最多，交流电动机又分为同步电动机和异步（感应）电动机两大类。
根据统计，交流电动机用电量占电机总用电量的85％左右，可见交流电动机应用的广泛性及其在国民经济中的重要地位[1]。
现代变频技术是交流电动机控制技术的核心,而变频技术的核心是功率变换器件和微电子控制技术。
电力电子和微电子技术的发展,推动了变频技术的发展,反过来变频技术的发展又对电力电子变换器件提出了新的要求。
20世纪是电力电子变频技术从诞生到发展的一个全盛时代。
20世纪30年代应用机械旋转式变频机组,将工频电源变换成低于工频以下的电源,功率变换器件是原动机发电机组,存在效率低、损耗大、噪声大、体积大等问题。
60年代SCR（晶闸管）问世,70年代晶闸管变频器开始逐步取代变频机组,进入了电力电子变频技术时代,使变频技术有了新的发展。
但是，由于晶闸管换向是靠外界电源直接控制关断,因此需要复杂的换向电路和电压,且电流保护回路控制复杂,开关频率低,目前主要用于交交变频器。
80年代GTR（自关断器件大功率双极性晶闸管）的问世,出现了高性能GTR变频器,其性能大大优于晶闸管变频器,很快就在工业领域得到广泛应用,并盛行一时。
然而，由于GTR、GTO（可关断晶闸管）为电流控制器件,存在驱动功率大、开关频率低、并联困难等问题,难以实现大容量化及高频低损耗。
用户的高频化要求推动了功率器件栅极的MOS化,90年代MOS场效应型IGBT（绝缘栅极晶闸管InsulatedGateBipolarTransistor）广泛用作变频器的功率变换器件。
因为IGBT具有开关频率高、并联容易、易实现高压大容量化、控制方便的特点,所以一登场就体现了强大的生命力,很快取代了GTR,其应用从通用变频器（INV）、不间断电源（UPS）、伺服（SV）、机器人,以至扩大到家用电器、办公自动化、医疗器械、太阳能发电等众多领域。
IGBT变频器己成为当代变频调速技术的主流,而且在相当长的一段时间内仍将是电气传动领域的主导变频器。
同时,IGBT智能化模块（IGBT一IPM）及智能化变频器将会有很大的发展。
功率器件及变频器的智能化是将功率变换、驱动、检测、控制、保护等功能集成化,实现高效节能、功能全面、高附加值化。
而且，不断研制出各种新型电力电子器件IGCT（集成门极强驱动晶闸管IntegratedGateCommutatedThyristor）、MCT（MOS控制晶闸管MOSControlledThyristor）、IEGT（集成发射式门极晶闸管IntegratedEmitGateThyristor）、GaAs（砷化镓）、SIC（碳化硅复合器件）、SITH（静电感应晶闸管StaticInductThyristor）、光控IGBT及超导功率器件等新功能功率变换器[2]。
在国民经济建设和国防科技事业的进程当中，交流调速的应用极为广泛和重要。
20世纪60年代以后，由于生产发展的需要和节省电能的要求，促使世界各国重视交流调速技术的研究与开发。
尤其是20世纪70年代以后，由于科学技术的迅速发展为交流调速的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础。
随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，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己成为必然的发展趋势。
交流电机变频调速技术是当今节能、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，以及其它许多优点而成为目前广泛应用的最有发展前途的调速方式[3]。
1.2变频调速系统的类型及其主电路结构
变频器最早的形式是用旋转发电机组作为可变频率电源，供给交流电动机。
随着电力半导体器件的发展，静止式的变频电源成为了变频器的主要形式。
静止式变频器从变换环节分为两大类：
交-直-交变频器和交-交变频器。
1.交-交型变频器：
它的功能是把一种频率的交流电直接变换成另一种频率可调电压的交流电（转换前后的相数相同），又称直接式变频器。
由于中间不经过直流环节，不需换流，故效率很高。
因而多用于低速大功率系统中，如回转窑、轧钢机等。
但这种控制方式决定了最高输出频率只能达到电源频率的1/3～1/2,所以不能高速运行。
2.交-直-交型变频器：
交-直-交变频器是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再直流变换成频率电压可调的交流，又称间接变频器，交-直-交变频器是目前广泛应用的通用变频器。
它根据直流部分电流、电压的不同形式，又可分为电压型和电流型两种：
（1）电流型变频器
电流型变频器的特点是中间直流环节采用大电感器作为储能环节来缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压波形接近正弦波，由于该直流环节内阻较大，故称电流源型变频器。
（2）电压型变频器
电压型变频器的特点是中间直流环节的储能元件采用大电容器作为储能环节来缓冲无功功率，直流环节电压比较平稳，直流环节内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器。
由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率，因此其主要优点是运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响，它主要适用于中、小容量的交流传动系统。
与之相比，电流型变频器施加于负载上的电流值稳定不变，其特性类似于电流源，它主要应用在大容量的电机传动系统以及大容量风机、泵类节能调速中[4]。
目前，按电压等级来分，又可将变频器分为低压变频器和中、高压变频器。
低压变频器是指输出电压≤500V的变频器。
所有国内外品牌的低压变频器,其主电路均为电压源型的交-直-交结构,形式上几乎都是两电平6脉冲,用IGBT作逆变开关,电路如图1.1所示。
它具有运行稳定、调速范围宽、输出波形好、输入电流谐波含量低、功率因数高、效率高、电路简单的特点,因而应用十分广泛。
使用时应该明确:
当电动机的功率≤200kW时,380～500V的低压电源可以直接进入主电路的整流环节；
当电动机的功率>
200kW时,为减少输电线路上的损耗
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