基于Matlab环境下逆变器-交流电动机变频调速系统的建模与仿真(毕业论文)Word格式.doc

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指导教师：

彭冬玲

二○一一年四月十二日

武汉科技大学中南分校2011届毕业设计（论文）

摘要

随着电力电子技术，计算机技术，自动控制技术的迅速发展，交流变频调速技术得到了迅速发展，其显著的节能效益，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，得到了广大用户的认可，在运行的安全可靠，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，研究逆变器-交流变频调速系统的基本工作原理和作用特性意义十分重大。

本文研究了逆变器-交流变频调速系统的基本组成部分，主回路主要有三部分组成：

将工频电源变换为滞留电源的“整流器”；

吸收有整流器和逆变器贿赂产生的电压脉动的“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”。

使用matlab/simulink搭建交-直-交变频调速系统的仿真模型，通过试验对该交-直-交变频调速系统的基本工作原理，工作特性几作用有更深的认识，也对谐波对于交-直-交变频调速系统的影响有了一定了解。

关键词：

逆变器，交-直-交变频，仿真

Themodelingandsimulationofinverterfrequencyspeed-sdjustingsystembasedonMATLAB/SimulinkZengqi

Abstract

Withpowerelectronictechnology,automaticcontroltechnologyrapidly.Signifcantenergyefficiencyandprecisionandbroadscopeofspeedcpntrol,perfectprotectionandeasytoimplementautomaticcommunications,allwhichhavewinthemanyusersacceptance.Therefore,studyingtheAC-DC-ACvariablefrequencysysermfortheroleofthebasicworkingprincipleandcharacteristicsofgreatsignificance.

Inthispaperwestudiedthebasiccomponentofthevariablefrequencyspeedregulationsystem.Therearethreemaincomponents:

the“rectifier”whichconverttheACpowerintoDCpower;

the“loopfilter”canabsorbedthevoltagepulsewhichtherectifierandinvertercircuirgeneratedby,itisalsoenergystoragecircuit;

the“inverter”convertstheDCpowerintotheACpower.ThenweusedtheMatlab/SimulinktobuildanAC-DC-ACFrequencyControlSystemSimulationModel.ThroughthetesroftheAC-DCFrequncycontrolsystemtopaythebasicworkingprincipleandworkingcharacteristics,wenotonlyhadadeeperunderstangdingoftherole,buthadacertaindegreeofunderstandingabouttheharmonicAD-DC-DCfrequencycontrolsystem.

Keywords:

AC-DC-DCvariablerequencysysterm,rectifier,inverter,harmonics,simulation

目录

第1章绪论 1

§

1.1交流调速技术概论 1

1.2电力电子技术在交流调速中的作用 1

1.2.1电力电子器件介绍 1

1.2.2交流技术与控制技术 1

1.2.3微机控制技术对交流调速系统的推进 2

1.3系统仿真介绍 2

第2章电力电子器件的模型仿真 3

2.1二极管仿真介绍 3

2.1.1元件符号、图标、仿真模型 3

3

2.1.2输入输出介绍 3

2.1.2参数设置 4

2.2绝缘栅双极型晶体管仿真介绍 5

2.2.1元件符号、图标、仿真模型 7

2.2.2输入输出介绍 7

2.2.2参数设置 7

第3章几种逆变电路的仿真设计 8

3.1三相桥式逆变电路的设计与仿真 8

3.1.1三相桥式逆变电路原理 8

3.1.2电阻性负载三相桥式逆变电路的设计 9

3.1.3阻感性负载三相桥式逆变电路的设计 10

10

3.2三相SPWM逆变电路的设计与仿真 12

3.2.1三相SPWM逆变电路的基本原理 12

3.2.2双极性单相SPWM逆变电路的设计与仿真 13

第4章基于MATLAB的变频调速系统的仿真设计 14

4.1变频调速系统的电路组成 14

4.2变频调速系统原理 15

4.3变频调速系统的仿真设计 15

结论 18

致谢 19

参考文献 19

19

第1章绪论

1.1交流调速技术概论

随着电机制造技术的不断进步，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。

从全球范围看，电动机的用电量平均占世界各国社会总用电量的一半以上，占工业用电量的70%左右。

因此，提高电机系统的效率，对节约电能意义十分重大。

相对与传统的直流调速等而言的的现代交流调速系统，近三十余年来，世界各国都在致力于交流电动机调速系统的研究，并不断取得突破。

到现在为止，高性能的交流拖动系统正逐步取代直流拖动系统，交流伺服系统也正占据越来越大的市场份额。

交流调速的发展可具体归纳为三个方面：

首先，转差频率控制、矢量变换控制和直接转矩控制等新的交流调速理论的诞生，使交流调速有了新的理论基础；

其次，GTR、MOSFET、IGBT等为代表的新一代大功率电力电子器件的出现，其开关频率、功率容量都有很大的提高，为交流调速装置奠定了物质基础；

再者，微处理器的飞速发展，使交流调速系统许多复杂的控制算法和控制方式能得以实现。

其代表就是变频调速。

1.2电力电子技术在交流调速中的作用

随着电力电子技术，计算机技术，自动控制技术的是、迅速发展，交流调速技术得到了迅速发展，而交流变频调速技术和性能胜过其他任何一种调速方式（如：

降压调速，变极调速，滑差调速，内反馈串级调速和液力耦合调速）

1.2.1电力电子器件介绍

可以分为半控型器件、全控型器件和不可控型器件，其中晶闸管为半控型器件，承受电压和电流容量在所有器件中最高；

电力二极管为不可控器件，结构和原理简单，工作可靠；

还可以分为电压驱动型器件和电流驱动型器件，其中GTO、GTR为电流驱动型器件，IGBT、电力MOSFET为电压驱动型器件。

1.2.2交流技术与控制技术

现在变频调速器基本系用16位、32位单片机或DSP为控制核心，从而实现全数字化控制。

变频器是输出电压和频率可调的调速装置。

提供控制信号的回路称为主控制电路，控制电路由以下电路构成:

频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”。

运算电路的控制信号送至“驱动电路”以及逆变器和电动机的“保护电路。

变频器采取的控制方式，即速度控制、转拒控制、PID或其它方式

1.2.3微机控制技术对交流调速系统的推进

数字化使得控制器对信息的处理能力大幅度提高，许多难以实现的复杂控制，采用微机控制器后便都解决了。

高性能的矢量控制系统，如果没有微机的支持是不可能真正实现的。

此外，微机控制技术给交流调速系统增加了多方面的功能，特别是故障诊断技术得到了完全的实现。

微机控制技术及大规模集成电路的应用提高了交流调速系统的可靠性，操作、设置的多样性和灵活性，降低了变频调速装置的成本和体积。

以微处理器为核心的数字控制已成为现代交流调速系统的主要特征之一，用于交流调速系统。

1.3系统仿真介绍

所谓系统仿真（systemsimulation），就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。

MATLAB集中了日常数学处理中的各种功能,包括高效的数值计算、矩阵运算、信号处理和图形生成等功能。

SIMULINK是MATLAB提供的一个图形化的建模仿真工具,它支持连续、离散或两者混合的线性和非线性系统,提供了各种各样的模块,允许用户用框图的形式搭建起任意复杂的系统,从而对其进行准确的仿真,其建模与一般程序建模相比更为直观,操作也更为简单，它能够直观、快速地分析系统的动态性能、和稳态性能.并且能够灵活的改变系统的结构和参数,通过快速、直观的仿真达到系统的优化设计。

第2章电力电子器件的模型仿真

2.1二极管仿真介绍

2.1.1元件符号、图标、仿真模型

图2-1

2.1.2输入输出介绍

功率半导体器件的不断进步，尤其是新型可关断器件，如BIT（双极型晶体管），MOSFET（金属氧化硅场效应管），IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的实用化，使得开关高频话得PWM技术成为可能。

目前功率半导体器件正向高压，大功率，高频化，集成化和智能化方向发展。

典型的电力电子变频装置有电压型交-直-交变频器，电流型交-直-交变频器和交-交变频器三种。

2.1.2参数设置

图2-2仿真的参数设置图2-3IGBT的参数设置

图2-4RLC模块参数设置

2.2绝缘栅双极型晶体管仿真介绍

绝缘栅双极型晶体管（简称IGBT）等全控型电力电子器件是电能变换装置的核心部件。

IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。

由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS（on）数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。

虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS（on）特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT技术高出很多。

它的特点就是把MOS栅极控制的优点和双极型晶体管的大电流长处综合起来了。

因此，它是电压控制器件，不需要输入电流，驱动方便；

双极型晶体管工作使得它具有较小的导通电压，损耗低。

较低的压降，转换成一个低VCE（sat）的能力，以及IGBT的结构，同一个标准