基于MATLAB交流电机变频调速系统仿真.doc

基于MATLAB交流电机变频调速系统仿真.doc

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摘要

异步电动机采用变频调速技术，具有调速范围广，调速时因转差功率不变而无附加能量损失的优点，因此，变频调速是一种性能优良的高效调速方式。

本文以MATLAB为仿真工具，介绍了Simulink中的仿真模块，研究了交流电机变频调速系统，分析了变频器的构成和工作原理，并据此对逆变电路进行了仿真设计。

首先对调速系统仿真所需要的各种电力系统模块做了简要的介绍，说明了逆变器的工作原理，在此基础上用MATLAB/Simulink软件分别对各种电路模块进行了仿真设计，进而设计出了实际中广泛应用的交-直-交变频器的仿真模型，实现了对交流电机变频调速系统的仿真研究，在此基础上建立电机模型，进行矢量控制设计，以带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制的方法对异步电动机变频调速系统进行建模和仿真，并对仿真结果进行了分析,由仿真结果可以看出系统转速的动态响应快，稳态跟踪精度高，表明此建模方法是可行和有效的。

关键词：

MATLAB/Simulink变频调速逆变器仿真

ABSTRACT

Withtheapplicationoffrequencyandspeedconversiontechnologytosynchronousmotor,itsspeedcanbewide-rangedadjusted.Whenitcomestoadjustingspeed,becauseofslippowerunchanged,thereisnoadditionalenergylost.Thusitmakesthistechnologyahigh-equalityandefficientwaytoexchangethespeed.

Thisthesis,aimingatMATLABassimulationtool,introducesSimulinksimulationmoduleandtheACmotorspeedcontrolsystemasthesubjectoftheresearchandanalyzesthestructureoftheinverterandhowitworks.Onthisbasis,avarietyofinvertercircuitsimulationdesignsareconducted.Firstofall,thisthesismakesabriefintroductionaboutpowersystemmodulepowerwhichneedspowerelectronicsimulation,theworkingprincipleoftheinverterincluded.Basedonthetheoryabove,thenMATLAB/Simulinksoftwareareusedinthesimulationdesignsaboutdifferentkindsofcircuitmodules.Moreoverthedesignsofthesimulationmodelofwidely-usedcross-DC-ACinverterareconductedtoachievethegoalofthesimulationstudyofACmotorspeedcontrolsystem,carriesthemodellingandthesimulationonasynchronousmotoradjusting-speedsystembasedonvectorcontrolwithtorqueinnerrimandfluxlinkageofclosedloop，givesoutthesimulationandmakesanalysetoit．Thesimulationresultofthemodelshowsthespeedofdynamicresponseandtheaccuracyofsteady-statetracking，alsoconfirmesthatthemodellingisfeasibleandeffective．

Keywords：

MATLAB/SimulinkFrequencyControlInverterSimulation

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绪论

随着社会的发展，能源需求快速增长，如何有效地节能也成为了一个亟待解决的问题。

变频调速技术除了可以改善生产工艺等优越性外，其最大的特点就是节能。

近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，各种大功率半导体器件的相继出现，促使交流调速技术飞跃进步，变频调速已成为发展趋势。

早期的交流电动机调速方法，如采用绕线式异步电动机转子串电阻调速、笼型异步电动机变极调速，在定子绕组串电抗器调速等都存在效率低，不经济等缺点。

交流变频调速的优越性早在上世纪20年代就已被人们认识，但受到元器件的限制，当时只能用闸流管构成逆变器，由于技资大，效率低，体积大而未能推广。

20世纪50年代中期，晶闸管的研制成功，开创了电力电子技术发展的新时代。

由于晶闸管具有体积小、重量轻、响应快、管压低等一系列优点，交流电动机调速技术有了飞跃发展，出现了交流异步电动机调压调速、串级调速等系统。

20世纪70年代发展起来的变频调速，比上述两种调速方式效率更高，性能更好，在过去的几十年里变频调速技术发展非常快，从主回路拓扑结构、功率开关器件及驱动到数字信号处理器、控制策略均获得长足的进步；控制对象从异步电机到无刷直流、正弦同步电机、磁阻同步电机到伺服同步电机，变频调速技术的控制性能不断提升，在工业自动化领域起着越来越重要的作用，已渗透到国民经济的各个角落。

能源的有效利用关系到国家经济的可持续性发展，具有非常重要的战略意义。

中国经济目前处在高速增长的阶段，对能源的需求量非常大;但另一方面，能源利用率很低。

根据有关调查研究，我国2003年的电能消耗中，60~70%为动力电；而在总容量高达5.8亿kw的电动机总容量中，却只有不到2000万kw的电动机是采用变频调速控制的。

国家目前大力提倡推广变频调速技术，改造现有落后设备，提高生产、加工过程的效率，降低能源消耗；在过去的几年内中国变频器的市场保持着12％~15％的增长率，这个速度已经远远超过了近几年的gdp增长水平，而且至少在未来的5年内保持着10％以上的增长率。

是与PLC、组态以及控制方法结合产身的效果研究及应用，变频技术必将会随着其他软硬件和控制技术的发展带来更功能和更加广阔前景。

1交流调速技术发展概况

电气传动可分为调速和不调速两大类。

按照电动机的类型不同，电气传动又分为直流和交流传动两大类。

直流电气传动和交流电气传动在19世纪就已诞生，但当时的电气传动系统是不调速系统。

由于直流电动机具有良好的起、制动性能，适宜在大范围内平滑调速，所以它在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用，但与此同时，由于直流电机换向困难，还会产生火花，寿命短，要经常维护，价格昂贵等缺点，结构简单、维护方便、运行可靠、价格便宜的交流电机获得人们的青睐，并对交流电机的调速技术进行了深入的研究，随着电力电子技术和控制技术的迅猛发展，高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统有逐步取代直流调速系统的趋势。

1.1电力电子器件

现代交流调速技术的发展是和电力电子技术的发展分不开的，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。

电力电子电路由电力电子器件、变流电路和控制电路组成，其中电力电子器件是基础。

最初的电力电子技术是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。

后来，随着科学技术的发展，电力电子技术又与现代控制理论、材料力学、电机工程、计算机科学等许多领域密切相关。

目前，电力电子技术成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。

20世纪50年代，电力电子器件主要是汞弧闸流管和大功率电子管。

60年代发展起来的晶闸管，因其工作可靠、寿命长、体积小、开关速度快，而在电力电子电路中得到广泛应用。

70年代初期，已逐步取代了汞弧闸流管。

80年代，普通晶闸管的开关电流已达数千安，能承受的正、反向工作电压达数千伏。

在此基础上，为适应电力电子技术发展的需要，又开发出门极可关断晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管等一系列派生器件，以及单极型MOS功率场效应晶体管、双极型功率晶体管、静电感应晶闸管、功能组合模块和功率集成电路等新型电力电子器件。

目前，电力电子器件正在向大功率化、高频化、小体积、集成化、智能化、低损耗、易触发、好保护等方向发展。

1.2变流技术

电力电子电路以电力电子器件为核心，通过不同的电路拓扑结构和控制方式来实现对电能的变换和控制。

电力变换通常可分为四大类，即交流变直流（AC-DC）、直流变交流（DC-AC）、直流变直流（DC-DC）和交流变交流（AC-AC），变流电路的基本转换形式如图1-1所示。

～

—

～

—

整流（AC-DC）

逆变（DC-AC）

斩波（DC-DC）

交交变频（AC-AC）

图1-1变流电路的基本转换形式

在实际生活中的交流调速系统里，应用最广泛的是交-直-交变频器，它是由AC-DC、DC-AC两类基本的变流电路组合而成，先将交流电整流为直流电，再将直流电逆变为交流电，因此这类电路又称为间接交流变流电路。

目前最常用的、发展最快的变频器是脉宽调制（PWM）型变频器。

1.3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、转差频率控制、矢量控制的发展,前者属于开环控制,后两者属于闭环控制,正在发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不足现象，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

由电机基础知识知,异步电动机转矩与气隙磁通、转差频率的关系为：

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。

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.矢量控制

矢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于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。

矢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，它适用于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发展的调速方式，它无需像矢量控制那样进行复杂的矢量变换运算，直接由定子空间矢量分析三相电动机的数学模型，并决定其控制量.DTC能够用开环方式对转速和转矩进行控制，简化了控制结构，但不可避免地产生转矩脉动，影响低速性能，调速范围受到限制。

1.4MA