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.docx

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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

本科毕业设计（论文）

题　目：

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

学　　院：

信息工程学院

专　　业：

自动化0702

学　　号：

学生姓名：

指导教师：

二○一一年四月十二日

摘要

随着电力技术，运算机技术，自动操纵技术的迅速进展，交流变频调速技术取得了迅速进展，其显著的节能效益，宽泛的调速范围，完善的爱惜功能，和易于实现的自动通信功能，取得了广大用户的认可，在运行的平安靠得住，安装利用，维修保护等方面，也给利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大体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大体组成部份，主回路要紧有三部份组成：

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行贿产生的电压脉动的“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”。

利用matlab/simulink搭建交-直-交变频调速系统的仿真模型，通过实验对该交-直-交变频调速系统的大体工作原理，工作特性几作用有更深的熟悉，也对谐波关于交-直-交变频调速系统的阻碍有了必然了解。

关键词：

逆变器，交-直-交变频，仿真

Themodelingandsimulationofinverterfrequencyspeed-sdjustingsystembasedonMATLAB/SimulinkZengqi

Abstract

Withpowerelectronictechnology,automaticcontroltechnologyrapidly.Signifcantenergyefficiencyandprecisionandbroadscopeofspeedcpntrol,perfectprotectionandeasytoimplementautomaticcommunications,allwhichhavewinthemanyusers,studyingtheAC-DC-ACvariablefrequencysysermfortheroleofthebasicworkingprincipleandcharacteristicsofgreatsignificance.

Inthispaperwestudiedthebasiccomponentofthevariablefrequencyspeedregulationsystem.Therearethreemaincomponents:

the“rectifier”whichconverttheACpowerintoDCpower;the“loopfilter”canabsorbedthevoltagepulsewhichtherectifierandinvertercircuirgeneratedby,itisalsoenergystoragecircuit;the“inverter”convertstheDCpowerintotheACweusedtheMatlab/SimulinktobuildanAC-DC-ACFrequencyControlSystemSimulationModel.ThroughthetesroftheAC-DCFrequncycontrolsystemtopaythebasicworkingprincipleandworkingcharacteristics,wenotonlyhadadeeperunderstangdingoftherole,buthadacertaindegreeofunderstandingabouttheharmonicAD-DC-DCfrequencycontrolsystem.

Keywords:

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

第1章绪论

§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，紧缩机，机床等各类设备的动力，已普遍应用于工业，商业，公用设施和家用电器等各个领域。

从全世界范围看，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，并非断取得冲破。

到此刻为止，高性能的交流拖动系统正慢慢取代直流拖动系统，交流伺服系统也正占据愈来愈大的市场份额。

交流调速的进展可具体归纳为三个方面：

第一，转差频率操纵、矢量变换操纵和直接转矩操纵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；第二，GTR、MOSFET、IGBT等为代表的新一代大功率电力电子器件的显现，其开关频率、功率容量都有专门大的提高，为交流调速装置奠定了物质基础；再者，微处置器的飞速进展，使交流调速系统许多复杂的操纵算法和操纵方式能得以实现。

其代表确实是变频调速。

§电力电子技术在交流调速中的作用

随着电力电子技术，运算机技术，自动操纵技术的是、迅速进展，交流调速技术取得了迅速进展，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）

§电力电子器件介绍

能够分为半控型器件、全控型器件和不可控型器件，其中晶闸管为半控型器件，经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，工作靠得住；还能够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。

§交流技术与操纵技术

此刻变频调速器大体系用16位、32位单片机或DSP为操纵核心，从而实现全数字化操纵。

变频器是输出电压和频率可调的调速装置。

提供操纵信号的回路称为主操纵电路，操纵电路由以下电路组成:

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”。

运算电路的操纵信号送至“驱动电路”和逆变器和电动机的“爱惜电路。

变频器采取的操纵方式，即速度操纵、转拒操纵、PID或其它方式

§微机操纵技术对交流调速系统的推动

数字化使得操纵器对信息的处置能力大幅度提高，许多难以实现的复杂操纵，采纳微机操纵器后便都解决了。

高性能的矢量操纵系统，若是没有微机的支持是不可能真正实现的。

另外，微机操纵技术给交流调速系统增加了多方面的功能，专门是故障诊断技术取得了完全的实现。

微机操纵技术及大规模集成电路的应用提高了交流调速系统的靠得住性，操作、设置的多样性和灵活性，降低了变频调速装置的本钱和体积。

以微处置器为核心的数字操纵已成为现代交流调速系统的要紧特点之一，用于交流调速系统。

§系统仿真介绍

所谓系统仿真（systemsimulation），确实是依照系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其彼此关系的基础上，成立能描述系统结构或行为进程的、且具有必然逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行实验或定量分析，以取得正确决策所需的各类信息。

MATLAB集中了日常数学处置中的各类功能,包括高效的数值计算、矩阵运算、信号处置和图形生成等功能。

SIMULINK是MATLAB提供的一个图形化的建仿照真工具,它支持持续、离散或二者混合的线性和非线性系统,提供了各类各样的模块,许诺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,其建模与一样程序建模相较更为直观,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.而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

§二极管仿真介绍

§元件符号、图标、仿真模型

图2-1

§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）的有效化，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进展。

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。

§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

§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，而那个通道却具有很高的电阻率，因此造成功率MOSFET具有RDS（on）数值高的特点，IGBT排除现有功率MOSFET的这些要紧缺点。

尽管最新一代功率MOSFET器件大幅度改良了RDS（on）特性，可是在高电平常，功率导通损耗仍然要比IGBT技术高出很多。

它的特点确实是把MOS栅极操纵的优势和双极型晶体管的大电流优势综合起来了。

因此，它是电压操纵器件，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，和IGBT的结构，同一个标准双极器件相较，可支持更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。

图2-4

§元件符号、图标、仿真模型

实现电能变换和操纵的电子器件类型，操纵器件有哪些：

如门极可关断晶闸管、电力场效应晶闸管、绝缘栅双极型晶体管等等。

仿真要紧用到的是Simulink/simpowerSystems模块，

如connectors导线，

electricalsourses直流交流电源，

elements电阻电感电容元件，

machines各类电机，

Measurements电压电流测量，

PowerElectronics各类晶体管（那个地址用到IGBT）

§输入输出介绍

§参数设置

三相异步电动机的技术参数：

额定功率KW，额定工作频率50HZ，额定电压380V，定子电阻欧，定子自感,转子电阻欧，转子自感,定转子互感,极对数2，定子绕组为星形接法。

第3章几种逆变电路的仿真设计

利用晶闸管电路把直流电转变成交流电,这种对应于整流的逆向进程,概念为逆变。

例如:

应用晶闸管的电力机车,当下坡时使直流电动机作为发电机制动运行,机车的位能转变成电能,反送到交流电网中去。

又如运转着的直流电动机,要使它迅速制动,也可让电动机作发电机运行,把电动机的动能转变成电能,反送到电网中去。

 把直流电逆变成交流电的电路称为逆变电路。

在特定场合下,同一套晶闸管变流电路既可作整流,又能作逆变。

 变流器工作在逆变状态时,如果把变流器的交流侧接到交流电源上,把直流电逆变为同频率的交流电反送到电网去,叫有源逆变。

如果变流器的交流侧不与电网联接,而直接接到负载,即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载,则叫无源逆变。

交流变频调速就是利用这一原理工作的。

有源逆变除用于直流可逆调速系统外,还用于交流饶线转子异步电动机的串级调速和高压直流输电等方面。

§三相桥式逆变电路的设计与仿真

通过对负载别离为三相电阻性负载，三相阻感性负载逆变电路的设计，灵活运用matlab，simulink的相关知识，把握三相逆变电路的工作原理和如何通过仿真技术实现三相逆变电路，为实现变频调速系统奠定基础。

§三相桥式逆变电路原理

图3-5逆变电路大体工作原理

§电阻性负载三相桥式逆变电路的设计

1.电阻性负载三相桥式逆变电路的模型，

图3-6电阻性负载三相桥式逆变电路

图3-7电阻性脉冲波形图

图3-8电阻性电压电流波形图

§阻感性负载三相桥式逆变电路的设计

图3-9三相阻感式仿真电路图

图3-10电感式脉冲触发波形图

图3-11电压电流波形图

§三相SPWM逆变电路的设计与仿真

§三相SPWM逆变电路的大体原理

由于期望的逆变器输出是一个正弦电压波形，能够把一个正弦半波分作N等分。

然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。

如此，由N个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形为正弦的半周等效。

一样，正弦波的负半周也可用相同的方式来等效。

这一系列脉冲波形确实是所期望的逆变器输出SPWM波形。

由于各脉冲的幅值相等，因此逆变器可由恒定的直流电源供电，也确实是说，这种交一直一交变频器中的整流器采纳不可控的二极管整流器就能够够了。

逆变器输出脉冲的幅值确实是整流器的输出电压。

当逆变器各开关器件都是在理想状态下工作时，驱动相应开关器件的信号也应为与形状相似的一系列脉冲波形，这是很容易推断出来的。

从理论上讲，这一系列脉冲波形的宽度能够严格地用计算方式求得，作为操纵逆变器中各开关器件通断的依据。

但较为有效的方法是引用通信技术中的“调制”这一概念，以所期望的波形（在那个地址是正弦波）作为调制波（ModulationWave），而受它调制的信号称为载波（CarrierWave）。

在SPWM中经常使用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波是上下宽度线性对称转变的波形，当它与任何一个滑腻的曲线相交时，在交点的时刻操纵开关器件的通断，即可取得一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲，这正是SPWM所需要的结果

图3-12三相逆变器主电路

§双极性单相SPWM逆变电路的设计与仿真

图3-13BSPWM操纵的逆变电路

第4章基于Matlab的变频调速系统的仿真设计

§变频调速系统的电路组成

图4-14交-直-交电路

图4-15整流系统子系统

§变频调速系统原理

电动机调速的节能成效交流异步电动机的输出转速由下式确信：

式中n—电动机的输出转速；

f—输入的电源频率；

s—电动机的转差率；

p—电机的极对数。

由公式（1-1）可知，电动机的输出转速输入的电源频率，转差率，电机的极对数有关，吟哦交流电动机的直接调速方式要紧有变极调速（调整p），转子串电阻调速或串极调速或反馈电机（调整s）和变频调速（调整f）等。

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操纵装置。

交-直-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滑腻吕坡，再通过逆变器把那个直流电流变成频率和电源都可变的交流电。

图4-16

§变频调速系统的仿真设计

在这次设计中是交直交变频调速系统的仿真研究，主若是通过一个具体的交直交变频方案来研究交直交变频的大体原理，工作特性，各部份的大体作用及变频调速系统产生的谐波对负载运行的阻碍。

图4-17逆变子系统

图4-18电机模块图4-19测量模块

打开仿真/参数窗口，打开菜单，simlation>configurationparameters,选择ode23tb算法（此系统里面用到了电感，电容等非线性元件。

然后我又接了电压变测量电路的输出电压。

这时，系统提示：

yourmodelcontainsnonlinearelement,togetapropersimulatingperformance,youhavetousestiffreconmmendedsolverisode23tborode15s.若是没接电压表就没有这种提示），将相对误差设置为1e-3。

，停止时刻设置为，单击工具栏中的“开始”按钮开始仿真。

仿真终止后双击示波器模块可观测被测量的波形，改变模块参数可取得随之转变的仿真波形。

图4-20电机转子、定子电流

图4-21电机转速波形

图4-22电机转矩波形

结论

本文分析了逆变器-交流变频调速系统的大体原理，工作特性。

经分析可知，一样的交直交变频调速系统要紧有两大模块组成：

整流模块和逆变模块。

通分析和仿真实验，已经完成了逆变器-交流变频调速系统的仿真，达到了预期成效。

在整个毕业设计进程中，原理的研究和模型的实验与调试最为重要，在逆变器设计中，采纳的是用igbt作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路。

在建模中其操纵方式采纳的是跟踪比较法，使实际的输出跟踪指令信号转变。

仿真中注意的问题：

有的模块之间是不能直接相连的，比如两个输入，两个输出连接，需要用一些connectors

但由于本人是第一次接触数控直流电流源的设计，在设计进程中还存在一些需要进一步改良和优化的地址，在尔后的学习中我将继续这方面的研究，争取取得更多的收成。

致谢

本文是在教师的精心指导下完成的，她使我有了专门大的进步。

第一我应当对这位悉心指点我的教师表示感激。

教师对我的本科设计倾注了大量的心血，使我在获取知识的同时，极大的提高了我的综合能力，而且在生活和教学实践方面，给了我无微不至的关切和细心指导。

同时我还要感激我的父母，尽管他们不了解我所学习的专业，可是他们一直对我有着很高的期望，他们的关切是我前进的动力。

最后我还要感激我的专业教师们和我班上的同窗们，你们伴随着我一路渡过了人一辈子中最美好的光阴，尔后或许咱们会各奔东西不能不时相见，但咱们的师生情和同窗情将地久天长。

由于本人专业知识水平有限，还要请列位教师指点。

我会继续尽力，朝着更高的目标前进，并使自己达到一个新的高度。

在此由衷的谢谢你们。

参考文献

【1】《电力电子技术》王兆安黄俊西安机械工业出版社

【2】《电机及拖动基础》顾蝇谷机械工业出版社

【3】《PWM变频调速技术》陈因呈机械工业出版社【4】《Protel2004》神龙工作室北京人民邮电出版社

【5】《ProtelDXP电路设计制版入门与提高》雪茗斋电脑教育研究室人民邮电出版社

【6】《AltiumDesigner6电路图设计百例》姜艳波化学工业出版社

【7】《电路设计与制板ProtelDXP典型实例》老虎工作室倪泽峰江中华人民邮电出版社

【8】《电力电子技术手册》（精）/国外电气工程名著译丛机械工业出版社（2004-01出版）

【9】《电气传动的脉宽调制操纵技术》吴守箴臧英杰机械工业出版社

【10】《空间向量脉宽调制原理及实现电气传动》赵乃霞徐展

【11】《最新有效交流调速系统》吴安顺等机械工业出版社

【12】《变频应用手册》吴志忠吴家林机械工业出版社

【13】《电力电子变流技术》第三版黄俊王兆安机械工业出版社