基于MATLAB逆变器交流电动机变频调速系统的仿真汇编.docx
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基于MATLAB逆变器交流电动机变频调速系统的仿真汇编
基于MATLAB环境下逆变器-交流电机变频调速系统的仿真
摘要
本文以交流电动机变频调速系统为研究对象，以MATLAB为仿真工具，介绍了Simulink仿真模块，分析了变频器的工作原理，并在此基础上进行了多种逆变电路的仿真设计。
文章首先对MATLAB/Simulink模块中电力电子仿真所需要的电力系统模块集做了简要的说明，介绍了变频器中实现变频的主要环节——逆变器的工作原理，并且分析了目前几种最常见的逆变器（单向全桥逆变器、三相桥式逆变器和SPWM控制的单相逆变器）的工作原理，在此基础上运用MATLAB软件分别对这几种电路的仿真进行了设计；并进一步设计出了交-直-交变频器的仿真模型，实现了对交流电动机变频调速系统的仿真。
关键词：
Simulink，电压型逆变电路，变频调速，仿真设计
第一节绪论————————————————————————4
一交流调速技术发展概况——————————————————-4
二全数字控制技术—————————————————————-6
三系统仿真————————————————————————-7
四论文的意义及任务————————————————————-8
第二节电力电子器件仿真模型及逆变电路仿真设计———————8
一绝缘栅双极性晶体管的仿真模型及参数设定—————————-8
二逆变电路仿真设计————————————————————-11
第三节基于MATLAB的变频调速系统的仿真设计————————16
一变频器的基本概念————————————————————16
二交一直一交变频电路的仿真设计——————————————18
第四节小结——————————————————————-20
第一节绪论
一交流调速技术发展概况
直流电气传动和交流电气传动在19世纪先后诞生。
由于直流传动具有较好的调速性能，而交流传动调速性能难以满足生产要求，因此，在20世纪大部分年代里，直流传动在调速领域中一直占据主导地位。
随着生产技术的不断发展，直流传动的缺点逐步暴露出来，由于换相器的存在，使直流电机的维护工作量加大并限制了电机容量、速度和使用环境，加之成本高、效率低等缺点，人们开始转向结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的交流电机，并致力于它的调速技术研究。
20世纪60年代后期，特别是70年代以来，随着电力电子技术和控制技术的迅猛发展，交流调速性能完全可以和直流调速相媲美。
目前，交流调速已逐步替代直流调速。
纵观交流调速传动发展过程，大致是沿着三个方向发展的：
一个是取代直流调速实现少维修、省力为目标的高性能交流调速；另一个以节能为目的：
改恒速为调速，适用于风机、泵类、压缩机等通用机械的交流调速；第三个是直流调速难以实现的特大容量，极高转速领域的交流调速。
（一）电力电子技术是现代交流调速的物质基础
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，电力电子技术已成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。
1.电力电子器件
20世纪50年代末晶闸管的问世标志了电力电子技术的开端，从此“电”进入到强电领域，电力电子器件成为弱电控制强电的纽带。
近40年来，电力电子器件经历了非常迅猛的发展过程，从只能触发导通而不能控制关断的半控型器件，到可以控制导通和关断的全控型器件，从电流控制到电压电场控制，从低频功率开关到高频功率开关。
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。
IGBT、IGCT（集成门极换流晶体管）、IPM（智能功率模块）是目前最为流行的电力电子器件。
2.变流技术与控制技术
电力电子电路即通常所说的变流电路，它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转换和控制。
变流电路的基本转换形式有四种，如图1-1所示，图中逆变电路的作用是不仅把直流变成可调电压的电流，而且可输出连续可调的工作频率。
整流电路和逆变电路是交-直-交变频器的主要环节，交-直-交变频器是当今应用最广泛、电机调速的中小型交流调速系统的主体。
目前最常用的、发展最快的变频器是脉宽调制（PWM）型变频器。
交-交变频电路适用于大功率交流调速系统。
近年来，随着电力电子器件的迅猛发展，交流调速控制技术也得到迅速的发展。
它经历了相位控制技术、VVVF控制技术、转差频率控制技术、脉宽调制技术及矢量控制技术，其中PWM是一种很有发展前途的变频调速方法，矢量控制技术也是一种很有发展前途的新的控制技术。
图1-1变流电路的基本转换形式
（二）矢量控制技术
1971年由德国西门子公司的Blaschke提出了矢量控制理论，它是一种新的控制理论和控制技术，它解决了交流电机的转矩控制问题。
矢量控制技术根据磁动势等效原则，应用坐标变换将三相系统等效为二相系统，再经过按磁场定向的同步旋转变换，实现了定子电流励磁分量于转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电机的磁链和电流分别控制的目的。
这样就可以将一台三相异步电动机等效为直流电动机来控制，因而获得了与直流调速系统同样的静、动态性能，开创了交流调速与直流调速相媲美的时代。
二全数字控制技术
随着计算机技术突飞猛进的发展，16位乃至32位微处理机的应用越来越普及，而且由于微处理机在性能、速度、容量、价格、体积等方面的不断发展，使得在电气传动中全部采用数字控制成为现实。
全数字控制使信息处理能力大大提高，实现了模拟控制无法实现的复杂控制，使RAS功能得以实现。
全数字控制的特点如下所述。
（1）控制精度高。
在模拟控制系统中，大量使用运算放大器会受温度变化和电压波动的影响；而数字控制系统中，一切均通过软件运算，故控制精度高。
此外，数字控制采用微量化信号进行运算，故精度有保证。
（2）稳定性好。
控制信息为数字量，不会随时间发生漂移，也不会随温度和环境条件而发生变化，这是模拟控制无法比拟的。
（3）可靠性高。
微机控制采用的元器件少，特别是采用单片机后，所用元器件更是大幅度减少，相应的故障率大大降低；而且信号全部采用数字量传输，受干扰的影响小，因此，它比模拟控制可靠性高。
（4）维护方便。
微机可以存储检测获得的各种信号，它具备记忆能力，容易实现故障诊断，方便维护。
（5）灵活性好。
在硬件不做任何改动的情况下，只要修改软件就可以改变它的控制功能，实现不同的控制策略。
（6）经济性好。
采用微机或DSP后会提高控制系统的成本，但随着芯片价格的降低，这个差距会很快缩小。
（7）逻辑运算能力强。
数字计算机具有很强的逻辑运算能力，与它的存储能力相结合，使得计算机可以做许多事情，甚至可以模拟人的思维进行分析、判断，积累经验，实现智能控制。
（8）存储能力强。
存储容量大，存储时间几乎不受限制，可以在计算机内存放各种数据和表格，以便采用查表的方法来简化计算。
由于变频器供电的调速系统是一个快速系统，在使用数字控制时采样频率较高，通常大于1kHz，常需要完成复杂的操作控制、数字运算和逻辑判断，所以要求单片机具有较大的存储容量和较强的实时处理能力，目前的单片机完全可以满足要求。
随着新型自关断电力电子器件、智能功率集成电路的问世，现代控制理论的发展和计算机技术的应用，变频技术日新月异，新的控制策略不断涌现，现代交流调速技术迈上了新的台阶。
目前，它已在冶金、机械、电气牵引、纺织、食品等各个方面得到普遍的应用，几乎遍及国民经济各部门的传动领域，交流调速已进入逐步取代直流调速时代
。
三系统仿真
系统仿真是指根据被研究的真实系统的数学模型，结合所用的仿真软件建立仿真模型，然后依靠仿真模型在计算机上进行计算、分析、研究，以便加深认识和理解真实系统，为系统设计、调试或管理提供所需的信息。
系统仿真技术是在数学模型基础上，利用计算机进行实验研究的一种方法。
它是建立在系统科学、系统辨识、控制理论、计算机技术及控制工程等科学基础上的一门综合性很强的实验科学技术，是分析复杂系统的一种非常有效的工具。
四论文的意义及任务
异步电动机比直流电机结构简单、成本低、工作可靠、维护方便、效率高。
因此，开发高性能的异步电动机调速系统，对于提高经济效益具有十分重要的现实意义。
在电气传动系统中，应用计算机仿真技术建立电机及其传动的仿真模型，在人为模拟的环境或条件下，利用仿真模型替代真实电机在工作现场运行的实验。
这样，能得到可靠的数据，又节约了研究的时间及费用。
更重要的是采用计算机仿真方法进行辅助设计，可以在传动系统制造出来之前，就能进行各种方案比较，预测系统的行为、特性，并可通过计算机修改系统参数，直到获得理想的特性为止，从而实现优化设计，为实现高性能交流传动系统提供保证。
本论文主要研究利用仿真软件Simulink对该系统进行仿真。
通过仿真研究，实现优化设计，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。
第二节电力电子器件仿真模型及逆变电路仿真设计
电力电子器件可直接用于处理电能的主电路中，是实现电能的转换或控制的电子器件。
电力电子器件按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，可分为以下三类：
半控型器件、全控型器件、不可控器件。
在直流-交流变换中，由于开关器件在承受正电压时关断，因此如果采用SCR（晶闸管）作为开关器件，则必须加入强迫换流回路，使SCR在关断时阳极-阴极间承受反压，这增加了控制的复杂性，增大了装置的体积、重量，而且SCR的开关频率较慢。
因此，在直流-交流变换中一般采用全控型器件。
在全控型电力电子器件中，IGBT是MOSFET和GTR的复合型器件，兼有MOSFET的快速响应、高输入阻抗特性和BJT（电力双极型晶体管）的低通态压降、高电流密度的特性，在变频器、中频电源、开关电源及要求快速、低损耗的领域广泛应用。
因此，本设计中采用IGBT作为逆变电路仿真中的主要开关器件。
下面将就绝缘栅双极型晶体管的机构和工作原理作详细介绍。
一绝缘栅双极性晶体管的仿真模型及参数设定
IGBT驱动原理与电力MOSFET基本相同，通断由门极电压来控制。
当IGBT集射级电压为正且大于开启电压，同时门极加正电压时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流，IGBT导通；当IGBT门极施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。
当Uce小于零时，IGBT呈反向阻断状态。
当Uce大于零时，又分为以下两种情况：
若门极电压小于开启电压，则沟道不能形成，IGBT成正相阻断状态；若门极电压大于开启电压，则绝缘门极下的沟道形成，使IGBT正相导通。
（一）绝缘栅双极型晶体管元件图标、符号和仿真模型
由IGBT的工作原理可知，IGBT模块是一个受门极信号控制的半导体器件，它由一个电阻Ron、一个电感Lon和一个支流电压源与一个由逻辑信号控制的开关串联电路组成。
元件的图标、符号和仿真模型如图2-1所示。
IGBT
图2-1IGBT元件的图标、符号和仿真模型
（二）绝缘栅双极型晶体管元件的输入和输出
由IGBT的图标可见，它有两个输入和两个输出。
第一个输入C和输出E对应于绝缘栅双极型晶体管的集电极C和发射极E；第二个输入g为加在门极上的Simulink逻辑控制信号，第二个输出m用于测量输出向量。
（三）绝缘栅双极型晶体管元件的参数设置
IGBT元件的参数设置是系统仿真过程中非常重要的一个环节，也是最难解决的一个问题。
首先来看其参数对话框，如图2-2所示。
IGBT元件参数包括：
（1）内电阻Ron，单位为欧。
（2）内电感Lon，单位为H，电感不能设置为零。
（3）正相管压降Vf，单位为V。
（4）电流下降到Imax/10的时间Tf，单位为s。
（5）电流拖尾时间Tt：
从Imax/10下降到0的时间，单位为s。
（6）初始电流Ic，单位为A。
与IGBT元件初始电流的设置相同，通常将Ic设为0。
（7）缓冲电阻Rs，单位为欧。
为了在模型中消除缓冲电路，可将Rs参数设置为inf。
（8）缓冲电容Cs，单位为F。
为了在模型中消除缓冲电路，可将Cs设置为0；为了得到纯电阻Rs，可将Cs参数设置为inf。
二逆变电路仿真设计
电流-交流变换称为逆变，是指将频率为f1=0的直流电压u1变换为频率f2≠0的交流电压u2。
逆变器采用双向可控电力电子开关构成能够改变负载电压方向的电路，按规律控制电子开关，切断负载电压方向，便可将输入的直流电能逆变为输出的交流电能，调节电子开关的切换周期可以改变交流电能的频率。
本节对直流-交流变换的基本原理，从三相桥式和现在广泛应用于工业生产中的SPWM逆变电路进行了仿真设计。
（一）三相桥式逆变电路的仿真设计
三相桥式逆变电路也是按照被仿真系统的工作原理，根据原理搭建仿真模型，设定仿真系统参数，设置示波器控制参数，运行仿真的顺序进行设计的。
本节讨论电阻性负载三相桥式逆变电路的仿真、阻感性三相桥式逆变电路的仿真和电动机负载三相桥式逆变电路的仿真，并讨论如何通过改变控制信号的导通周期来改变输出电压的频率。
1.三相桥式逆变电路的工作原理
2.电阻性负载三相桥式逆变电路的仿真设计
了解了单相全桥逆变电路的工作原理，就可以在Simulink中参考单相半桥逆变电路的仿真方法，并在其基础上搭建起仿真模型图进行参数设置和调试。
电阻性负载三相桥式逆变电路的仿真图设计如图2-3所示。
图2-3是根据电阻性负载三相桥式逆变电路的原理图搭建起来的，图形比较负载，为了让视图简化明了，可以将逆变器的电子开关建立一个子系统。
子系统建立的操作步骤为：
选中部分模块，Edit，CreateSubsystem，用一个模块代替所选中的模块，重新设置模块大小以便能看清端口标注。
子系统如图2-4所示。
图2-4子系统的搭建示意图
可以设计出采用子系统的电阻性负载三相桥式逆变电路的仿真图，如图2-5所示。
仿真图中电子开关绝缘栅双极型晶体管、二极管的参数设置方法同单相半桥逆变电路。
三相桥式逆变电路最关键的是设置触发脉冲。
根据三相桥式逆变电路的工作原理，6个主开关元件依次相差T/6导通，设置脉冲Pulsel的幅值为15，导通时间为0.01s，延迟时间为0s，脉冲Pulse2延迟PulselT/6，即1.666e-3s，Pulse3比Pulse2延迟了3.333e-3s，同样，Pulse4比Pulse3延迟了5e-3s,Pulse5比Pulse4延迟了6.666e-3s，Pulse6比Pulse5延迟了8.333e-3s。
为了获得纯电阻元件，设置SeriseRLCBranch中参数电感为0，电容为inf，电阻为10欧。
在模型工具栏点击“Simulation/Parameters”菜单，设置仿真起始时间为0.0s，终止时间为0.06s，仿真算法为ode23tb。
为了能清楚地看到触发脉冲对输出波形的影响，示波器Scopel显示了6个触发脉冲波形，示波器Scope2显示了负载的输出电压和输出电流。
触发脉冲波形图如图2-6（a）所示，输出电流及输出电压波形如图2-6（b）所示。
由图2-6可观察到T6-T1的脉冲，后一个脉冲依次滞后前一个脉冲1/6周期。
同理，改变T1-T6控制信号的周期就可以方便地改变输出电压的频率。
如将T6-T1的脉冲Pulse6-Pulse1的导通时间设为0.04s，则相应的6个主开关元件依次相差T/6导通，即相差6.667e-3s导通。
3.阻感性负载三相桥式逆变电路的仿真设计
阻感性负载单相桥式逆变电路由于电感的自感电动势对电流变化的反作用，电流ia不能突变，体现在负载输出波形上就是输出电流不能突变。
工作中主开关元件的导通顺序同电阻性负载三相桥式逆变电路。
其仿真图如图2-7所示。
从仿真图上看，阻感性负载三相桥式逆变电路比电阻性负载三相桥式逆变电路仅仅是负载有变化，但在实际仿真中最重要的是负载参数设置。
电阻、电感的参数设置要相匹配。
这里设电阻为1欧，电感为0.01H。
6个主开关元件依次相差T/6导通，设置脉冲Pulse1的幅值为15，导通时间为0.01s，延迟时间为0s，Pulse1-Pulse6依次相差1.667e-3s。
仿真波形图如图2-8所示。
图2-8电流波形不同于电阻负载的方波图，而接近正弦波，这和理论分析由于电感的自感电动势对电流变化的反作用是一致的。
可以看出在T6-T1脉冲中，后一个脉冲依次滞后前一个脉冲1/6周期，触发脉冲图如图2-9（a）所示。
由于调节主开关器件的切换周期便可改变交流电能的频率，因此，若将触发脉冲Pulse1的导通周期设为0.04s，则Pulse2-Pulse6依次延迟6.667e-3s，“Simulation/Parameters”菜单中仿真起始时间为0.0s，终止时间仍为0.08s，仿真算法为ode23tb。
运行仿真后其脉冲波形如图2-9（b）所示，并可和图2-9（a）比较。
由于ode23tb算法适合于允许误差比较宽的问题，因此在本设计中采用了该算法。
（二）三相SPWM逆变器的仿真设计
1.正弦脉冲宽度调制（SPWM）基本原理
2.单相SPWM逆变器的仿真设计
正弦波脉宽调制逆变器属于电压型逆变器，电子开关多采用全控型器件，本设计采用绝缘栅双级型晶体管。
SPWM技术采用等腰三角波电压作为载波信号，正弦波电压作为调制信号，通过正弦波电压与三角波电压信号相比较的方法，确定各分段矩形脉冲的宽度。
由于三角波两腰间的宽度随其高度线性变化，当任一条不超过三角波幅值的光滑曲线与三角波相交时，都会得到脉冲宽度正比于该曲线值的一组等幅、等距的矩形脉冲列，故用正弦波电压信号作为调制信号时，可获得脉宽正比于正弦值、等幅、等距的矩形脉冲列。
该信号用于逆变器电子开关的开通与关断控制时，逆变器就是SPWM逆变器。
根据三相波和正弦波相对极性的不同，正弦波脉宽调制可分为单极性和双极性两种方式。
本设计中主要讨论双极性正弦波脉宽调制。
（三）双极性正弦波脉冲宽度调制的原理及设计
双极性正弦波脉冲宽度调制的原理如图2-10所示。
三角波和SPWM波形均有正负极性变化，但在正半周内，正脉冲较负脉冲宽，负半周则反之。
当设计采用BSPWM控制时，逆变电路的仿真模型中使用了SimpowerSystems中的PWMGenerator模块，模块的图标如图2-11所示。
以下将介绍此模块在仿真中的连接方式及参数的设置方法。
图2-11PWMGenerator模块
1.PWM发生器仿真模块的输入和输出
当调制信号不选择内部方式时，模块Signal（s）端应输入一个正弦参考信号。
当PWM发生器模块被用于触发单相、单相桥式变换器时，变换器的输入端可输入单相正弦参考信号；当PWM发生器模块被用于触发单个或两个三相变换器桥时，变换器的输入端需要输入一个三相正弦参考信号。
当选择内部调制信号时，模块Signal（s）端的输入可以悬空，不接信号。
模块输入可以以4种方式工作，分别输入2、4、6、12路触发，用于触发单相半桥、单相桥式和三相桥式中的全控型器件。
2.PWM发生器仿真模块的参数
PWM发生器的参数对话框如图2-12所示，各项参数设置说明如下。
（1）发生器工作模式，用于指定产生的脉冲路数，脉冲路数正比于需要触发的桥臂数，通常一个桥臂上有两个自关断器件，需要两路脉冲。
（2）载波频率，单位为Hz，三角载波信号的频率。
（3）调制信号的内部产生方式，这是个复选框，如果进行了勾选，调制信号由模块内部自身产生；否则，必须使用外部信号产生调制信号。
（4）调制度，即内部参考信号的幅值。
调制度必须大于0且小于1，该参数用于控制被控变换器的输出电压幅值。
（5）输出电压频率，单位为Hz，即内部参考信号的频率。
该参数可用于控制受控变换器交流侧输出电压频率。
（6）输出电压相位，单位为度，即内部参考信号的相位。
该参数可用于控制受控变换器交流侧输出电压的频率。
根据BSPWM原理可设计出采用双极性正弦波脉冲宽调制控制时的逆变电路的仿真模型，如图2-13所示。
在该仿真设计中还用到了Demux解混模块，其作用是将一个向量分解成输入信号，输出的个数和参数确定输出信号的数目和各个输出信号的宽度。
在本仿真中它将SPWM脉冲产生器产生的脉冲信号分解开来，分别送给IGBT1（IGBT4）和IGBT2（IGBT3）。
接好仿真图后，首先在模型工具栏点击“Simulation/Parameters”菜单设置仿真起始时间为0.0s，终止时间为0.3s，仿真算法为ode23tb。
为能在同一桌面看到输出电压、输出电流、脉冲1和2的波形，将显示器模块参数中的Numberofaxes参数设置为4。
再点击模型工具栏中“Simulation/Start”菜单运行仿真图，并双击显示器模块观察输出波形，如图2-14（a）所示。
图中第一栏的波形为输出电压，其波形接近正弦波，实现了将直流逆变为交流电能的过程。
根据采样原理，要使图中的PWM电压波在每一时间段都与该时间段的正弦电压等效，除每一时间段的面积相等外，每个时间段的电压脉冲还必须很窄，这就要求脉波数量很多。
因此脉波数越多，不连续的按正弦规律改变宽度的多脉波电压就越等效于正弦电压。
第二栏波形为输出电流，对于阻感性负载，由于电感的储能作用，电流不能突变。
第三栏和第四栏分别为正弦波触发脉冲波形。
采用SPWM技术调节输出电压，应抑制输出波形中的谐波含量。
因此，其输出频率和电压的调节均由逆变器完成。
在PWM发生器的参数对话框中调制度用于控制被控变换器的输出电压幅值；输出电压频率可用于控制受控变换器交流侧输出电压的频率。
设调制度为0.3，输出电压频率为60Hz，输出波形如图2-14（b）所示。
比较图2-14（a）和2-14（b）的电压波形可见，图（b）中电压的幅值减小为2V。
输出正弦波电压的周期减小，根据f=1/T可知其频率增大。
达到了同时改变输出电压和频率的目的。
由以上的分析可以看出，从调频、调压的方便和为了减少谐波的角度来讲，SPWM逆变器都有明显的优点，具体体现在以下几个方面：
（1）SPWM既可以分别调频、调压，也可以同时调频、调压，都由逆变器统一完成，仅有一个可控功率级，从而简化了主电路和控制电路的结构，使装置体积小、重量轻、造价低、可靠性高。
（2）电流电压可由二极管整流获得，交流电网的输入功率因数与逆变器输出电压的大小和频率无关而接近1；如有数台装置，可有一台不可控整流器输出作为直流公共母线供电。
（3）输出功率和电压都在逆变器内控制和调节，其相应的速度取决于控制回路，而与直流回路的滤波参数无关，所以调节速度快。
在调节过程中通过频率和电压的配合，可以获得好的动态性能。
（4）输出电压或电流波形接近正弦波，从而减少谐波分量。
上面对几种逆变电路建立了Simulink模型进行了仿真，结果与理论分析完全一致。
因此，可以总结出逆变电路的变频工作原理为：
用双向可控电力电子开关构成能够改变负载电压方向的电路，按规律控制电子开关，切换负载电压方向，便可将输入的直流电能逆变为输出的交流电能，调节电子开关的切换周期便可以改变交流电能的频率。
第三节基于MATLAB的变频调速系统的仿真设计
一变频器的基本概念
（一）变频器的电路构成
变频器先将固定频率和电压的交流电能整流为直流电能，再将直流电能变换为频率和电压符合要求的交流电能，供负载使用。
因此，变频器是由整流器、滤波
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