基于MATLAB的转速开环变频调速虚拟实验系统的设计与开发毕业论文.doc

南京工程学院毕业设计说明书 论文 1 基于基于 MATLABMATLAB 的转速开环变频调速虚拟实验系统的的转速开环变频调速虚拟实验系统的 设计与开发毕业论文设计与开发毕业论文 第第一一章章 绪绪 论论 1 11 1 课题背景与意义课题背景与意义 虚拟实验系统是在计算机仿真基础上发展起来的一项新技术 利用计算机的强 大功能虚拟仿真实际的物理系统 将计算机仿真引入到课程教学中来开发虚拟实验 可在计算机上研究电路和系统 并且可以任意地在计算机上设计 维修电路和系统 且立即看到所设计电路或系统运行的效果 本次设计与开发的虚拟实验系统是用来 进行变频调速系统的仿真 需利用 MATLAB 的图形用户界面设计技术和 SIMULINK 强大的仿真功能 该系统一般分为整流电路 平波电路 控制电路 逆 变电路等几大部分 变频调速是平滑改变定子供电电压频率而使转速平滑改变的调 速方法 MATLAB 提供的动态系统仿真工具 Simulink 可以有效地对系统进行建模 而且仿真过程是交互的 可以随意地改变参数 并且立即可以得到修改后的仿真结 果 另外 使用 MATLAB 中的各种分析工具 还可以对仿真结果进行分析和可视化 1 21 2 论文内容与安排论文内容与安排 本设计主要研究 利用MATLAB来设计开环变频调速的虚拟实验系统 第一章对本课题的背景及意义进行简单介绍 第二章主要对基于 MATLAB 的虚拟系统进行介绍 叙述了该系统的实际 意义 另外对 MATLAB 软件进行了简单的介绍 第三章介绍了交流变频调速系统 主要介绍了 变频调速的基本原理以及控 制方式 重点叙述了交 直 交变频器的结构 和原理 着重介绍了恒压频比控制 的变频调速系统的结构及其工作情况 第四章主要对 脉宽调制技术进行了简单的介绍 简单叙述了SPWM 调制 的变频调速 原理及其控制方式 第五章介绍了转速开环变频调速仿真系统的设计 首先整体描述了变频调 南京工程学院毕业设计说明书 论文 2 速仿真系统的建立 接着介绍了各模块的功能及参数设置 分析了系统软起动 的作用 最后利用 MATLAB 软件对变频调速系统进行仿真 得出仿真图 第六章对本设计进行总结 总的概括了本次毕业设计的成果 对设计中还存 在的问题进行了分析 在正文结束后 还附有致谢 参考文献和附录 在附录中给出了英文资料 英文资料的翻译 控制系统的原理图和MATLAB 仿真图 南京工程学院毕业设计说明书 论文 3 第第二二章章 基基于于 M MA AT TL LA AB B 的的虚虚拟拟实实验验系系统统 2 12 1 虚拟系统的实际意义虚拟系统的实际意义 实验是教学中的重要手段 对工程类课程的学习尤为重要 通过实验不仅可以验 证理论的结果 加强对理论的认识 并且可培养学生实际动手能力 但是实验往往受 到客观条件的限制 设备 场地 时间等诸多因素制约了实验的数量和质量 一门课 程一般只能设置有限几个实验 在规定的时间内完成 同学们对按规定程序操作的指 定性实验不感兴趣 在大家有一些新想法需要通过实验来验证时 实验室的条件则很 难做到 这不利于大家创新能力的培养 对此实验室已经采取了许多措施 如开放实 验室 设立设计性实验等 但是收效都不大 主要是计划外的实验需要较长的准备时 间 实验室很难都具备器件 设备 仪器的条件 为了提高实验的质量和加强同学们 能力的培养 为大家创新思维创造条件 我们在学习中开展了虚拟实验的开发和研究 工作 虚拟实验是在计算机仿真基础上发展起来的一项应用技术 利用计算机的强 大功能可虚拟仿真实际的物理系统 计算机仿真已在科学研究 工程设计等方面发 挥了巨大的作用 并且已经开发了多种软件 将计算机仿真引入课程教学中来开发虚 拟实验系统 使同学们能在计算机上做实验 在计算机上研究各种电路和系统 并且可 以任意地在计算机上设计 修改电路和系统 且立即看到所设计电路或系统运行的效 果 不仅可以提高学生学习的兴趣 加深大家对理论的认识 更重要的是掌握了一种现 代设计分析手段 一个传统的硬件实验要使用多种仪器 而且不同实验所用的仪器也不尽相同 如果开设综合性实验所需仪器更多 这么多的仪器不仅价值昂贵 体积大 占用空 间多 而且相互连接也十分麻烦 我们学习中的异步电动机变频调速系统实验 整 个系统都须根据原理图按接线端的编号一一对应接线 结构较复杂 调试过程中还 必须考虑各参数之间的依赖性 所以整个实验过程既费时又费力 另外仪器的维护 费用较高 需要耗费大量的人力物力 南京工程学院毕业设计说明书 论文 4 而目前常见的计算机仿真软件有 PISPCE 和 MATLAB 等 我们的虚拟实验系统 主要在 MATLAB 上开发 利用 MATLAB 的图形用户界面设计技术和 SIMULINK 强大的仿真功能 在 MATLAB 环境下建立变频调速系统的各模块 并对其进行参 数设置 连线 设置仿真参数后得出仿真波形 这有利于更直观的学习变频调速的 知识 且使用模块化的图形搭构 使用方便且形象化 可视可读性强 该虚拟系统是 在计算机平台上进行 不需要大量的仪器和设备 节省了经费和投资 可以弥补实验 设备的不足 2 22 2 MATLAB 的的 SIMULINK 环境和模型库环境和模型库 MATLAB 的 SIMULINK 是很有特色的仿真环境 在此环境中 用点击拖动鼠 标的方式绘制和组织系统或电路 并完成对系统和电路的仿真 原来的 MATLAB 仿真编程是在文本窗口中进行的 编制的程序是一行行的命令和 MATLAB 函数 不直观也难以与实际的物理系统或电路建立形象的联系 在 SIMULINK 环境中 系统的函数和电路元器件的模型都用框图来表达 框图之间的连线则表示了信号流 动的方向 MATLAB 的工具箱已经有极其丰富的内涵 下面主要介绍 SIMULINK 工作环境和系统仿真 SIMULINK 和电力系统 Power System Block 两个模型库 2 2 2 2 1 1 系系统统仿仿真真 SIMULINK 环环境境 系统仿真 SIMULINK 环境也称工具箱 Toolbox 是 MATLAB 最早开 发的 它包括 SIMULINK 仿真平台和系统仿真模型库两部分 主要用于仿真以数 学函数和传递函数表达的系统 是20 世纪 70 年代开发的连续系统仿真程序 CCS 的继续 现在的系统仿真 SIMULINK 包括了连续系统 非线性系统和 离散系统的仿真 由于 SIMULINK 的仿真平台使用方便 功能强大 后来拓 展的其他模型库也都共同使用这个仿真环境 成为MATLAB 仿真的公共平台 SIMULINK 是 Simulation 和 Link 两个英文单词的缩写 意思是仿真链接 MATLAB 模型库都在此环境中使用 从模型库中提取模块放到 SIMULINK 的仿真平台上进行仿真 所以 有关SIMULINK 的操作是仿真应用的基础 SIMULINK 作为面向系统框图的仿真平台 它具有如下特点 1 以调用模块代替程序的编写 以模块连成的框图表示系统 点击模块即 可以输入模块参数 以框图表示的系统应包括输入 激励源 输出 观测仪器 和 组成系统本身的模块 南京工程学院毕业设计说明书 论文 5 2 画完系统框图 设置好仿真参数 即可启动仿真 这时 会自动完成仿 真系统的初始化过程 将系统框图转换为仿真的数学方程 建立仿真的数据结 构 并计算系统在给定激励下的响应 3 系统运行的状态和结果可以通过波形和曲线观察 这和实验室中用示波 器观察的效果几乎一致 4 系统仿真的数据可以用以 mat 为后缀的文件保存 并且可以用其他数 据处理软件进行处理 5 如果系统框图绘制不完整或仿真过程中出现计算不收敛的情况 会给出 一定的出错提示信息 但是这提示不一定准确 这是软件还不够完备的地方 6 以框图形式对控制系统进行仿真是SIMULINK 的最早功能 后来在 SIMULINK 的基础上又开发了数字信号处理 通信系统 电力系统 模糊控制 等书 10 种模型库 但是 SIMULINK 的窗口界面是其他工具箱公用的平台 在 此平台上可以进行控制系统 电力系统 通信系统等各种系统的仿真 2 2 2 2 2 2 SIMULINK 的的工工作作环环境境 在 MATLAB 的菜单栏上选择 File 在下拉菜单中的 New 选项下选中 Model 完成这一操作之后 屏幕上出现SIMULINK 的工作窗口 在 SIMULINK 工作窗口上方右侧是最小化 最大化和关闭三个按钮 标题栏下方是菜单栏 这里有 File 文件 Edit 编辑 View 查看 Simulation 仿真 Format 格 式 Tools 工具 和 Help 帮助 7 项主要功能菜单 第三栏是菜单命令的等效 按钮 窗口下方有仿真状态的提示栏 在启动仿真后 在该栏中可以提示仿真 的进度和使用的仿真算法 窗口中部的空白部分是绘制仿真模型框图的空间 这是对系统仿真的主要工作平台 2 2 2 2 3 3 模模型型库库浏浏览览器器 模型库是 SIMULINK 的重要内容 模型库中保存了控制系统中常用的典型 环节的模型 在系统仿真时 只要调用这些典型环节就可以很方便地组成系统 的仿真模型 SIMULINK 工具箱的模型都可以通过模型库浏览器来查找 在模 型库浏览器上有 20 余种模型库 包括电力系统模型库 通信系统模型库 数字 信号模型库 定点处理模型库等 南京工程学院毕业设计说明书 论文 6 第三章第三章 交流变频调速系统交流变频调速系统 采用交 直 交变频器对笼型异步电动机进行调速控制 调速范围大 静态稳定 性好 运行效率高 使用方便 可靠性高并且经济效益显著 所以已经在生产和生 活中得到了广泛的应用 3 3 1 1 变变频频调调速速的的基基本本原原理理 变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的的 当在定 子绕组上介入三相交流电时 在定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场 它与转子绕组产生相对运动 使转子绕组产生感应电动势 出现感应电流 此 电流与旋转磁场相互作用 产生电磁转矩 使电机转动起来 电机磁场的转速 称为同步转速 用 表示 60f p 3 1 式中 f 为三相交流电源频率 一般为50Hz p 为磁极对数 当 p 1 时 N 3000r min P 2 时 N 1500r min 由式 3 1 可知磁极对数 p 越多 转速 就越慢 转子的实际转速n 比磁 场的同步转速 要慢一点 所以称为异步电机 这个差别用转差率 表示 N n N 100 3 2 在加上电源转子尚未转动瞬间 n 0 这时 s 1 启动后的极端情况 n N 则 s 0 即 s 在 0 1 之间变化 一般异步电机在额定负载下的s 1 6 综合式 3 1 和式 3 2 可以得出 N 60f 1 s p 3 3 由式 3 3 可以看出 对于成品电机 其磁极对数p 已经确定 转差率 s 变化不大 则电机的转速 n 与电源频率 f 成正比 因此改变输入电源的频率 就可以改变电机的同步转速 进而达到异步电机调速的目的 但是 为了保持 南京工程学院毕业设计说明书 论文 7 在调速时电机的最大转矩不变 必须维持电机的磁通量恒定 因此定子的供电 电压也要做相应调节 变频器就是在调整频率的同时还要调整电压 故称变压 变频调速 简称 VVVF 3 3 2 2 变变频频调调速速的的控控制制方方式式 对异步电动机进行调速控制时 希望电动机的主磁通保持额定值不变 这是因为 如果磁通太弱 铁心利用不充分 在同样的转子电流下 电磁转矩 小 电动机的负载能力下降 反之 如果磁通太强 则处于过励磁状态 励磁 电流变大 电动机的铁损耗增加 为使电动机不过热 负载能力也要下降 主磁通是定 转子合成磁通势 产生的 为了使电动机的气隙磁通保持恒定 应当在变频的同时 使定子的感应电动势与频率成正比率的变化 由电动机理 论知道 三相异步电动机定子每相电动势的有效值为 E1 4 44 KN1 f1N m 3 4 式中 E1为定子每相电动势的有效值 f1是定子频率 N 为定子绕组的有 效匝数 m为每极级磁通 由上式可见 磁通 m的值是由 E1和 f1共同决定的 对 E1和 f1进行适当的控 制就可以使气隙磁通 m保持额定值不变 下面分两种情况说明 3 3 2 2 1 1 在在基基频频以以下下调调速速 基频以下的恒磁通变频调速 这是考虑从基频 电机额定频率 f1N 向下调 速的情况 为了保持电动机的负载能力 应保持气隙主磁通 m不变 这就 要求降低供电频率的同时降低感应电动势 保持E1 f1 常数 即保持电动势 与频率之比为常数进行控制 这种控制又称作恒磁通变频调速 属于恒转矩调 速方式 但是 E1难于直接检测和直接控制 当 E1和 f1的值较高时定子的漏阻抗压 降相对比较小 如忽略不计 则可以近似低保持定子相电压U1和频率 f1的比 值为常数 即认为 U1 E1 保持 U1 f1 常数即可 这就是恒压频比控制方式 是近似的恒磁通控制 南京工程学院毕业设计说明书 论文 8 当频率降低时 U1和 E1都变小 定子漏阻抗压降 主要是定子电阻压降 不能再忽略 这种情况下 可以人为地适当提高定子电压以补偿定子电阻压降 的影响 使气隙磁通基本保持不变 如图3 2 所示 其中 OA 为 U1 f1 C 时的 电压 频率关系 OB 为有电压补偿时 近似 E1 f1 C 的电压 3 3 2 2 2 2 在在基基频频以以上上调调速速 基频以上的弱磁变频调速 这是考虑由基频开始向上调速的情况 让频 率 f1从基频 f1N往上调时 不可能继续保持E1 f1的值不变 因电压 U1不能超 过额定电压 U1N 这时 只能保持电压 U1不变 其结果是 使气隙磁通最大 值 m随频率升高而降低 电动机的同步转速升高 最大转矩减少 输出功率 基本不变 所以 基频以上调速 相当于直流电动机 弱磁调速的情况 属于近 似的恒功率调速 其机械特性如图3 3 所示 图 3 2 交流电动机变频调速的 图 3 3 交流电动机基频以上 恒压频比控制特性 调速的机械特性 如果电动机在不同转速下都具有额定电流 则电机都能在温升允许条件下 长期运行 这时转矩基本上随磁通变化 按照电力拖动原理 在基频以下 属 于 恒转矩调速 的性质 而在基频以上 基本属于 恒功率调速 3 3 3 3 交交 直直 交交变变频频装装置置 3 3 3 3 1 1 变变频频器器基基本本结结构构 变频器的主要任务就是把恒压恒频的交流电转换成变压变频的交流电 以 满足交流电动机变频调速的需要 交 直 交变频器是将恒压恒频的交流电通过 南京工程学院毕业设计说明书 论文 9 整流电路变换成直流 然后再经逆变器将直流变换成调压调频的交流电 这种 变频器虽然多了一个中间直流环节 但输出交流电的频率可高于电网频率 这 种控制方式中 调压与调频分别在两个环节上进行 现在普遍采用不可控整流 器 用 PWM 逆变器同时调压调频的交 直 交变频器结构如图 3 4 所示 图 3 4 交 直 交变频器的基本结构 上图为交 直 交电压源型 IGBT 功率变换器 图中 整流桥UR 是由二极 管组成的三相桥式不 可控整流电路 逆变桥 UI 是由 IGBT 组成的三相桥式电 路 1 整流器 电源侧的变流器是整流器 它的作用是把三相交流整流成为直流 2 逆变器 负载侧的变流器为逆变器 最常见的结构形式是利用六个半导体开关器件 组成的三相桥式逆变电路 有规律地控制逆变器中主开关的通与断 可以得到 任意频率的三相交流输出 3 中间直流环节 由于逆变器的负载为异步电动机 属于感性负载 无论电动机处于电动或 发电制动状态 其功率因数总不会为1 因此 在中间直流环节和电动机之间 总会有无功功率的变换 这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件 电容或 电抗器 来缓冲 所以又常称中间直流环节为中间直流储能环节 变频器的整流器采用不可控的二极管桥式电路 变频器的输出频率和输出 电压的调节均通过逆变器按PWM 的方式来完成 PWM 控制方法 就是把输出电 压的周波分割成多个脉冲 通过合理的控制其中每个脉冲的宽度 去控制输出 电压的波形 频率及其基波幅值 南京工程学院毕业设计说明书 论文 10 图 3 4 所示的电压型 SPWM 变频器有如下优点 1 可以实现由逆变器自身同时完成调频和调压的任务 使线路简化 可 实现小型化并降低成本 2 输出电压的谐波含量可以极大地减少 特别是可以减小和消除某些较 低次谐波 减小了电动机的谐波损耗和减轻了转矩脉动 即使在很低的转速下 也可以实现平稳运转 3 由于主开关器件的开关频率足够高 可以减小乃至消除电磁噪音实现 静噪 3 3 3 3 2 2 变变频频器器的的分分 类类 图 3 5 给出了交 直 交变频装置的主要构成环节 按照不同的控制方式 它又可分为图 3 6 中的 a b c 三种 图 3 5 变频装置 交 直 交 图 3 6 间接变频装置各种结构形式 a 可控整流器变压 六拍变频器变频 b 不控整流 斩波器变压 六拍变 频器变频 c 不控整流 PWM 变频器变压变频 1 可控整流器变压 变频器变频 该方式的调压和调频分别在两个环节上 进行且在控制电路上要协调配合 这种装置结构简单 控制方便 输出环节用 南京工程学院毕业设计说明书 论文 11 由晶闸管 或其他电子器件 组成的三相六拍逆变器 每周环流 6 次 构成 但 由于输入环节采用可控整流器 在低压深控时电网端的功率因数较低 还将产 生较大的谐波成分 一般由于电压变化不太大的场合 2 直流斩波器调压 变频器变频 该方式采用不可控整流器 保证变频器 的电网侧有较高的功率因数 在直流环节上设置直流斩波器完成电压调节 这 种调压方法有效地提高了变频器电网侧的功率因数 并能方便灵活地调节电压 但增加了一个电能变换环节 斩波器 使主电路和控制电路复杂 该方法仍存 在谐波较大的问题 3 变频器自身调压 变频器变频 该方式采用不可控整流器 通过变频器 自身的电子开关进行斩波控制 使输出电压为脉冲列 改变输出电压脉冲列的 脉冲宽度 便可达到调节输出电压的目的 这种方法称为脉宽调制 Pulse Width Modulation PWM 因该方式采用不可控整流 功率因数较高 且用 PWM 逆变 谐波可以大大减少 谐波减少的程度取决于开关频率 而开关频率则 受器件开关时间的限制 若仍采用普通晶闸管 开关的频率并不能有效的提高 只有采用全控型器件 开关频率才能得以大大提高 可以得到非常逼真的正弦 波输出波形 因而又称为正弦波脉宽调制 SPWM 变频器 该变频器将变频和 调压的功能集于一身 主电路不用附加其他装置 结构简单 性能优良 已成 为当前最有发展前途 3 3 3 3 3 3 变变频频器器的的原原理理 交 直 交变频器的工作原理是把工频交流电通过整流器变成平滑直流 然 后利用半导体器件 GTO GTR或IGBT 组成的三相逆变器 将直流电变成可变频率的交流电 由于采用微处理器的正弦脉宽调制 SPWM 方法 使输出波形近似正弦波 用于驱动异步电机 实现无级调速 利用变频器可以根据电机负载的变化实现 自动 平滑的增速或减速 基本保持异步电机固有特性转差率小的特点 具有 效率高 范围宽 精度高且能无级变速的优点 南京工程学院毕业设计说明书 论文 12 第第四四章章 脉脉宽宽调调制制控控制制技技术术 所谓正弦脉宽调制就是把一个正弦波分成 N 个等幅而不等宽的方波脉冲 每一 个方波的宽带与其所对应的正弦波的值成正比 这样就产生了与正弦波等效的等幅 矩形脉冲序列波 由于各脉冲的幅值相等 所以逆变器可由恒定的直流电源供电 也就是说 逆变器输出脉冲的幅值就等于整流器的输出电压值 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与逆变器的输出电压波 形相似 4 4 1 1 正正弦弦脉脉宽宽调调制制 SPWM 变变频频调调速速原原理理 SPWM 变频调速是交流调速系统中较为常用且较为有效的一种调速方式 根据采样控制理论中冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时 其效果基本相同 其中 冲量是指窄脉冲的面积 将如图5 2 a 所示正弦 半波分成 N 等份 就可把正弦半波看成N 个彼此相连的脉冲所组成的波形 这些脉冲宽度相等 都等于 N 但幅值不等 且脉冲顶部不是水平直线 而 是曲线 各脉冲的幅值按正弦规律变换 如果把上述脉冲序列用同样数量的等 幅而不是等宽的矩形脉冲序列和相应正弦部分面积 冲量 相等 就可得到图5 2 b 所示的脉冲序列 这就是PWM 波形 可以看出 各脉冲的宽度是按正 弦规律变化的 根据冲量相等效果相同的原理 PWM 波形和正弦半波是等效 的 对于正弦半波的负半周 也可以用同样的方法得到PWM 波形 南京工程学院毕业设计说明书 论文 13 图 5 2 PWM 控制基本原理示意图 这一系列脉冲波形的宽度可以严格地用计算方法求得 作为控制逆变器中各 功率开关器件通断的依据 但经常使用的方法是采用 调制 的方法 以所 希望的波形 在这里是正弦波 作为调制波 而受它调制的信号成为载波 在 SPWM 中常用等腰三角波作为载波 因为等腰三角形是上下宽度线性对称的波 形 当它与一个正弦波曲线相交时 在交点的时刻产生控制信号 控制功率开 关器件的通断 就可以得到一组等幅而脉冲宽度正比于对应区间正弦波曲线函 数值的矩形脉冲 正弦波脉宽调制 SPWM 产生的脉宽调制波是等幅而不等宽的脉冲序列 脉 宽调制的方法很多 从脉宽调制的极性上看 有单极性和双极性之分 从载波 和调制波的频率之间的关系来看 又有同步调制 异步调制和分段同步调制 在实行 SPWM 脉宽调制时 同步调制和异步调制优缺点如下 1 同步调制 在同步调制方式中 载波比N 等于常数 变频时三角载波 的频率与正弦调制波的频率同步改变 因而逆变器输出电压半波内的矩形脉冲 数是固定不变的 如果取 N 为 3 的倍数 则同步调制能保证输出波形的正 负 半波始终保持对称 并能严格保证三相输出波形间具有互差120 的对称关系 当输出频率很低时 由于相邻两脉冲间的间距增大 谐波会显著增加 使电机 产生较大的脉动转矩和较强的噪声 2 异步调制 异步调制是逆变器的整个变频范围内 载波比N 不等于常 数 一般在改变调制信号频率时保持三角载波频率不变 因而提高了低频时的 载波比 这样输出电压半波内的矩形脉冲可随输出频率的降低而增加 相应的 可减少电机的转矩脉动与噪声 改善了系统的低频工作性能 异步调制方式的缺点是当载波比N 随着输出频率的降低而连续变化时 它 不可能总是 3 的倍数 势必使输出电压波形及其相位都发生变化 难以保持三 相输出的对称性 因而引起电机工作不平稳 3 分段同步调制 南京工程学院毕业设计说明书 论文 14 分段同步调制综合了上面两种方法的优点 把整个变频范围划分为若干频段 在每个频段内都维持载波比N 恒定 而对不同的频段取不同的N 值 频率低 时 N 取大些 一般大致按等比级数安排 4 4 2 2 SPWM 的的数数字字控控制制 数字控制是 SPWM 目前常用的方法 可以采用微机存储预先计算好的 SPWM 数据表格 控制时根据指令查表得到数据进行运算 或者通过软件实时 生成 SPWM 波形 也可以采用大规模集成电路专用芯片产生SPWM 信号 下 面介绍两 种常用 SPWM 波形的软件生成方法 4 4 2 2 1 1 自自然然采采样样法法 自然采样法以 正弦波为调制波 等腰 三角波为载波进行比 较 按照它们的交点 进行脉冲宽度与间 歇时间的采样 在 两个波形的自然交点 时刻控制开关器件的 通断 其优点是所得 SPWM 波形最接近 正弦波 但由于三角波与正弦波交点有任意性 脉冲中心在一个周期内不等距 从而脉 宽表达式是一个超越方程 计算繁琐 难以实时控制 如图 4 2 所示 图中截取了任 意一段正弦调制波与三角载波一个周期的相交情况 交点 A 是发生脉冲的时 刻 B 点是结束脉冲的时刻 Tc为三角载波的周期 t1和 t3是间歇时间 t2为 AB 之间的脉宽时间 Tc t1 t2 t3 南京工程学院毕业设计说明书 论文 15 图 4 2 生成 SPWM 波形的自然采样法 若以单位量 1 表示三角载波的幅值 Ulm 则正弦调制波的幅值就是调制 M 正弦波可写作 uM M sin 1t 4 1 式中 1 是调制波频率 即逆变器输出频率 4 3 24 3 2 规则采样法规则采样法 规则采样法是一种应用较广的工程实用方法 一般采用三角波作为载波 其原 理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波 再以阶梯波与三角波的交点时刻控 制开关器件的通断 从而实现 SPWM 法 当三角波只在其顶点 或底点 位置对正弦 波进行采样时 由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽 在一个载波周期 即采样周 期 内的位置是对称的 这种方法称为对称规则采样 当三角波既在其顶点又在底点 时刻对正弦波进行采样时 由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽 在一个载波周 期 此时为采样周期的两倍 内的位置一般并不对称 这种方法称为非对称规则采样 规则采样法是对自然采样法的改进 其主要优点就是是计算简单 便于在线实时运 算 其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦 其缺点是直流电压利用率较低 线性控制范围较小 规则采样 SPWM 控制算法的仿真研究 这里用MATLAB 来仿真实用 的规则采样 SPWM 控制算法 由于在 SimPowerSystem 中没有相应的 PWM 仿 真模块 所以要自行建立规则采样SPWM 控制仿真模块 图 4 3 是模块的结 构 南京工程学院毕业设计说明书 论文 16 图 4 3 规则采样 SPWM 控制仿真模块 在图 4 8 表示的模块中 Pulse Generator 产生采样脉冲 一个脉冲周期 对应于一个规则采样周期 counter 是计数器 对脉冲的个数进行计数 采样 脉冲的总个数与常数 0 5 相加 可以保证在每个采样周期的中点进行采样 采 样脉冲的总个数乘以脉冲周期与连续时间的差值可以得出每个采样周期内的定 时基 图 4 4 是用规则采样控制仿真模块仿真得出的SPWM 信号波形图 图 4 9 用规则采样控制仿真模块仿真得出的SPWM 信号波形图 4 4 4 4 SPWM 逆逆变变器器 如图 5 3 中 SPWM 三相逆变器主电路由六个全控式功率开关器件构成三相逆 变桥 它们各有一个继流二极管反并联结 整个逆变器由三相不可控整流器提供电 压为 Ud 的直流电压 若有同一桥臂上下两个开关交替地导通与关断 则输出脉冲 在 和 之间变化 这样得到双极式的 SPWM 波形 南京工程学院毕业设计说明书 论文 17 图 5 3 SPWM 三相逆变器主电路 图 5 3 所示为双极性脉宽调制波形 图中三角波C 为载波 正弦波 M 为 调制波 当载波与调制波曲线相交时 在交点的时刻产生控制信号 用来控制 功率开关器件的通断 就可以得到一组等幅而脉冲宽度正比于对应区间正弦波 曲线函数值的矩形脉冲 SPWM 逆变器输出基波电压的大小和频率均由调 制电压来控制 逆变桥在工作时 同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲 系列的规律交替地导通和关断 当改变调制电压的幅值时 脉宽随之改变 即 可改变输出电压的大小 当改变调制电压的频率时 输出电压频率随之改变 但 正弦调制波最大幅值必须小于三角波的幅值 否则输出电压的大小和频率就将 失去所要求的配合关系 图 5 4 双极型脉宽调制波形 南京工程学院毕业设计说明书 论文 18 第第五五章章 转转速速开开环环变变频频调调速速仿仿真真系系统统的的设设计计 5 5 1 1 变变频频调调速速仿仿真真系系统统的的建建立立 图 5 1 是在 Simulinks 环境下建立的变频调速系统仿真模型框图 在图 5 1 中 包括了三相异步电动机的模型Motor 脉宽调制控制电路的 模型 PWM Generator 逆变器的模型 IGBT Inverter 电动机的控制变量的测量 输出装置 Demux 南京工程学院毕业设计说明书 论文 19 图 5 1 在 Simulinks 环境下建立的变频调速系统仿真模型框图 交流变频调速 系统中主要环节是变频器的设计 如图 5 1 所示 变频调 速 系统仿真模型中 交 直 交变频器 它的 工作原理是把工频交流电通过整流器变 成平滑直流 然后利用半导体器件 IGBT 组成的三 相逆变器 将直流电变成可变频率的交流电 由于采用微处理器的正弦脉宽调 制 SPWM 方法 使输出波形近似正弦波 用于驱动异步电机 实现无级调 速 利用变频器可以根据电机负载的变化实现自动 平滑的增速或减速 基本 保持异步电机固有特性转差率小的特点 具有效率高 范围宽 精度高且能无 级变速的优点 5 5 2 2 转转速速开开环环恒恒压压频频比比控控制制的的交交流流异异步步电电动动机机调调速速系系统统仿仿真真设设计计 5 5 2 2 1 1 交交流流电电动动机机减减压压软软启启动动 设设计计 在有限容量的供电系统中较大容量的 交流电动机起动时 由于起动电流 过大 会引起电网电压突然下降 瞬时电压动态降落 而影响其他用电设备的 正常工作 所以一般较大容量的交流电动机起动都采用某一种 减压或减频 起动方式 以减小起动电流 但还要保证有足够大的起动转矩 传统的减压起 动方法有星 三角换接起动和 自耦变压器 降压起动 等 现在应用晶闸管交流调 压原理的软起动器已经大量面市 晶闸管软起动器可以通过电压的调节 限制 起动电流 并且使电动机有较大的起动转矩 在起动结束后再经过接触器切除 软起动器 让电动机直接连接三相电源完成启动过程 南京工程学院毕业设计说明书 论文 20 软起动电路由三相晶闸管调压电路 和软起动控制器 给定积分器 触发 器等组成 起动时通过控制器使晶闸管控制角从大到小变化 而电动机电压从 小到大逐次上升 仿真电路如图 5 2 所示 通过仿真可以研究软起动器的控制 曲线 电流限制效果和电动机转矩的情况 图 5 2 交流电动机软起动模型的仿真模型 在模型中 异步电动机模块使用模型的蕴含参数 三项电阻Ra Rb Rc 仅是为检测 交流调压器输出的相电压而设置的 通过多路检测器 Multimeter 检 测电阻两端电压来观察交流调压器输出电压波形 模型的控制部分由 Step GI 和 Fen 三个模块组成 其中 Step 给出阶跃起动信号 GI 模块用于 设定起动曲线函数 Fen 用于使控制信号与触发器输入信号要求相匹配 给定积 分 GI 分 支模块的构成 如图 5 3 所示 其中放大器 Gain 的作用是使积分时 间常数不受放大器输入偏差大小的影响 所以放大倍数可以取大些 限幅器 Saturaction 用于设定时间常数 调节限幅器的上下限可以调节给定积分器输 出曲线的上升斜率 晶闸管三相调压器给电动机供电时 晶闸管控制角的移相 范围受一定限制 当控制角较大时 调压器失去调压作用 调压器输出全电压 南京工程学院毕业设计说明书 论文 21 图 5 3 给定积分 GI 分支模块 利用该交流电动机软起动模型对电动机空载起动过程进行仿真 并与电动 机全压直接起动相比较 如图 5 4 所示可以看到 采用软起动方式 电动机的 起动电流显著减小 而全压起动的起动时间短 软起动达到额定转速的时间要 长 但是起动过程更平稳 a 南京工程学院毕业设计说明书 论文 22 b c 图 5 4 交流电动机软起动仿真图 a 软起动电动机输入电压有效值 b 软起动电流瞬时值 c 软起动电动机转速 变化过程 南京工程学院毕业设计说明书 论文 23 5 5 2 2 2 2 交交流流变变频频调调速速系系统统的的 仿仿真真控控制制 转速开环恒压频比控制是交流电机变频调速最基本的控制方式 一般变频 调速装置都带有这项功能 恒压频比的转速开环工作方式能满足大多数场合交 流电动机调速控制的要求 并且使用方便 是通用变频器的基本模式 采用恒 压频比控制 在基频以下的调速过程中可以保持电动机气隙磁通基本恒定 在 形同转矩条件下电动机的转差率基本不变 所以电动机有较硬的机械特性 使 电动机有较好的调速性能 但是如果频率较低 定子阻抗压降所占比重较大 电动机难以保持气隙磁通不变 电动机的最大转矩将随频率的下降而减小 为 了使电动机在低频低速时仍有较大的转矩 需要进行低频电压补偿 在低频时 适当提高定子电压 使电动机仍有较大的转矩 恒压频比变频调速系统的基本 原理结构如图 5 5 所示 系统由升降速时间设定 U f 曲线 SPWM 调制和 驱动等环节组成 其中升降速时间设定用来限制电动机的升频速度 避免转速 上升过快而造成电流和转矩的冲突击 起软起动控制的作用 U f 曲线用于根 据频率确定相应的电压 以保持压频比不变 U f 常数 并在低频时进行适 当的电压补偿 SPWM 和驱动环节将根据频率和电压要求产生按正弦脉宽调制的 驱动信号 控制逆变器以实现电动机的变压变频调速 图 5 5 恒压频比变频调速系统原理图 控制单元说明 1 转速给定积分环节 GI 设置目的 将阶跃给定信号转变为斜坡信号 以消除阶跃给定对系统 产生的过大冲击 使系统中的电压 电流 频率和电动机转速都能稳步上升或 下降 以提高系统的可靠性及满足一些生产机械的工艺要求 2 函数发生器 U f 特性 设置目的 实现 Us fs C 的控制方式 前面讨论过 在变压变频调速系 南京工程学院毕业设计说明书 论文 24 统 Us f fs 即电动机定子电压是定子频率的函数 函数发生器就是根据给定 积分器输出的频率信号 产生一个对应于定子电压的给定信号 以实现电压 频率的协调控制 变频器中以下几项内容与 函数发生器有关 1 按照不同负载要求设定不同的Us fs C 特性曲线 2 当变频器高于基频工作时 采用恒功率控制 这就要保证变频器输出 电压不能高于电动机的额定输入电压 可通过Us fs C 函数发生器的输出 限幅来保证 3 节能控制 电动机处于轻载工作时 适当降低电压 可以使输出电流 下降 减小损耗 可通过改变Us fs C 曲线的斜率来实现 3 电流限制调节器由于本系统没有电流闭环控制 不能直接控制变频器输出 电流 当负载加重或电动机堵转时 输出电流超过设定的最大电流Ismax 后 如果电流进一步增加或长期工作 会损坏变频器和电动机 为了避免这一现象 的发生 当 Isf Ismax 时 通过降低变频器输出电压的方法 来减小变频器输 出电流 因此电流限制调节器的作用是 在IsfIsmax 时 电流限制调节器有相应的输出 使变频器输出电 压降低 保证变频器输出不发生过电流 4 I R 补偿环节 在低频时 为了保证磁通恒定 变频器引入了I R 补偿环节 根据负 载性质及负载电流值适当提高Usg 修正 Us fs C 特性曲线 达到使 Us fs C 5 转差补偿环节 由于是开环频率控制 调速系统的机械特性较软 为了提高机械特性 硬度 在系统中设置了转差补偿环节 转差补偿机理可以按图5 6 所示来解 释 当负载由 TL1 增大到 TL2 时 电动机转速由 n1 降到 n2 转差由 n1 增 加到 n2 其差值为 n2 n1 n 按 n 值相应提高同步转速 ns 由 ns1 提 高到 ns2 使其机械特性曲线 ns1 平行上移得到机械特性曲线ns2 与 n1 直线 相交于 A2 点 从而使 n1 保持不变 达到补偿转差的目的 这样在 电动机运行中 当负载增加时 也能做到维持转速基本不变 南京工程学院毕业设计说明书 论文 25 图 5 6 转差补偿图解 6 SPWM 生成 SPWM 生成环节与光耦驱动电路框图如图5 7 所示 图 5 7 SPWM 生成环节及光耦驱动电路框图 7 主电路 交 直 交电压源型 IGBT 功率变换器电路如图 5 8 所示 图中 整流桥 UR 是由二极管组成的三相桥式不控整流电路 逆变桥UI 是由 IGBT 组成的三 相桥式电路 图 5 8 电压源型 IGBT SPWM 交 直 交变频器主电路 8 电流实际值检测 电流实际值检测主要用于输出电压的修正和过流 过载保护 通过检测变频 器输出电流 进行过流 过载计算 当判断为过流 过载后 发出促发脉冲封 锁触发器 停止变频器运行 确保变频器和电动机的安全 南京工程学院毕业设计说明书 论文 26 5 5 2 2 3 3 交交流流变变频频调调速速 系系统统的的仿仿真真步步骤骤 转速开环变频调速系统的仿真模型如图5 5 所示 图 5 5 转速开环变频调速系统的仿真模型 图中逆变器 电动机 SPWM 生成等主要模块提取路径见表5 1 南京工程学院毕业设计说明书 论文 27 表 5 1 转速开环变频调速系统模型模块提取路径 模块名称标识名称提取路径 交流异步电动机as motor Power system blockset Machine Asynchronous 电动机测量单元Machine measurement Power system blockset Machine Measurement Demux 逆变器SPWM BridgePower system blockset Power Electronice Universal Bridge 频率给定fHzSimulink source constant 取整数IntegerSimulink functions MATLAB Fcn SPWM 生成PWM Generator Power system blockset Extra Library control blocks PWM generator V FFcnSimulink functions Fcn 三相调制正弦信号ua ub ucSimulink functions Fcn 三相信号合成DemuxSimulink signals Mux 多路测量仪MultimeterSimPowerSystems Application Libraries mearsurements 有效值测量RMSSignal Processing Blockset Signal Management Statistics 南京工程学院毕业设计说明书 论文 28 利用 SIMULINK 环境仿真变频调速系统的过程 可以分为如下几个步骤 1 根据要仿真的系统框图 在SIMULINK 窗口的仿真平台上构建仿真模型 此过程要首先打开 SIMULINK 窗口和浏览器 将需要的典型环节模块 如表 5 1 所示 提取到仿真平台上 然后将平台上的模块一一连接 形成仿真的系统框 图如图 5 5 所示 2 设置模块参数 完成模块提取和组成仿真模型后 需要给各个模块赋值 这 时 用鼠标双击模块图标 弹出模块参数对话框 并在对话框中输入模块参数 输入完成 后点击 OK 按钮 对话框自动关闭 该模块的参数设置完成 3 设置仿真参数在对绘制好的模型进行仿真前 还需确定仿真的步长 时间和 选取仿真的算法等 也就是设置仿真参数 设置仿真参数可点击 SIMULINK 窗口 的菜单上的 Simulation 在下拉的子菜单中点击 Simulation Parameters 命令或用键盘 中的 Ctrl E 键 这时弹出仿真参数设置的对话框 对话框中有 Solver Workspace I O Diagnostics Advanced 和 Real Time Workshop5 大项内容 其中最常需设置的是 解算器 Solver 4 启动仿真 在模块参数和仿真参数设置完毕后即可以开始仿真 在 Simulation 菜单的子菜单中点击 Start 或用键盘中的 Ctrl T 键即可进入仿真 5 观测仿真结果 在模型仿真计算完毕后重要的是观测仿真的结果 在 SIMULINK 中最常用的观测仪器是示波器 Scope 这时只要双击该示波器模块就可 以打开示波器观察到以波形表示的仿真结果 5 5 2 2 4 4 变变频频调调速速仿仿真真系系统统 模模块块参参数数设设置置 1 SPWM Generator 模块参数 1 Generator Mode 指明产生的脉冲的路数 这主要取决于控制的逆变 器的类型 单项 T 型电路包含一个桥臂 相应地需要PWM Generator 模块产 生两路脉冲 单相 H 型电路包含两个桥臂 相应地需要产生4 路脉冲 三相 逆变器包含三个桥臂 相应地需要产生6 路脉冲 PWM Generator 模块最多可 以控制两个三相逆变器 这时需要产生12 路脉冲 该仿真系统中选择 6 路脉 冲 2 Carrier frequency Hz 选择三角载波信号的频率 该仿真系统中载 波频率为 1500Hz 3 Internal generator of modulating signal 如果选择了这项 调制信号将 南京工程学院毕业设计说明书 论文 29 由模块内部产生 否则调制信号由模块外部产生 该系统中调制信号由外部产 生 不需选择这项 4 generation Modulation index 0 m 1 选择调制比 m 用来控制输出的 电压基波信号的幅值 只有当选择了Internal generation of modulating signal 才需要选择这一项 5 Frequency of output voltage 选择输出基波电压的频率 实际就是选 择调制函数的频率 只有当选择了Internal generation of modulating signal 才 需要选择这项 脉冲宽度调制器的仿真模块可以在SimPowerSystems 中调用 在图 5 1 中就调用了 Discrete PWM Generator 模块 图 5 2 SimPowerSystems 中的 Discrete PWM 模块的内部结构 图 5 2 Discrete PWM Generator 模块 可以看出 Discrete PWM Generator 模块纯粹是由 Simulinks 中的模型构成 的 其产生 PWM 信号的原理使用三相正弦调制信号与三角波载波信号进行瞬 时值的比较 显然这是纯原理性的PWM 算法 如果需要研究其他的PWM 算法 需要自己另外构造相应的模块 2 逆变器模块参数 1 Power Electronic device IGBT Diodes 2 Port configuration ABC as output terminals 3 Snubber Rs le5 Cs eps 4 Ron le 3 5 Tail Tf le 6s Tt 2e 6s 南京工程学院毕业设计说明书 论文 30 在第 1 项中设置逆变器中开关元件的类型 在这里设置为 IGBT Diodes 开关器件是 IGBT Diodes 是续流元件 在第 2 项中设置三相桥式电路的结构类型 将ABC 做为输出端 三相桥 式电路就成为将直流电压逆变为交流电压的逆变器 如果将ABC 作为输入端 就成为整流器 逆变器模型中包括了开关元件的缓冲电路 第 3 项就是设置阻容缓冲电 路的电阻和电容值 作为特殊情况 如果把Cs 值设置为无限大 inf 就相当 于短路 缓冲电路为纯电阻电路 如果把Cs 值设置为 MATLAB 中的机器零 eps 就相当于开路 事实上取消了缓冲电路 对