交直交变频调速系统的仿真研究毕业论文.docx

交直交变频调速系统的仿真研究毕业论文1. 绪 论1.1 交流调速技术发展的概况与趋势在很长的一个历史时期内，直流调速系统以其所具有优良的静、动态性能指标垄断调速传动应用领域。但随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显示出来。由于换向器的存在，使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们转向结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的异步电动机，但异步电动机的调速性能难以满足生产要求，于是，从20世纪30年代开始，人们就致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢。在相当长时期内，直流调速一直以性能优良领先于交流调速。60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美、相竞争，目前，交流调速已进入逐步取代直流调速的时代。电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。50年代末出现了晶闸管，由晶闸管构成的静止变频电源输出方波或阶梯波的交流变电压，取代旋转变频机组实现了变频调速，然而晶闸管属于半控型器件，可以控制导通，但不能由门极控制关断，因此由普通晶闸管组成的逆变器用于交流调速必须附加强迫换相电路。70年代以后，功率晶闸管(GTR)、门极关断晶闸管（GTO晶闸管）、功率MOS场效应晶闸管（Powewr MOSFET）、绝缘栅双极晶闸管（IGBT）、MOS控制晶闸管（MCT）等已先后问世，这些器件都是技能控制导通又能控制关断的自关断器件，又称全控型器件。它不再需要强迫换相电路，使得逆变器构成简单、结构紧凑。IGBT由于兼有MOSFET和GTR的优点，是用于中小功率目前最为了流行的器件，MCT则综合了晶闸管的高电压、大电流特性和MOSFET的快速开关特性，是极有发展前景的大功率、高频功率开关器件。电力电子器件正在向大功率化、高频化、模块化、智能化发展。80年代出现的功率集成电路（Power ICPIC），集功率开关器件、驱动电路、保护电路、接口电路于一体，目前已应用于交流调速的智能功率模块（Intelligent Power ModuleIPM）采IGBT作为功率开关，含有电流传感器、驱动电路及过载、短路、超温、欠电压保护电路，实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，及减少了体积、减轻了重量，有提高了可靠性，使用、维护都更加方便，是功率器件的重要发展方向。随着新型电力电子器件的不断涌现，变频技术获得飞速发展。以普通晶闸管构成的方波型逆变器被全控型高频率开关器件组成横的脉宽调制（PWM）逆变器取代之后，SPWM逆变器及其专用芯片得到了普遍应用。磁通跟踪型PWM逆变器以不同的开关模式在电机中产生的实际磁通去逼近定子磁力链的给定轨迹理想磁通圆，即用空间电压矢量方法决定逆变器的开关状态，形成PWM波形。由于控制简单、数字化方便，已呈现出取代传统SPWM的趋势电力流跟踪型PWM逆变器为电流控制性的电压源逆变器，兼有电压和电流控制型逆变器的优点，滞环电流跟踪型PWM逆变器更因其电流动态响应快、实现方便，受到重视。目前，随着器件开关频率的提高，并借助于控制模式的优化以消除指定谐波，以使PWM逆变器的输出波形逼近正弦波。但在电网侧，尽管以不空整流器取代了相控整流器，使基波功率因数（位移因数）接近于1，然而电流谐波分量大，总功率因数仍很低，消除对电网的谐波污染并提高功率因数已构成变频技术不可回避的问题。为此，在国外已引起广泛关注。PWM逆变器工作频率的进一步提高将受到开关损耗的限制，特别是大功率逆变器，工作频率不取决于器件开关速度而受限于开关损耗。近年研究出的写真型逆变器是一种新型软开关逆变器，由于应用写真集舒适功率开关在零电压或令电流下进行开关状态转换，开关损耗几乎为零，使效率提高、体积减小、重量减轻、成本降低，是很有发展前景的逆变器。在变频技术日新月异地发展的同时，交流电动机控制技术取得了突破性进展。由于交流电动机是多变量、强耦合的非线性系统，与直流电动机相比，转矩控制要困难得多。70年代初提出的矢量控制理论解决了交流电动机的转矩控制问题，应用坐标变换奖三项系统等效为两相系统，在经过安转子磁场定向的同步旋转变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电动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优良的静、动态性能，开创了交流调速与直流调速相竞争的时代。直接转矩控制是80年代中期提出的又一转矩控制方法，其思路是把电机与逆变器看做一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过磁通跟踪型PWM逆变器的开关状态直接控制转矩。因此，无需对定子电流进行解耦，免去了矢量变换的复杂计算，控制结构简单，便于实现全数字化，目前正受到各国学者的重视。近10多年来，各国学者致力于无速度传感器控制系统的研究，利用检测定子电压、电流等容易测量的物理量进行速度估算以取代速度传感器。其关键在于在线获取速度信息，在保证较高控制精度的同时，满足实时控制要求。速度估算的方法，除了根据数学模型计算电动机转速外，目前应用较多的有模型参考自适应法和扩展卡尔曼滤波法。无传感器控制技术不需要检测硬件，也免去了传感器带来的环境适应性、安装维护等麻烦，提高了系统可靠性，降低了成本，因而引起了广泛兴趣。微处理机引入控制系统，促进了模拟控制系统向数字控制系统的转化。数字化技术使得复杂的矢量控制得以实现，大大简化了硬件，降低了成本提高了控制精度，而自诊断功能和自调试功能的实现又进一步提高了系统可靠性，节约了大量人力和时间，操作、维修都更加方便。微机运算速度的提高、存储器的大容量化，将进一步促进数字控制系统取代模拟控制系统，数字化已成为控制技术的方向。随着现代控制理论的发展，交流电动机控制技术的发展方兴未艾，非线性解耦控制、人工神经网络自适应控制、模糊控制等各种新的控制策略正在不断涌现，展现出更为广阔的前景，必将进一步推动交流调速技术的发展。目前，交流调速系统的主要应用方向可分为如下三大类。（1）以节能目的的改恒速为可调速在原来大量的交流不调速领域（如风机、水泵、压缩机等）中，改直流启动为软启动；改恒速为可调速；在调速性能要求不高的场合，为降低成本采用开环调速。仅以泵的控制改造为例，节电高达20%以上。（2）以少维护省力为目的的取代直流调速系统在直接关系到生产和人身安全的重要场合，为减少直流电机的故障和节省维护时间，改用交流调速系统。如直流电梯改为交流电梯，有利于保证人身安全，增加正常运转运营时间；直流轧机改为交流轧机，可以大大节省检修时间，提高生产效率；电动汽车中采用交流驱动，可以减小体积和重量，提高可靠性。（3）直流调速难以实现的领域在直流电机很难实现的大容量高速领域，交流调速系统可以大显身手。如电动机车、厚板轧机、高速电钻等。从多方面来看，交流调速系统完全可以取代直流调速系统，并将为工业生产以及节电节能等方面带来巨大的经济效益和社会效益。1.2 研究变频调速的目的与意义异步电动机的变频调速属转差功率不变型调速，是异步电动机各种调速方案中效率最高、性能最好的一种调速方法，是交流调速的主要发展方向。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，研究异步电动机的调速系统，对于提高经济效益具有十分重要的现实意义。由电机学可知，异步电动机的转速表达式为:(1-1)式中 电动机的输出转速； 为电机的定子供电频率； 电动机的转差率； 电机的极对数。由公式(1-1)可知，实现异步电动机输出速度的改变，主要通过3类方式来实现，即改变电机的极对数、变化转差率以及改变供电频率。目前常见到的具体实现调速方案有：变极调速、调压调速、串级调速以及变频调速等。其中变极调速方式属于有级调速，调速范围窄，应用场合有限；调压调速方式是以消耗转差功率为代价，不利于节能，一般应在中小型风机、泵类等功率调速系统中；串级调速是以消耗部分转差功率为代价较前者在节能方面略胜一筹，是一种结构简单，实现方便，较为经济方式，多用在绕线式异步电动机技术改造中；变频调速是最为理想的异步电动机调速方式，以其高效率和高性能等优势成为交流调速中目前应用最为广泛的调速方案之一。目前交流传动己经上升为电气调速传动的主流，直流传动系统占统治地位的局面已经受到强烈的冲击。推广使用可调速电动机及其控制系统的节能具有广阔的前景，在不久的将来，交流电气传动将会完全取代直流电气传动。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，其中异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。使之成为国内外企业采用电机节能方式的首选。因此，提高电机系统的效率，对节约电能意义十分重大。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，高精确的调速精度，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。因为了研究交直交变频调速系统，本论文主要利用Matlab/Simulink仿真工具，搭建交直交变频调速系统的仿真模型，通过对系统各部分参数的设定对该系统进行仿真，根据仿真结果，分析三相异步电动机交流交直交变频调速的工作原理与工作特性及变频器对电机的影响等，实现优化系统设计，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。1.3 交流调速的研究情况（1）电力电子器件的使用现代交流调速技术的快速发展和电力电子技术的发展是分不开的，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。从20世纪50年代末晶闸管问世以来，经过几十年的发展，电力电子器件得到了迅猛的发展。从只能触发导通而不能控制关断的半控型器件（如Thyristor晶闸管），到可以控制导通和关断的全控型器件（如GTO门极可关断晶闸管、GTR电力晶闸管）；从电流控制到电压（电场）控制（如IGBT绝缘栅双极型晶闸管、MOSFET电力场效应晶闸管），它们的使用使得开关高频化的PWM 技术成为可能。 目前功电力电子器件正向大功率、高频化、集成化、智能化、易触发、低损耗和好保护等方向发展。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。电压型交直交变频器的中间直流环节采用大电容作储能元件，无功功率将由大电容来缓冲，不具有四象运行能力。对于负载电动机而言，电压型变频器相当于一个交流电压源，在不超过容量限度的情况下，可以驱动多台电动机并联运行。电压型PWM 变频器在中小功率电力传动系统中占有主导地位，是目前发展最快，应用最广的变频器。但电压型变频器的缺点在于电动机处于制动(发电)状态时，回馈到直流侧的再生电能难以回馈给交流电网，要实现这部分能量的回馈，网侧不能采用不可控的二极管整流器或一般的可控整流器，必须采用可逆变频器，这种再生能量回馈式高性能变频器具有直流输出电压连续可调，输入电流 (网侧电流)波形基本为正弦波，电压波形为矩形波，功率因数保持为1并且能量可以双向流动的特点。电流型交直交变频器的中间直流环节采用大电感作储能元件，无功功率将由大电感来缓冲，它的一个突出优点是当电动机处于制动 (发电)状态时，只需改变网侧可控整流器的输出电压极性即可使回馈到直流侧的再生电能方便地回馈到交流电网，构成的调速系统具有四象限运行能力，能很好地实现电机的制动功能，可用于频繁加减速等对动态性能有要求的单机应用场合。交交变频器电路具有效率高，可实现四象限工作，低频输出波形接近正弦波。但它接线复杂，输入电流谐波大，输入功率因数低，受电网频率和变流电路脉波数的限制，所以一般只用于低速（低频）的大容量调速传动中。为此，矩阵式交交变频器应运而生。矩阵式交交变频器是近年出现的一种新颖的变频电路，它是直接的变频电路，采用全控型的开关器件，以斩波方式控制，具有功率密度大，没有中间直流环节，输入功率因数为1，输入电流为正弦波，以及具有能量双向流动、四象限运行能力和输出频率不受电网频率的限制的优点。（2）脉宽调制( PWM)技术的应用PWM技术是伴随自关断器件的发展而发展起来的。PWM技术适应于很多技术领域，如直流斩波、正弦波整流器、谐波吸收、无功补偿和变频装置等。PWM技术应用于变频器的控制，可以改善变频器的输出波形，降低谐波，并减小转矩脉动。同时也可简化变频器的结构，加快调节速度，提高系统的动态响应性能。目前发展最快、最常用的变频器是电压型PWM变频器，这是一种很有发展前途的变频调速方法。PWM 技术利用功率半导体器件的高频开通和关断，把直流电压变成按一定的宽度规律变化的电压脉冲序列，以实现变频与变压，并有效地抑制和消除谐波的影响。PWM控制技术一般可分为三大类，即:正弦PWM、优化PWM 及随机PWM。正弦PWM 包括电压、电流和磁通的正弦PWM ，正弦PWM一般随着功率器件开关频率的提高而得到很好的性能。在中小功率交流传动的系统中被广泛的采用。但是对于大容量的电力变换装置来说，太高的开关频率会增加开关的损耗，而且大功率器件的开关频率目前还不能做得很高，在这种情况下，优化PWM 技术正好符合装置的需要。特定谐波消除法 (Selected Harmonic Mi-inationPWM,SHE PWM)、效率最优PWM和转矩脉动最小PWM都属于优化PWM技术的范畴。对于普通的PWM变频器，其输出电流往往含有较大的谐波成分，谐波电流的存在，会使电动机定子产生振动而发出电磁噪声而且还容易引起电动机的机械共振，导致系统的稳定性降低。为了解决以上问题，可以提高功率器件的开关频率，但这会增加开关的损耗；另一种解决方法是随机地改变功率器件的导通位置和开关频率，使变频器输出电压的谐波成分均匀地分布在较宽的频带范围内，从而抑制那些幅值比较大的谐波成分，以达到抑制电磁噪声和机械共振的目的，这就是随机PWM 技术。（3）应用矢量控制技术、直接转矩控制技术及现代控制理论 交流传动系统中的交流电动机是一个多变量、非线性、强祸合、时变的被控对象，VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)控制是从电动机稳态方程出发研究其控制特性，动态控制效果很不理想。20世纪70年代初提出用矢量变换的方法来研究交流电动机的动态控制过程。它其原理是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相/二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1及Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1及It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿对直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。但是在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。此外，它必须直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，这需要在控制系统中配置转子位置或速度传感器，这显然给许多应用场合带来不便。为了解决系统复杂性和控制精度的问题，又提出了直接转矩控制方法。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。（4）全数字控制技术的应用随着微电子技术的快速发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到了很大的提高，实现了模拟控制无法实现的复杂控制，这使得全数字化控制系统有望取代模拟控制系统。在使用数字控制时，要求的采样频率较高，通常高于。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。 全数字控制具有如下特点：1）精度高。数字计算机的精度与字长有关，变频器中使用16位乃至32位微型机作为控制机，精度在不断提高。2）稳定性好。由于控制信息为数字量，不会随时间发生漂移。与模拟控制不同，它一般不会随温度和环境条件发生变化。3）可靠性高。微型机采用大规模集成电路，系统中的硬件电路数量大为减少，相应的故障率大大降低。4）灵活性好。系统中硬件向标准化、集成化方向发展，可以在尽可能少的硬件支持下由软件去完成复杂的控制功能。适当地修改软件，就可以改变系统的功能或提高其性能。5）存储能力强。存储容量大，存放时间几乎不受限制，这是模拟系统不能比拟的。6）逻辑运算能力强。容易实现自诊断、故障记录、故障寻找等功能，使变频装置可靠性、可使用性、可维修性大大提高。 （5）开发新型电动机和无机械传感器技术交流传动系统的发展对电动机本体也提出了更高的要求。电动机设计和建模有了新的研究内容，如三维涡流场的计算、考虑转子运动及外部变频供电系统方程的联解、电动机阻尼绕组的合理设计及笼条的故障检测等。为了更详细地分析电动机内部过程，如绕组短路或转子断条等问题，多回路理论应运而生。随着永磁材料特别是钦铁硼永磁的发展，永磁同步电动机(Permanent-Magnet Synchronous Motor, PMSM)的研究逐渐热门和深入，由于这类电动机无需励磁电流，运行效率、功率因数和功率密度都很高，因而在交流传动系统中获得了日益广泛的应用。在高性能的交流调速传动系统中，转子速度 (位置)闭环控制往往是必需的。为了实现转速 (位置)反馈控制，须用光电编码器或旋转变压器等与电动机同轴安装的机械速度(位置)传感器来实现转子速度和位置的检测。但机械式的传感器有安装、电缆连接和维护等问题，降低了系统的可靠性。对此，许多学者开展了无速度 (位置)传感器控制技术的研究，即利用检测到的电动机出线端电量 (如电机电压、电流)，估测出转子的速度、位置，还可以观测到电动机内部的磁通、转矩等，进而构成无速度 (位置)传感器高性能交流传动系统。该技术无需在电动机转子和机座上安装机械式的传感器，具有降低成本和维护费用、不受使用环境限制等优点，将成为今后交流电气传动技术发展的必然趋势。（6）变频调速系统产生的谐波对交流电机负载运行的影响电机的转速和电源的频率是线性关系，变频器就是利用这一原理将50Hz的工频电通过整流和逆变电路转换为频率可调的交流电源。从结构来看，变频器可分为间接变频和直接变频两大类。间接变频将工频电流通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换成频率和电压可控的交流。直接变频器则将工频交流直接变换成频率和电压可控的交流，没有中间的直流环节。目前变频调速系统应用较多的还是间接变频器，即交直交变频器。由于变频器供电侧电流中会含有谐波，这些谐波电流注入电网后将对电网的电能质量产生不利影响，而其逆变电路输出侧产生的高次谐波也会给电动机带来诸如发热加剧、转矩脉动及噪声等问题，甚至造成电机损坏，另外，谐波还对通信以及电子设备产生严重干扰，影响周围设备的正常运行。因此，研究变频器的谐波特性将有利于提高交流传动系统的可靠性和工作效率。1.4 论文内容安排本论文主要介绍基于变频器的交直交变频调速系统的仿真研究。全文共5章。第一章 绪论：主要介绍交流调速技术的发展概况、研究变频调速的目的与意义、交流调速的研究分析及介绍论文章节内容的安排。第二章 系统仿真技术：主要介绍仿真技术的概述，仿真软件与仿真步骤，及对变频调速系统的大概简介。第三章 交直交变频调速系统的仿真研究：主要介绍变频调速系统的构成、交直交变频调速系统的优势特性及交直交变频调速的应用等。第四章 交直交变频调速系统工作原理研究及实验仿真：本章是该论文的核心部分，主要介绍变频调速系统的设计与谐波对系统的影响、整流器的工作原理研究及仿真分析、逆变器输出谐波的仿真研究及交直交变频调速的仿真研究。第五章 结论与展望。系统仿真技术2.1 系统仿真技术的概述系统是由客观世界中实体与实体间的相互作用和相互依赖的关系构成的具有某种特定功能的有机整体。系统的分类方法是有多种多样的，习惯上依照其应用范围可以将系统分为工程系统和非工程系统。工程系统的含义是指由相互关联部件组成的一个整体，以实现特定的目的。例如电机驱动自动控制系统是由执行部件、功率转换部件以及检测部件所组成，用它来完成电机的转速、位置和其他参数控制的某个特定目标。非工程系统的定义范围很广，大至宇宙，小至原子，只要存在着相互关联、相互制约的关系，形成一个整体，实现某种目的的均可以认为是系统。如果想定量地研究系统地行为，可以将其本身的特性及内部的相互关系抽象出来，构造出系统的模型，系统的模型分为物理模型和数学模型。由于计算机技术的快速发展和广泛应用，数学模型的应用越来越普遍。系统的数学模型是描述系统动态特性的数学表达式，用来表示系统运动过程中的各个量的关系，是分析与设计系统的依据。从它所描述的系统的运动性质和数学工具来分，又可以分为连续系统、离散时间系统、离散事件系统及混杂系统等。还可细分为线性、非线性、定常、时变、集中参数、分布参数、确定性、随机等子类。系统仿真是根据被研究的真实系统的数学模型研究系统性能的一门重要的学科，现在尤指是利用计算机去研究数学模型行为的方法。计算机仿真的基本内容包括了系统、算法、模型、计算机程序设计与仿真结果显示、分析与验证等环节。 2.2 仿真软件与仿真步骤2.2.1 仿真软件电力拖动自动控制系统的动态过程是非常复杂的，这是由变流器电机系统的非线性何不连续性引起的。因此，当研究一种控制的方案时，通常的做法是将电气传动系统在计算机上进行仿真。这样在建立线路实验模型之前，即可对性能进行详细的研究。电气传动系统覆盖着纳秒级的电子器件暂态过程、毫秒级的控制其调节过程和秒级的机电过渡过程。因此，对于电力电子系统必须分别研究其变流器部分和系统部分。前者需要采用精确的电力电子器件模型；后者则只需采用理想化的器件模型，包括理想化的交流器和系统的完整传动系统，避免了诸多的假定条件和复杂的数学运算，是系统的设计和研究更加直观、实际。在电力拖动自动控制系统中，直流电动机、异步电动机和同步电动机的电气动态特性可以分别用不同阶数的非线性微分方程表示。此方程可以以定子作为参考系统，或者采用同步旋转参考系统。整流器和逆变器可以准确的用开关电路表示，并忽略其离散时间性质，经过变换与电机模型合并起来。待反馈控制的变流器电机模型可以在计算上进行仿真，对控制参数可以进行细微的调整，得到所需要的性能。另一种研究方法是利用小信号扰动原理，对变流器电机系统进行稳定性分析，一旦得到满意的仿真性能，就可以着手进行模拟线路实验，并与仿真结果进行比较。近年来多个著名的仿真软件已成功的应用于电力电子仿真，如MATLAB、Pspice、Saber、IsPspice、dSPACE等。当前电子技术已经全面进入了数字化时代，为了大幅度提高效率，在研制新型电子系统过程中，往往首先提出一个新的设想；然后对其进行仿真以验证设想的可行性，并预测其性能参数；在达到了预期的效果之后，在进行硬件的实现。这种方法已经逐步成为科研工作的一种主要模式，其中进行系统仿真是其重要的一环。2.2.2 电子系统的仿真步骤一般来说，一个电子系统可以抽象为由线性器件和非线性器件组成的数学模型，而电子系统仿真就是根据适当的模型对实际的电子系统进行实验研究的过程。数学模型的建立是进行系统仿真的基础，也是进行系统仿真必须首先解决的问题。数学模型的正确与否、与实际电子 系统的近似程度都会直接影响仿真的结果。数学模型的建立通常又称为系统建模，它是对电子系统进行仿真的一个重要的环节。在确定了电子系统的数学模型之后，就可以用适当的仿真语言或仿真工具对系统进行仿真。在电子系统的数学模型建立起来后，必须利用一种或几种合适的仿真算法编制仿真程序，进而进行电子系统的仿真实验。仿真算法、仿真语言和仿真程序构成了数学仿真软件。对于电子系统来说，可以采用的仿真语言有很多种，其中MATLAB语言具有非常突出的优点，目前已经成为电子系统的首选的仿真语言，在科研与教学领域内被广泛使用。一般来说，电子系统的仿真可以分为如下五个步骤：1、根据要分析的电子系统，建立相应的数学模型；2、找到合适的仿真算法；3、应用仿真语言编制计算程序；4、根据初步的仿真结果对该数学模型进行验证；5、进行系统仿真并认真分析仿真结果。上述五个步骤之间是有连带关系的，不可能将它们完全分离开。在实际仿真时，往往反复重复前四个步骤，以保证数学模型的正确性和仿真算法的可行性。2.3 仿真工具Simmulink的概述Simulink是MATLAB软件的扩展，是用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，是面向系统结构的方便的仿真工具。它支持线形和非线性系统，能在连续时间、离散时间或两者的复合情况下建模。系统也能采用复合速率，也就是不同的部分用不同的速率来采样和更新。Simulink提供一个图形化用户界面用于建模，用鼠标拖拉块状图表即可完成建模。在此界面下能像用铅笔在纸上一样画模型。相对于以前的仿真需要用语言和程序来表明不同的方程式而言有了极大的进步。Simulink拥有全面的库，如接收器，信号源，线形及非线形组块和连接器。同时也能自己定义和建立自己的块。模块有等级之分，因此可以由顶层往下的步骤也可以选择从底层往上建模。可以在高层上统观系统，然后双击模块来观看下一层的模型细节。这种途径可以深入了解模型的组织和模块之间的相互作用。在定义了一个模型后，就可以进行仿真了，用综合方法的选择或用Simulink的菜单或MATLAB命令窗口的命令键入。菜单的独特性便于交互式工作，当然命令行对于运行仿真的分支是很有用的。使用scopes或其他显示模块就可在模拟运行时看到模拟结果。进一步，可以改变其中的参数同时可以立即看到结果的改变，仿真结果可以放到MATLAB工作空间来做后处理和可视化。模型分析工具包括线性化工具和微调工具，它们可以从MATLAB命令行直接访问，同时还有很多MATLAB的toolboxes中的工具。因为MATLAB和Simulink是一体的，所以可以仿真、分析，修改模型在两者中的任一环境中进行。2.4 变频调速系统2.4.1 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。2.4.2 变频调速的种类在各种异步电机调速系统中，效率最高、性能最好的系统是变频调速系统。 从式（11）中可以看出，当异步电动机的磁极对数Pn一定，转差率s定时，改变异步电动机定子绕组供电电源的频率可以达到调速目的，如果频率连续可调，则可平滑地调节异步电动机的转速，即为变频调速原理。像三相异步电动机在运行时，忽略定子阻抗压降时，定子每相电压为: （2-1）式中为气隙磁通在定子每相中的感应电动势；为定子电源频率；为定子每相绕组匝数；为基波绕组系数，为每极气隙磁通量。如果改变频率，且保持定子电源电压不变，则气隙每极磁通将增大，会引起电动机铁芯磁路饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机，这是不允许的。因此，降低电源频率时，必须同时降低电源电压，已达到控制磁通的目的。对此，需要考虑基频（额定频率f=50Hz）以下的调速和基频以上调速两种情况。（一）基频以下变频调速为了防止磁路的饱和，当降低定子电源频率时，保持为常数，使气每极磁通为常数，应使电压和频率按比例的配合调节。这时，电动机的电磁矩为： （2-2）上式对求导，即，有最大转矩和临界转差率为： （2-3）由上式可知：当常数时，在较高时，即接近额定频率时，随着的降低，减少的不多；当较低时，较小；相对变大，则随着的降低，就减小了。显然，当降低时，最大转矩不等于常数。保持常数，降低频率调速时的机械特征如图1所示。这相当于他励直流电机的降压调速。 a）基频以下调速（常数）b）基频以上调速（=常数）图1 变频调速的机械特性（二）基频以上变频调速在基频以上变频调速时，也按比例身高电源电压时不允许的，只能保持电压为不变，频率越高，磁通越低，是一种降低磁通升速的方法，这相当于它励电动机弱磁调速。保持=常数,升高频率时，电动机的电磁转矩为 （2-4） 上式求，得最大转矩和临界转差率为 （2-5）由于较高，、和比大的多，则上式变为 （2-6）因此，频率越高时，越小，也越小。保持 为常数，升高频率调速时的机械特性如图1（b）所示。 交直交变频调速系统的研究变频调速系统的构成交直交变频调速系统主要主要包括交直交变频器、控制对象（交流电动机）和利用于反馈的各种传感器等三部分，其中交直交变频器的电源输入端接到三相交流电源上。交直交变频器按输出电源性质不同又可分为交直交电压型变频器和交直交电流型变频器。交直交变频器的优劣决定了交直交变频调速系统控制效果的优劣。 3.1.1 变频器调速原理变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备，它的原理是利用功率半导体器件如IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到调速、节能、保护系统的目的。而交直交变频器则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平滑滤波，再经过逆变器把这个直流电流变成频率和电压都可变的交流电。它的主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，大体上可分为两类，即：电压型与电流型变频器。电压型变频器是将电压源的直流变换为交流，其直流回路滤波的是电容。这种整流变频装置具有结构简单、谐波少、定子与转子功率因数可调等优点，可以明显地改善电机的运行状态。电流型变频器是将电流源的直流变换为交流，其直流回路滤波的是电感。这种整流变频装置在应用于双馈调速中时，由于在同步调速时需要换流电路，在低转差频率的条件下性能也比较差，所以在双馈调速中应用的不多。变频器是交直交变频调速的主要部分，其基本构成如图3-1所示，它由整流、滤波、逆变等部分组成。 图3-1变频调速系统的结构原理图交流电源经整流、滤波、逆变后变成直流电源，再通过逆变器的有规则的导通和截止使之输出频率可变的电源。其主回路主要由三部分构成：将工频电源变换为直流电源的“整流器”；吸收由整流器和逆变器回路产生的电压脉动的“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”。（1）整流器部分整流器是一个整流装置，简单的说就是种将工频交流电源变换成直流电源的装置。它有两个主要功能：第一，将交流电变成直流电，经滤波后供给负载，或者供给逆变器；第二，给蓄电池提供充电电压。因此，它同时又起到一个充电器的作用。（2）滤波回路部分滤波回路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。在整流器的整流后的直流电压中，含有六倍的电源频率的脉动电压。此外，逆变器的回路产生的脉动电流也使直流电压发生波动。为了抑制这些波动的电压，而采用直流电抗器和电容器来吸收脉动电压或电流。在装置容量较小的时候，如果电源的输出阻抗和整流器的容量足够时，可以省去直流电抗器而直接采用简单的阻容滤波回路。 （3）逆变器部分逆变器与整流器相反，它的作用是在所确定的时间里使六个功率开关管有规则地导通、关断，从而将直流电能转变成交流电（一般为220V,50Hz正弦波）。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。3.1.2 变频器容量的确定变频调速是通过变频器来实现的，对于变频器容量的确定至关重要。变频器的容量直接关系到变频调速系统的运行可靠性，因此，合理的容量将保证最优的投资。变频器的容量选择在实际操作中存在很多误区，根据现有资料和经验，这里给出了三种基本的容量选择方法，它们之间互为补充。1、从电流的角度大多数变频器容量可从三个角度表述：额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后两项，变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。选择变频器时，只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。需要着重指出的是，确定变频器容量前应仔细了解设备的工艺情况及电动机参数，例如潜水电泵、绕线转子电动机的额定电流要大于普通笼形异步电动机额定电流，冶金工业常用的辊道用电动机不仅额定电流大很多，同时它允许短时处于堵转工作状态，且辊道传动大多是多电动机传动。应保证在无故障状态下负载总电流均不允许超过变频器的额定电流。 2、从效率的角度系统效率等于变频器效率与电动机效率的乘积，只有两者都处在较高的效率下工作时，则系统效率才较高。从效率角度出发，在选用变频器功率时，要注意以下几点： （1）变频器功率值与电动机功率值相当时最合适，以利变频器在高的效率值下运转。 （2）在变频器的功率分级与电动机功率分级不相同时，则变频器的功率要尽可能接近电动机的功率，但应略大于电动机的功率。 （3）当电动机属频繁起动、制动工作或处于重载起动且较频繁工作时，可选取大一级的变频器，以利用变频器长期、安全地运行。 （4）经测试，电动机实际功率确实有富余，可以考虑选用功率小于电动机功率的变频器，但要注意瞬时峰值电流是否会造成过电流保护动作。 （5）当变频器与电动机功率不相同时，则必须相应调整节能程序的设置，以利达到较高的节能效果。3、从计算功率的角度 对于连续运转的变频器必须同时满足以下3个计算公式： 满足负载输出： 满足电动机容量： 满足电动机电流： 式中为变频器容量（单位kW），为负载要求的电动机输出功率（单位kW），为电动机额定电压（单位V），为变频器的额定电流，为电动机额定电流（单位A），为电动机效率（通常约为085），为电动机功率因数（通常约为075），k是电流波形补偿系数（由于变频器的输出波形并不是完全的正弦波，而含有高次谐波的成分，其电流应有所增加，通常K约为1.051.1）。变频器容量选定过程，实际上是一个变频器与电机的最佳匹配过程，最常见、也较安全的是使变频器的容量大于或等于电机的额定功率，但实际匹配中要考虑电机的实际功率与额定功率相差多少，通常都是设备所选能力偏大，而实际需要的能力小，因此按电机的实际功率选择变频器是合理的，避免选用的变频器过大，使投资增大。虽然变频调速有诸多优点，但也有其不利因素，主要问题是电流中含高次谐波较多，除对电网有污染外，也使电机自身增加损耗，引起电机发热。再有，变频器价格贵、投资回收器长、技术复杂、尤其在实现闭环自动控制时，还需进行技术处理。3.1 交直交变频调速的优势特性交流电动机的调速方法有三种：变极调速、改变转差率调速和变频调速。其中，变频调速最具优势。变频调速具有调速范围较大，精度高；调速时平滑性好，效率高，低速时，特性静关率较高，相对稳定性好；起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显；变频器体积小，便于安装、调试、维修，易于实现过程自动化。与直流调速系统相比，交流变频调速系统具有明显的优势。在直流调速系统中，由于直流电动机具有电刷和整流子的存在，因而要时常对直流电机进行检修，而且直流电机还不能安装在有易爆气体和尘埃多的场合。这限制了直流电机向大容量、高转速的方向发展。但是交流电机就不存在这些问题，主要表现在以下几个方面：第一，由于直流电机是以电刷为机械换向的，因而它的换向受到了限制，它的电枢电压做的不是很高，一般最高的只能做到一千多伏，但是交流电机的电枢电压可做到6-10kV。第二，直流电机常制成双电枢的形式，它的单机容量也比较小一般在12-14MW左右，而交流电机的单机容量可以做成大于直流电机数倍。第三，在同等容量的情况下，直流电机的体积、价格及重量等要比交流电机的大；第四，由于直流电机受换向器的机械强度的约束，其额定转速会随着电机的额定功率的减小而降低，一般为每分钟数百转到一千多转左右，而交流电机的转速可达到每分钟数千转。在节约能源方面，交流调速系统比直流调速系统有着很大的优势。一方面，交流变频器的拖动负荷在总用电量中占的比重有一半或一半以上，这些负荷若能实现节能，则可以获得十分可观的节能效益；另一方面，交流变频器拖动本身就存在可以挖掘的节电潜能。由于交流电机在带有负荷情况下的运行不是总在最大的负荷情况下运行的，所以在交流调速系统中，一般在选用交流电机时往往会留有一定的余量。如果利用变频调速技术，在轻载时，通过对电机的转速进行控制，就能达到节电的目的。在工业上大量使用的风机、水泵、压缩机等设备，它们的用电量约占工业用电量的50%左右；如果采用变频调速技术来调速的话，则既可以提高电机的效率，又可以减少不必要的电能消耗。3.2 交直交变频调速的应用由于交流变频调速技术具有很大的优越性，使得它在发达的工业国家得到了广泛的应用。像美国，有60%-65%的发电量是用于电机驱动的，在有效的利用变频调速技术的情况下，仅在工业传动方面的用电就节约了近15%-20%的电量，具有很大的经济效益。这即达到调速的要求又达到节能的目的，符合当今的发展理念。采用变频调速，一般主要基于下面几个因素的考虑：1、可实现软启动与制动的功能，以减小启动电流的冲击；2、交流电机总是在低的转差率下运行，以减小电机转子的损耗；3、变频调速系统的自身损耗比较小，其工作效率高。另外，在采用变频调速时，还需从工艺的要求、节约效益和投资回收等各方面考虑。如果仅从工艺的要求与节约效益的方面考虑，则按以下几个方面来选用变频调速比较好：1、根据工艺的要求，生产线或单台设备需要按程序或按要求调整电机速度的。如：包装机传送系统，根据不同品种的产品，需要改变系统传送速度，使用变频调速可使调速控制系统结构简单，控制准确，并易于实现程序控制。2、用变频调速代替机械变速的。如：机床，不仅可以省去复杂的齿轮变速箱，还能提高精度、满足程序控制要求。3、用变频调速代替用闸门或挡板调整流量适于风机、水泵、压缩机等的。例如：锅炉上水泵、鼓风机、引风机在实行变频调速控制，不仅省去了伺服放大器、电动操作器、电动执行器和给水阀门（或挡风板），而且使得整个锅炉锅炉控制系统得到了快速的动态响应、高的控制精度和稳定性。1. 交直交变频调速系统的实验仿真研究4.1 变频调速系统的设计与谐波对系统的影响4.1.1 系统研究的设计方案本课题设计的是交直交变频调速系统的仿真研究，由电机转速和电源频率的线性关系，通过自己搭建的一个交直交变频调速的方案来研究交直交变频调速的基本原理、工作特性和各部分的基本作用以及变频调速系统输出端产生的谐波对交流调速系统运行的影响。对交直交变频调速系统的仿真研究需要从下几个模块进行研究，包括降压模块、整流模块、逆变模块、负载模块及测量模块。变频调速系统的主回路主要有三大部分构成：将工频电源转换为直流电源的“整流器”部分；吸收由整流器和逆变器回路产生的电压脉动的“滤波回路”部分；将直流电变换为交流电的“逆变器”部分。并根据设计方案利用Matlab/Simulink仿真工具，搭建仿真模型并对其输出的仿真波形进行研究，并对谐波的部分进行分析，以及分析输出的谐波对交流电机负载运行的影响。对交直交变频器的基本原理和基本组成部分进行研究。然后选定合适的电压源，进行降压，然后通过对整流器的分析选定合适的整流方案并对此进行分析研究。再通过对逆变器的分析和研究，选定合适的逆变器并设计搭建合适的逆变器的仿真模型方案。这些研究要根据负载模块的相关的要求来确定，如：负载的电压、频率等的要求。然后，对交直交变频调速系统的基本特性进行研究，并与其他的调速方法进行比较，说明交直交变频调速的优越性，确定它的基本参数。并在前面的理论基础上利用仿真工具Matlab/Simulink中搭建仿真模型的方法。为后面成功的搭建交直交变频调速系统的模型和仿真进行准备。最后在成功的搭