交直交变频调速系统仿真分析研究修改V

1、摘要随着电力电子技术、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。因此，研究交一直一交变频调速系统的基本工作原理和作用特性意 义十分重大。本文研究了变频调速系统的基本组成部分，主回路主要有三部分组成：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”。使用Matlab/Simul

2、ink搭建交一直一交变频调速系统的仿真模型，通过实 验对该交一直一交变频调速系统的基本工作原理、工作特性及作用有更深的认 识，也对谐波对于交一直一交变频调速系统的影响有了一定的了解。关键词：交一直一交变频，整流，逆变，谐波，仿真。II / 54AbstractWith power electr onic tech no logy, computer tech no logy, automatic con troltechno logy is develop ing rapidly, AC variable-freque ncy system tech no logy has been deve

3、lop ing rapidly. Sign ifica nt en ergy efficie ncy and precisi on and broad scope ofspeed con trol, perfect protect ion and easy to impleme nt automatic com muni cati ons,all which have win the many users acceptanee . Therefore, studying the AC-DC-ACvariablefrequency systerm for the role of the basi

4、c working principle andcharacteristics of great sig nifica nee.In this paper we studied the basic component of the variable frequency speedregulatio n system.There are three main comp onen ts: the rectifier which con vertthe AC power into DC power。the loop filter can absorbed the voltage pulse which

5、the rectifier and inv erter circuit gen erated by,it is alsoe nergy storage circuit。the“inv erter converts the DC power in to the AC power. The n we usedthe Matlab /Simulink to build an AC-DC-AC Frequency Control System Simulation Model. Throughthe test of the AC-DC Freque ncy Con trol System to pay

6、 the basic worki ng prin cipleand work ing characteristics,we not only had a deeper un dersta nding of the role,butalso had a certa in degree of un dersta nding about the harm onic AC-DC-DC Frequency Con trol System.Key Words:AC-DC-AC variablerequency systerm,rectifier , inverter,harm oni cs,simulat

7、io n3 / 54目录摘要IAbstract1引言11.1交流调速技术的发展11.2交直交变频调速系统研究的目的与意义21.3研究现状分析32交直交变频调速系统的基本原理及特性研究72.1系统的构成82.2交直交变频的基本工作特性82.3交直交变频调速的优越性82.4交直交变频调速合理应用92.5变频器容量的确定102.6熟悉MATLAB的原理及应用及SIMULINK仿真113工作原理研究及仿真实验123.1设计方案123.2整流器的工作原理研究及实验123.2.1整流器的基本工作原理123.2.2整流器部分的实验研究与分析143.3逆变器的工作原理研究及其实验分析213.3.1逆变器的基本

8、工作原理213.3.2逆变器实验研究分析233.4交直交变频调速系统的实验研究分析303.4.1交直交变频调速系统模型的实验研究303.4.2交直交变频调速系统的运行仿真与分析363.5变频器输出谐波的影响383.5.1变频器输出谐波对负载的影响384 / 543.5.2谐波实验研究与分析逆变器部分）415 / 544结论45致谢46参考文献47附录一：整流模块仿真模型48附录二：交直交变频调速系统仿真模型491引言1.1交流调速技术的发展随着电机制造技术的不断进步，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

9、类电动机中应用最广、需要量最大的一种。在我国，异步电动机的用 电量约占总负荷的80%以上，其中风机、 泵类、 压缩机和空调制冷机的用电量分别 占全国用电量的10.4%, 20.9%, 9.4%和6%。从全球范围看，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。异步电动机的基本特点是，转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取 自交流电力系统。与其它电机相比，异步电动机的结构简单，制造、使用、维护方 便，运行可靠性高，重量轻，成本低。以三相异步电动机为例，与同功率、同转速 的直流电动机相比，前者重量只及后者的

10、二分之一，成本仅为三分之一。异步电动 机还容易按不同环境条件的要求，派生出各种系列产品。它还具有接近恒速的负载 特性，能满足大多数工农业生产机械拖动的要求。其局限性是，它的转速与其旋转 磁场的同步转速有固定的转差率，因而调速性能较差，在要求有较宽广的平滑调速 范围的使用场合(如传动轧机、卷扬机、大型机床、风机、水泵等，不如直流电动 机经济、方便。但是，直流电动机结构上存在机械换向器和电刷，使它具有一些难 以克服的固有缺点，如维修工作量大，事故率高，容量受换向条件的制约，使用环 境受限(特别在易燃、易爆、粉尘等场合难以应用。20世纪70年代初，席卷世界先进工业国家的石油危机迫使他们投入大量人力

11、和财力去研究高效节能的交流传动系统。到了二十世纪90年代，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， 其技术和性能胜过其它任何一种调速方式(如:降压调速、变极调速、滑差调速、 内反馈串级调速和液力偶合调速。所谓变频调速就是利用变频调速器从电网接收工频50HZ的交流电，经过恰当 的强制变换方法，将输入的给定频率交流电变换成为频率和幅值都可调节的交流电 输出到交流电动机，从而实现交流电动机的变速运行。2 / 541.2 交直交变频调速系统研究的目的与意义电动机调速的节能效果交流异步电动机的输出转速由下式确定I（1-1式中一电动机的输出转速。I输入的电源

12、频率。电动机的转差率：电机的极对数。由公式（1-1可知，电动机的输出转速与输入的电源频率、转差率、电机的极对数有关系，因而交流电动机的直接调速方式主要有变极调速（调整P、转子串电阻调速或串级调速或内反馈电机（调整s和变频调速（调整f等.通过流体力学的基本定律可知：风机（或水泵类设备均属平方转矩负载，其转 速n与流量Q、压力（扬程H以及轴功率P具有如下关系1 1-2）I1-3）I1-4）由公式（1-4可知，在其它运行条件不变的情况下，通过下调电机的运行速 度，其节电效果是与转速降落成立方的关系，因此，节电效果非常明显。例如在工 况只需要50%勺风量或水量时，则可以将电机的转速调节为额定的一半，而

13、此时电 机消耗的功率仅为额定的2.5%，即理论上节能可达87.5%.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

14、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3 / 54方面，也给使用者带来了极大的便利。因此，研究交直交变频调速系统将有利于提高系统的可靠性和工作效率。为了分析变频器对 电动机的影响，利用Matlab仿真工具，搭建交直交变频调速系统的仿真模 型，对系统进行仿真研究。1.3 研究现状分析(1)采用新型功率半导体器件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实用化，使 得

15、开关高频化的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， 可用于频繁加减速等对动态性能有要求的单机应用场合， 在大容量 风机、泵类节能调速中也有应用。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

16、由大电容来缓冲。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。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，功率因数保持为1并且能量可以双向流动的特点，代表一个新的技术发展动向，但成本问题限制了它 的发展速度。通常的交一交变频器都有输入

17、谐波电流大、输入功率因数低的缺点， 只能用于低速(低频大容量调速传动。为此，矩阵式交一交变频器应运而生。矩 阵式交一交变频器功率密度大，而且没有中间直流环节，省去了笨重而昂贵的储能 元件，它为实现输入功率因数为1,输入电流为正弦和四象限运行开辟了新的途 径。(2)用脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM技术随着电压型PWM变频器在高性能的交流传动系统中应用日趋广泛，PWM技 术的研究越来越深入。PWM利用功率半导体器件的高频开通和关断，把直流电压 变成按一定宽度规律变化的电压脉冲序列，以实现变频、变压并有效地控制和消除 谐波。PWM技术可分为三大4 / 54类:正弦P

18、WM、优化PWM及随机PWM。正弦PWM包括以电压、电流和磁通的正弦为目标的各种PWM方案.正弦PWM一般 随着功率器件开关频率的提高会得到很好的性能，因此在中小功率交流传动系统中 被广泛采用。但对于大容量的电力变换装置来说，太高的开关频率会导致大的开关 损耗，而且大功率器件如GTO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。普通PWM变频器的输出电流中往往含有较大的和功率器件开关频率 相关的谐波成

19、分，谐波电流引起的脉动转矩作用在电动机上，会使电动机定子产生 振动而发出电磁噪声，其强度和频率范围取决于脉动转矩的大小和交变频率。如果 电磁噪声处于人耳的敏感频率范围，将会使人的听觉受到损害。一些幅度较大的中 频谐波电流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，一种方法是提高功率器件的开关频率，但这种方法会使得开关损耗增加。另 一种方法就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，从而抑制某些幅值较大的谐波成分，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

20、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才空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，不但要控制各变量的幅值，同时还要控制其相 位，以实现交流电动机磁通和转矩的解祸，促使了高性能交流传动系统逐步走向实 用化。目前高动态性能的矢量控制变频器已经成功地应用在轧机主传动、电力机车 牵引系统和数控机床中。此外，为了解决系统复杂性和控制精度之间的矛盾，又提 出了一些新的控制方法，如直接

21、转矩控制、电压定向控制等。另外，智能控制技术 如模糊控制、神经元网络控制等也开始应用于交流调速传动系统中，以提高控制的 精度。(4)广泛应用微电子技术 随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大提 高，这使得全数字化控制系统取代以前的模拟器件控制系统成为可能。目前适于交 流传动系统的微处理器有单片机、数字信号处理器(Digital Sig nal Processor, DSP 、专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit, ASIC等。其中，高性 能的计算机结构形式采用超高速缓冲储存器、多总线结构、流水线结构和多处理器 结

22、构等。核心控制算法的实时完成、功率器件驱动信号的产生以及系统的监控、保 护功能都可以通过微处理器实现，为交流传动系统的控制提供很大的灵活性，且控 制器的硬件电路标准化程度高，成本低，使得微处理器组成全数字化控制系统达到 了较高的性能价格比。5 / 54(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20世纪80年代永磁材料特别

23、是钦铁硼永磁的发展，永磁同步电动机( Permanent-MagnetSynchronous 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

24、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 众所周知，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

25、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。6 / 542 交直交变频调速系统的基本原理及特性研究图 2-1 变频器调速系统的原理接线图变频器原理是利用电力半导体器件的通断作用将工频电

26、源变换为另一频率的电 能控制装置。交一直一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。交一直一交变频器又可以分为电压型和电流型两种，由于控制方法和硬件 设计等各种因素，电压型逆变器应用比较广泛。传统的电流型交直交变频器采用自 然换流的晶闸管作为功率开关，其直流侧电感比较昂贵，而且应用于双馈调速中， 在过同步速时需要换流电路，在低转差频率的条件下性能也比较差，在双馈异步风 力发电中应用的不多。采用电压型交直交变频器这种整流变频装置具有结构简单、 谐波含量少、定转子功率因数可调等优异特点，可以明

27、显地改善双馈发电机的运行 状态和输出电能质量，并且该结构通过直流母线侧电容完全实现了网侧和转子侧的 分离。变频器的整流部分通常采用三相6脉动桥式整流电路，因此，交流供电侧电流 中所包含的谐波主要是亠（k为正整数次谐波，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。在变频器的逆变侧，通过控制装置产生6组脉宽可调的PWM波控制三相的6组功率元件的导通和关断，从而形成电压、频率可调的 三相输出电压。变频调速系统的结构框图7 / 542.1 系统的构成交直交变频调速系统的基本构成如原理图2-1所示，它由整流、滤波、逆变等 部分组成。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

28、则 的导通和截止使之输出频率可变的电源。其主回路主要有三部分构成：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 近来大量使用的就是二极管整流器，它把工频电源变换为直流电源，电功率的 传送是不可逆的。(2)滤波回路 在整流器整流后的直流电压中，含有六倍电源频率的脉动电压，此外，逆变器 回路产生的脉动电流也使直流电压波动。为了抑制这些电压波动，采用直流电抗器 和电容器吸收脉动电压电流)。装置容量较小时，如果电源输出阻抗和整流器容 量足够时，可以省去直流电抗器而采用简单的阻容滤波回路。

29、(3)逆变器 同整流器相反，逆变器的作用是在所确定的时间里有规则地使六个功率开关器 件导通、关断，从而将直流功率变换为所需电压和频率的交流输出功率。2.2交直交变频的基本工作特性调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。 调速范围较大，精度高。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、维修简便。易于实现过程自动化。必须有专用的变频电源，目前造价较高。在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。2.3交直交变频调速的优越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。这里仅就交流变频调速系统与直

30、流调速系统做一比较。在直流调速系统中，由于直流电动机具有电刷和整流子，因而必须对其进行检 查，电机安装环境受到限制。例如：不能在有易爆气体及尘埃多的场合使用。此 外，也限制了电机向高转速、大容量发展。而交流电机就不存在这些问题，主要表 现为以下几点：第一，直流电机的单机容量一般为12 - 14MW，还常制成双电枢形式，而交流 电机单机容量却可以数倍于它。第二，直流电机由于受换向限制，其电枢电压最高 只能做到一千多伏，8 / 54而交流电机可做到6 - 10kV。第三，直流电机受换向器部分机 械强度的约束，其额定转速随电机额定功率而减小，一般仅为每分钟数百转到一千 多转，而交流电机的达到每分钟数

31、千转。第四，直流电机的体积、重量、价格要比 同等容量的交流电机大。最后，特别要指出的是交流调速系统在节约能源方面有着 很大的优势。一方面，交流拖动的负荷在总用电量中占一半或一半以上的比重，这 类负荷实现节能，可以获得十分可观的节电效益。另一方面，交流拖动本身存在可 以挖掘的节电潜力。在交流调速系统中，选用电机时往往留有一定余量，电机又不 总是在最大负荷情况下运行；如果利用变频调速技术，轻载时，通过对电机转速进 行控制，就能达到节电的目的。工业上大量使用风机、水泵、压缩机等，其用电量 约占工业用电量的50%；如果采用变频调速技术，既可大大提高其效率，又可减 少10%的电能消耗。2.4 交直交变频

32、调速合理应用交流变频调速技术在工业发达国已得到广泛应用。美国有60% - 65%的发电量 用于电机驱动，由于有效地利用了变频调速技术，仅工业传动用电就节约了15% - 20%的电量。采用变频调速，一是根据要求调速用，二是节能。它主要基于下面几个因素：(1)变频调速系统自身损耗小，工作效率高。(2)电机总是保持在低转差率运行状态，减小转子损耗。(3)可实现软启、制动功能，减小启动电流冲击。在采用变频调速时，需从工艺要求、节约效益、投资回收期等各方面考虑。如 果仅从工艺要求、节约效益考虑，下面几种情况选用变频调速较有利：(1)根据工艺要求，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

33、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。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。例如：锅 炉上水泵、鼓风机、引风机实行了变频调速控制，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。2.5 变频器容量的确定变频调速是通过变频器来实现的，对于变频器的容量确定至关重要。合理的容 量选择本9 /

34、 54身就是一种节能降耗措施。根据现有资料和经验，比较简便的方法有三 种：(1电机实际功率确定发 首先测定电机的实际功率，以此来选用变频器的容量(2公式法设安全系数取1.05,则变频器的容量为2-1)式中，匚I为电机负载；为电机功率计算出Pb后，按变频器产品目录可选出具体规格。为第n台电动机的额定电流，n为电机的台数。在任何情况下，都不能在连续使用时超过额定电流I，当一台变频器用于多台电机时，应满足电机额定电流法变频器 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，

35、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，弓I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。此外，不是任何情况下变频器都节电，如果电机负载变化不大，或深井泵配有 水塔，节电、节水效果都不大，就不宜使用变频调速。2.6 熟悉 Matlab 的原理及应用及 Simulink 仿真Matlab（ Matrix Laboratory的缩写是Mathwo

36、rks公司开发的一种集计算、图形 可视化和编辑功能于一体的功能强大、操作简便、易于扩充的语言，是目前国际上 公认的优秀的数学应用软件之一。Matlab系统的强大功能是由其核心内容语言系统、开发环境、图形系统、数 学函数库、应用程序接口等）和辅助工具箱符号计算、图象处理、优化、统计和控制等工具箱）两大部分构成。Simulink是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它可以处 理的系统包括：线性、非线性系统；离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散 事件系统。在Simulink提供的图形用户界面GUI上，只要进行鼠标的简单拖拉操作就可 构造出复杂的仿真模型。它外表以方块图形式呈现，且采

37、用分层结构。从建模角度 讲，这既适于自上而下vTop-down）的设计流程概念、功能、系统、子系统、直 至器件），又适于自下而上Bottum-up） 逆程设计。从分析研究角度讲，这种Simulink模型不仅能让用户知道具体环节10 / 54的动态细节，而且能让用户清晰地了解各 器件、各子系统、各系统间的信息交换，掌握各部分之间的交互影响。在Simulink环境中，用户将观察到现实世界中摩擦、风阻、齿隙、饱和、死 区等非线性因素和各种随机因素对系统行为的影响。在Simulink环境中，用户可 以在仿真进程中改变感兴趣的参数，实时地观察系统行为的变化。Simulink环境使 用户摆脱了深奥数学推演

38、的压力和烦琐编程的困扰。11 / 543工作原理研究及仿真实验3.1 设计方案在此次设计中是交直交变频调速系统的仿真研究，主要是通过一个具体的交直 交变频方案或者自己搭建一个交直交变频的方案来研究交直交变频的基本原理、工 作特性、各部分的基本作用及变频调速系统产生的谐波对负载运行的影响。对交直交变频调速系统进行仿真研究需要从几个模块分别进行研究， 例如有降 压模块、整流模块、逆变模块、负载模块及测量模块几个部分。其主回路主要有三 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”。之后利用

39、Matlab/Simulink搭建模型对其输出的波形进行仿真研究， 并进行谐波分析，并分析输出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，再进行降压，然后通过对整流器的分析研究选定合适的整流方案并进行研究分 析，通过对逆变器的研究和分析选定合适的逆变器并选定合适的逆变器搭建方案。 其中这些部分的研究要根据负载模块的相关要求来确定，例如：负载的电压、频率 等的要求。接下来要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作 比较说明其优越性，确定其基本的参数。并在前面的理论基础上熟悉和学会在Matlab/ Simulink中搭建

40、模型的方法。为后面成功搭建交直交变频调速系统的模型 和仿真作准备。在前面的基础上搭建交直交变频调速系统的仿真模型，并对其中的参数进行设 置进行仿真，对整流后的波形，逆变后的波形进行结果分析。3.2 整流器的工作原理研究及实验3.2.1整流器的基本工作原理在电容滤波器的三相不可控整流电路中，最常用的就是三相桥式结构。考虑电 感时电容滤波的三相桥式整流电路原理图如下图所示：12 / 54EVD图 3-1 a）考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路idla五VDIVD兀VDlcIRII R图 3-1b）考虑电感时电容滤波的波形13 / 54该电路中，当某一对二极管导通时，输出直流电压等于交流侧线电压中

41、最大 的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向 负载供电， 按指数规律下降。设二极管在距线电压过零点 角处开始导通，并以二极管丨和开始同时 导通的时刻为时间零点，则线电压为3-1)而相电压为3-2)在12时，二极管 |和 开始同时导通，直流侧电压等于 ；下一次同 时导通的一对管子是和I,直流侧电压等于回。这两段导通过程之间的交替 有两种情况，一种是在 和勺同时导通之前 和 丨是关断的，交流侧向直 流侧的充电电流 是断续的，另一种是 一直导通，交替时由 丨导通换相至I导通， 是连续的。介于二者之间的临界情况是，丨和冋 同时导通的阶段与 和勺同时导通的阶段在处恰好衔

42、接了起来，恰好连续。由“电压下降速度相等”的原则，可以确定临界条件。假设在的时刻“速度相等”恰好发生，则有可得壬,这就是临界条件。三三和三三分别是电流断续和连续的条件。对一个确定的装置来说，通常只有是可变的，它的大小反映了负载的轻重。因此可以说，在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的，重载时是连续的，分界点就是 -1322整流器部分的实验研究与分析以上分析的是理想的情况，未考虑实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲 击电流而串联的电感。当考虑上述电感时，电路的工作情况发生变化，其仿真过程 如下：在实验的运行阶段，需要对实验进行仿真，本软件采用自动化领域广泛使建模和设置参数：根据三相桥式全控整流电

43、路的原理图和实验过程中要求观测的波形，在模型窗口中引入模块并设置参数如下：1）从Electrical Sources模块库中复制运行仿真打开仿真/参数窗口，打开菜单，Simlatio nCon figuration ParametersSolver选 择ode23tb算法电容电流平均值为零，因此I（3-5在一个电流周期中，有六个波头，流过每一个二极管的是其中的两个波头，因此二极管电流的平均值为的1/3，即(3-63）二极管承受的电压二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值，为二图 3-5 整流滤波后电压波形 有效值）20 / 544）桥式整流电路电容量的确定电容滤波的计算比较麻烦，因为决定输出电

44、压的因素较多。工程上有详细的曲线可供查阅。一般常采用以下近似估算法：一种是在 _I的条件下，近似认为 _ 。桥式整流电路的 电容量一般几百到几万uF.3.3逆变器的工作原理研究及其实验分析3.3.1逆变器的基本工作原理逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压 型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。这里采用的电压型逆变电 路，下面构成、原理和特性进行介绍：其基本原理图如下：N图 3-6 设负载中点 与直流电源假想中点之间的电压为I,则负载各相的相电压分别为(3-8把上面各式相加并整理求得设负载为三相对称负载，则有I，故可得由此可以得出：1也是矩形波，但其频率

45、为丨频率的3倍，幅值为其1/3，即一。下面对三相桥式逆变电路的输出电压进行定量分析。把输出电压I展开成傅里叶级数得(3-11式中， - 为自然数。输出线电压有效值I为其中基波幅值 一1和基波有效值I分别为30 / 54(3-1331 / 54在上述的180导电方式的逆变器中， 为了防止同一相上下两桥臂的开关器件 同时导通而引起直流侧电源的短路，要采取“先断后通”的方法。即先给应关断的 器件关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，然后再给应导通的器件发出开通信 号，即在两者之间留一个短暂的死区时间。死区时间的长短要视器件的开关速度而 定，器件的开关速度越快，所留的死区时间就可以越短。3.4 交直交

46、变频调速系统的实验研究分析3.4.1交直交变频调速系统模型的实验研究根据以上整流部分和逆变部分的仿真模型连接起来再加上滤波和反馈环节搭建 交直交变频调速的整体仿真模型。其中为了使仿真模型的运行速度加快，反馈环节 的传递函数采用一阶延迟环节旦。搭建过程如下：5）从Electrical Sources模块库中复制F面再来对负载的相电压I进行分析。把其展开成傅里叶级数得式中， _为自然数。负载相电压的有效值 为其中的基波幅值和_1分别为(3-15(3-16(3-17(3-1832 / 54相位设置为0，连接方式Internalconnection设为Yg连接方式，33 / 54其它值采用默认值。屋B

47、lock FarameterE 25 k叽60 Hi 10 MVAThr*-fiFhaLfi； SouTca - ask) JlinkThree-phase voltage source in series with RL branch.ParaseterEFhais*tEhasc ras voltags：:鄭 | Jjy.生“二-6)从Tran sformer模块库中复制一个Three-Phase Tran sformer。设置Win di ng1connection (ABC term in als为Yg,Win di ng 2 connection (abc term in als为De

48、lta (D1。WElock Faranstsrs 5kV / 600V 50 kVAST34 / 54Three-Phase Transfoiaer 7:- Windines aak : irtk7hi七：Guk i益卫：云=丘匸亡a七=云nmf*:二丘r ty thi=& anjtra nmforiSEi立一Set the *indin connset ion tc Yn-cu rant to actes theneutral p-int of the Wye.Click the App：r or tht OK tut ton after a charge to the Units

49、 popup tc c:nfLIEthe c jnftTsicn of par sisters.r_” -h|_ _ Sonf i guratiDEfar i=st=r AivajiL=dS3 IhitPhase TranifcrEr 7icc ind:nj xaik linkThis blcck i.51=nts直thie=-itiaifi trarsEi cr*=r t： us Ing tiir= iinE-e-_Dnai=traEif2rs*ra. S=t the indmg ccnnectiDn tc Yn直hwnTQUFant tcthe neutrac4n.t nf th=Clic

50、k thw Applr cr 1E:吭tuttsn Sifto-r a han 0. 02 1P-*APP-T7）从Power Electronics模块库中复制一个通用三相电桥模块。参数设置为晋Block Fsi用说灯：2SkV / 600V 50 kVANosinaL pc fn ?EEAindinj 2 paja3*tfiiE V2 Fh*Ph (VTSS3RI (pu.rLX tpu.35 / 54tjjBlock Parameters: Rectifier一耳.Universal Eridgs二飯呂k (1ink；This blcsek isaplesent a tridee of

51、selected pwer electronies devices. Series RC KHLitter circuits ar* cpnneeted in pirallel irf.theach switch device. Fress Help for s.LigEti TiL：tb*r vilLi壘雪 fit电且the nEdl EdiKrstized. Far工雪t aEplisaticnsth intsTnal in du ct且n亡曇Lan cf diadsE且nd thyrl stsrs shcald; t* set to z&re8）从Elements模块库中复制2个

52、串联RLC模块，电容参数设置为 ,I；电感亠，36 / 549）从Power Electronics模块库中复制一个通用 三相电桥模块。 设置Power electronic device为IGBT-Diode bridge，参数设置为。tilBlck FsrafltslerE：FWI I5BT Inverter冰 丨Vnivsrsal ErLdgs-r 耳s；klinkThis block inpleasnt z. brdj:* of saZtctsd poTTfir *lectronicE davieeE. Series EC snubt er eircui tsSJI* r crma亡t

53、壘丘in par al1*1 with arh switch dvies. Frss.f crEUfEEtd. snubter values when the ncd&l is dis亡壬总七三二世EL rET3CE* applications the intsmal induetansze Lon cf diod=Eand thyristers should cs12 zroFarazj=t&T510）从Elements模块库中复制一个串联RLCvIoad）模块，电容参数设置为Elock Par airieters: 50 kW 3S0 V rms 50 Hz_7 tu e

54、e Ph aEe Paral lE!KLC Load ziask （liiik 二口舁a thr_Eha paTBLIV!LC lendFax arseter mCancelHelp1 537 / 547)Measurements模块库中复制2个电压测量模块和一个Multimeter模块。通过此模块可以任意选择其中几个元件的电流量测量8)从Sinks模块库中复制2个示波器模块Scope,通道数设置为4其中的滤波部分的内部搭建如下:图 3-12 LC 滤波电路的内部结构其参数设置如下:38 / 54将Three-PhaseSeries RLC Branch的bran ch type设为L,设定值

55、为2mH，将Three-PhaseSeries RLC Load的Con figuration设为Y(grou nded，电压为380V，频 率为50HZ。搭建的交直交变频调速系统模型见附录。按附录二搭建仿真电路模型，选用的主要模块的名称及提取路径见表3-3:表3-3仿真电路模块的名称和提取路径通用桥式电路模块 Un iversal BridgeSimPowerSystems/Electrical Source三相电压源SimPowerSystems/Power Electricnics串联 RLC 支路 R、CSimPowerSystems/Eleme ntsPWM脉冲发生器PWMSimPo

56、werSystems/Extra Library/C on trol Blocks三相双绕组变压器模块SimPowerSystems/Power Electricnics三相RLC负载LoadSimPowerSystems/Eleme nts电压测量模块和电流测量模块SimPowerSystems/Eleme nts一阶延迟1/Z模块SimPowerSystems/ Extra Library/Co ntrol Blocks稳压器模块SimPowerSystems/ Extra Library/Co ntrol Blocks示波器 ScopeSimuli nk/Si nks3.4.2交直交变频

57、调速系统的运行仿真与分析(1运行仿真打开仿真/参数窗口，选择ode23tb算法，将相对误差设置为1e-3,停止时间设置为0.1s，单击工具栏中的“开始”按钮开始仿真。仿真结束后双击示波器模39 / 54块可观测被测量的波形，改变模块参数可得到随之变化的仿真波形 其仿真波形如下：)3.Q1!赳卜 7” 1. 1 .!-1P111图 3-13 交直交变频调速系统的仿真波形40 / 5441 / 54图 3-14 变频前后电压波形 取一相)(2仿真波形分析：通过搭建的交直交变频调速系统的仿真结果分析可知，三相的交流电在经过整 流之后变成电压恒定的直流电压源，电压波形基本趋于恒定的直线。在经过逆变部

58、分之后的波形是脉宽可调的方波。而经过反馈和LC滤波之后变成频率可变的正弦波。而通过变频前后的波形可以看出变频之后的正弦波虽然频率变了，但是其波形 当中还有波动。说明该系统中还有谐波的影响，接下来我也将对该系统的谐波影响 进行一定的分析。3.5 变频器输出谐波的影响3.5.1变频器输出谐波对负载的影响众所周知，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

59、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，即交一直一交变频器本节将讨42 / 54论变频调速系统变频器输 出端的谐波及其对交流调速系统的影响。变频器的整流部分通常采用三相6脉动桥式整流电路，因此，交流供电侧流 中所包含的谐波主要是E ( k为正整数次谐波，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。在变频器的逆变侧，通过控制装置产生6组脉宽可调的PWM波控制三相的6组功率元件的导通和关断，从而形成电压、频率可调的 三相输出电压。由于输出的电压由PWM波和三角载波的交点产生的，不是标准的 正弦波，其中也含有一系列高次谐波，这些谐波将会对

60、电机和系统的性能带来一些 不利的影响。随着变频器的应用日益广泛，变频器的高次谐波对电网和负载产生的危害不容 忽视其中包括：(1对旋转电机(发电机和电动机户生附加功率损耗和发热、产生脉动转矩和噪声。此外，由整流器供电的电动机可引起明显的电压畸变。(2对无功补偿电容组引起谐振或谐波电流的放大，从而导致电容器因过负荷或过电压而损坏。为了补偿负载的无功功率，提高功率因数，常在负载处装有并联电容器。为了 提高系统的电压水平，常在变电所安装并联电容器。此外，为了滤除谐波，也会装 设由电容器和电抗器组成的滤波器。在工频频率下，这些电容器的容抗比系统的感 抗大得多，不会产生谐振。但对谐波频率而言，系统感抗大大增加而容抗大大减 少，就可能产