交直交變頻調(diào)速設(shè)計(jì)及仿真

1、摘要近些年來，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展， 交流傳動(dòng)與控制技術(shù)成為目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，電氣傳動(dòng)技術(shù)面臨著一場(chǎng)歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù) 已成為發(fā)展趨勢(shì)。變頻調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展被越來越多的應(yīng)用于電機(jī)控制領(lǐng)域中， 是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、 推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主 要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效 果，以及廣泛的適用范圍和調(diào)速時(shí)因轉(zhuǎn)差功率不變而無附加能量損失等優(yōu)點(diǎn)而被 國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為是最有發(fā)展前途的高效調(diào)速方式。所以，對(duì)交一直一交變頻調(diào)速系 統(tǒng)的基本工作原理和特

2、性的研究是十分有積極意義的。本文研究了變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本組成部分，主回路主要有三部分組成：將工 頻電源變換為直流電源的“整流器”；吸收由整流器和逆變器回路產(chǎn)生的電壓脈 動(dòng)的“濾波回路”，也是儲(chǔ)能回路；將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。 以Matlab/Simulink為仿真工具，搭建交一直一交變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，并 對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析研究。通過仿真試驗(yàn)對(duì)該交一直一交變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本工 作原理、工作特性及作用有更深的認(rèn)識(shí)，也對(duì)諧波對(duì)于交一直一交變頻調(diào)速系統(tǒng) 的影響有了一定的了解。第一章緒論1.1交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展概況在很長(zhǎng)的一個(gè)歷史時(shí)期內(nèi)，直流調(diào)速系統(tǒng)以其所具有優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)性能 指標(biāo)壟

3、斷調(diào)速傳動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域。但是隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，直流電機(jī)的缺點(diǎn)逐 步顯示出來，由于機(jī)械式換向器的存在使直流電機(jī)的維護(hù)工作量增加并限制了電 機(jī)容量、電壓、電流和轉(zhuǎn)速的上限值，加之故障率高、效率低、成本高、使用環(huán) 境受限等缺點(diǎn)，使其在一些大容量的調(diào)速領(lǐng)域中無法應(yīng)用。而異步電動(dòng)機(jī)特別是鼠籠異步電動(dòng)機(jī)，容量、電壓、電流和轉(zhuǎn)速的上限，不 像直流電動(dòng)機(jī)那樣受限制。而且異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組不需與其他電源相連，其 定子電流直接取自交流電力系統(tǒng)。 與其它電機(jī)相比， 異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 制 造、使用、維護(hù)方便，堅(jiān)固耐用，運(yùn)行可靠，重量輕，故障率低，成本低。以三 相異步電動(dòng)機(jī)為例， 與同功率、 同轉(zhuǎn)速的直流電動(dòng)

4、機(jī)相比， 前者重量只及后者的 二分之一， 成本僅為三分之一。 異步電動(dòng)機(jī)還容易按不同環(huán)境條件的要求， 派生 出各種系列產(chǎn)品。 它還具有接近恒速的負(fù)載特性， 能滿足大多數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械 拖動(dòng)的要求。但是在過去很長(zhǎng)的時(shí)間里由于交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速困難的致命缺點(diǎn)， 簡(jiǎn)單調(diào)速方 案不能得到很好的性能指標(biāo)。 20世紀(jì) 70年代之后，隨著交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的理論 問題的突破和調(diào)速裝置 （主要是變頻器） 性能的完善， 交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能的缺 點(diǎn)得到了克服，使得交流調(diào)速系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展， 其技術(shù)和性能勝過其它任何 一種調(diào)速方式 （ 如:降壓調(diào)速、變極調(diào)速、滑差調(diào)速、內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速和液力偶合調(diào)速） 。目前，交流調(diào)速系

5、統(tǒng)的性能已經(jīng)可以和直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵， 甚至可以超過并逐 步取代直流調(diào)速系統(tǒng)。 目前，從數(shù)百瓦級(jí)的家用電器到數(shù)千千瓦級(jí)乃至數(shù)萬千瓦 級(jí)的調(diào)速傳動(dòng)裝置， 可以說無所不包的都可用交流調(diào)速傳動(dòng)方式來實(shí)現(xiàn)。 交流調(diào) 速傳動(dòng)已經(jīng)從最初的只用于風(fēng)機(jī)、 泵類的調(diào)速過渡到針對(duì)各類高精度、 快響應(yīng)的 高性能指標(biāo)的調(diào)速控制。與直流調(diào)速系統(tǒng)相比，交流調(diào)速系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）容量大；（2）轉(zhuǎn)速高且耐高壓；（3）交流電動(dòng)機(jī)的體積、 重量、 價(jià)格比同等容量的直流電動(dòng)機(jī)小， 且結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)可靠、慣性小；（4）交流電動(dòng)機(jī)環(huán)境使用性強(qiáng)， 堅(jiān)固耐用，可以在十分惡劣的環(huán)境下使用；（5）高性能、高精度的新型交流拖動(dòng)系統(tǒng)已達(dá)同

6、直流拖動(dòng)系統(tǒng)一樣的性能 指標(biāo)；（6）交流調(diào)速系統(tǒng)能顯著的節(jié)能。從性能價(jià)格比的角度看， 交流調(diào)速裝置已經(jīng)優(yōu)于直流調(diào)速裝置。 交流調(diào)速系 統(tǒng)最終將取代直流調(diào)速系統(tǒng)。而交流調(diào)速傳動(dòng)控制技術(shù)之所發(fā)展得如此迅速，與一些關(guān)鍵性技術(shù)的突破 性進(jìn)展有關(guān)， 這些技術(shù)包括電力電子器件 （包括半控型和全控型器件） 的制造技 術(shù)、基于電力電子電路的電力變換技術(shù)、 交流電動(dòng)機(jī)的矢量變換控制技術(shù)、 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)、PWM （Pulse Width Modulation ）技術(shù)以及微型計(jì)算機(jī)和大規(guī)模 集成電路為基礎(chǔ)的全數(shù)字化控制技術(shù)等。控制相比，加、減速更為平滑，且容易 使系統(tǒng)穩(wěn)定。但是轉(zhuǎn)差頻率控制并未能實(shí)施對(duì)電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)

7、矩的閉環(huán)控制，而且動(dòng)態(tài)電流相位的延時(shí)會(huì)影響系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)響應(yīng)。目前，交流調(diào)速系統(tǒng)的主要應(yīng)用方向可分為如下三大類。（1）以節(jié)能目的的改恒速為可調(diào)速。在原來大量的交流不調(diào)速領(lǐng)域（如風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等）中，改直流啟動(dòng) 為軟啟動(dòng)；改恒速為可調(diào)速；在調(diào)速性能要求不高的場(chǎng)合，為降低成本采用 開環(huán)調(diào)速。僅以泵的控制改造為例，節(jié)電高達(dá) 20%以上。（2）以少維護(hù)省力為目的的取代直流調(diào)速系統(tǒng)。在直接關(guān)系到生產(chǎn)和人身安全的重要場(chǎng)合，為減少直流電機(jī)的故障和節(jié)省維 護(hù)時(shí)間，改用交流調(diào)速系統(tǒng)。如直流電梯改為交流電梯，有利于保證人身安 全，增加正常運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)營(yíng)時(shí)間；直流軋機(jī)改為交流軋機(jī)，可以大大節(jié)省檢修時(shí) 間，提高生產(chǎn)效率

8、；電動(dòng)汽車中采用交流驅(qū)動(dòng)，可以減小體積和重量，提高 可靠性。（3）直流調(diào)速難以實(shí)現(xiàn)的領(lǐng)域在直流電機(jī)很難實(shí)現(xiàn)的大容量高速領(lǐng)域，交流調(diào)速系統(tǒng)可以大顯身手。如電 動(dòng)機(jī)車、厚板軋機(jī)、高速電鉆等。從多方面來看，交流調(diào)速系統(tǒng)完全可以取代直流調(diào)速系統(tǒng)，并將為工業(yè) 生產(chǎn)以及節(jié)電節(jié)能等方面帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益【0】。1.2 研究變頻調(diào)速的目的與意義異步電動(dòng)機(jī)比直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、工作可靠、維護(hù)方便、效率高。 因此，研究異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)于提高經(jīng)濟(jì)效益具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。 由電機(jī)學(xué)可知，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：（1-1）式中n電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速；丿1為電機(jī)的定子供電頻率；s 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率

9、：P 電機(jī)的極對(duì)數(shù)。由公式（1-1）可知，實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)輸出速度的改變，主要通過 3類方式來實(shí)現(xiàn)， 即改變電機(jī)的極對(duì)數(shù)、變化轉(zhuǎn)差率以及改變供電頻率。目前常見到的具體實(shí)現(xiàn)調(diào) 速方案有：變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、串級(jí)調(diào)速以及變頻調(diào)速等。其中變極調(diào)速方式 屬于有級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍窄，應(yīng)用場(chǎng)合有限；調(diào)壓調(diào)速方式是以消耗轉(zhuǎn)差功率為 代價(jià)，不利于節(jié)能，一般應(yīng)在中小型風(fēng)機(jī)、泵類等功率調(diào)速系統(tǒng)中；串級(jí)調(diào)速是 以消耗部分轉(zhuǎn)差功率為代價(jià)較前者在節(jié)能方面略勝一籌，是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，較為經(jīng)濟(jì)方式，多用在繞線式異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)改造中； 變頻調(diào)速是最為理 想的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方式，以其高效率和高性能等優(yōu)勢(shì)，目前應(yīng)用最為廣泛。

10、通過流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機(jī)（或水泵）類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q、壓力（揚(yáng)程）H以及軸功率P具有如下關(guān)系Qi / Q2 = ni /門2（ 1-2）2H1 / H 2 = （nJ n2）（ 1-3）3P1 / P2 - （n1 / n2）（ 1-4）由公式（1-4）可知，在其它運(yùn)行條件不變的情況下，通過下調(diào)電機(jī)的運(yùn)行速度，其節(jié)電效果是與轉(zhuǎn)速降落成立方的關(guān)系，因此，節(jié)電效果非常明顯。例如在工況只需要50%勺風(fēng)量或水量時(shí)，則可以將電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為額定的一半，而此時(shí)電機(jī)消耗的功率僅為額定的2.5%，即理論上節(jié)能可達(dá) 87.5%.目前交流傳動(dòng)己經(jīng)上升為電氣調(diào)速傳動(dòng)的主流，直流傳動(dòng)系統(tǒng)

11、占統(tǒng)治地位的局面已經(jīng)受到強(qiáng)烈的沖擊。推廣使用可調(diào)速電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的節(jié)能具有廣闊的前景，在不久的將來，交流電氣傳動(dòng)將會(huì)完全取代直流電氣傳動(dòng)。電動(dòng)機(jī)作為風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、機(jī)床等各種設(shè)備的動(dòng)力，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)、公用設(shè)施和家用電器等各個(gè)領(lǐng)域，其中異步電動(dòng)機(jī)是各類電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用最廣、需要量最大的一種。使之成為國(guó)內(nèi)外企業(yè)采用電機(jī)節(jié)能方式的首選。因此，提高電機(jī)系統(tǒng)的效率，對(duì)節(jié)約電能意義十分重大。隨著電力電子技術(shù)、 計(jì)算機(jī)技術(shù)、 自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展， 交流變頻調(diào)速技術(shù)得到了 迅速發(fā)展，其顯著的節(jié)能效益，高精確的調(diào)速精度，寬泛的調(diào)速范圍，完善的保護(hù)功能，以 及易于實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)通信功能，得到了廣大用

12、戶的認(rèn)可，在運(yùn)行的安全可靠、 安裝使用、 維修 維護(hù)等方面， 也給使用者帶來了極大的便利。 因此， 研究交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)將有利于提高 系統(tǒng)的可靠性和工作效率。為了研究交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)， 本論文主要利用 Matlab/ Simulink 仿真工具 ，搭建 交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型， 通過對(duì)系統(tǒng)各部分參數(shù)的設(shè)定對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿 真，根據(jù)仿真結(jié)果， 分析 三相異步電動(dòng)機(jī)交流交直交變頻調(diào)速的工作原理與工作 特性及變頻器對(duì)電機(jī)的影響等， 實(shí)現(xiàn)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 這對(duì)高性能的變頻調(diào)速系統(tǒng) 具有一定的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。1.3 交流調(diào)速的研究分析（1）電力電子器件的使用現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的快速發(fā)展和電力電子

13、技術(shù)的發(fā)展是分不開的， 以電力為 對(duì)象的電子技術(shù)稱為電力電子技術(shù)。 它是一門利用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換、 傳輸?shù)膶W(xué)科，是現(xiàn)代電子學(xué)的一個(gè)重要分支。從 20 世紀(jì) 50 年代末晶閘管問世以來， 經(jīng)過幾十年的發(fā)展， 電力電子器件得 到了迅猛的發(fā)展。從只能觸發(fā)導(dǎo)通而不能控制關(guān)斷的半控型器件（如 Thyristor 晶閘管）,到可以控制導(dǎo)通和關(guān)斷的全控型器件 （如GTCH極可關(guān)斷晶閘管、GTR 電力晶閘管）；從電流控制到電壓（電場(chǎng)）控制（如IGBT絕緣柵雙極型晶閘管、 MOSFE電力場(chǎng)效應(yīng)晶閘管），它們的使用使得開關(guān)高頻化的 PWM技術(shù)成為可能。目前功電力電子器件正向大功率、高頻化、集成化、智能化

14、、易觸發(fā)、低損 耗和好保護(hù)等方向發(fā)展。典型的電力電子變頻裝置有電壓型交直交變頻器、 電流型交直交變頻器和交交變頻器三種。 電壓型交直交變頻器的中間直流 環(huán)節(jié)采用大電容作儲(chǔ)能元件， 無功功率將由大電容來緩沖， 不具有四象運(yùn)行能力。 對(duì)于負(fù)載電動(dòng)機(jī)而言， 電壓型變頻器相當(dāng)于一個(gè)交流電壓源， 在不超過容量限度 的情況下，可以驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。電壓型PWM變頻器在中小功率電力傳動(dòng)系統(tǒng)中占有主導(dǎo)地位， 是目前發(fā)展最快， 應(yīng)用最廣的變頻器。 但電壓型變頻 器的缺點(diǎn)在于電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng) （發(fā)電）狀態(tài)時(shí)，回饋到直流側(cè)的再生電能難以回饋 給交流電網(wǎng)， 要實(shí)現(xiàn)這部分能量的回饋， 網(wǎng)側(cè)不能采用不可控的二極管整流

15、器或 一般的可控整流器， 必須采用可逆變頻器， 這種再生能量回饋式高性能變頻器具 有直流輸出電壓連續(xù)可調(diào)，輸入電流 ( 網(wǎng)側(cè)電流 ) 波形基本為正弦波，電壓波形 為矩形波，功率因數(shù)保持為 1 并且能量可以雙向流動(dòng)的特點(diǎn)。 電流型交直交 變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作儲(chǔ)能元件， 無功功率將由大電感來緩沖， 它 的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng) ( 發(fā)電) 狀態(tài)時(shí)，只需改變網(wǎng)側(cè)可控整流器 的輸出電壓極性即可使回饋到直流側(cè)的再生電能方便地回饋到交流電網(wǎng)， 構(gòu)成的 調(diào)速系統(tǒng)具有四象限運(yùn)行能力， 能很好地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的制動(dòng)功能， 可用于頻繁加減 速等對(duì)動(dòng)態(tài)性能有要求的單機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合。交 - 交變頻器電路具有

16、效率高，可實(shí)現(xiàn) 四象限工作，低頻輸出波形接近正弦波。但它接線復(fù)雜，輸入電流諧波大，輸入 功率因數(shù)低，受電網(wǎng)頻率和變流電路脈波數(shù)的限制， 所以一般只用于低速 (低頻) 的大容量調(diào)速傳動(dòng)中。 為此， 矩陣式交一交變頻器應(yīng)運(yùn)而生。 矩陣式交一交變頻 器是近年出現(xiàn)的一種新穎的變頻電路， 它是直接的變頻電路， 采用全控型的開關(guān) 器件，以斬波方式控制，具有功率密度大，沒有中間直流環(huán)節(jié)，輸入功率因數(shù)為 1,輸入電流為正弦波， 以及具有能量雙向流動(dòng)、 四象限運(yùn)行能力和輸出頻率不受 電網(wǎng)頻率的限制的優(yōu)點(diǎn)。(2) 應(yīng)用脈寬調(diào)制 ( PWM) 技術(shù)電壓型PWM頻器是目前最常用的，發(fā)展最快的變頻器，也是一種很有發(fā)展

17、前途的變頻調(diào)速方法。PWM技術(shù)利用功率半導(dǎo)體器件的高頻開通和關(guān)斷， 把直流 電壓變成按一定的寬度規(guī)律變化的電壓脈沖序列， 以實(shí)現(xiàn)變頻與變壓， 并有效地 抑制和消除諧波的影響。PWM空制技術(shù)一般可分為三大類，即：正弦PWM優(yōu)化 PWM及隨機(jī)PWM正弦PWM包括電壓、電流和磁通的正弦 PWM正弦PWM般 隨著功率器件開關(guān)頻率的提高而得到很好的性能。 在中小功率交流傳動(dòng)的系統(tǒng)中 被廣泛的采用。 但是對(duì)于大容量的電力變換裝置來說， 太高的開關(guān)頻率會(huì)增加開 關(guān)的損耗， 而且大功率器件的開關(guān)頻率目前還不能做得很高， 在這種情況下， 優(yōu) 化PWM技術(shù)正好符合裝置的需要。特定諧波消除法(Selected Ha

18、rmonicMi-inationPWM,SHE PWM)效率最優(yōu) PWM和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小 PWM都屬于優(yōu)化 PWM 技術(shù)的范疇。對(duì)于普通的PW變頻器，其輸出電流往往含有較大的諧波成分，諧波電流的存在， 會(huì)使電動(dòng)機(jī)定子產(chǎn)生振動(dòng)而發(fā)出電磁噪聲而且還容易引起電動(dòng)機(jī)的機(jī)械共振，導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。為了解決以上問題，可以提高功率器件的 開關(guān)頻率，但這會(huì)增加開關(guān)的損耗；另一種解決方法是隨機(jī)地改變功率器件的導(dǎo) 通位置和開關(guān)頻率，使變頻器輸出電壓的諧波成分均勻地分布在較寬的頻帶范圍 內(nèi)，從而抑制那些幅值比較大的諧波成分，以達(dá)到抑制電磁噪聲和機(jī)械共振的目的，這就是隨機(jī)PWM技術(shù)。(3) 應(yīng)用矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)

19、矩控制技術(shù)及現(xiàn)代控制理論交流傳動(dòng)系統(tǒng)中的交流電動(dòng)機(jī)是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)禍合、時(shí)變的被控 對(duì)象，VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)控制是從電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)方程出發(fā)研究其控制特性，動(dòng)態(tài)控制效果很不理想。20世紀(jì)70年代初提出用矢量變換 的方法來研究交流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)控制過程。它其原理是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo) 系下的定子電流la、Ib、Ic、通過三相/二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的 交流電流Ia1及Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 下的直流電流Im1及It1(Im1相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流；It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成 正比的電樞電

20、流)，然后模仿對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī) 等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。 通過控制轉(zhuǎn)子磁 鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大， 且在等效直流電動(dòng)機(jī)控 制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié) 果。此外，它必須直接或間接地得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實(shí)現(xiàn)定子電流 解耦控制，這需要在控制系統(tǒng)中配置轉(zhuǎn)子位

21、置或速度傳感器，這顯然給許多應(yīng)用 場(chǎng)合帶來不便。0為了解決系統(tǒng)復(fù)雜性和控制精度的問題，又提出了直接轉(zhuǎn)矩 控制方法。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。 該技術(shù)已成功地 應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動(dòng)上。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī) 等效為直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算；它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。（4）應(yīng)用微電子技術(shù) 隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展， 數(shù)字式控制處理芯片的運(yùn)算能力和可

22、靠性得到 了很大的提高， 實(shí)現(xiàn)了模擬控制無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜控制， 這使得全數(shù)字化控制系統(tǒng) 有望取代模擬控制系統(tǒng)。 目前用于交流傳動(dòng)系統(tǒng)的微處理器有單片機(jī)、 數(shù)字信號(hào) 處 理 器 （Digital Signal Processor, DSP ） 、 專 用 集 成 電 路 （Application Specific IntegratedCircuit, ASIC） 等。其中，高性能的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)形式采用 超高速緩沖儲(chǔ)存器、 多總線結(jié)構(gòu)、 流水線結(jié)構(gòu)和多處理器結(jié)構(gòu)等。 核心控制算法 的實(shí)時(shí)完成、 功率器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生以及系統(tǒng)的監(jiān)控、 保護(hù)功能都可以通過微 處理器實(shí)現(xiàn)， 為交流傳動(dòng)系統(tǒng)的控制提供很大的靈

23、活性， 且控制器的硬件電路標(biāo) 準(zhǔn)化程度高， 成本低，使得微處理器組成全數(shù)字化控制系統(tǒng)達(dá)到了較高的性能價(jià) 格比。（5）開發(fā)新型電動(dòng)機(jī)和無機(jī)械傳感器技術(shù) 交流傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)電動(dòng)機(jī)本體也提出了更高的要求。 電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和建模 有了新的研究?jī)?nèi)容， 如三維渦流場(chǎng)的計(jì)算、 考慮轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)及外部變頻供電系統(tǒng)方 程的聯(lián)解、 電動(dòng)機(jī)阻尼繞組的合理設(shè)計(jì)及籠條的故障檢測(cè)等。 為了更詳細(xì)地分析 電動(dòng)機(jī)內(nèi)部過程， 如繞組短路或轉(zhuǎn)子斷條等問題， 多回路理論應(yīng)運(yùn)而生。 隨著永 磁材料 特別是 欽鐵硼永磁的 發(fā)展， 永磁同步電動(dòng) 機(jī) （Permanent-Magnet Synchronous Motor, PMSM的研究逐漸熱

24、門和深入，由于這類電動(dòng)機(jī)無需勵(lì)磁電 流，運(yùn)行效率、 功率因數(shù)和功率密度都很高， 因而在交流傳動(dòng)系統(tǒng)中獲得了日益 廣泛的應(yīng)用。在高性能的交流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子速度 （ 位置 ）閉環(huán)控制往往 是必需的。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速 （ 位置）反饋控制，須用光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器等與 電動(dòng)機(jī)同軸安裝的機(jī)械速度 （位置）傳感器來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子速度和位置的檢測(cè)。 但機(jī)械 式的傳感器有安裝、電纜連接和維護(hù)等問題，降低了系統(tǒng)的可靠性。對(duì)此，許多 學(xué)者開展了無速度 （ 位置）傳感器控制技術(shù)的研究，即利用檢測(cè)到的電動(dòng)機(jī)出線 端電量 （ 如電機(jī)電壓、電流 ），估測(cè)出轉(zhuǎn)子的速度、位置，還可以觀測(cè)到電動(dòng)機(jī) 內(nèi)部的磁通、轉(zhuǎn)矩等，進(jìn)而構(gòu)成無

25、速度 （ 位置 ）傳感器高性能交流傳動(dòng)系統(tǒng)。該 技術(shù)無需在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和機(jī)座上安裝機(jī)械式的傳感器， 具有降低成本和維護(hù)費(fèi)用、 不受使用環(huán)境限制等優(yōu)點(diǎn)，將成為今后交流電氣傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。（6）變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波對(duì)交流電機(jī)負(fù)載運(yùn)行的影響電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電源的頻率是線性關(guān)系，變頻器就是利用這一原理將 50Hz 的 工頻電通過整流和逆變電路轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的交流電源。 從結(jié)構(gòu)來看， 變頻器可 分為間接變頻和直接變頻兩大類。 間接變頻將工頻電流通過整流器變成直流， 然 后再經(jīng)過逆變器將直流變換成頻率和電壓可控的交流。 直接變頻器則將工頻交流 直接變換成頻率和電壓可控的交流， 沒有中間的直流環(huán)節(jié)。 目

26、前變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng) 用較多的還是間接變頻器，即交直交變頻器 .由于變頻器供電側(cè)電流中會(huì)含有諧波， 這些諧波電流注入電網(wǎng)后將對(duì)電網(wǎng)的 電能質(zhì)量產(chǎn)生不利影響， 而其逆變電路輸出側(cè)產(chǎn)生的高次諧波也會(huì)給電動(dòng)機(jī)帶來 諸如發(fā)熱加劇、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及噪聲等問題，甚至造成電機(jī)損壞，另外，諧波還對(duì)通 信以及電子設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重干擾， 影響周圍設(shè)備的正常運(yùn)行。 因此，研究變頻器的 諧波特性將有利于提高交流傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和工作效率。1.4 論文內(nèi)容安排第一章 緒論：主要介紹交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況、研究變頻調(diào)速的目的與 意義、交流調(diào)速的研究分析及介紹論文章節(jié)內(nèi)容的安排。第二章 系統(tǒng)仿真技術(shù)：比較交流調(diào)速系統(tǒng)的各種調(diào)速方案，重點(diǎn)

27、分析了交 流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的原理及機(jī)械特性， 及對(duì)交流調(diào)壓調(diào)速電路以及閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系 統(tǒng)進(jìn)行了重點(diǎn)的研究分析。第三章 交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的MATLA仿真：運(yùn)用MATLAB勺SIMULINK工具箱 分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的主電路與控制電路進(jìn)行建模和參數(shù)設(shè)置， 最終 建立了異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)電路的仿真模型， 并對(duì)其進(jìn)行了仿真分析和研究， 給出仿真結(jié)果，通過對(duì)仿真結(jié)果的分析驗(yàn)證了交流調(diào)壓電路的工作原理和所建模 型的正確性。第四章 結(jié)論：對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)，指明異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展方向。第二章 系統(tǒng)仿真技術(shù)2.1 系統(tǒng)仿真技術(shù)的概述系統(tǒng)是由客觀世界中實(shí)體與實(shí)體間的相互作用和相互依賴的關(guān)系構(gòu)成

28、的具 有某種特定功能的有機(jī)整體。 系統(tǒng)的分類方法是有多種多樣的， 習(xí)慣上依照其應(yīng) 用范圍可以將系統(tǒng)分為工程系統(tǒng)和非工程系統(tǒng)。工程系統(tǒng)的含義是指由相互關(guān)聯(lián)部件組成的一個(gè)整體，以實(shí)現(xiàn)特定的目的。 例如電機(jī)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)是由執(zhí)行部件、功率轉(zhuǎn)換部件以及檢測(cè)部件所組成， 用它來完成電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置和其他參數(shù)控制的某個(gè)特定目標(biāo)。非工程系統(tǒng)的定義范圍很廣，大至宇宙，小至原子，只要存在著相互關(guān)聯(lián)、 相互制約的關(guān)系，形成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)某種目的的均可以認(rèn)為是系統(tǒng)。如果想定量地研究系統(tǒng)地行為， 可以將其本身的特性及內(nèi)部的相互關(guān)系抽象 出來，構(gòu)造出系統(tǒng)的模型， 系統(tǒng)的模型分為物理模型和數(shù)學(xué)模型。 由于計(jì)算機(jī)技 術(shù)的

29、快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用越來越普遍。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式， 用來表示系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程 中的各個(gè)量的關(guān)系， 是分析與設(shè)計(jì)系統(tǒng)的依據(jù)。 從它所描述的系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)和 數(shù)學(xué)工具來分， 又可以分為連續(xù)系統(tǒng)、 離散時(shí)間系統(tǒng)、 離散事件系統(tǒng)及混雜系統(tǒng) 等。還可細(xì)分為線性、非線性、定常、時(shí)變、集中參數(shù)、分布參數(shù)、確定性、隨 機(jī)等子類。系統(tǒng)仿真是根據(jù)被研究的真實(shí)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型研究系統(tǒng)性能的一門重要的 學(xué)科，現(xiàn)在尤指是利用計(jì)算機(jī)去研究數(shù)學(xué)模型行為的方法。 計(jì)算機(jī)仿真的基本內(nèi) 容包括了系統(tǒng)、算法、模型、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果顯示、分析與驗(yàn)證等環(huán) 節(jié)。2.2 仿真軟件與仿真步驟2.2

30、.1 仿真軟件電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程是非常復(fù)雜的， 這是由變流器電機(jī)系統(tǒng)的非線性何 不連續(xù)性引起的。 因此， 當(dāng)研究一種控制的方案時(shí)， 通常的做法是將電氣傳動(dòng)系統(tǒng)在計(jì)算機(jī) 上進(jìn)行仿真。 這樣在建立線路實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭埃?即可對(duì)性能進(jìn)行詳細(xì)的研究。 電氣傳動(dòng)系統(tǒng)覆 蓋著納秒級(jí)的電子器件暫態(tài)過程、毫秒級(jí)的控制其調(diào)節(jié)過程和秒級(jí)的機(jī)電過渡過程。因此， 對(duì)于電力電子系統(tǒng)必須分別研究其變流器部分和系統(tǒng)部分。 前者需要采用精確的電力電子器 件模型；后者則只需采用理想化的器件模型，包括理想化的交流器和系統(tǒng)的完整傳動(dòng)系統(tǒng)， 避免了諸多的假定條件和復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究更加直觀、實(shí)際。在電力拖動(dòng)自

31、動(dòng)控制系統(tǒng)中， 直流電動(dòng)機(jī)、 異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)的電氣動(dòng)態(tài)特性可 以分別用不同階數(shù)的非線性微分方程表示。 此方程可以以定子作為參考系統(tǒng)， 或者采用同步 旋轉(zhuǎn)參考系統(tǒng)。 整流器和逆變器可以準(zhǔn)確的用開關(guān)電路表示， 并忽略其離散時(shí)間性質(zhì)， 經(jīng)過 變換與電機(jī)模型合并起來。 待反饋控制的變流器電機(jī)模型可以在計(jì)算上進(jìn)行仿真， 對(duì)控制 參數(shù)可以進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整， 得到所需要的性能。 另一種研究方法是利用小信號(hào)擾動(dòng)原理， 對(duì) 變流器電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析， 一旦得到滿意的仿真性能， 就可以著手進(jìn)行模擬線路實(shí) 驗(yàn)，并與仿真結(jié)果進(jìn)行比較。近年來多個(gè)著名的仿真軟件已成功的應(yīng)用于電力電子仿真，如 MATLAB 、

32、Pspice 、 Saber、IsPspice、 dSPACE 等。當(dāng)前電子技術(shù)已經(jīng)全面進(jìn)入了數(shù)字化時(shí)代， 為了大幅度提高效率， 在研制新型電子系統(tǒng) 過程中， 往往首先提出一個(gè)新的設(shè)想； 然后對(duì)其進(jìn)行仿真以驗(yàn)證設(shè)想的可行性， 并預(yù)測(cè)其性 能參數(shù)； 在達(dá)到了預(yù)期的效果之后， 在進(jìn)行硬件的實(shí)現(xiàn)。 這種方法已經(jīng)逐步成為科研工作的 一種主要模式，其中進(jìn)行系統(tǒng)仿真是其重要的一環(huán)。2.2.2 電子系統(tǒng)的仿真步驟一般來說，一個(gè)電子系統(tǒng)可以抽象為由線性器件和非線性器件組成的數(shù)學(xué)模型，而電 子系統(tǒng)仿真就是根據(jù)適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛯?duì)實(shí)際的電子系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的過程。 數(shù)學(xué)模型的建立是 進(jìn)行系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)， 也是進(jìn)行系統(tǒng)仿真

33、必須首先解決的問題。 數(shù)學(xué)模型的正確與否、 與實(shí) 際電子系統(tǒng)的近似程度都會(huì)直接影響仿真的結(jié)果。 數(shù)學(xué)模型的建立通常又稱為系統(tǒng)建模， 它 是對(duì)電子系統(tǒng)進(jìn)行仿真的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。 在確定了電子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型之后， 就可以用適 當(dāng)?shù)姆抡嬲Z(yǔ)言或仿真工具對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。在電子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立起來后， 必須利用一種或幾種合適的仿真算法編制仿真程序， 進(jìn)而進(jìn)行電子系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)。 仿真算法、 仿真語(yǔ)言和仿真程序構(gòu)成了數(shù)學(xué)仿真軟件。 對(duì)于 電子系統(tǒng)來說， 可以采用的仿真語(yǔ)言有很多種， 其中 MATLAB 語(yǔ)言具有非常突出的優(yōu)點(diǎn)， 目 前已經(jīng)成為電子系統(tǒng)的首選的仿真語(yǔ)言， 在科研與教學(xué)領(lǐng)域內(nèi)被廣泛使用。 一般

34、來說， 電子 系統(tǒng)的仿真可以分為如下五個(gè)步驟：1、根據(jù)要分析的電子系統(tǒng)，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；2、找到合適的仿真算法；3、應(yīng)用仿真語(yǔ)言編制計(jì)算程序；4、根據(jù)初步的仿真結(jié)果對(duì)該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證；5、進(jìn)行系統(tǒng)仿真并認(rèn)真分析仿真結(jié)果。上述五個(gè)步驟之間是有連帶關(guān)系的， 不可能將它們完全分離開。 在實(shí)際仿真時(shí)， 往往反 復(fù)重復(fù)前四個(gè)步驟，以保證數(shù)學(xué)模型的正確性和仿真算法的可行性。2.3 MATLAB 概述MATLAB 是國(guó)際上仿真領(lǐng)域最權(quán)威、 最實(shí)用的計(jì)算機(jī)工具。 它是 MathWork 公司于 1982 年推出的一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化數(shù)學(xué)軟件，被譽(yù)為“巨人 肩上的工具”。MATLAB 是一種應(yīng)用于

35、計(jì)算技術(shù)的高性能語(yǔ)言。它將計(jì)算、可視化和編程 結(jié)合在一個(gè)易于使用的環(huán)境中， 此而將問題解決方案表示成我們所熟悉的數(shù)學(xué)符 號(hào)，其典型的使用包括 :. 數(shù)學(xué)計(jì)算. 運(yùn)算法則的推導(dǎo). 模型仿真和還原. 數(shù)據(jù)分析，采集及可視化. 科技和工程制圖. 開發(fā)軟件，包括圖形用戶界面的建立MATLAB 是一個(gè)交互式系統(tǒng)，它的基本數(shù)據(jù)元素是矩陣，且不需要指定大 小。通過它可以解決很多技術(shù)計(jì)算問題， 尤其是帶有矩陣和矢量公式推導(dǎo)的問題， 有時(shí)還能寫入非交互式語(yǔ)言如 C和Fortran等。MATLAB 的名字象征著矩陣庫(kù)。它最初被開發(fā)出來是為了方便訪問由 LINPACK 和 EISPAK 開發(fā)的矩陣軟件，其代表著藝術(shù)

36、級(jí)的矩陣計(jì)算軟件。MATLAB 在擁有很多用戶的同時(shí)經(jīng)歷了許多年的發(fā)展時(shí)期。 在大學(xué)環(huán)境中， 它作為介紹性的教育工具， 以及在進(jìn)階課程中應(yīng)用于數(shù)學(xué)， 工程和科學(xué)。 在工業(yè) 上它是用于高生產(chǎn)力研究、開發(fā)、分析的工具之一。MATLAB的一系列的特殊應(yīng)用解決方案稱為工具箱(toolboxes)。作為用 戶不可缺少的工具箱，它可以使你學(xué)習(xí)和使用專門技術(shù)。工具箱包含著M-file集，它使 MATLAB 可延展至解決特殊類的問題。在工具箱的范圍內(nèi)可以解決單 個(gè)過程、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、小波、仿真及其他很多問題。經(jīng)過幾十年的完善和擴(kuò)充，它已發(fā)展成線形代數(shù)課程的標(biāo)準(zhǔn)工具。在美國(guó)， MATLAB 是大

37、學(xué)生和研究生必修的課程之一。美國(guó)許多大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室都安裝有 MATLAB ，供學(xué)習(xí)和研究之用。它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形顯 示于一體，構(gòu)成了一個(gè)方便的、界面友好的用戶環(huán)境。其包含的 SIMULINK 是 用于在 MATLAB 下建立系統(tǒng)框圖和仿真環(huán)境的組件，其包含有大量的模塊集， 可以很方便的調(diào)取各種模塊來搭建所構(gòu)想的試驗(yàn)平臺(tái)，同時(shí) SIMULINK 還提供 時(shí)域和頻域分析工具，能夠直接繪制系統(tǒng)的 Bode圖和Nyquist圖。MATLAB 系統(tǒng)可分為五個(gè)部分 : MATLAB 語(yǔ)言： 這是一種高級(jí)矩陣語(yǔ)言，其有著控制流程狀態(tài)，功能，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，輸入輸出及面 向?qū)ο缶幊痰奶匦?。它既有?/p>

38、小型編程”的功能，快速建立小型可棄程序，又有 “大型編程”的功能，開發(fā)一個(gè)完整的大型復(fù)雜應(yīng)用程序。 MATLAB 語(yǔ)言具有功 能強(qiáng)大、界面友好、編程效率高、擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。MATLAB 的工作環(huán)境：這是一套工具和設(shè)備方便用戶和編程者使用 MATLAB 。它包含有在你的工 作空間進(jìn)行管理變量及輸入和采集數(shù)據(jù)的設(shè)備。同時(shí)也有開發(fā)、管理、調(diào)試 profiling 、 M-files 、 MATLAB's applications 的系列工具。圖形操作：這是 MATLAB 的圖形系統(tǒng)。它包含有系列高級(jí)命令，其內(nèi)容包括二維及三 維數(shù)據(jù)可視化，圖形處理，動(dòng)畫制作，表現(xiàn)圖形。同時(shí)它也提供低級(jí)命令便于

39、用 戶完全定制圖形界面并在你的 MATLAB 軟件中建立完整的用戶圖形界面。MATLAB數(shù)據(jù)功能庫(kù):它擁有龐大的數(shù)學(xué)運(yùn)算法則的集合， 包含有基本的加， 正弦，余弦功能到復(fù) 雜的求逆矩陣及求矩陣的特征值，Besse I功能和快速傅立葉變換。MATLAB應(yīng)用程序編程界面：這是一個(gè)允許你在MATLAB界面下編寫C和Fortran程序的庫(kù)。它方便從 MATLAB 中調(diào)用例程 （即動(dòng)態(tài)鏈接 ），使 MATLAB 成為一個(gè)計(jì)算器，用于讀寫 MAT-fiIes 。Simulink是MATLAB件的擴(kuò)展，是用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟 件包，是面向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方便的仿真工具。它支持線形和非線性系統(tǒng)，

40、能在連續(xù)時(shí)間、離散時(shí)間或兩者的復(fù)合情況下建模。系統(tǒng)也能采用復(fù)合速率， 也就是不同的部分用不同的速率來采樣和更新。Simulink 提供一個(gè)圖形化用戶界面用于建模， 用鼠標(biāo)拖拉塊狀圖表即可完成 建模。在此界面下能像用鉛筆在紙上一樣畫模型。 相對(duì)于以前的仿真需要用語(yǔ)言 和程序來表明不同的方程式而言有了極大的進(jìn)步。 Simulink 擁有全面的庫(kù)， 如接 收器，信號(hào)源，線形及非線形組塊和連接器。 同時(shí)也能自己定義和建立自己的塊。 模塊有等級(jí)之分， 因此可以由頂層往下的步驟也可以選擇從底層往上建模。 可以 在高層上統(tǒng)觀系統(tǒng)， 然后雙擊模塊來觀看下一層的模型細(xì)節(jié)。 這種途徑可以深入 了解模型的組織和模塊

41、之間的相互作用。在定義了一個(gè)模型后， 就可以進(jìn)行仿真了， 用綜合方法的選擇或用 Simulink 的菜單或 MATLAB 命令窗口的命令鍵入。菜單的獨(dú)特性便于交互式工作，當(dāng)然 命令行對(duì)于運(yùn)行仿真的分支是很有用的。使用scopes或其他顯示模塊就可在模擬運(yùn)行時(shí)看到模擬結(jié)果。 進(jìn)一步，可以改變其中的參數(shù)同時(shí)可以立即看到結(jié)果的 改變，仿真結(jié)果可以放到 MATLAB 工作空間來做后處理和可視化。模型分析工具包括線性化工具和微調(diào)工具，它們可以從 MATLAB 命令行直 接訪問，同時(shí)還有很多 MATLAB 的 toolboxes 中的工具。因?yàn)?MATLAB 和 Simulink 是一體的，所以可以仿真、

42、分析，修改模型在兩者中的任一環(huán)境中進(jìn)行。2.5變頻調(diào)速系統(tǒng)2.5.1變頻調(diào)速的控制方式變頻調(diào)速的控制方式經(jīng)歷了 V/F控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制的發(fā)展，前 者屬于開環(huán)控制，后兩者屬于閉環(huán)控制，正在發(fā)展的是直接轉(zhuǎn)矩控制1. V/F控制異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與定子電源頻率、極對(duì)數(shù)有關(guān)，改變頻率就可平滑地調(diào)節(jié) 同步轉(zhuǎn)速但頻率上升或下降可能會(huì)引起磁路飽和轉(zhuǎn)矩不足現(xiàn)象，所以在改變頻 率的同時(shí)， 需調(diào)節(jié)定子電壓，使氣隙磁通維持不變、電機(jī)效率不下降，這就是V/F控制.V/F控制簡(jiǎn)單，通用性優(yōu)良，但因是開環(huán)控制，調(diào)速精度低、范圍小， 只能用在調(diào)速精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求不高的場(chǎng)合。2. 轉(zhuǎn)差頻率控制由電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)知，異

43、步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩M與氣隙磁通0、轉(zhuǎn)差頻率拆的關(guān)系 為： 耐復(fù)#'人只要保持氣隙磁通0定，控制轉(zhuǎn)差頻率就能控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，這就 是轉(zhuǎn)差頻率控制。轉(zhuǎn)差頻率控制利用速度檢測(cè)器檢出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后以電機(jī)速度與轉(zhuǎn)差頻率的和給定逆變器的輸出頻率，其控制精度和過電流的抑制等特性較 V/ F控制都有所提高，但沒有考慮電機(jī)電磁慣性的影響，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩仍沒得到控 制，動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果仍不理想。3. 矢量控制矢量控制是在交流電動(dòng)機(jī)上模擬直流電機(jī)控制轉(zhuǎn)矩的規(guī)律， 將定子電流分解 成相應(yīng)于直流電機(jī)的電樞電流的量和勵(lì)磁電流的量， 并分別進(jìn)行任意控制。矢量 控制能夠?qū)D(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，獲得和直流電機(jī)一樣的優(yōu)良性能，它適用于要求快速

44、響應(yīng)或?qū)ζ饎?dòng)、制動(dòng)有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合。4. 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）的變頻調(diào)速是目前正在發(fā)展的調(diào)速方式，它無需像矢量 控制那樣進(jìn)行復(fù)雜的矢量變換運(yùn)算，直接由定子空間矢量分析三相電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并決定其控制量.DTC能夠用開環(huán)方式對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，簡(jiǎn)化了控 制結(jié)構(gòu)，但不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，影響低速性能，調(diào)速范圍受到限制 岡。2.5.2變頻調(diào)速原理及其機(jī)械特性在各種異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，效率最高、性能最好的系統(tǒng)是變頻調(diào)速系統(tǒng)。 從式（1 1）中可以看出，當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù) Pn 定，轉(zhuǎn)差率s定時(shí)， 改變異步電動(dòng)機(jī)定子繞組供電電源的頻率 血可以達(dá)到調(diào)速目的，如果頻率八連 續(xù)可調(diào)，則

45、可平滑地調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，即為變頻調(diào)速原理。像三相異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，忽略定子阻抗壓降時(shí)，定子每相電壓為皿&=4_44何崢式中山為氣隙磁通在定子每相中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；1為定子電源頻率； 禺為 定子每相繞組匝數(shù)；匕為基波繞組系數(shù)，加為每極氣隙磁通量。如果改變頻率八，且保持定子電源電壓fh不變，則氣隙每極磁通如將增大， 會(huì)引起電動(dòng)機(jī)鐵芯磁路飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過熱而 損壞電機(jī)，這是不允許的。因此，降低電源頻率 川時(shí)，必須同時(shí)降低電源電壓， 已達(dá)到控制磁通如的目的。對(duì)此，需要考慮基頻（額定頻率 f=50Hz）以下的調(diào) 速和基頻以上調(diào)速兩種情況。2.5.3基頻以下變頻

46、調(diào)速Ui為了防止磁路的飽和，當(dāng)降低定子電源頻率 八時(shí)，保持門為常數(shù)，使氣每 極磁通咖為常數(shù)，應(yīng)使電壓和頻率按比例的配合調(diào)節(jié)。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁矩 為mplh si+（口+調(diào)Tm =y12 2ff/iln+tJti2+(xl+Vs)21mp f (7112 217 J/>n+ Jr?十上式對(duì)5求導(dǎo)，即，有最大轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率為Ux圖1變頻調(diào)速的機(jī)械特性 31 '由上式可知：當(dāng)八 常數(shù)時(shí)，在八較高時(shí)，即接近額定頻率時(shí)，nW 隨著八的降低，&減少的不多；當(dāng)八較低時(shí)，（魚凸） 較??；幾相對(duì)變大，則隨著八的降低，？就減小了。顯然，當(dāng)八降低時(shí)，最大Ux轉(zhuǎn)矩.?不等于常數(shù)。保持常數(shù)，降

47、低頻率調(diào)速時(shí)的機(jī)械特征如圖1所示。這相當(dāng)于他勵(lì)直流電機(jī)的降壓調(diào)速。U_（a）基頻以下調(diào)速（八 常數(shù)） （b）基頻以上調(diào)速（"1 =常數(shù)）254基頻以上變頻調(diào)速在基頻以上變頻調(diào)速時(shí)，也按比例身高電源電壓時(shí)不允許的，只能保持電 壓為厲不變，頻率越高，磁通 如越低，是一種降低磁通升速的方法，這相當(dāng) 于它勵(lì)電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速。保持厲二常數(shù),升高頻率時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為:mpU 3=0 一 上式求，得最大轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率為：名二啊s 丹A由于丿11較高，U、-I勺和s比"大的多，則上式變?yōu)? imp?/? 1. CC2 2ff/i(xi+V2) /i因此，頻率越咼時(shí)，f越小，刊也越小。

48、保持 4為常數(shù)，升咼頻率調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性如圖1 (b)所示第三章2交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本原理及特性研究變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖IGBT2CBVdVdIGBTT、1IGBT64IGBT5IGBTIGBT圖2-1變頻器調(diào)速系統(tǒng)的原理接線圖變頻器原理是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率 的電能控制裝置。交一直一交變頻器則是先把交流電經(jīng)整流器先整流成直流電， 直流中間電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波， 再經(jīng)過逆變器把這個(gè)直流電流變 成頻率和電壓都可變的交流電。交一直一交變頻器又可以分為電壓型和電流型兩種，由于控制方法和硬件設(shè)計(jì)等各種因素，電壓型逆變器應(yīng)用比較廣泛。傳統(tǒng)的電流型交直交變

49、頻器采用自 然換流的晶閘管作為功率開關(guān)，其直流側(cè)電感比較昂貴，而且應(yīng)用于雙饋調(diào)速中， 在過同步速時(shí)需要換流電路，在低轉(zhuǎn)差頻率的條件下性能也比較差，在雙饋異步 風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用的不多。采用電壓型交直交變頻器這種整流變頻裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、諧波含量少、定轉(zhuǎn)子功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)異特點(diǎn)， 可以明顯地改善雙饋發(fā)電機(jī) 的運(yùn)行狀態(tài)和輸出電能質(zhì)量，并且該結(jié)構(gòu)通過直流母線側(cè)電容完全實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)和 轉(zhuǎn)子側(cè)的分離。變頻器的整流部分通常采用三相 6脈動(dòng)橋式整流電路，因此，交流供電側(cè)電 流中所包含的諧波主要是6k1（k為正整數(shù)）次諧波，這些諧波電流注入電網(wǎng)后將 對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。 在變頻器的逆變側(cè)， 通過控制裝置

50、產(chǎn)生 6 組脈 寬可調(diào)的 PWM 波控制三相的 6組功率元件的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而形成電壓、頻率 可調(diào)的三相輸出電壓。2.1 系統(tǒng)的構(gòu)成交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本構(gòu)成如原理圖 2-1 所示，它由整流、濾波、逆變 等部分組成。交流電源經(jīng)整流、濾波、逆變后變成直流電源，再通過逆變器的有 規(guī)則的導(dǎo)通和截止使之輸出頻率可變的電源。 其主回路主要有三部分構(gòu)成： 將工 頻電源變換為直流電源的“整流器” ；吸收由整流器和逆變器回路產(chǎn)生的電壓脈 動(dòng)的“濾波回路”，也是儲(chǔ)能回路；將直流功率變換為交流功率的“逆變器” 。(1) 整流器近來大量使用的就是二極管整流器， 它把工頻電源變換為直流電源， 電功率 的傳送是不可逆

51、的。(2) 濾波回路在整流器整流后的直流電壓中， 含有六倍電源頻率的脈動(dòng)電壓，此外，逆變 器回路產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓波動(dòng)。 為了抑制這些電壓波動(dòng)， 采用直流電 抗器和電容器吸收脈動(dòng)電壓(電流) 。裝置容量較小時(shí)，如果電源輸出阻抗和整 流器容量足夠時(shí)，可以省去直流電抗器而采用簡(jiǎn)單的阻容濾波回路。(3) 逆變器 同整流器相反，逆變器的作用是在所確定的時(shí)間里有規(guī)則地使六個(gè)功率開關(guān) 器件導(dǎo)通、關(guān)斷，從而將直流功率變換為所需電壓和頻率的交流輸出功率。2.2 交直交變頻的基本工作特性調(diào)速時(shí)平滑性好，效率高。低速時(shí)，特性靜關(guān)率較高，相對(duì)穩(wěn)定性好。 調(diào)速范圍較大，精度高。起動(dòng)電流低，對(duì)系統(tǒng)及電網(wǎng)無沖擊，

52、節(jié)電效果明顯。 變頻器體積小，便于安裝、調(diào)試、維修簡(jiǎn)便。易于實(shí)現(xiàn)過程自動(dòng)化。必須有專用的變頻電源，目前造價(jià)較高。在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，低速段電動(dòng)機(jī)的過載能力大為降低。2.3 交直交變頻調(diào)速的優(yōu)越性交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種：變極調(diào)速、改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變頻調(diào)速。其中，變頻 調(diào)速最具優(yōu)勢(shì)。這里僅就交流變頻調(diào)速系統(tǒng)與直流調(diào)速系統(tǒng)做一比較。在直流調(diào)速系統(tǒng)中， 由于直流電動(dòng)機(jī)具有電刷和整流子， 因而必須對(duì)其進(jìn)行檢查， 電機(jī) 安裝環(huán)境受到限制。 例如：不能在有易爆氣體及塵埃多的場(chǎng)合使用。此外， 也限制了電機(jī)向 高轉(zhuǎn)速、大容量發(fā)展。而交流電機(jī)就不存在這些問題，主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：第一，直流電機(jī)的單機(jī)容量一般為 1

53、2 - 14MW ，還常制成雙電樞形式， 而交流電機(jī)單機(jī) 容量卻可以數(shù)倍于它。 第二，直流電機(jī)由于受換向限制， 其電樞電壓最高只能做到一千多伏， 而交流電機(jī)可做到 6 - 10kV 。第三，直流電機(jī)受換向器部分機(jī)械強(qiáng)度的約束，其額定轉(zhuǎn)速隨 電機(jī)額定功率而減小， 一般僅為每分鐘數(shù)百轉(zhuǎn)到一千多轉(zhuǎn)， 而交流電機(jī)的達(dá)到每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)。 第四，直流電機(jī)的體積、重量、價(jià)格要比同等容量的交流電機(jī)大。最后，特別要指出的是交 流調(diào)速系統(tǒng)在節(jié)約能源方面有著很大的優(yōu)勢(shì)。 一方面， 交流拖動(dòng)的負(fù)荷在總用電量中占一半 或一半以上的比重， 這類負(fù)荷實(shí)現(xiàn)節(jié)能， 可以獲得十分可觀的節(jié)電效益。另一方面，交流拖 動(dòng)本身存在可以挖掘

54、的節(jié)電潛力。 在交流調(diào)速系統(tǒng)中， 選用電機(jī)時(shí)往往留有一定余量， 電機(jī) 又不總是在最大負(fù)荷情況下運(yùn)行； 如果利用變頻調(diào)速技術(shù)， 輕載時(shí)， 通過對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控 制，就能達(dá)到節(jié)電的目的。工業(yè)上大量使用風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等，其用電量約占工業(yè)用電 量的 50%；如果采用變頻調(diào)速技術(shù)，既可大大提高其效率，又可減少10%的電能消耗。2.4 交直交變頻調(diào)速合理應(yīng)用交流變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)已得到廣泛應(yīng)用。 美國(guó)有 60% - 65%的發(fā)電量用于電機(jī) 驅(qū)動(dòng)，由于有效地利用了變頻調(diào)速技術(shù)，僅工業(yè)傳動(dòng)用電就節(jié)約了15% - 20%的電量。采用變頻調(diào)速，一是根據(jù)要求調(diào)速用，二是節(jié)能。它主要基于下面幾個(gè)因素：(1)

55、 變頻調(diào)速系統(tǒng)自身?yè)p耗小，工作效率高。(2) 電機(jī)總是保持在低轉(zhuǎn)差率運(yùn)行狀態(tài)，減小轉(zhuǎn)子損耗。(3) 可實(shí)現(xiàn)軟啟、制動(dòng)功能，減小啟動(dòng)電流沖擊。在采用變頻調(diào)速時(shí)， 需從工藝要求、 節(jié)約效益、投資回收期等各方面考慮。 如果僅從工 藝要求、節(jié)約效益考慮，下面幾種情況選用變頻調(diào)速較有利：(1) 根據(jù)工藝要求，生產(chǎn)線或單臺(tái)設(shè)備需要按程序或按要求調(diào)整電機(jī)速度的。如： 包裝機(jī)傳送系統(tǒng)， 根據(jù)不同品種的產(chǎn)品， 需要改變系統(tǒng)傳送速度， 使用變頻調(diào)速可使調(diào)速控 制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制準(zhǔn)確，并易于實(shí)現(xiàn)程序控制。(2) 用變頻調(diào)速代替機(jī)械變速。如：機(jī)床，不僅可以省去復(fù)雜的齒輪變速箱，還能 提高精度、滿足程序控制要求。(3

56、) 用變頻調(diào)速代替用閘門或擋板調(diào)整流量適于風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等。例如：鍋爐上水泵、鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)實(shí)行了變頻調(diào)速控制，不僅省去了伺服放大器、電動(dòng)操作器、電 動(dòng)執(zhí)行器和給水閥門（或擋風(fēng)板），而且使得整個(gè)鍋爐鍋爐控制系統(tǒng)得到了快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、 高的控制精度和穩(wěn)定性。2.5 變頻器容量的確定變頻調(diào)速是通過變頻器來實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于變頻器的容量確定至關(guān)重要。合理的容量選擇本身就是一種節(jié)能降耗措施。根據(jù)現(xiàn)有資料和經(jīng)驗(yàn)，比較簡(jiǎn)便的方法有三種：（1）電機(jī)實(shí)際功率確定發(fā)首先測(cè)定電機(jī)的實(shí)際功率，以此來選用變頻器的容量。公式法設(shè)安全系數(shù)取1.05,則變頻器的容量Pb為Pb =1.05Pm/hm *cosy(kw)(2-1

57、)式中，Pm為電機(jī)負(fù)載；hm為電機(jī)功率。計(jì)算出Pb后，按變頻器產(chǎn)品目錄可選出具體規(guī)格。In為第n臺(tái)電動(dòng)機(jī)的額定電流，n為電機(jī)的臺(tái)數(shù)。在任何情況下，都不能在連續(xù)使用時(shí)超過額定電流I，當(dāng)一臺(tái)變頻器用于多臺(tái)電機(jī)時(shí)，應(yīng)滿足 電機(jī)額定電流法變頻器 變頻器容量選定過程，實(shí)際上是一個(gè)變頻器與電 機(jī)的最佳匹配過程，最常見、也較安全的是使變頻器的容量大于或等于電機(jī)的額定功率，但實(shí)際匹配中要考慮電機(jī)的實(shí)際功率與額定功率相差多少，通常都是設(shè)備所選能力偏大，而實(shí)際需要的能力小，因此按電機(jī)的實(shí)際功率選擇變頻器是合理的，避免選用的變頻器過大，使投資增大。雖然變頻調(diào)速有諸多優(yōu)點(diǎn)， 但也有其不利因素， 主要問題是電流中含高次諧波較多，除對(duì)電網(wǎng)有污染外，也使電機(jī)自身增加損耗，引起電機(jī)發(fā)熱。再有，變頻器價(jià)格貴、投資回收 器長(zhǎng)、技術(shù)復(fù)雜、尤其在實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)控制時(shí)，還需進(jìn)行技術(shù)處理。此外，不是任何情況下變頻器都節(jié)電，如果電機(jī)負(fù)載變化不大，或深井泵配有水塔，節(jié)電、節(jié)水效果都不大，就不宜使用變頻調(diào)速。2.6 熟悉Matlab的原理及應(yīng)用及 Simulink仿真Matlab （Matrix