交-直-交變頻調速系統(tǒng)仿真研究修改版V

1、摘要隨著電力電了技術、計算機技術、門動控制技術的迅速發(fā)展，交流變頻 調速技術得到了迅速發(fā)展，其顯著的節(jié)能效益，高精確的調速精度，寬泛的調 速范圍，完善的保護功能，以及易于實現(xiàn)的口動通信功能，得到了廣大用戶的 認可，在運行的安全可靠、安裝使用、維修維護等方面，也給使用者帶來了極 大的便利。因此，研究交一直一交變頻調速系統(tǒng)的基本工作原理和作用特性意 義十分重大。本文研究了變頻調速系統(tǒng)的基木組成部分，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)生的屯壓 脈動的“濾波冋路”，也是儲能冋路；將宜流功率變換為交流功率的“逆變 器”。使用matlab/simul

2、ink搭建交一直一交變頻調速系統(tǒng)的仿真模型，通過試 驗對該交一直一交變頻調速系統(tǒng)的基本工作原理、工作特性及作用有更深的認 識，也對諧波對于交一宜一交變頻調速系統(tǒng)的影響有了一定的了解。關鍵詞:交一直一交變頻，整流，逆變，諧波，仿真。abstractwith power electronic technology, computer technology, automatic control technology is developing rapidly, ac variable-frequency system technology has been developing rapidly. s

3、ignificant energy efficiency and precision and broad scope of speed control, perfect protection and easy to implement automatic communications, all which have win the many users acceptance therefore, studying the ac-dc-ac variablefrequency systerm for the role of the basic working principle and char

4、acteristics of great significance.in this paper we studied the basic component of the variable frequency speed regulation system. there are three main components: the "rectifier” which convert the ac power into dc power; the "loop filter h can absorbed the voltage pulse which the rectifier

5、 and inverter circuit generated by,it is also energy storage circuit; the "inverter converts the dc power into the ac power. then we used the matlab / simulink to build an ac-dc-ac frequency control system simulation model. through the test of the ac-dc frequency control system to pay the basic

6、 working principle and working characteristics, we not only had a deeper understanding of the role,but also had a certain degree of understanding about the harmonic ac-dc-dc frequency control system.key words : ac-dc-ac variable requency systerm, rectifier, inverter harmonics, simulation目錄摘要iabstrac

7、t111引言11.1交流調速技術的發(fā)展11.2交直交變頻調速系統(tǒng)研究的口的與意義21.3研究現(xiàn)狀分析32交直交變頻調速系統(tǒng)的基本原理及特性研究72.1系統(tǒng)的構成82.2交直交變頻的基本工作特性82.3交直交變頻調速的優(yōu)越性82.4交直交變頻調速合理應用92.5變頻器容量的確定102.6熟悉matlab的原理及應用及s1mulink仿真113工作原理研究及仿真實驗123.1設計方案123.2整流器的工作原理研究及實驗123.2.1整流器的基木工作原理123.2.2整流器部分的實驗研究與分析143.3逆變器的工作原理研究及其實驗分析213.3.1逆變器的基本工作原理213.3.2逆變器實驗研究分析

8、233.4交直交變頻調速系統(tǒng)的實驗研究分析303.4.1交直交變頻調速系統(tǒng)模型的實驗研究303.4.2交直交變頻調速系統(tǒng)的運行仿真與分析363.5變頻器輸出諧波的影響383.5.1變頻器輸出諧波對負載的影響383.5.2諧波實驗研究與分析（逆變器部分）414 結論45致謝46參考文獻47附錄一：整流模塊仿真模型48附錄二：交直交變頻調速系統(tǒng)仿真模型49鄭州大學畢業(yè)（設計）論文1引言1.1交流調速技術的發(fā)展隨著電機制造技術的不斷進步，電動機作為風機、水泵、壓縮機、機床等各種 設備的動力，已廣泛應用于工業(yè)、商業(yè)、公用設施和家用電器等各個領域，其中異 步電動機是齊類電動機屮應用最廣、需耍量最大的一種

9、。在我國，異步電動機的用 電量約占總負荷的80%以上，其中風機、泵類、壓縮機和空調制冷機的用電量分別 占全國用電量的10. 4%, 20. 9%, 9.4%和6%o從全球范圍看，電動機的用電量平均 占世界各國社會總用電量的一半以上，占工業(yè)用電量的70%左右。因此，提高電機 系統(tǒng)的效率，對節(jié)約電能意義十分重大。異步電動機的基木特點是，轉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)。與其它電機相比，異步電動機的結構簡單，制造、使用、維護方 便，運行可靠性高，重量輕，成本低。以三相異步電動機為例，與同功率、同轉速 的直流電動機相比，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

10、 機還容易按不同環(huán)境條件的要求，派生出各種系列產(chǎn)品。它還具冇接近恒速的負載 性，能滿足大多數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械拖動的耍求。其局限性是，它的轉速與其旋轉 磁場的同步轉速有固定的轉差率，因而調速性能較差，在要求有較寬廣的平滑調速 范圍的使用場合（如傳動軋機、卷揚機、大型機床、風機、水泵等），不如直流電動 機經(jīng)濟、方便。但是，直流電動機結構上存在機械換向器和電刷，使它具有一些難 以克服的固有缺點，如維修工作量大，事故率高，容量受換向條件的制約，使用環(huán) 境受限（特別在易燃、易爆、粉塵等場合難以應用）。20枇紀70年代初，席卷世界先進工業(yè)國家的石油危機迫使他們投入大量人力 和財力去研究高效節(jié)能的交流傳動系統(tǒng)

11、。到了二十世紀90年代，隨著電力電子技 術、計算機技術、自動控制技術的迅速發(fā)展，交流變頻調速技術得到了迅速發(fā)展， 其技術和性能勝過其它任何一種調速方式（如：降壓調速、變極調速、滑差調速、 內反饋串級調速和液力偶合調速）o所謂變頻調速就是利用變頻調速器從電網(wǎng)接收工頻50hz的交流電，經(jīng)過恰 當?shù)膹娭谱儞Q方法，將輸入的給定頻率交流電變換成為頻率和郵值都可調節(jié)的交流 電輸岀到交流電動機，從而實現(xiàn)交流電動機的變速運行。1.2交直交變頻調速系統(tǒng)研究的目的與意義電動機調速的節(jié)能效果交流界步電動機的輸出轉速由下式確定:(1-1)n = 60f(i-s)/p式中n電動機的輸出轉速；/-輸入的電源頻率；5電動機

12、的傳差率：p電機的極對數(shù)。由公式（1-1）可知，電動機的輸岀轉速與輸入的電源頻率、轉差率、電機的極 對數(shù)有關系，因而交流電動機的直接調速方式主要有變極調速（調整p）、轉子串電 阻調速或串級調速或內反饋電機（調整s）和變頻調速（調整等.通過流體力學的基木定律可知:風機（或水泵）類設備均屬平方轉矩負載，其轉 速斤與流量q、壓力（揚程）h以及軸功率p具有如下關系0/02 = n /2（ 1 一2）h /h2 = （/?, /n2）2（13）pj p? =（/7,/n2）3（1-4）由公式（1-4）可知，在其它運行條件不變的情況下，通過下調電機的運行速 度，其節(jié)電效果是與轉速降落成立方的關系，因此，節(jié)

13、電效呆非常明顯。例如在工 況只需要50%的風量或水量時，則可以將電機的轉速調節(jié)為額定的一半，而此時電 機消耗的功率僅為額定的2. 5%,即理論上節(jié)能可達87. 5%.目前交流傳動己經(jīng)上升為電氣調速傳動的主流，直流傳動系統(tǒng)占統(tǒng)治地位的局 面已經(jīng)受到強烈的沖擊。推廣使用可調速電動機及其控制系統(tǒng)的節(jié)能具有廣闊的前 景，在不久的將來，交流電氣傳動將會完全取代直流電氣傳動。電動機作為風機、水泵、壓縮機、機床等各種設備的動力，已廣泛應用于工 業(yè)、商業(yè)、公用設施和家用電器等各個領域，其中異步電動機是各類電動機中應用 最廣、需要量最大的一種。使之成為國內外企業(yè)采用電機節(jié)能方式的首選。i大i此， 提高電機系統(tǒng)的

14、效率，對節(jié)約電能意義十分重大。隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發(fā)展，交流變頻調速技 術得到了迅速發(fā)展，其顯著的節(jié)能效益，高精確的調速精度，寬泛的調速范圍，完 善的保護功能，以及易于實現(xiàn)的口動通信功能，得到了廣大用戶的認可，在運行的 安全可靠、安裝使用、維修維護等方面，也給使用者帶來了極大的便利。因此，研 究交直交變頻調速系統(tǒng)將有利于提高系統(tǒng)的可靠性和工作效率。為了分析變頻器對 電動機的影響，利用matlab仿真工具，搭建交一宜一交變頻調速系統(tǒng)的仿真模 型，對系統(tǒng)進行仿真研究。1.3研究現(xiàn)狀分析（1）采用新型功率半導體器件功率半導體器件的不斷進步，尤其是新型可關斷器件，如bit（

15、雙極型晶體 管）、mosfet（金屬氧化硅場效應管）、igbt（絕緣柵雙極型晶體管）的實用化，使 得開關高頻化的pwm技術成為可能。目前功率半導體器件正向高壓、大功率、 高頻化、集成化和智能化方向發(fā)展。典型的電力電子變頻裝置有電壓型交一宜一交 變頻器、電流型交一直一交變頻器和交一交變頻器三種。電流型交一宜一交變頻器 的中間直流壞節(jié)采用大電感作儲能元件，無功功率將由大電感來緩沖，它的一個突 出優(yōu)點是當電動機處于制動（發(fā)電）狀態(tài)時，只需改變網(wǎng)側可控整流器的輸出電壓 極性即可使冋饋到直流側的再生電能方便地冋饋到交流電網(wǎng)，構成的調速系統(tǒng)具有 四象限運行能力，可用于頻繁加減速等對動態(tài)性能有要求的單機應用

16、場合，在大容 量風機、泵類節(jié)能調速中也有應用。電壓型交宜交變頻器的中間宜流壞節(jié)采用大電 容作儲能元件，無功功率將由大電容來緩沖。對于負載電動機而言，電壓型變頻器 相當于一個交流電壓源，在不超過容量限度的情況下，可以驅動多臺電動機并聯(lián)運 行。電壓型pwm變頻器在中小功率電力傳動系統(tǒng)中占有主導地位。但電壓型變 頻器的缺點在于電動機處于制動（發(fā)電）狀態(tài)時，冋饋到宜流側的再生電能難以冋饋 給交流電網(wǎng)，要實現(xiàn)這部分能量的冋饋，網(wǎng)側不能采用不可控的二極管整流器或一 般的可控整流器，必須采用可逆變頻器，這種再生能量冋饋式高性能變頻器具有宜 流輸出電壓連續(xù)可調，輸入電流（網(wǎng)側電流）波形基本為正弦，功率因數(shù)保持

17、為1 并口能量可以雙向流動的特點，代表一個新的技術發(fā)展動向，但成本問題限制了它 的發(fā)展速度。通常的交一交變頻器都有輸入諧波電流大、輸入功率i大i數(shù)低的缺點， 只能用于低速（低頻）大容量調速傳動。為此，矩陣式交一交變頻器應運而生。矩 陣式交一交變頻器功率密度大，而ii沒有中間宜流壞節(jié)，省去了笨重而昂貴的儲能 元件，它為實現(xiàn)輸入功率因數(shù)為1,輸入電流為正弦和四象限運行開辟了新的途 徑。 用脈寬調制（pulse width modulation, pwm）技術隨著電壓型pwm變頻器在高性能的交流傳動系統(tǒng)屮應用h趨廣泛，pwm 技術的研究越來越深入。pwm利用功率半導體器件的高頻開通和關斷，把直流電

18、壓變成按一定寬度規(guī)律變化的電壓脈沖序列，以實現(xiàn)變頻、變壓并有效地控制和消 除諧波。pwm技術可分為三大類:正弦pwm、優(yōu)化pwm及隨機pwmo正弦 pwm包括以電壓、電流和磁通的正弦為口標的各種pwm方案.正弦pwm 一般 隨著功率器件開關頻率的提高會得到很好的性能，因此在中小功率交流傳動系統(tǒng)中 被廣泛采用。但對于大容量的電力變換裝置來說，太高的開關頻率會導致人的開關 損耗，而且大功率器件如gto的開關頻率口前還不能做得很高，在這種情況下， 優(yōu)化pwm技術正好符合裝置的需要。特定諧波消除法(selected harmonic mi- inationpwm,she pwm)、效率最優(yōu)pwm和轉矩

19、脈動最小pwm都屬于優(yōu)化pwm 技術的范疇。普通pwm變頻器的輸出電流屮往往含有較大的和功率器件開關頻率 相關的諧波成分，諧波電流引起的脈動轉矩作用在電動機上，會使電動機定子產(chǎn)生 振動而發(fā)出電磁噪聲，其強度和頻率范圍取決于脈動轉矩的人小和交變頻率。如果 電磁噪聲處于人耳的敏感頻率范圍，將會使人的聽覺受到損害。一些幅度較大的屮 頻諧波電流還容易引起電動機的機械共振，導致系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。為了解決以上 問題，一種方法是提高功率器件的開關頻率，但這種方法會使得開關損耗增加；另 一種方法就是隨機地改變功率器件的導通位置和開關頻率，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，從而抑制某些幅

20、值較人的諧波成分，以達 到抑制電磁噪聲和機械共振的目的，這就是隨機pwm技術。(3) 應用矢量控制技術、直接轉矩控制技術及現(xiàn)代控制理論交流傳動系統(tǒng)中的交流電動機是一個多變量、非線性、強禍合、時變的被控對 象,vvvf( vari able voltage variable frequency)控制是從電動機穩(wěn)態(tài)方程出發(fā)研究 其控制特性，動態(tài)控制效果很不理想。20世紀70年代初提出用矢量變換的方法來 研究交流電動機的動態(tài)控制過程，不但要控制各變量的幅值，同時還?？刂破湎?位，以實現(xiàn)交流電動機磁通和轉矩的解禍，促使了高性能交流傳動系統(tǒng)逐步走向實 用化。口前高動態(tài)性能的矢量控制變頻器已經(jīng)成功地應用在

21、軋機主傳動、電力機車 牽引系統(tǒng)和數(shù)控機床中。此外，為了解決系統(tǒng)復雜性和控制精度之間的矛盾，又提 出了一些新的控制方法，如直接轉矩控制、電壓定向控制等。另外，智能控制技術 如模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡控制等也開始應用于交流調速傳動系統(tǒng)屮，以提高控制的 精度。(4) 廣泛應用微電子技術隨著微電子技術的發(fā)展，數(shù)字式控制處理芯片的運算能力和可靠性得到很大提 高，這使得全數(shù)字化控制系統(tǒng)取代以前的模擬器件控制系統(tǒng)成為可能。目前適于交 流傳動系統(tǒng)的微處理器冇單片機、數(shù)字信號處理器(digital signal processor, dsp )、 專用集成電路（application specific integr

22、atedcircuit, asic）等。其中,高性能的計算 機結構形式采用超高速緩沖儲存器、多總線結構、流水線結構和多處理器結構等。 核心控制算法的實時完成、功率器件驅動信號的產(chǎn)生以及系統(tǒng)的監(jiān)控、保護功能都 可以通過微處理器實現(xiàn)，為交流傳動系統(tǒng)的控制提供很大的靈活性，且控制器的硬 件電路標準化程度高，成木低，使得微處理器組成全數(shù)字化控制系統(tǒng)達到了較高的 性能價格比。（5）開發(fā)新型電動機和無機械傳感器技術交流傳動系統(tǒng)的發(fā)展對電動機本體也提出了更高的要求。電動機設計和建模有 了新的研究內容，如三維渦流場的計算、考慮轉子運動及外部變頻供電系統(tǒng)方程的 聯(lián)解、電動機阻尼繞組的合理設計及籠條的故障檢測等。

23、為了更詳細地分析電動機 內部過程，如繞組短路或轉子斷條等問題，多冋路理論應運而生。隨著20世紀80 年代永磁材料特別是欽鐵硼永磁的發(fā)展，永磁同步電動機（permanent-magnet synchronous motor, pmsm）的研究逐漸熱門和深入，由于這類電動機無需勵磁電 流，運行效率、功率因數(shù)和功率密度都很高，因而在交流傳動系統(tǒng)中獲得了日益廣 泛的應用。在高性能的交流調速傳動系統(tǒng)中，轉子速度（位置）閉環(huán)控制往往是必 需的。為了實現(xiàn)轉速（位置）反饋控制，須用光電編碼器或旋轉變壓器等與電動機 同軸安裝的機械速度（位置）傳感器來實現(xiàn)轉子速度和位置的檢測。但機械式的傳感 器有安裝、電纜連接和

24、維護等問題，降低了系統(tǒng)的可靠性。對此，許多學者開展了 無速度（位置）傳感器控制技術的研究，即利用檢測到的電動機岀線端電量（如電 機電壓、電流），估測出轉子的速度、位置，還可以觀測到電動機內部的磁通、轉 矩等，進而構成無速度（位置）傳感器高性能交流傳動系統(tǒng)。該技術無需在電動機 轉子和機座上安裝機械式的傳感器，具有降低成本和維護費用、不受使用環(huán)境限制 等優(yōu)點，將成為今后交流電氣傳動技術發(fā)展的必然趨勢。（6）變頻調速系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波對交流電機負載運行的影響眾所周知，電機的轉速和電源的頻率是線性關系，變頻器就是利用這一原理將 50hz的工頻電通過整流和逆變轉換為頻率可調的交流電源。從結構來看，變頻器 可

25、分為間接變頻和直接變頻兩人類。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，沒有屮間的直流環(huán)節(jié)?？谇白冾l調速系統(tǒng)應用較 多的還是間接變頻器，即交一直一交變頻器.由于變頻器供電側電流屮會含有諧波，這些諧波電流注入電網(wǎng)后將對電網(wǎng)的電 能質量產(chǎn)生不利影響，而其逆變電路輸出側產(chǎn)生的高次諧波也會給電動機帶來諸如 發(fā)熱加劇、轉矩脈動及噪聲等問題，甚至造成電機損壞，另外，諧波還對通信以及 電子設備產(chǎn)生嚴垂干擾，影響周圍設備的正常運行。因此，研究變頻器的諧波特性 將有利于提高交流傳動系統(tǒng)的可靠性和工作效率。2交

26、直交變頻調速系統(tǒng)的基本原理及特性研究變頻調速系統(tǒng)的結構框圖:圖2-1變頻器調速系統(tǒng)的原理接線圖變頻器原理是利用電力半導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，直流屮 間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，再經(jīng)過逆變器把這個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計 等各種因索，電壓型逆變器應用比較廣泛。傳統(tǒng)的電流型交直交變頻器采用自然換 流的晶閘管作為功率開關，其直流側電感比較昂貴，而11應用于雙饋調速中，在過 同步速時需耍換流電路，在低轉差頻率的條件卜性能也

27、比較差，在雙饋異步風力發(fā) 電中應用的不多。采用電壓型交直交變頻器這種整流變頻裝置具有結構簡單、諧波 含量少、定轉子功率因數(shù)可調等優(yōu)異特點，可以明顯地改善雙饋發(fā)電機的運行狀態(tài) 和輸出電能質量，并且該結構通過直流母線側電容完全實現(xiàn)了網(wǎng)側和轉子側的分 離。變頻器的整流部分通常采用三和6脈動橋式整流電路，因此，交流供電側電流 中所包含的諧波主要是6k±l（k為止整數(shù)）次諧波，這些諧波電流注入電網(wǎng)后將對電 網(wǎng)的電能質量產(chǎn)生不利影響。在變頻器的逆變側，通過控制裝置產(chǎn)生6組脈寬可調 的pwm波控制三相的6組功率元件的導通和關斷，從而形成屯壓、頻率可調的三 相輸出電壓。2.1系統(tǒng)的構成交直交變頻調速

28、系統(tǒng)的基木構成如原理圖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 的導通和截止使之輸出頻率可變的電源。其主回路主要冇三部分構成：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)生的電壓脈動的“濾 波回路”，也是儲能回路；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 傳送是不可逆的。(2) 濾波回路在整流器整流后的宜流屯壓中，含有六倍屯源頻率的脈動屯壓，此外，逆變器 冋路產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓波動。為了抑制這些電壓波動，采用直流電抗器

29、 和電容器吸收脈動電壓(電流)。裝置容量較小時，如果電源輸出阻抗和整流器容 量足夠時，可以省去直流電抗器而采用簡單的阻容濾波回路。(3) 逆變器同整流器和反，逆變器的作用是在所確定的時間里有規(guī)則地使六個功率開關器 件導通、關斷，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速時平滑性好，效率高。低速時，特性靜關率較高，相對穩(wěn)定性好。調速范圍較大，精度高。 起動電流低，對系統(tǒng)及電網(wǎng)無沖擊，節(jié)電效果明顯。變頻器體積小，便于安裝、調試、維修簡便。易于實現(xiàn)過程自動化。必須有專用的變頻電源，目前造價較高。在恒轉矩調速時，低速段電動機的過載能力大為降低。2.3交直交變頻

30、調速的優(yōu)越性交流電動機的調速方法有三種：變極調速、改變轉羌率調速和變頻調速。其 中，變頻調速最具優(yōu)勢。這里僅就交流變頻調速系統(tǒng)與直流調速系統(tǒng)做一比較。在直流調速系統(tǒng)屮，由于直流電動機具有電刷和整流子，因而必須對其進行檢 查，電機安裝環(huán)境受到限制。例如：不能在有易爆氣體及塵埃多的場合使用。此 外，也限制了電機向高轉速、人容量發(fā)展。而交流電機就不存在這些問題，主耍表 現(xiàn)為以下幾點：第一，直流電機的單機容量一般為1214mw,還常制成雙電樞形式，而交流 電機單機容量卻可以數(shù)倍于它。第二，直流電機由于受換向限制，其電樞電壓最高 只能做到一千多伏，而交流電機口j做到6- lokvo第三，直流電機受換向器

31、部分機 械強度的約束，其額定轉速隨電機額定功率而減小，一般僅為每分鐘數(shù)百轉到一千 多轉，而交流電機的達到每分鐘數(shù)千轉。第四，直流電機的體枳、垂量、價格耍比 同等容量的交流電機人。最后，特別要指出的是交流調速系統(tǒng)在節(jié)約能源方面冇著 很大的優(yōu)勢。一方面，交流拖動的負荷在總用電量屮占一半或一半以上的比重，這 類負荷實現(xiàn)節(jié)能，可以獲得十分可觀的節(jié)電效益。另一方面，交流拖動木身存在可 以挖掘的節(jié)電潛力。在交流調速系統(tǒng)中，選用電機時往往留冇一定余量，電機又不 總是在最大負荷情況下運行；如果利用變頻調速技術，輕載時，通過對電機轉速進 行控制，就能達到節(jié)電的目的。工業(yè)上大量使用風機、水泵、壓縮機等，其用電量

32、約占工業(yè)用電量的50%；如果采用變頻調速技術，既可大大提高其效率，又可減 少10%的電能消耗。2.4交直交變頻調速合理應用交流變頻調速技術在工業(yè)發(fā)達國已得到廣泛應用。美國有60%65%的發(fā)電量 用于電機驅動，曲于冇效地利用了變頻調速技術，僅工業(yè)傳動用電就節(jié)約了 15%- 20%的電量。采用變頻調速，一是根據(jù)要求調速用，二是節(jié)能。它主要基于下面幾個i大i 索：(1) 變頻調速系統(tǒng)自身損耗小，工作效率高。(2) 電機總是保持在低轉差率運行狀態(tài)，減小轉子損耗。(3) 可實現(xiàn)軟啟、制動功能，減小啟動電流沖擊。在采用變頻調速時，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

33、考慮，下面幾種情況選用變頻調速較有利：(1) 根據(jù)工藝要求，生產(chǎn)線或單臺設備需要按程序或按要求調整電機速度的。女口： 包裝機傳送系統(tǒng)，根據(jù)不同品種的產(chǎn)品，需要改變系統(tǒng)傳送速度，使用變頻調速可 使調速控制系統(tǒng)結構簡單，控制準確，并易于實現(xiàn)程序控制。(2) 用變頻調速代替機械變速。女口：機床，不僅口j以省去復雜的齒輪變速箱，還能 提高精度、滿足程序控制要求。(3) 用變頻調速代替用閘門或擋板調整流量適于風機、水泵、壓縮機等。例如：鍋 爐上水泵、鼓風機、引風機實行了變頻調速控制，不僅省去了伺服放大器、電動操 作器、電動執(zhí)行器和給水閥門(或擋風板)，而11使得整個鍋爐鍋爐控制系統(tǒng)得到 了快速的動態(tài)響應

34、、高的控制精度和穩(wěn)定性。2.5變頻器容量的確定變頻調速是通過變頻器來實現(xiàn)的，對于變頻器的容量確定至關重要。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)冇資料和經(jīng)驗，比較簡便的方法冇三 種：(1) 電機實際功率確定發(fā)首先測定電機的實際功率，以此來選用變頻器的容量。(2) 公式法設安全系數(shù)取1.05,則變頻器的容量為ph = 1.05化 /hm cosy(kw)(2-1)式中，化為電機負載；饑為電機功率。計算出炕后，按變頻器產(chǎn)品目錄可選岀具體規(guī)格。人為第n臺電動機的額定 電流，幾為電機的臺數(shù)。在任何情況下，都不能在連續(xù)使用時超過額定電流/,當 一臺變頻器用于多臺電機吋，應滿足電機額定電流法變頻

35、器變頻器容量選定過 程，實際上是一個變頻器與電機的最佳匹配過程，最常見、也較安全的是使變頻器 的容量大于或等于電機的額定功率，但實際匹配中要考慮電機的實際功率與額定功 率相差多少，通常都是設備所選能力偏大，而實際需要的能力小，因此按電機的實 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。雖然變頻調速冇諸多優(yōu)點，但也冇其不利因索，主要問題是電流中含高次諧波 較多，除對電網(wǎng)有污染外，也使電機自身增加損耗，引起電機發(fā)熱。再有，變頻器 價格貴、投資回收器長、技術復雜、尤其在實現(xiàn)閉環(huán)自動控制時，還需進行技術處 理。此外，不是任何情況下變頻器都節(jié)電，如果電機負載變化不大，或深井泵配有 水塔，

36、節(jié)電、節(jié)水效果都不大，就不宜使用變頻調速。2.6熟悉matlab的原理及應用及simulink仿真matlab （matrix laboratory的縮寫）是mathworks公司開發(fā)的一種集計算、圖形 可視化和編輯功能于一體的功能強大、操作簡便、易于擴充的語言，是目前國際上 公認的優(yōu)秀的數(shù)學應用軟件之一。matlab系統(tǒng)的強犬功能是由其核心內容（語言系統(tǒng)、開發(fā)環(huán)境、圖形系統(tǒng)、 數(shù)學函數(shù)庫、應用程序接口等）和輔助工具箱（符號計算、圖象處理、優(yōu)化、統(tǒng)計 和控制等工具箱）兩大部分構成。simulink是一個進行動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。它可以處 理的系統(tǒng)包括：線性、非線性系統(tǒng)；離散

37、、連續(xù)及混合系統(tǒng)；單任務、多任務離散 事件系統(tǒng)。在simulink提供的圖形用戶界面gui上，只要進行鼠標的簡單拖拉操作就可 構造出復雜的仿真模型。它外表以方塊圖形式呈現(xiàn)，11采用分層結構。從建模角度 講，這既適于自上而下（top-down）的設計流程（概念、功能、系統(tǒng)、子系統(tǒng)、 直至器件），又適于自下而上（botuimup）逆程設計。從分析研究角度講，這種 simulink模型不僅能讓用戶知道具體環(huán)節(jié)的動態(tài)細節(jié)，而11能讓用戶清晰地了解各 器件、各子系統(tǒng)、各系統(tǒng)間的信息交換，掌握各部分之間的交互影響。在simulink環(huán)境屮，用戶將觀察到現(xiàn)實世界屮摩擦、風阻、齒隙、飽和、死 區(qū)等非線性因素和

38、各種隨機因素對系統(tǒng)行為的影響。在simulink環(huán)境屮，用戶可 以在仿真進程中改變感興趣的參數(shù)，實時地觀察系統(tǒng)行為的變化。simulink環(huán)境使 用戶擺脫了深奧數(shù)學推演的壓力和煩瑣編程的困擾。3工作原理研究及仿真實驗3.1設計方案在此次設計中是交直交變頻調速系統(tǒng)的仿真研究，主要是通過一個具體的交直 交變頻方案或者自c搭建一個交宜交變頻的方案來研究交宜交變頻的基本原理、工 作特性、各部分的基本作用及變頻調速系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波對負載運行的影響。對交直交變頻調速系統(tǒng)進行仿真研究需要從幾個模塊分別進行研究，例如冇降 壓模塊、整流模塊、逆變模塊、負載模塊及測量模塊幾個部分。其主冋路主要有三 部分構成：將工頻

39、電源變換為直流屯源的“整流器”；吸收出整流器和逆變器回路 產(chǎn)生的屯壓脈動的“濾波回路”，也是儲能回路；將直流功率變換為交流功率的 “逆變器”。之后利用matlab/simulink搭建模型對其輸出的波形進行仿真研究，并 進行諧波分析，并分析輸出諧波對交流電機負載運行的影響。對交直交變頻器的基本原理和基本組成部分進行研究。然后選定合適的屯壓 源，再進行降壓，然后通過對整流器的分析研究選定合適的整流方案并進行研究分 析，通過對逆變器的研究和分析選定合適的逆變器并選定合適的逆變器搭建方案。 其中這些部分的研究要根據(jù)負載模塊的相關要求來確定，例如：負載的電壓、頻率 等的要求。接下來要對交直交變頻調速系

40、統(tǒng)的基本特性進行研究，并與其他的調速方法作 比較說明其優(yōu)越性，確定其基本的參數(shù)。并在前面的理論基礎上熟悉和學會在 matlab/simulink中搭建模型的方法。為后面成功搭建交直交變頻調速系統(tǒng)的模型 和仿真作準備。在前面的基礎上搭建交直交變頻調速系統(tǒng)的仿真模型，并對其中的參數(shù)進行設 置進行仿真，對整流后的波形，逆變后的波形進行結果分析。3.2整流器的工作原理研究及實驗3.2.1整流器的基本工作原理在電容濾波器的三相不可控整流電路中，最常用的就是三相橋式結構?？紤]電 感時電容濾波的三相橋式整流電路原理圖如卜-圖所示：135x一壬xx該電路中，當某一對二極管導通時，輸出直流電壓等于交流側線電壓中

41、最大 的一個，該線電壓既向電容供電，也向負載供電。當沒有二極管導通時，由電容向 負載供電，叫按指數(shù)規(guī)律卜降。設二極管在距線電壓過零點/角處開始導通，并以二極管刃入和up開始同時 導通的時刻為時間零點，則線電壓為u ah = y/6u 2 sin( cot- s)vi)(3-2)而相電壓為a (l = 2u 2 sin( cots-)6在曲=0時，二極管“6和vq開始同時導通，直流側電壓等于；下一次同 時導通的一對管了是和“2,直流側電壓等于代這兩段導通過程z間的交替 有兩種情況，一種是在uq和“2同時導通z前和“6是關斷的，交流側向直 流側的充電電流匚是斷續(xù)的，另一種是直導通，交替時由刃入導通

42、換相至 “2導通，0是連續(xù)的。介于二者之間的臨界情況是，刃入和“i同時導通的階段 與vp,vd2同時導通的階段在g)t + 3 = 27ii3處恰好銜接了起來，恰好連續(xù)。由 “電壓下降速度相等”的原則，可以確定臨界條件。假設在皿+ 5 = 2龍/3的時刻“速度相等”恰好發(fā)牛，貝惰d6u 2 sin( cot+ 3)d(cot)u7+j = 3ici9 yr <yr(6)d v6(/ 2 sin e wrc 3d(cot)wrc(3-3)(oi+83可得q/?c = v3,這就是臨界條件。corc >希和創(chuàng)?c < v3分別是電流-斷續(xù)和連續(xù) 的條件。對一個確定的裝置來說，通常

43、只有尺是可變的，它的大小反映了負載的輕 重。因此可以說，在輕載時直流側獲得的充電電流是斷續(xù)的，重載時是連續(xù)的，分 界點就是r = /(a)c)o3.2.2整流器部分的實驗研究與分析以上分析的是理想的情況，未考慮實際電路中存在的交流側電感以及為抑制沖 擊電流而串聯(lián)的電感。當考慮上述電感時，電路的工作情況發(fā)生變化，其仿真過程 如下：在實驗的運行階段，需要對實驗進行仿真，木軟件采用自動化領域廣泛使 用的應用軟件matlab中的一個軟件包simulink作為仿真工具對各種電力電子電 路進行仿真。simulink是一個結合了框圖界面和交互仿真能力的系統(tǒng)級設計和仿 真工具，它擁有非常豐富的模塊庫，使系統(tǒng)建

44、模像搭建實際電路一樣方便。自 matlab6.5版木以后，simulink的模塊庫中又增加了一個電力系統(tǒng)模塊集 power system blockset, 口j用于電力電子系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、電力傳動等領域的仿 真和分析，功能十分強大。木軟件主要用到的是simulink基木模塊庫和power system blockset模塊集中的模塊。對一個電路的仿真需要分兩步完成：建模和設置參數(shù)，運行仿真。下面以 三相橋式不可控整流電路實驗為例來介紹仿真的具體實現(xiàn)。（1）建模和設置參數(shù)：根據(jù)三相橋式全控整流屯路的原理圖和實驗過程中要求觀測的波形，在模型 窗口中引入模塊并設置參數(shù)如下：1）從electrica

45、l sources模塊庫中復制（用鼠標拖拉）三個交流電壓源模塊到模 型窗口中。電壓設置值為12oqv,頻率frequency值都設置為60,相位設置為 0,其它值采用默認值。具體參數(shù)設置如下：2）從power electronics模塊庫屮復制一個通用6個diode模塊。參數(shù)設置為on= 0.01, v, =0.8oblock parameresistance ron -ohns:snuttersnutter resistance rs ohms；:v show neasurenent portdiode3diode aask flink laplenents a diode in paral

46、lel with a series rc snutter circuitzn on-state the diode dodel has an internal resistance 尺on； and inductance (lon)for nost applications the internal inductance should te set to zerothe diode iapedance is infinite in offstate aode.farane tns3）從elements模塊庫中復制一個串聯(lián)rlc模塊，電感參數(shù)設置為厶=5八。block parameters： l

47、3series rlc branch (aask (link；：zapleaentw a series branch of rlc eleaents.use thw branch type* parameter to add or remove elements fron the branchfaraneokcancelhelpapply4）從elements模塊庫中復制一個串聯(lián)rlc模塊，電感參數(shù)設置為/? = 10。farame tmrs：load 10 ohmsseries rlc eranch (nask/ (link；znplenents a series branch of rlc

48、 elementsuse the ； branch type； parameter to add or remove elevents frc-zi thw tranohokcancelhelpapp-?"5）從sinks模塊庫中復制1個示波器模塊scope,通道數(shù)設置為3。仿真模型見附錄一和圖3-2ocurrent measurement25 kv, 60 hz10 mva25 kv/600 v50 kvarectifiervdc signal rmsscope 2圖3-2三相橋式不町控整流電路仿真模烈按圖3-2和附錄一搭建仿真電路模型，選用的主要模塊的名稱及提取路徑見表3-1:表

49、3-1仿真電路模塊的名稱及提取路徑模塊名提取路徑通用橋式電路模塊universal bridgesimpowersystems/electrical source三相電壓源simpowersystems/power electricnics串聯(lián)rlc支路rsimpowersystems/elements電壓表模塊simpowersystems/measurements電流表模塊simpowersystems/measurements有效值測量模塊rmssimpowersystems/extra library/ measurements示波器scopesimulink/sinks(2)運行仿真

50、打開仿真/參數(shù)窗口，打開菜單，simlation>configuration parameters>solver,選 擇ode23tb算法(此系統(tǒng)里面用到了電感，電容等非線性元件。然后我乂接了電 壓表測量電路的輸出電壓。這時，系統(tǒng)提示：your model contains nonlinear element,to get a proper simulating performance ,you have to use stiff solver .the recommended solver is ode23tb or ode 15s.如果沒接電壓表就沒有這種提示)，將相對 誤差設

51、置為1曠3,停止時間設置為0.1s,單擊工具欄中的“開始”按鈕開始仿 真。仿真結束后雙擊示波器模塊可觀測被測量的波形，改變模塊參數(shù)可得到隨z變 化的仿真波形。經(jīng)分析可知，有電感時電流波形的前沿平緩了許多，有利于電路的止常工作。 經(jīng)過整流之后得到如下仿真波形：100 | ，圖3-3整流濾波后電流（d1和d3粗線所示）波形圖3-4整流濾波后電流波形1100圖3-5整流濾波麻電壓波形（冇效值）主耍數(shù)量關系：1）輸出電壓平均值空載時，輸出電壓平均值最大，為ud =2 = 2a5u2。隨著負載的加重，輸出電壓的平均值減小，至corc = 3進入匚連續(xù)情況后，輸出電壓波形的平均值為 ud = 234u2

52、o 可見，ud 在 2.34匕 2.452。與電容濾波的單相橋式不可控整流電路相比，的變化范圍要小得多。2）電流平均值輸出電流平均值厶為irj/r（3一4）電容電流平均值為零，因此j _ j（3-5）1 d 1 r在一個電流周期中，有六個波頭，流過每一個二極管的是其中的兩個波頭，因此 二極管電流的平均值為匚的1/3,即ivd = id 13 = 1 r 13（36）3）二極管承受的電壓二極管承受的最大反向電壓為線電壓的峰值，為屁2。4）橋式整流電路電容量的確定電容濾波的計算比較麻煩，因為決定輸出電壓的因素較多。工程上有詳細的曲 線可供杳閱。一般常采用以下近似估算法：一種是在mc = （35）7

53、72的條件下，近似認為=v0 =1.2v2o橋式整流電路的 電容量一般幾百到幾萬uf.3.3逆變器的工作原理研究及其實驗分析3.3.1逆變器的基本工作原理逆變電路根據(jù)直流側電源性質的不同可分為兩種：直流側是電壓源的稱為電壓 型逆變電路；直流側是電流源的稱為電流型逆變電路。這里采用的電壓型逆變電 路，下面構成、原理和特性進行介紹：其基木原理圖如下：v4»6v2圖3-6 （a）三相電壓型橋式逆變電路uvn1ox軸 t皋a； 電壓型逆變電路主要有以下特點：圖3-6 (b)電壓型三相橋式逆變電路的工作波形(1) 直流側為電壓源，或并聯(lián)有人電容，相當于電壓源。直流側電壓基木無脈動， 直流回路呈

54、現(xiàn)低阻抗。(2) 由于直流電壓源的鉗位作用，交流側輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗 角無關。而交流側輸出電流波形和相位因負載阻抗的情況的不同而不同。(3) 當交流側為阻感負載時需要捉供無功功率，直流側電容起緩沖無功能量的作用 為了給交流側向直流側反饋的無功能量捉供通道，逆變橋各僭都并聯(lián)了反饋二極 管，也就是igbto在三相逆變電路中，應用最廣的是三相橋式逆變電路。采用igbt作為作為開 關器件的電壓型三相橋式逆變電路如圖3-6 (a)所示可以看成由三個半橋逆變電 路組成。圖3-4電路的一直流側通常只有一個電容器就可以了，但為了分析方便，畫作串 聯(lián)的兩個電容器并標出了假象中點m。和單相半橋、

55、全橋逆變電路相同，電壓型 三相橋式逆變電路的基本工作方式也是180。導電方式，即每個橋臂的導電角度為 180°，同一相(即同一半橋)上下兩個臂交替導電，各相開始導電的角度依次相 差120。o這樣，在任一瞬間，將有三個橋臂同時導通?？赡苁巧隙粋€臂下而兩 個臂，也可能是上而兩個臂下而一個臂同時導通。因為每次換流都是在同一相上下 兩個橋臂之間進行的，因此也被稱為縱向換流。3.3.2逆變器實驗研究分析(1)建模和設置參數(shù)：根據(jù)三相電壓型橋式逆變電路的原理圖和實驗過程屮要求觀測的波形，在模 型窗口中引入模塊并設置參數(shù)如下：1) 從electrical sources模塊庫中復制(用鼠標拖拉)

56、宜流電壓源模塊到模型窗口 'po電壓phase-to-phase rms voltage設置值為600v,其它值采用默認值。dc volt age source sask；:二 ink；ideal dc voltage sourceparametersamplitude ：*v):600xeasuresentsvoltageokcancelhelpapply2）從power electronics模塊庫中復制一個通用三相電橋模塊。參數(shù)設置為 心=0.0001,其他采用默認值,設置 power electronic device 為 igbt-diode bridge oiftl block parameters： igbt inverteruniversal bridge sask； (link；：this block inplenent a tridge of selected power electronics devices. series rc snu