通用变频器的仿真研究.docx
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通用变频器的仿真研究
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本科生毕业设计
通用变频器的仿真研究
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中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书
指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：
成绩：
指导教师签字：
年月日
中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书
评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：
成绩：
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年月日
中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩
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基本正确
有一般性错误
有原则性错误
没有
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答辩委员会评语及建议成绩
答辩委员会主任签字：
年月日
院（系）领导小组综合评定成绩
院（系）领导小组负责人：
年月日
摘要
随着工业技术的发展，变频器调速技术的应用越来越广泛，它良好的节能效果，和灵活的调速性能，成为调速系统的主导方向。
众所周知，交流电机的调速控制是利用整流电子开关如IGBT,MOSFET和GTO等，异步电机通过PWM脉宽调幅产生整流电压如今已经慢慢替代直流电机和晶闸管整流桥。
结合PWM和现代控制技术如场效应控制和直接转矩控制，可以得到和直流电机相同的在速度和转矩控制方面的灵活性。
本文根据实验室现有条件，设计了一台小型电压源型通用变频器。
本课题选择了对该通用变频器的建模与仿真。
通过MATLAB中的Simulink软件包对所设计的通用变频器进行仿真。
主要内容如下：
（1）利用电机和电力电子器件来仿真一个简单的交流电机调速控制系统。
（2）学习怎样使用通用电桥模块。
（3）分离系统，比较变步长和固定步长的仿真方法。
（4）得到仿真波形。
仿真结果表明所设计系统的控制效果是理想的，实验证明该系统运行可靠，设计切实可行。
关键词：
通用变频器；仿真；交流调速
ABSTRACT
Withthedevelopmentofindustrialtechnology,theapplicationofVVVFmotordriveisbroadening,itsstrikingeffectonpower-savingandflexibleoperatingmode,havingmadeitbecameadominantdirectionofvariablespeedsystem.Asknows,VariablespeedcontrolofACelectricalmachinesmakesuseofforced-commutatedelectronicswitchessuchasIGBTs,MOSFETs,andGTOs.Asynchronousmachinesfedbypulsewidthmodulation（PWM）voltagesourcedconverters（VSC）arenowadaysgraduallyreplacingtheDCmotorsandthyristorbridges.WithPWM,combinedwithmoderncontroltechniquessuchasfield-orientedcontrolordirecttorquecontrol,wecanobtainthesameflexibilityinspeedandtorquecontrolaswithDCmachines.
Thispaperpresentsasmallvoltagetypegeneralconverter,basedontheactualityoftheACelectricdrivesystemsunderthenowexistingofourlaboratory.
Thesimulationofthesmallgeneralconverterareselectedtobeemulatedandbuiltinthisthesis.TheSimulinkpackageintheMATLABisusedtomodelandsimulatethegeneralconverterbeingdeveloped.Themaindetailsarefollowing:
（1）UseelectricalmachinesandpowerelectronicstosimulateasimpleACmotordrivewithvariablespeedcontrol.
（2）LearnhowtousetheUniversalBridgeblock.
（3）Discretizethemodelandcomparevariable-stepandfixed-stepsimulationmethods.
（4）Receivethesimulationwaves.
Finallythesimulationsindicatethattheeffectofdesignsystemisperfect.Thedesignedsystemrunsreliablyinthelab,whichmakessurethatthedesignisfeasible.
Keywords:
generalconverter;simulation;AC-variablespeed
目录
1绪论1
1.1交流变频调速技术的发展与研究现状1
1.2变频器的概况4
1.3通用变频器的发展过程和现状5
1.3.1通用变频器的发展过程6
1.3.2通用变频器的现状7
1.3.3现代通用变频器的基本结构7
1.4通用变频器的术语和技术参数8
1.4.1通用变频器的术语8
1.4.2通用变频器的技术参数8
1.5本文所做的工作8
2异步电动机的基本原理及其调速方法9
2.1异步电机的基本工作原理9
2.2异步电机的静态数学模型11
2.3三相异步电动机的调速方法13
2.3.1交流调速的基本类型13
2.3.2恒压频比变频调速系统控制原理及其机械特性15
2.3.3恒压频比控制的基本电路21
3变压变频调速系统中的脉宽调制（PWM）技术24
3.1PWM技术的发展24
3.2PWM控制技术的分类25
3.3PWM控制性能指标25
4通用变频器的设计28
4.1交-直-交变频器的主电路28
4.1.1交-直-交变频器的结构与原理28
4.1.2控制电路31
4.1.3PWM逆变电路32
4.2主电路参数的选择34
4.2.1额定数据的选择34
4.2.2变频器器件的选择36
4.2.3变频器的主要保护功能37
4.3主电路的干扰问题及常见变频器常见故障分析39
4.3.1主电路的干扰问题39
4.3.2变频器常见故障分析40
5基于MATLAB的仿真研究42
5.1引言42
5.2仿真及结果分析42
5.2.1MATLAB/SIMULINK简介42
5.2.2仿真模型43
6结论与展望53
6.1结论53
6.2展望53
参考文献：
55
致谢57
翻译58
英文原文：
58
中文译文：
66
1绪论
1.1交流变频调速技术的发展与研究现状
在用电系统中，电动机作为主要的动力设备而广泛的应用于工农业生产、国防、科技及社会生活等各个方面。
电动机负荷约占总发电量的60%~70%，成为用电量最多的电气设备[9]。
根据采用的电流制式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类，其中交流电动机拥有量最多，提供给工业生产的电量多半是通过交流电动机加以利用的。
交流电动机的诞生和发展己有一百多年的历史[8]，至今已经研究、制造了形式多样、用途各异的各种容量、各种品种的交流电动机。
交流电动机分为同步电动机和异步感应电动机两大类。
电动机的转子转速与定子电流的频率保持严格不变的关系，即是同步电动机。
反之，即是异步电动机。
据统计，交流电动机用电量占电机总用电量的85%左右，可见交流电动机应用的广泛性及其在国民经济中的重要地位[1,2]。
电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，在实际应用中，一是要使电动机具有较高的机电能量转换效率；二是根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度[1,2,3]。
电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。
为了控制电动机的运行，就要为电动机配上控制装置。
电动机+控制装置=电力传动自动控制系统。
以直流电机作为控制对象的电力传动自动控制系统称之为直流调速系统；以交流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统称之为交流调速系统。
根据交流电机的分类，相应有同步电动机调速系统和异步电动机调速系统。
在过去的几十年里，世界范围的工业进步的一个重要因素是工厂自动化程度的不断提高。
工厂里的生产线一般包括一个或多个可变速的电机传动装置，用于大功率传送带、机械手、桥式吊车、钢材轧制生产线、造纸厂以及塑料和合成纤维生产线等[9,6]。
50年代以前，所有这些应用都需要使用直流电机传动，交流电机由于其固有的以同步或几乎同步于电源的频率运行，所以难以真正的调节或平滑的改变速度。
众所周知，直流电动机的转速容易控制，在额定转速以下，保持励磁电流恒定，可用通过改变电枢电压的方法实现恒转矩调速在额定转速以上，保持电枢恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速[24]。
采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的动、静态调速特性。
因此，长期以来（20世纪80年代以前）在变速传动领域中，直流调速一直占据主导地位。
但是，由于直流电机本身结构上的机械式换向器和电刷这一致命弱点，给直流调速系统的开发和应用带来了一系列的限制[6,7,8,9]：
（1）机械式换向器表面线速度及换向电流、电压有一极限容许值，这就限制了单机的转速和功率。
如果要超过极限容许值，则大大增加电机制造的难度和成本，以及调速系统的复杂性。
因此，工业生产中对一些要求特高转速、特大功率的场合根本无法采用直流调速方案。
（2）为了使机械式换向器能够可靠工作，往往增大电枢和换向器直径，导致电机转动惯量很大。
对于要求快速响应的生产工艺，采用直流调速方式难以实现。
（3）机械式换向器必须经常检查和维修，电刷必须定期更换。
这就表明了直流调速系统维检工作量大，维修费用高，同时停机检修和更换电刷也直接影响了正常生产。
（4）在一些易燃、易爆的生产场合，一些多粉尘、多腐蚀气体的生产场合不能或者不宜使用直流电动机。
可见，由于换向器的存在，使得直流电动机维修难、工作量大、运行中易产生火花，并且对环境的要求较高、电刷易于磨损、其单机容量、最高转速以及使用环境都受到了限制。
正是由于这样一些限制，使得直流调速系统的应用也相应受到了限制。
随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显现出来。
于是人们转向结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的异步电动机。
一般来说，交流传动与相当的直流传动相比通常有价格方面的优势，而且具有较少维护、较小的电机尺寸和更高的可靠性。
然而，对这些传动系统可利用的控制灵活性是非常有限的，而且它们的应用主要局限在风机、泵和压风机等应用方面，其速度只需要粗略调节而对暂态响应和低速特性没有严格要求。
用于机床、纺锤、高速电梯、测功器、矿井提升机、轧机、玻璃浮法生产线等的传动装置，有更加复杂的要求，而且必须提供允许调节多个变量的灵活性，例如速度、位置、加速度和转矩等。
这样的高性能应用，一般在速度闭环下要求高速段保持高于0.5%的调速精度和至少20/1的宽调速范围，以及高于50rad/s的快速暂态响应。
以前，这样的传动装置几乎全部是直流电机的应用领域，并根据具体应用的需要配置各种结构的变换器。
然而，采用适当控制的感应电动机传动在高性能应用上已经胜过直流传动，并且交流传动更加广泛的应用于计算机外围设备的传动、机床和电动工具、机器人和自动装置的传动、纺织厂和造纸厂的传动、电动汽车和电器火车传动、船舶传动、水泥窑和轧钢机传动等等。
交流电动机，特别是鼠笼式异步电动机，具有结构简单、制造容易、价格便宜、坚固耐用、转动惯量小、运行可靠、很少维修、使用环境及结构发展不受限制等优点。
但是长期以来由于受科技发展的限制，把交流电动机作为调速电机的困难问题未能得到很好的解决，只有一些性能差，低效耗能的调速方法[12]，如：
（1）绕线式异步电动机转子外串电阻及机组式串级调速方法。
（2）鼠笼式异步电动机定子调压调速方法（自耦变压器、饱和电抗器）及后来的电磁（滑差）调速方法。
20世纪60年代以后，由于生产发展的需要和节电的要求，促使世界各国重视交流调速技术的研究与开发。
尤其是20世纪70年代以后，由于科学技术的迅速发展为交流调速的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础。
交流传动得以飞速发展，得益于以下几个方面：
（1）电力电子功率器件的发展
变频技术是建立在电力电子技术基础之上的。
电力电子时代是从50年代末晶闸管（SCR）的出现开始的，后来陆续推出了其它种类的器件，诸如控制极可关断晶闸管（GTO），双极型大功率晶体管（BPT或BJT），功率MOS场效应晶体管（MOSFET），绝缘门极双极型晶体管（IGBT），静态感应晶体管（SIT），静态感应晶闸管（SITH），MOS控制的晶闸管（MCT）等。
在这个不断发展的过程中，器件的电压、电流定额以及其他电气特性均得到了很大的改善。
从最初的晶体管到第二代的GTR、MOSFET再到第三代的IGBT，大功率半导体器件的性能不断提高，使得变频装置发生了根本性的变化。
IGBT综合了MOSFET和GTR的优点，既有MOSFET电压控制型器件驱动功率小、开关频率较高的特点（一般为20KHZ以下），又有GTR电压电流值较大的长处。
因此在中等容量的变频器、逆变器中得到了广泛的应用[2]。
然而，在高电压（4500V以上）和大电流（2000A以上）范围，还不得不使用GTO晶体管。
GTO晶体管的开关频率较低（一般为200HZ以下），驱动功率较大，需要复杂的门极驱动电路和昂贵的吸收电路。
IGCT是的GTO改良器件，它将GTO晶闸管芯片与反并联二极管及门极驱动电路集成在一起，具有电流大、电压高、开关频率高、损耗小的特点，又省去了复杂的吸收电路，是取代GTO晶闸管的新型器件[2,12]。
（2）控制理论的发展
关于变频传动的控制、估值和辨识是一个极有吸引力的研究领域，受到国内外学者的广泛关注，有V/F控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制方式等，但在工业上似乎还是在性能要求低的应用场合采用简单、经济的开环控制方法，而在高性能的传动上采用复杂的矢量控制[6]。
采用矢量控制时，交流电机控制得犹如他励直流电机，因此具有直流电机的全部优良控制性能。
虽然转子磁通定向矢量控制能够实现解耦，并已获得了广泛应用，但定子磁通定向的直接矢量控制具有易于解决小参数变动问题和实现无速度传感器下可从零速度进行控制的优点。
实际上，基于现代DSP控制实现的无速度和无磁通传感器的矢量控制，其复杂程序对用户来说是显而易见的，但它在结构上无异于开环V/F控制。
可以预见，矢量控制必将成为一种通用的交流传动控制器。
近来，人工智能（AI）技术，如专家系统、模糊逻辑和人工神经网络（ANN），正在显示出其实现传动的智能化适应控制和估值的光明前景[3]。
交流电动机是个多变量、非线性、强耦合的被控对象，采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念可以实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量的解耦，实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程，使交流调速系统的动态性能得到了显著的改善和提高，从而使交流调速最终取代直流调速成为可能，目前，对调速性能要求较高的生产工艺已较多地采用了矢量控制型的变频调速装置。
实践证明，采用矢量控制的交流调速系统的优越性高于直流调速系统[10]。
受矢量控制的启迪，近年来又派生出诸如多变量解耦控制、变结构滑模控制等方法。
针对电机参数时变的特点，在矢量控制系统中增加了自适应控制技术。
毫无疑问，矢量控制技术在应用实践中将会更加完善，更具有实际应用价值[10,11]。
1.2变频器的概况
变频器是异步电动机变频调速的控制装置。
变频器最早的形式是用旋转发电机组作为可变频率电源，供给交流电动机。
随着电力半导体器件的发展，静止式的变频电源成为了变频器的主要形式[4,5,6]。
静止式变频器从主电路的结构形式上可分为两种：
交一直一交型和交一交型。
（1）交一直一交型变频器：
它根据直流部分电流、电压的不同形式，又可分为电压型和电流型两种。
由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率，所以其主要优点是运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响，它主要适用于中、小容量的交流传动系统。
与之相比，电流型变频器施加于负载上的电流值稳定不变，其特性类似于电流源，它主要应用在大容量的电机传动系统以及大容量风机、泵类节能调速中[12]。
（2）交一交型变频器：
它的功能是把一种频率的交流电直接变换成另一种频率的交流电。
由于中间不经过直流环节，不需换流，因而多用于低速大功率系统中，如回转窑、轧钢机等。
但这种控制方式决定了最高输出频率只能达到电源频率的1/3~1/2所以不能高速运行。
变频器按主电路方式分类，种类有限，新的电路方式较少。
相比之下，按控制方式分类时，其种类比较多，因为可控制的对象较多，包括频率、电压、电流、磁通、转矩、转速、位置等，而且对每一种控制对象又有许多控制方式。
我们常见的有V/f控制的变频器、转差频率控制的变频器和矢量控制的变频器等。
由于转差频率控制的变频器需要针对具体电机的机械特性调整控制参数，而矢量控制的变频器一般应用于轧钢、造纸设备等对动态性能要求较高的场合，所以它们的通用性较差，目前市场上销售的通用变频器的控制方式多半为V/F比恒定控制。
V/F比恒定控制方式又称为VVVF（变压变频）控制方式。
在V/F控制的变频器中，主电路中逆变器采用IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor绝缘栅双极型晶闸管）构成三相逆变桥，控制原理采用PWM（脉冲宽度调制）方式。
它突出的优点是可以进行电机的开环速度控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电动机，所以V/F比恒定控制方式通用性强，经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。
但其较差的低速性能是V/F比恒定控制存在的主要问题[7]。
变频器的发展十分迅速，在国民经济的各部门得到了广泛的应用。
从使用对象的角度，变频器又可分为通用变频器和专用变频器。
专用变频器用于特定的控制对象，例如机床的主轴、进给部分的控制器等。
通用变频器是相对专用变频器而言的，我们通常把系列化、批量化、占市场量最大的中小功率变频器称为通用变频器。
通用一词有两方面的含义：
一是这种变频器可用以驱动通用型交流电机，而不一定使用专用变频电机；二是通用变频器具有各种可供选择的功能，能适应许多不同性质的负载机械。
由于通用变频器强调通用性，其性能可以满足大多数生产机械调速控制的需要，而且比专用变频器价格便宜，所以它适用于不同场合。
通用变频器和异步电动机结合起来，实现了对生产机械的调速传动控制，在很多文献中都简单的称其为变频器传动[1]变频器传动具有它固有的优势，应引用到不同的生产机械或设备上，可以体现出不同的功能，达到不同的目的，收到相应的效益。
在一切需要进行速度控制的场合，变频器传动以其操作方便、体积小、控制性能高而成为目前世界上最受欢迎的调速方式，它的优越性已带来了巨大的社会效益和经济效益[4]。
1.3通用变频器的发展过程和现状
1.3.1通用变频器的发展过程
早在二战之前，德国和苏联就开始研制变频调速系统[5]。
但一直到50年代中期，由于1957年晶闸管的发明，才使得电力电子技术进入了强电领域，伴随着电力半导体器件的发展，1964年第一台变频器问世了，变频调速的各种方案开始进入使用阶段。
但是当时用晶闸管制成的变频器因造价高，仅仅用于纺织，磨床等特定用途。
进入70年代，受石油危机的影响，电机调速问题渐渐得到人们的重视，这对变频调速技术的发展起到了很大的推动作用[6,7]。
为节能服务的低价变频器开始出现，但仍属于专用变频器。
1974年德国的F.Barnet等人开始利用著名的空间电压矢量概念对PWM波进行评估[5]，控制理论的发展和实现手段上的进步使得变频调速技术经历了第一个高峰[7]。
进入80年代以后，电力电子技术取得了突飞猛进的发展，新的器件和变换技术不断涌现。
从早期的SCR到GTO到近几年出现的1GBT,SITH（静电感应晶闸管）、SIT（静电感应晶体管）、MCT（MOS控制晶闸管），器件的功率级别、开关频率等都大大提高。
同时还出现了与半导体器件配套的功率集成电路（POWERIC）和功能更完善的智能化功率半导体器件（IPM）[2]。
逆变器由以晶闸管为核心的外部换相电路向以自关断器件为核心的自换相电路变化，功率器件开关频率的大大提高也使得各种复杂控制方式易于实现。
现在功率半导体器件的发展目标是：
高集成度、制成各种特定用户的模块、大大降低成本、提高可靠性、研制新一代IPEM（IntegratedPowerElectonicModule）以取代PLC这些成就和发展为变频器的飞速发展和大规模普及提供了物质上的准备条件[13]。
随着微处理器的不断进步，从8-16位的单片机，到16-32位的数字信号处理器（DSP），再到32-64位的精简指令集合计算机（RISC）,位数增多，执行速度快，控制能力也就越来越强，从而导致了变频调速控制技术由模拟控制向全数字化控制转化。
今后变频器的发展方向是进一步缩小元器件的体积，提高专用集成电路（ASIC）的集成度，使小容量系统的控制器和变换器都能嵌装在电机机壳里面，构成机电一体化[7,8]。
伴随着电子控制器和电力电子技术的不断发展，相应的自动控制策略也取得了长足的进展，在变换器的PWM控制技术方面先后提出了SPWM（正弦波PWM）方式、SVPWM（SpaceVectorPWM空间电压矢量PWM）方式和各种优化PWM方式，先进的PWM方式使输出谐波大大降低[12]。
同时在控制理论上也提出了一系列新的控制方法，如无速度传感变频控制、转矩直接控制、非线性解藕控制等，因而电机控制系统的结构不断简化，性能不断提高。
正是在以上几方面的影响下，通用变频器开始出现并在国外广泛使用。
在开发、生产、应用通用变频器方面以日本、德国最为突出。
国内引进的通用变频器也以日本、德国生产的居多[9]。
1.3.2通用变频器的现状
进入90年代，通用变频器以其优异的控制性能，在调速领域独树一帜，并在工业领域及家电产品中得到迅速推广[8]。
此时，变频技术和变频器制造已经从一般意义
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