变频器中整流和逆变单元仿真软件开发.docx

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变频器中整流和逆变单元仿真软件开发

辽宁工业大学

交流调速控制系统课程设计（论文）

题目：

变频器中整流和逆变单元仿真软件开发

院（系）：

电气工程学院

专业班级：

自动化

学号：

学生姓名：

指导教师：

（签字）

起止时间：

2014.12.15-2014.12.26

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：

电气工程学院教研室：

自动化

学号

110302032

学生姓名

王毅

专业班级

自动化112

课程设计（论文）题目

变频器中整流和逆变单元仿真软件开发

课程设计（论文）任务

课题完成的功能：

分别以变频器中的整流器和PWM逆变单元为对象，采用MATLAB/SIMULINK软件开发整流器和逆变器的仿真软件。

利用开发的仿真软件，进行各种仿真实验，并对仿真结果进行分析。

设计任务及要求：

1、利用MATLAB/SIMULINK软件开发整流器的仿真软件，并进行仿真实验，对仿真结果进行分析；

2、利用MATLAB/SIMULINK软件开发逆变器的仿真软件，并进行仿真实验，对仿真结果进行分析；

技术参数：

1、仿真实验中，晶闸管触发角分别为30º，45º，60º。

2、仿真实验中，PWM逆变器触发角分别为30º，45º，60º。

3、交流电源电压范围为0-220V，频率范围为0-50Hz。

4、直流电源电压范围为0-100V。

进度计划

1、熟悉课程设计题目，查找及收集相关书籍、资料（1天）；2、开发整流器仿真软件（2天）；

3、开发PWM逆变器仿真软件（2天）；4、各种仿真实验及结果分析（3天）；5、撰写课设论文（1.5天）；

6、设计结果考核（0.5天）；

指导教师评语及成绩

平时：

论文质量：

答辩：

总成绩：

指导教师签字：

年月日

注：

成绩：

平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

摘要

变频器包括主电路和控制电路，主电路包括整流、滤波、逆变三部分。

本课设分别以变频器中的整流器和PWM逆变单元为对象，采用MATLAB/SIMULINK软件开发整流器和逆变器的仿真软件。

利用开发的仿真软件，进行各种仿真实验，并对仿真结果进行分析在仿真。

软件中分别改变晶闸管的触发角和PWM逆变器触发角。

关键词：

变频器；整流；逆变；PWM

目录

第1章绪论1

第2章变频器3

2.1变频器的概述3

2.2变频器的工作原理4

2.3变频器的结构5

2.4主电路6

2.5控制电路6

2.6PWM技术8

第3章仿真软件及分析9

3.1整流器的仿真9

3.1.1整流器的仿真程序9

3.1.2波形图12

3.2逆变器的仿真14

3.2.1逆变器的仿真程序14

3.2.2波形图17

第4章课程设计总结19

参考文献20

第1章绪论

随着电气传动技术，尤其是变频调速技术的发展，作为大容量传动的高压变频调速技术也得到了广泛的应用。

变频器是近20年来发展起来且日趋成熟的一门新技术。

由于它完善的功能，良好的经济性且实际应用也日趋广泛。

对提高产量，增加效率，节约能源，提高经济效益发挥了重要作用。

由此应运而生变频调速。

进入21世纪，变频调速正在逐步地成为电气传动的中枢。

变频调速交流变频器最为常用。

我们将交流变频调速的设备称为变频器。

交流变频器可以分为滤波部分、整流部分、控制部分、驱动电路、保护电路等等。

一般认为交流电动机的感应电势约等于交流电机的端电压，和频率和磁通的乘积成正比。

当频率上升且端电压保持不变时，势必造成磁通量的减少，而磁通量增加将造成电机磁饱和。

频率下降时即高于电源频率，磁通量将增加，造成电机不足。

无论饱和还是欠不足，对电机都是有关于交流变频调速技术的发展与应用

变频器调速技术发展与应用具有非常广泛的特点，它的电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置3部分组成。

电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态，例如位置、速度、加速度等。

实现电能-机械能的转换,达到优质、高产、低耗的目的。

调速又分为交流调速和直流调速两种方式。

交流调速是交流调速为控制对象的控制系统，直流调速是直流调速为控制对象的控制系统。

近年来变频调速应用领域将不断扩大。

变频调速作为高新技术、基础技术、节能技术，已经渗透到经济领域的所有技术部分中。

随着科学技术的进步、大功率电力电子技术的迅速发展，大规模集成电路和微机技术的突飞猛进，交流电动机变频技术已日趋完善，变频调速器用于交流异步电动机调速，其性能胜过以往任何一种交流调速方式，已成为电动机调速最新潮流。

现在，以变频器为主要环节的交流调速作为节能应用与速度工艺控制中越来越重要的自动化设备得到了快速的发展和广泛的应用。

交流变频调速已广泛在钢铁、冶金、石油、化工、纺织、印染、医药、造纸、卷烟、高层建筑供水、建材及机械行业应用，功率大到上万千瓦的轧钢机，小到只有几十瓦的公园喷水头，从工厂装备到家用电器，应用范围相当广阔，并且还将继续扩大。

常规的交-交变频器由于受到输出最高频率的限制，只用在一些低速，大容量的特殊场合。

直接高压交-直-交变频器直接高压输出，无需输出变压器，效率高，输出频率范围宽，应用较为广泛。

我们将对目前使用较为广泛的几种直接高压输出交-直-交型变频器及其派生方案进行分析，指出各自的优缺点。

评价高压变频器的指标主要有：

成本，可靠性，对电网的谐波污染，输入功率因数，输出谐波，dv/dt，共模电压，系统效率，能否四象限运行等。

顺便指出，我们习惯称作的高压变频器，实际上电压一般为2.3-10KV，国内主要为3KV，6KV和10KV，和电网电压相比，只能算作中压，故国外常成为MediumVoltageDrive.高压变频器正向着高可靠性，低成本，高输入功率因数，高效率，低输入输出谐波，低共模电压，低dv/dt等方向发展。

电流源型变频器技术成熟，且可四象限运行，但由于高压时器件串联的均压问题，输入谐波对电网的影响和输出谐波对电机的影响等问题，使其应用受到限制。

对风机和水泵等一般不要求四象限运行的设备，单元串联多电平PWM电压源型变频器在输入，输出谐波，效率和输入功率因数等方面有明显的优势，具有较大的应用前景。

对于轧机，卷扬机等要求四象限运行和动态性能较高的场合，双PWM结构的三电平电压源型变频器会得到广泛的应用。

第2章变频器

变频器的概述

日趋广泛，对提高产量，节约能源提高经济效益发挥了重要作用。

变频器部份是一个利用固态电子器件的电力电子系统，大多数的变频器是交流/交流转换器，输入及输出都是交流的电压。

不过像使用共同直流电源（commonDCbus）或是利用太阳能为电源时，则会使用直流/交流转换器的架构。

交流/交流转换器可分为三个部份：

分别是交流转换为直流的整流器、直流链（DClink）及是直流转换为交流的逆变器。

变频器是近20年来发展起来且日趋成熟的一门新技术，由于它完善的功能，实际应用也

变频器的输出是利用逆变器，用脉冲宽度调变（PWM）的方式输出交流电压，其中正弦波PWM（SPWM）是最直接调整电动机电压及频率的方式，有大小及频率均可调整的正弦参考波讯号及锯齿型的载波讯号，如果参考信号超过载波，则输出高电位。

反之，则输出低电位，即可产生一个脉冲宽度随时间变化的输出讯号，输出讯号在滤波后即接近正弦波。

当电动机利用变频器进行调速控制时，能否合理选择变频器将直接影响调速系统的性能的优劣。

通常变频器的选择包括变频器类型选择和容量选择两个方面。

变频器类型的选择要根据负载的要求进行。

而容量的选择应按运行过程中可能出现的最大工作电流来选择。

利用变频器可以将电动机在大于额定速度的条件下运作，但提供给电动机的功率不得超过其额定功率。

这种应用称为“弱磁”，而电压和频率的比例也会较低。

永磁同步电动机由于磁铁产生的磁链为定值，因此弱磁区的速度范围较窄，绕线转子电动机及感应电动机弱磁区的速度范围较广，例如对100 hp,460V,60 Hz,1775RPM（4极）的感应电动机提供460V,75 Hz的电压（6.134V/Hz），其转速为额定转速的125%（2218.75RPM），在输出功率不超过100%的条件下，其转速只有额定转矩的60/75=80%。

若感应电动机的速度更高时，造成崩溃转矩（breakdowntorque）的下降，电动机所能输出的转矩会更低。

一般电动机可输出额定功率的转速上限约为额定转速的130%至150%，绕线同步电动机的转速上限更高，有些碾轧用的电动机可以在额定转速的200%至300%时输出额定功率，电动机的最大转速则受转子的机械强度所限制。

变频器中会有一个以微处理器或数位讯号处理器为核心的嵌入式系统，控制变频器的运作。

相关程序则是在微处理器或者数位讯号处理器的固件中。

变频器会提供显示资讯、变量及机能方块有关的参数，使用者可以透过操作器或通讯进行修改，来监制及保护变频器及驱动的电动机及设备。

变频器的工作原理

2.1变频器的工作原理

中间滤波器：

将直流电中的交流分量滤除，改善直流电的质量。

谐波：

电流经过负载时，与所加电压不成线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波

非正弦电流=基波+谐波+谐波+……

谐波的危害：

1、产生附加的谐波损耗；

2、影响电气设备的正常工作；

3、引起电网中局部的谐振；

4、使计量仪表不准确；

5、对通信系统产生干扰

变频器的结构

图2.2变频器结构

1）主电路一对低压变频器来说，其主电路几乎均为电压型交—直一交电路。

它由三相桥式整流器（即AC／DC模块）、滤波电路（电容器C）、制动电路（晶体管V及电阻R）、三相桥式逆变电路（IGBT模块）等组成。

电压型变频器是以电压源向交流电动机提供电功率的，优点是不受负载功率因数或换流的影响。

缺点是负载出现短路或波动时，容易产生过电流，烧损模块，故必须在极短时间内采取保护措施，且只适用单方向传送，不易实现能量回馈。

2）驱动板一由IGBT的驱动电路、保护电路、开关电源等组成。

　　3）主控板一由CPU、故障信号检测、I／O光耦合电路、A／D和D／A转换、EPROM、16MHz晶振、通信电路等组成。

多数采用贴片元件（SMT）波峰焊接的技术。

　　4）操作盘及显示—输人I／O操作信号，用LED（或LCD）来显示各种状态。

　　5）电流传感器一用以得到电流信号。

主电路

图2.3主电路

主电路是给电机提供调压调速电源的电力部分。

通常由三部分构成。

即整

流器，逆变器和滤波回路。

如果当电机需要制动时，还要附加制动回路。

同时主电路各器件参数的大小直接影响系统的性能。

1）整流器。

它又称为电网侧变流器，其作用是将交流工频电源直流电。

本

电路所采用的整流器是用二极管构成的不可控三相桥式电路。

2）逆变器。

它又称为负载侧变流器。

与整流器相反，逆变器是将直流电重新变换为交流电。

此电流型变频器是利用6个绝缘栅双极晶体管组成的三相桥式逆变电路。

有规律的控制逆变器中主开关器件的导通与关断，可以得到任意频率的三相交流电输出。

3）滤波回路。

在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。

为了抑制电压波动。

本电路采用大电容来吸收脉动电压。

控制电路

给电动机供电（电压，频率可调）的主电路提供控制信号的电路。

称为控制电路。

控制电路的主要作用是将检测到的各种信号传送至运算电路，使运算电路能够根据要求为主电路提供必要的驱动信号，同时对异步电动机提供必要的保护。

控制电路由以下电路组成：

运算电路，驱动电路，检测电路，输入输出接口控制电路，数字控制输入。

1）运算电路。

将外部的速度、转矩等指令和检测电路的电流，电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。

此控制电路的运算电路为一个分段函数。

2）驱动电路。

为驱动主电路器件的电路。

它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。

3）检测电路。

包括电流、电压检测电路和速度检测电路。

电流、电压检测电路与主回路隔离检测电压电流等；速度检测电路是以装在电动机轴机上的速度

检测器（TG、PLG等）的信号为速度信号，送入运算回路。

根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。

4）输入输出接口控制电路。

是变频器的主要外部联系通道。

输入信号接口主要有频率信号设定端和输入信号控制端。

输出信号接口主要有状态信号输出端，

报警信号输出端和测量仪表输出端。

本电路的输入端是正弦参考信号和三角波发生信号相组合的触发信号。

5）数字控制输入。

可设定电动机的旋转方向，完成频率的分段选择及数据通信等。

图2.4控制电路

PWM技术

（1）PWM技术：

PWM是对脉冲宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（包括形状和幅值）。

统的调速范围和稳态性能。

（2）面积等效原则：

一组等幅不等宽的脉冲序列与正弦波等效。

（3）PWM变频器的工作原理：

以正弦波为调制波，以等腰三角波为载波；在二者交点时刻产生触发信号用来控制变频器中IGBT的导通和关断；这样，在变频器输出端可得到一系列等幅不等宽的脉冲，按照面积等效原则，这样的脉冲序列和期望的正弦波一致。

改变正弦波的幅值，脉冲宽度随之改变，从而改变了逆变器输出电压的大小；

改变正弦波的频率，从而改变了逆变器输出电压的频率。

（3）PWM变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它具有如下的一系列优点：

1.在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单。

2.输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，提高了系统的调速范围和稳态性能。

第3章仿真软件及分析

整流器的仿真

整流器的仿真程序

开发晶闸管元件构成的单相半波整流器的程序，如图4.1所示。

该程序主要采用PulseGenerator（脉冲发生器）实现。

脉冲发生器在Simulink工具箱的Source库中，模型如图1中的PulseGenerator所示。

4.1整流器程序

使用模块及其参数设计：

双击脉冲发生器模型可以改变其参数，这是单相半波整流桥改性负载，下面对PulseGenerator模块进行参数设置，通过设置Phasedelay（相位延迟），来改变控制角α的不同角度，来观察负载电压、电流及晶闸管电压、电流的变化情况。

脉冲参数设置对话框如图2所示。

由于交流电压源的频率已设置为50Hz，则PulseGenerator模块中的脉冲周期为0.02s，脉冲宽度设置为宽度的10%，脉冲高度为10，脉冲移相角通过相位角延迟对话框进行设置。

例如移相角为0°、60°、90°的工作情况，它们分别对应相位延迟时间为0s、0.02/6s、0.02/2s。

打开晶闸管模块对话框，按如下参数进行设置：

Ron=0.001Ω，Lon=0H，Vf=0.8V，Rs=20Ω，Cs=4e-5F。

串联RLC元件模块和接地模块到Thyristor模型中，打开参数对话框，其中R=1Ω，L=0.01H，其他参数为默认值。

2．单相半波整流器程序运行输出

打开仿真参数窗口，选择ode23tb算法，将相对误差设置为1e-3，开始仿真时间设置为0，停止仿真时间设置为0.1。

运行仿真模型得到仿真结果如图所示。

在示波器的仿真图形中，5条曲线分别为负载电流Iload、负载电压Vload、触发脉冲Pulse、晶闸管电流Iak及晶闸管电压Vak。

波形图

（1）晶闸管触发角为30º波形图

4.2晶闸管触发角30º波形图

（2）晶闸管触发角为45º波形图

4.3晶闸管触发角45º波形图

（3）晶闸管触发角为60º波形图

4.4晶闸管触发角60º波形图

逆变器的仿真

逆变器的仿真程序

PWM技术逆变器仿真主要包括主电路模型和PWM信号控制两部分。

主电路模型利用IGBT构成单项逆变器主电路实现。

仿真程序如下图所示：

逆变器仿真程序

使用模块及其参数设计：

（1）PWM发生器

MATLAB在SimPowerStystems工具箱的Extra子库下的PWM发生器（PWMgennerator）

Signal（s）：

当选择为调制信号内部产生模式时，无需连接此端子；当选择为调制信号外部产生模式时，此端子需要连接用户定义的调制信号。

Pulses：

根据选择主电路桥臂形式，定制产生2,4,6,12，路PWM脉冲。

点击该模块，可以进入模块参数设置界面，如下图所示：

各参数含义如下：

●GeneratorMode：

分别选择1-armbridge（2pulses）、2-armbridge（4pulses）、3-armbridge（6pulses）、double3-armbridge（6pulses）。

●Carrierfrequency（HZ）：

载波频率就是我们前面提到的调制三角波频率，单位赫兹。

●Internalgenerationofmodulatingsignals（s）：

调制信号内、外产生方式选择信号

●Modulationindex（0

调制索引值m，调制信号内产生方式下可选，其范围在0-1之间。

大小决定输出信号的复制

●Frequencyofoutputvoltage（HZ）：

调制信号内产生方式下可选，输出电压的频率设定。

●Phaseofoutputvoltage（degree）：

调制信号内产生方式下可选，输出电压初始相位值设定。

（2）逆变器模型

逆变器模型采用通用峭壁结构，选择MATLAB在SimPowerSystems工具箱的PowerElectronics库中UniversalBridge模块。

该模块如下图所受：

点击该模块，可以进入模块参数设置界面，如下图所示：

各参数含义如下：

●Numberofbridgearms：

桥臂数量，可选择1、2、3相壁桥，构成不同形式整流器。

●SnubberesistanceRs（Ohms）：

缓冲电阻Rs，为消除缓冲电路，可将Rs参数设置为inf。

●SnubbercapacitanceCs（F）：

缓冲电容Cs，单位F，为消除缓冲电路，可将缓冲电容设置为0：

未得到纯电阻，可将电容参数设置为inf。

●RsistanceRon（Ohms）：

晶闸管的内电阻Rom。

●ForwardvoltageVf（V）；晶闸管原件的正向管压降Vf，单位为V。

仿真算法选择old15s算法，仿真时间设置为0-0.05s，如下图所示。

运行仿真程序，可得到电压仿真曲线如下图：

波形图

（1）PWM逆变器触发角为30º波形图

4.6逆变器触发角30º波形图

（2）PWM逆变器触发角为45º波形图

4.7逆变器触发角45º波形图

（3）PWM逆变器触发角为60º波形图

4.8逆变器触发角60º波形图

第4章课程设计总结

变频器正越来越广泛的深入到行业中。

它的节能、省力、易于构成自控系统的显著优势应用变频调速技术也是改造挖潜、增加效益的一条有效途径。

尤其是在高能耗、低产出的设备较多的企业，采用变频调速装置将使企业获得巨大的经济利益，同时这也是国民经济可持续发展的需要。

在课程设计这段时间中,通过多次的修改，终于圆满完成了此次课程设计。

此次课程设计，我学到并掌握PWM技术的主体思路和方法。

同时，也锻炼了我的学习能力、工作能力，并培养了我的合作精神，为我即将走向工作岗位打下了良好的基础。

参考文献

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清华大学出版社，2006

[2]佟纯厚《国内外交流调速发展的现状和方向》,2009

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[4]MATALAB使用手册.,2010

[5]陈伯时主编《电力传动自动控制系统》北京:

机械工业出版社,2012

[6]陈国呈《PWM变频调速技术》机械工业出版社1998.7:

84-92

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机械工业出版社，1994:

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[8]陈国呈,PWM变频调速技术,机械工业出版社1998.7:

84-92

[9]吴守箴,臧英杰《电气传动的脉宽调制控制技术》北京:

机械工业出版社,1997

[10]贾建强,韩如成,左龙.基于MATLAB/Simulink的交流电机调速系统建模与仿真.电机与控制学报,2001（3）:

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