基于MATLAB逆變器交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真

1、基于MATLAB環(huán)境下逆變器-交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真摘 要 本文以交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)為研究對(duì)象，以MATLAB為仿真工具，介紹了Simulink仿真模塊，分析了變頻器的工作原理，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了多種逆變電路的仿真設(shè)計(jì)。 文章首先對(duì)MATLAB/Simulink模塊中電力電子仿真所需要的電力系統(tǒng)模塊集做了簡(jiǎn)要的說(shuō)明，介紹了變頻器中實(shí)現(xiàn)變頻的主要環(huán)節(jié)逆變器的工作原理，并且分析了目前幾種最常見的逆變器（單向全橋逆變器、三相橋式逆變器和SPWM控制的單相逆變器）的工作原理，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用MATLAB軟件分別對(duì)這幾種電路的仿真進(jìn)行了設(shè)計(jì)；并進(jìn)一步設(shè)計(jì)出了交-直-交變頻器的仿真模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交流

2、電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真。關(guān)鍵詞：Simulink，電壓型逆變電路，變頻調(diào)速，仿真設(shè)計(jì)目 錄第一節(jié) 緒論4一 交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展概況-4二 全數(shù)字控制技術(shù)-6三 系統(tǒng)仿真-7四 論文的意義及任務(wù)-8第二節(jié) 電力電子器件仿真模型及逆變電路仿真設(shè)計(jì)8一 絕緣柵雙極性晶體管的仿真模型及參數(shù)設(shè)定-8二 逆變電路仿真設(shè)計(jì)-11第三節(jié) 基于MATLAB的變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)16一 變頻器的基本概念16二 交一直一交變頻電路的仿真設(shè)計(jì)18第四節(jié) 小 結(jié)-20第一節(jié) 緒 論一 交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展概況 直流電氣傳動(dòng)和交流電氣傳動(dòng)在19世紀(jì)先后誕生。由于直流傳動(dòng)具有較好的調(diào)速性能，而交流傳動(dòng)調(diào)速性能難以滿足生產(chǎn)要求

3、，因此，在20世紀(jì)大部分年代里，直流傳動(dòng)在調(diào)速領(lǐng)域中一直占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，直流傳動(dòng)的缺點(diǎn)逐步暴露出來(lái)，由于換相器的存在，使直流電機(jī)的維護(hù)工作量加大并限制了電機(jī)容量、速度和使用環(huán)境，加之成本高、效率低等缺點(diǎn)，人們開始轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、便于維護(hù)、價(jià)格低廉的交流電機(jī)，并致力于它的調(diào)速技術(shù)研究。20世紀(jì)60年代后期，特別是70年代以來(lái)，隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，交流調(diào)速性能完全可以和直流調(diào)速相媲美。目前，交流調(diào)速已逐步替代直流調(diào)速?？v觀交流調(diào)速傳動(dòng)發(fā)展過(guò)程，大致是沿著三個(gè)方向發(fā)展的：一個(gè)是取代直流調(diào)速實(shí)現(xiàn)少維修、省力為目標(biāo)的高性能交流調(diào)速；另一個(gè)以節(jié)能為目的：改恒

4、速為調(diào)速，適用于風(fēng)機(jī)、泵類、壓縮機(jī)等通用機(jī)械的交流調(diào)速；第三個(gè)是直流調(diào)速難以實(shí)現(xiàn)的特大容量，極高轉(zhuǎn)速領(lǐng)域的交流調(diào)速。(一) 電力電子技術(shù)是現(xiàn)代交流調(diào)速的物質(zhì)基礎(chǔ)現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展是和電力電子技術(shù)的發(fā)展分不開的，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。電力電子電路由電力電子器件、變流電路和控制電路組成，其中電力電子器件是基礎(chǔ)。最初的電力電子技術(shù)是電力、電子、控制三大電氣工程技術(shù)領(lǐng)域之間的交叉學(xué)科。后來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)又與現(xiàn)代控制論、材料力學(xué)、電機(jī)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)。目前，電力電子

5、技術(shù)已成為一門多學(xué)科互相滲透的綜合性技術(shù)學(xué)科。1.電力電子器件20世紀(jì)50年代末晶閘管的問(wèn)世標(biāo)志了電力電子技術(shù)的開端，從此“電”進(jìn)入到強(qiáng)電領(lǐng)域，電力電子器件成為弱電控制強(qiáng)電的紐帶。近40年來(lái)，電力電子器件經(jīng)歷了非常迅猛的發(fā)展過(guò)程，從只能觸發(fā)導(dǎo)通而不能控制關(guān)斷的半控型器件，到可以控制導(dǎo)通和關(guān)斷的全控型器件，從電流控制到電壓電場(chǎng)控制，從低頻功率開關(guān)到高頻功率開關(guān)。目前，電力電子器件正在向大功率化、高頻化、小體積、集成化、智能化、低損耗、易觸發(fā)、好保護(hù)等方向發(fā)展。IGBT、IGCT（集成門極換流晶體管）、IPM（智能功率模塊）是目前最為流行的電力電子器件。2. 變流技術(shù)與控制技術(shù)電力電子電路即通常所

6、說(shuō)的變流電路，它以電力電子器件為核心，通過(guò)不同的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的轉(zhuǎn)換和控制。變流電路的基本轉(zhuǎn)換形式有四種，如圖1-1所示，圖中逆變電路的作用是不僅把直流變成可調(diào)電壓的電流，而且可輸出連續(xù)可調(diào)的工作頻率。整流電路和逆變電路是交-直-交變頻器的主要環(huán)節(jié)，交-直-交變頻器是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛、電機(jī)調(diào)速的中小型交流調(diào)速系統(tǒng)的主體。目前最常用的、發(fā)展最快的變頻器是脈寬調(diào)制（PWM）型變頻器。交-交變頻電路適用于大功率交流調(diào)速系統(tǒng)。近年來(lái)，隨著電力電子器件的迅猛發(fā)展，交流調(diào)速控制技術(shù)也得到迅速的發(fā)展。它經(jīng)歷了相位控制技術(shù)、VVVF控制技術(shù)、轉(zhuǎn)差頻率控制技術(shù)、脈寬調(diào)制技術(shù)及矢量控制技術(shù)，其中

7、PWM是一種很有發(fā)展前途的變頻調(diào)速方法，矢量控制技術(shù)也是一種很有發(fā)展前途的新的控制技術(shù)。圖1-1 變流電路的基本轉(zhuǎn)換形式（二） 矢量控制技術(shù)1971年由德國(guó)西門子公司的Blaschke提出了矢量控制理論，它是一種新的控制理論和控制技術(shù)，它解決了交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制問(wèn)題。矢量控制技術(shù)根據(jù)磁動(dòng)勢(shì)等效原則，應(yīng)用坐標(biāo)變換將三相系統(tǒng)等效為二相系統(tǒng)，再經(jīng)過(guò)按磁場(chǎng)定向的同步旋轉(zhuǎn)變換，實(shí)現(xiàn)了定子電流勵(lì)磁分量于轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦，從而達(dá)到對(duì)交流電機(jī)的磁鏈和電流分別控制的目的。這樣就可以將一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)來(lái)控制，因而獲得了與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動(dòng)態(tài)性能，開創(chuàng)了交流調(diào)速與直流調(diào)速相媲美的時(shí)代。二

8、全數(shù)字控制技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，16位乃至32位微處理機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越普及，而且由于微處理機(jī)在性能、速度、容量、價(jià)格、體積等方面的不斷發(fā)展，使得在電氣傳動(dòng)中全部采用數(shù)字控制成為現(xiàn)實(shí)。全數(shù)字控制使信息處理能力大大提高，實(shí)現(xiàn)了模擬控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜控制，使RAS功能得以實(shí)現(xiàn)。全數(shù)字控制的特點(diǎn)如下所述。（1）控制精度高。在模擬控制系統(tǒng)中，大量使用運(yùn)算放大器會(huì)受溫度變化和電壓波動(dòng)的影響；而數(shù)字控制系統(tǒng)中，一切均通過(guò)軟件運(yùn)算，故控制精度高。此外，數(shù)字控制采用微量化信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，故精度有保證。（2）穩(wěn)定性好?？刂菩畔閿?shù)字量，不會(huì)隨時(shí)間發(fā)生漂移，也不會(huì)隨溫度和環(huán)境條件而發(fā)生變化，這是模擬控制無(wú)法

9、比擬的。（3）可靠性高。微機(jī)控制采用的元器件少，特別是采用單片機(jī)后，所用元器件更是大幅度減少，相應(yīng)的故障率大大降低；而且信號(hào)全部采用數(shù)字量傳輸，受干擾的影響小，因此，它比模擬控制可靠性高。（4）維護(hù)方便。微機(jī)可以存儲(chǔ)檢測(cè)獲得的各種信號(hào)，它具備記憶能力，容易實(shí)現(xiàn)故障診斷，方便維護(hù)。（5）靈活性好。在硬件不做任何改動(dòng)的情況下，只要修改軟件就可以改變它的控制功能，實(shí)現(xiàn)不同的控制策略。（6）經(jīng)濟(jì)性好。采用微機(jī)或DSP后會(huì)提高控制系統(tǒng)的成本，但隨著芯片價(jià)格的降低，這個(gè)差距會(huì)很快縮小。（7）邏輯運(yùn)算能力強(qiáng)。數(shù)字計(jì)算機(jī)具有很強(qiáng)的邏輯運(yùn)算能力，與它的存儲(chǔ)能力相結(jié)合，使得計(jì)算機(jī)可以做許多事情，甚至可以模擬人的思

10、維進(jìn)行分析、判斷，積累經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)智能控制。（8）存儲(chǔ)能力強(qiáng)。存儲(chǔ)容量大，存儲(chǔ)時(shí)間幾乎不受限制，可以在計(jì)算機(jī)內(nèi)存放各種數(shù)據(jù)和表格，以便采用查表的方法來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算。由于變頻器供電的調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)快速系統(tǒng)，在使用數(shù)字控制時(shí)采樣頻率較高，通常大于1kHz，常需要完成復(fù)雜的操作控制、數(shù)字運(yùn)算和邏輯判斷，所以要求單片機(jī)具有較大的存儲(chǔ)容量和較強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理能力，目前的單片機(jī)完全可以滿足要求。隨著新型自關(guān)斷電力電子器件、智能功率集成電路的問(wèn)世，現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，變頻技術(shù)日新月異，新的控制策略不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)邁上了新的臺(tái)階。目前，它已在冶金、機(jī)械、電氣牽引、紡織、食品等各個(gè)方面得到普遍

11、的應(yīng)用，幾乎遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門的傳動(dòng)領(lǐng)域，交流調(diào)速已進(jìn)入逐步取代直流調(diào)速時(shí)代。三 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真是指根據(jù)被研究的真實(shí)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合所用的仿真軟件建立仿真模型，然后依靠仿真模型在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算、分析、研究，以便加深認(rèn)識(shí)和理解真實(shí)系統(tǒng)，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試或管理提供所需的信息。系統(tǒng)仿真技術(shù)是在數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的一種方法。它是建立在系統(tǒng)科學(xué)、系統(tǒng)辨識(shí)、控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)及控制工程等科學(xué)基礎(chǔ)上的一門綜合性很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)科學(xué)技術(shù)，是分析復(fù)雜系統(tǒng)的一種非常有效的工具。四 論文的意義及任務(wù)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，開發(fā)高性能的異步電動(dòng)機(jī)

12、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。在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中，應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)建立電機(jī)及其傳動(dòng)的仿真模型，在人為模擬的環(huán)境或條件下，利用仿真模型替代真實(shí)電機(jī)在工作現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)。這樣，能得到可靠的數(shù)據(jù)，又節(jié)約了研究的時(shí)間及費(fèi)用。更重要的是采用計(jì)算機(jī)仿真方法進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，可以在傳動(dòng)系統(tǒng)制造出來(lái)之前，就能進(jìn)行各種方案比較，預(yù)測(cè)系統(tǒng)的行為、特性，并可通過(guò)計(jì)算機(jī)修改系統(tǒng)參數(shù)，直到獲得理想的特性為止，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)高性能交流傳動(dòng)系統(tǒng)提供保證。本論文主要研究利用仿真軟件Simulink對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真。通過(guò)仿真研究，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(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。第二

13、節(jié) 電力電子器件仿真模型及逆變電路仿真設(shè)計(jì)電力電子器件可直接用于處理電能的主電路中，是實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換或控制的電子器件。電力電子器件按照器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度，可分為以下三類：半控型器件、全控型器件、不可控器件。在直流-交流變換中，由于開關(guān)器件在承受正電壓時(shí)關(guān)斷，因此如果采用SCR（晶閘管）作為開關(guān)器件，則必須加入強(qiáng)迫換流回路，使SCR在關(guān)斷時(shí)陽(yáng)極-陰極間承受反壓，這增加了控制的復(fù)雜性，增大了裝置的體積、重量，而且SCR的開關(guān)頻率較慢。因此，在直流-交流變換中一般采用全控型器件。在全控型電力電子器件中，IGBT是MOSFET和GTR的復(fù)合型器件，兼有MOSFET的快速響應(yīng)、高輸入阻抗

14、特性和BJT（電力雙極型晶體管）的低通態(tài)壓降、高電流密度的特性，在變頻器、中頻電源、開關(guān)電源及要求快速、低損耗的領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。因此，本設(shè)計(jì)中采用IGBT作為逆變電路仿真中的主要開關(guān)器件。下面將就絕緣柵雙極型晶體管的機(jī)構(gòu)和工作原理作詳細(xì)介紹。一 絕緣柵雙極性晶體管的仿真模型及參數(shù)設(shè)定IGBT驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，通斷由門極電壓來(lái)控制。當(dāng)IGBT集射級(jí)電壓為正且大于開啟電壓，同時(shí)門極加正電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通；當(dāng)IGBT門極施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。當(dāng)Uce小于零時(shí)，IGBT呈反

15、向阻斷狀態(tài)。當(dāng)Uce大于零時(shí)，又分為以下兩種情況：若門極電壓小于開啟電壓，則溝道不能形成，IGBT成正相阻斷狀態(tài)；若門極電壓大于開啟電壓，則絕緣門極下的溝道形成，使IGBT正相導(dǎo)通。 （一） 絕緣柵雙極型晶體管元件圖標(biāo)、符號(hào)和仿真模型由IGBT的工作原理可知，IGBT模塊是一個(gè)受門極信號(hào)控制的半導(dǎo)體器件，它由一個(gè)電阻Ron、一個(gè)電感Lon和一個(gè)支流電壓源與一個(gè)由邏輯信號(hào)控制的開關(guān)串聯(lián)電路組成。元件的圖標(biāo)、符號(hào)和仿真模型如圖2-1所示。IGBT圖2-1 IGBT元件的圖標(biāo)、符號(hào)和仿真模型 （二）絕緣柵雙極型晶體管元件的輸入和輸出由IGBT的圖標(biāo)可見，它有兩個(gè)輸入和兩個(gè)輸出。第一個(gè)輸入C和輸出E對(duì)

16、應(yīng)于絕緣柵雙極型晶體管的集電極C和發(fā)射極E；第二個(gè)輸入g為加在門極上的Simulink邏輯控制信號(hào)，第二個(gè)輸出m用于測(cè)量輸出向量。 （三）絕緣柵雙極型晶體管元件的參數(shù)設(shè)置IGBT元件的參數(shù)設(shè)置是系統(tǒng)仿真過(guò)程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，也是最難解決的一個(gè)問(wèn)題。首先來(lái)看其參數(shù)對(duì)話框，如圖2-2所示。IGBT元件參數(shù)包括：（1）內(nèi)電阻Ron，單位為歐。（2）內(nèi)電感Lon，單位為H，電感不能設(shè)置為零。（3）正相管壓降Vf，單位為V。（4）電流下降到Imax/10的時(shí)間Tf，單位為s。（5）電流拖尾時(shí)間Tt：從Imax/10下降到0的時(shí)間，單位為s。（6）初始電流Ic，單位為A。與IGBT元件初始電流的設(shè)置相

17、同，通常將Ic設(shè)為0。（7）緩沖電阻Rs，單位為歐。為了在模型中消除緩沖電路，可將Rs參數(shù)設(shè)置為inf。（8）緩沖電容Cs，單位為F。為了在模型中消除緩沖電路，可將Cs設(shè)置為0；為了得到純電阻Rs，可將Cs參數(shù)設(shè)置為inf。二 逆變電路仿真設(shè)計(jì)電流-交流變換稱為逆變，是指將頻率為f1=0的直流電壓u1變換為頻率f20的交流電壓u2。逆變器采用雙向可控電力電子開關(guān)構(gòu)成能夠改變負(fù)載電壓方向的電路，按規(guī)律控制電子開關(guān)，切斷負(fù)載電壓方向，便可將輸入的直流電能逆變?yōu)檩敵龅慕涣麟娔?，調(diào)節(jié)電子開關(guān)的切換周期可以改變交流電能的頻率。本節(jié)對(duì)直流-交流變換的基本原理，從三相橋式和現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的SPWM

18、逆變電路進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。 （一）三相橋式逆變電路的仿真設(shè)計(jì)三相橋式逆變電路也是按照被仿真系統(tǒng)的工作原理，根據(jù)原理搭建仿真模型，設(shè)定仿真系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)置示波器控制參數(shù)，運(yùn)行仿真的順序進(jìn)行設(shè)計(jì)的。本節(jié)討論電阻性負(fù)載三相橋式逆變電路的仿真、阻感性三相橋式逆變電路的仿真和電動(dòng)機(jī)負(fù)載三相橋式逆變電路的仿真，并討論如何通過(guò)改變控制信號(hào)的導(dǎo)通周期來(lái)改變輸出電壓的頻率。1.三相橋式逆變電路的工作原理2.電阻性負(fù)載三相橋式逆變電路的仿真設(shè)計(jì)了解了單相全橋逆變電路的工作原理，就可以在Simulink中參考單相半橋逆變電路的仿真方法，并在其基礎(chǔ)上搭建起仿真模型圖進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和調(diào)試。電阻性負(fù)載三相橋式逆變電路的仿真圖設(shè)

19、計(jì)如圖2-3所示。圖2-3是根據(jù)電阻性負(fù)載三相橋式逆變電路的原理圖搭建起來(lái)的，圖形比較負(fù)載，為了讓視圖簡(jiǎn)化明了，可以將逆變器的電子開關(guān)建立一個(gè)子系統(tǒng)。子系統(tǒng)建立的操作步驟為：選中部分模塊，Edit，Create Subsystem，用一個(gè)模塊代替所選中的模塊，重新設(shè)置模塊大小以便能看清端口標(biāo)注。子系統(tǒng)如圖2-4所示。圖2-4 子系統(tǒng)的搭建示意圖可以設(shè)計(jì)出采用子系統(tǒng)的電阻性負(fù)載三相橋式逆變電路的仿真圖，如圖2-5所示。仿真圖中電子開關(guān)絕緣柵雙極型晶體管、二極管的參數(shù)設(shè)置方法同單相半橋逆變電路。三相橋式逆變電路最關(guān)鍵的是設(shè)置觸發(fā)脈沖。根據(jù)三相橋式逆變電路的工作原理，6個(gè)主開關(guān)元件依次相差T/6導(dǎo)通

20、，設(shè)置脈沖Pulsel的幅值為15，導(dǎo)通時(shí)間為0.01s，延遲時(shí)間為0s，脈沖Pulse2延遲PulselT/6，即1.666e-3s，Pulse3比Pulse2延遲了3.333e-3s，同樣，Pulse4比Pulse3延遲了5e-3s,Pulse5比Pulse4延遲了6.666e-3s，Pulse6比Pulse5延遲了8.333e-3s。為了獲得純電阻元件，設(shè)置Serise RLC Branch中參數(shù)電感為0，電容為inf，電阻為10歐。在模型工具欄點(diǎn)擊“Simulation/Parameters”菜單，設(shè)置仿真起始時(shí)間為0.0s，終止時(shí)間為0.06s，仿真算法為ode23tb。為了能清楚地

21、看到觸發(fā)脈沖對(duì)輸出波形的影響，示波器Scopel顯示了6個(gè)觸發(fā)脈沖波形，示波器Scope2顯示了負(fù)載的輸出電壓和輸出電流。觸發(fā)脈沖波形圖如圖2-6（a）所示，輸出電流及輸出電壓波形如圖2-6（b）所示。由圖2-6可觀察到T6-T1的脈沖，后一個(gè)脈沖依次滯后前一個(gè)脈沖1/6周期。同理，改變T1-T6控制信號(hào)的周期就可以方便地改變輸出電壓的頻率。如將T6-T1的脈沖Pulse6-Pulse1的導(dǎo)通時(shí)間設(shè)為0.04s，則相應(yīng)的6個(gè)主開關(guān)元件依次相差T/6導(dǎo)通，即相差6.667e-3s導(dǎo)通。3.阻感性負(fù)載三相橋式逆變電路的仿真設(shè)計(jì)阻感性負(fù)載單相橋式逆變電路由于電感的自感電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流變化的反作用，電流i

22、a不能突變，體現(xiàn)在負(fù)載輸出波形上就是輸出電流不能突變。工作中主開關(guān)元件的導(dǎo)通順序同電阻性負(fù)載三相橋式逆變電路。其仿真圖如圖2-7所示。從仿真圖上看，阻感性負(fù)載三相橋式逆變電路比電阻性負(fù)載三相橋式逆變電路僅僅是負(fù)載有變化，但在實(shí)際仿真中最重要的是負(fù)載參數(shù)設(shè)置。電阻、電感的參數(shù)設(shè)置要相匹配。這里設(shè)電阻為1歐，電感為0.01H。6個(gè)主開關(guān)元件依次相差T/6導(dǎo)通，設(shè)置脈沖Pulse1的幅值為15，導(dǎo)通時(shí)間為0.01s，延遲時(shí)間為0s，Pulse1-Pulse6依次相差1.667e-3s。仿真波形圖如圖2-8所示。圖2-8電流波形不同于電阻負(fù)載的方波圖，而接近正弦波，這和理論分析由于電感的自感電動(dòng)勢(shì)對(duì)電

23、流變化的反作用是一致的。可以看出在T6-T1脈沖中，后一個(gè)脈沖依次滯后前一個(gè)脈沖1/6周期，觸發(fā)脈沖圖如圖2-9（a）所示。由于調(diào)節(jié)主開關(guān)器件的切換周期便可改變交流電能的頻率，因此，若將觸發(fā)脈沖Pulse1的導(dǎo)通周期設(shè)為0.04s，則Pulse2-Pulse6依次延遲6.667e-3s，“Simulation/Parameters”菜單中仿真起始時(shí)間為0.0s，終止時(shí)間仍為0.08s，仿真算法為ode23tb。運(yùn)行仿真后其脈沖波形如圖2-9（b）所示，并可和圖2-9（a）比較。由于ode23tb算法適合于允許誤差比較寬的問(wèn)題，因此在本設(shè)計(jì)中采用了該算法。 （二）三相SPWM逆變器的仿真設(shè)計(jì)1.

24、正弦脈沖寬度調(diào)制(SPWM)基本原理2.單相SPWM逆變器的仿真設(shè)計(jì)正弦波脈寬調(diào)制逆變器屬于電壓型逆變器，電子開關(guān)多采用全控型器件，本設(shè)計(jì)采用絕緣柵雙級(jí)型晶體管。SPWM技術(shù)采用等腰三角波電壓作為載波信號(hào)，正弦波電壓作為調(diào)制信號(hào)，通過(guò)正弦波電壓與三角波電壓信號(hào)相比較的方法，確定各分段矩形脈沖的寬度。由于三角波兩腰間的寬度隨其高度線性變化，當(dāng)任一條不超過(guò)三角波幅值的光滑曲線與三角波相交時(shí)，都會(huì)得到脈沖寬度正比于該曲線值的一組等幅、等距的矩形脈沖列，故用正弦波電壓信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)時(shí)，可獲得脈寬正比于正弦值、等幅、等距的矩形脈沖列。該信號(hào)用于逆變器電子開關(guān)的開通與關(guān)斷控制時(shí)，逆變器就是SPWM逆變器

25、。根據(jù)三相波和正弦波相對(duì)極性的不同，正弦波脈寬調(diào)制可分為單極性和雙極性兩種方式。本設(shè)計(jì)中主要討論雙極性正弦波脈寬調(diào)制。 （三）雙極性正弦波脈沖寬度調(diào)制的原理及設(shè)計(jì)雙極性正弦波脈沖寬度調(diào)制的原理如圖2-10所示。三角波和SPWM波形均有正負(fù)極性變化，但在正半周內(nèi)，正脈沖較負(fù)脈沖寬，負(fù)半周則反之。當(dāng)設(shè)計(jì)采用BSPWM控制時(shí)，逆變電路的仿真模型中使用了SimpowerSystems中的PWM Generator模塊，模塊的圖標(biāo)如圖2-11所示。以下將介紹此模塊在仿真中的連接方式及參數(shù)的設(shè)置方法。圖2-11 PWM Generator 模塊1.PWM發(fā)生器仿真模塊的輸入和輸出當(dāng)調(diào)制信號(hào)不選擇內(nèi)部方式時(shí)

26、，模塊Signal(s)端應(yīng)輸入一個(gè)正弦參考信號(hào)。當(dāng)PWM發(fā)生器模塊被用于觸發(fā)單相、單相橋式變換器時(shí)，變換器的輸入端可輸入單相正弦參考信號(hào)；當(dāng)PWM發(fā)生器模塊被用于觸發(fā)單個(gè)或兩個(gè)三相變換器橋時(shí)，變換器的輸入端需要輸入一個(gè)三相正弦參考信號(hào)。當(dāng)選擇內(nèi)部調(diào)制信號(hào)時(shí)，模塊Signal(s)端的輸入可以懸空，不接信號(hào)。模塊輸入可以以4種方式工作，分別輸入2、4、6、12路觸發(fā)，用于觸發(fā)單相半橋、單相橋式和三相橋式中的全控型器件。2.PWM發(fā)生器仿真模塊的參數(shù)PWM發(fā)生器的參數(shù)對(duì)話框如圖2-12所示，各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置說(shuō)明如下。（1）發(fā)生器工作模式，用于指定產(chǎn)生的脈沖路數(shù)，脈沖路數(shù)正比于需要觸發(fā)的橋臂數(shù)，通常一

27、個(gè)橋臂上有兩個(gè)自關(guān)斷器件，需要兩路脈沖。（2）載波頻率，單位為Hz，三角載波信號(hào)的頻率。（3）調(diào)制信號(hào)的內(nèi)部產(chǎn)生方式，這是個(gè)復(fù)選框，如果進(jìn)行了勾選，調(diào)制信號(hào)由模塊內(nèi)部自身產(chǎn)生；否則，必須使用外部信號(hào)產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)。（4）調(diào)制度，即內(nèi)部參考信號(hào)的幅值。調(diào)制度必須大于0且小于1，該參數(shù)用于控制被控變換器的輸出電壓幅值。（5）輸出電壓頻率，單位為Hz，即內(nèi)部參考信號(hào)的頻率。該參數(shù)可用于控制受控變換器交流側(cè)輸出電壓頻率。（6）輸出電壓相位，單位為度，即內(nèi)部參考信號(hào)的相位。該參數(shù)可用于控制受控變換器交流側(cè)輸出電壓的頻率。根據(jù)BSPWM原理可設(shè)計(jì)出采用雙極性正弦波脈沖寬調(diào)制控制時(shí)的逆變電路的仿真模型，如圖2

28、-13所示。在該仿真設(shè)計(jì)中還用到了Demux解混模塊，其作用是將一個(gè)向量分解成輸入信號(hào)，輸出的個(gè)數(shù)和參數(shù)確定輸出信號(hào)的數(shù)目和各個(gè)輸出信號(hào)的寬度。在本仿真中它將SPWM脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)分解開來(lái)，分別送給IGBT1(IGBT4)和IGBT2(IGBT3)。接好仿真圖后，首先在模型工具欄點(diǎn)擊“Simulation/Parameters”菜單設(shè)置仿真起始時(shí)間為0.0s，終止時(shí)間為0.3s，仿真算法為ode23tb。為能在同一桌面看到輸出電壓、輸出電流、脈沖1和2的波形，將顯示器模塊參數(shù)中的Number of axes參數(shù)設(shè)置為4。再點(diǎn)擊模型工具欄中“Simulation/Start”菜單運(yùn)行仿

29、真圖，并雙擊顯示器模塊觀察輸出波形，如圖2-14（a）所示。圖中第一欄的波形為輸出電壓，其波形接近正弦波，實(shí)現(xiàn)了將直流逆變?yōu)榻涣麟娔艿倪^(guò)程。根據(jù)采樣原理，要使圖中的PWM電壓波在每一時(shí)間段都與該時(shí)間段的正弦電壓等效，除每一時(shí)間段的面積相等外，每個(gè)時(shí)間段的電壓脈沖還必須很窄，這就要求脈波數(shù)量很多。因此脈波數(shù)越多，不連續(xù)的按正弦規(guī)律改變寬度的多脈波電壓就越等效于正弦電壓。第二欄波形為輸出電流，對(duì)于阻感性負(fù)載，由于電感的儲(chǔ)能作用，電流不能突變。第三欄和第四欄分別為正弦波觸發(fā)脈沖波形。采用SPWM技術(shù)調(diào)節(jié)輸出電壓，應(yīng)抑制輸出波形中的諧波含量。因此，其輸出頻率和電壓的調(diào)節(jié)均由逆變器完成。在PWM發(fā)生器的

30、參數(shù)對(duì)話框中調(diào)制度用于控制被控變換器的輸出電壓幅值；輸出電壓頻率可用于控制受控變換器交流側(cè)輸出電壓的頻率。設(shè)調(diào)制度為0.3，輸出電壓頻率為60Hz，輸出波形如圖2-14（b）所示。比較圖2-14(a)和2-14(b)的電壓波形可見，圖(b)中電壓的幅值減小為2V。輸出正弦波電壓的周期減小，根據(jù)f=1/T可知其頻率增大。達(dá)到了同時(shí)改變輸出電壓和頻率的目的。由以上的分析可以看出，從調(diào)頻、調(diào)壓的方便和為了減少諧波的角度來(lái)講，SPWM逆變器都有明顯的優(yōu)點(diǎn)，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）SPWM既可以分別調(diào)頻、調(diào)壓，也可以同時(shí)調(diào)頻、調(diào)壓，都由逆變器統(tǒng)一完成，僅有一個(gè)可控功率級(jí)，從而簡(jiǎn)化了主電路和控制電路

31、的結(jié)構(gòu)，使裝置體積小、重量輕、造價(jià)低、可靠性高。（2）電流電壓可由二極管整流獲得，交流電網(wǎng)的輸入功率因數(shù)與逆變器輸出電壓的大小和頻率無(wú)關(guān)而接近1；如有數(shù)臺(tái)裝置，可有一臺(tái)不可控整流器輸出作為直流公共母線供電。（3）輸出功率和電壓都在逆變器內(nèi)控制和調(diào)節(jié)，其相應(yīng)的速度取決于控制回路，而與直流回路的濾波參數(shù)無(wú)關(guān)，所以調(diào)節(jié)速度快。在調(diào)節(jié)過(guò)程中通過(guò)頻率和電壓的配合，可以獲得好的動(dòng)態(tài)性能。（4）輸出電壓或電流波形接近正弦波，從而減少諧波分量。上面對(duì)幾種逆變電路建立了Simulink模型進(jìn)行了仿真，結(jié)果與理論分析完全一致。因此，可以總結(jié)出逆變電路的變頻工作原理為：用雙向可控電力電子開關(guān)構(gòu)成能夠改變負(fù)載電壓方向

32、的電路，按規(guī)律控制電子開關(guān)，切換負(fù)載電壓方向，便可將輸入的直流電能逆變?yōu)檩敵龅慕涣麟娔埽{(diào)節(jié)電子開關(guān)的切換周期便可以改變交流電能的頻率。第三節(jié) 基于MATLAB的變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)一 變頻器的基本概念 （一）變頻器的電路構(gòu)成變頻器先將固定頻率和電壓的交流電能整流為直流電能，再將直流電能變換為頻率和電壓符合要求的交流電能，供負(fù)載使用。因此，變頻器是由整流器、濾波器和逆變器組合而成的變流裝置，圖3-1所示為變頻器構(gòu)成原理框圖。圖3-1 變頻器構(gòu)成原理框圖圖中交流輸入可以是單相的，也可以是三相的，根據(jù)逆變器的容量和使用要求而定；整流器將固定頻率和電壓的交流電能整流為直流電能，可以是不可控的，也可

33、以是可控的，根據(jù)變頻器調(diào)整輸出電壓的方法而定；濾波器將脈動(dòng)的直流量濾波成平直的直流量，可以對(duì)直流電壓濾波，也可以對(duì)直流電流濾波，根據(jù)負(fù)載的使用要求和變頻器的控制方式而定；逆變器將直流電能逆變?yōu)榻涣麟娔埽驗(yàn)V波器的不同分為電壓型和電流型，可以是單相的也可以是三相的，根據(jù)供電量和使用要求而定。由圖中可以看出，逆變器的輸入是直流電能，輸出是交流電能，并直接供給負(fù)載。需要特別注意的是，逆變器輸出頻率和電壓均與交流輸入電源無(wú)關(guān)，且為無(wú)源電源。 （二）變頻器的工作原理變頻器主要完成兩項(xiàng)電量變換功能：一是改變對(duì)負(fù)載的供電功率；二是改變對(duì)負(fù)載的供電電壓。因此，變頻器的原理就是指其變頻、調(diào)壓的原理與方法。1.變

34、頻器的變頻工作原理變頻器改變輸出電能頻率的功能是由逆變器完成的，圖3-2所示為單相變頻器主電路原理圖。逆變器是由雙向可控電力電子開關(guān)S1、S2、S3、S4組成。當(dāng)S1與S4導(dǎo)通、S2和S3關(guān)斷時(shí)，負(fù)載上得到左正右負(fù)的電壓；當(dāng)S2和S3導(dǎo)通、S1和S4關(guān)斷時(shí)，負(fù)載上得到左負(fù)右正的電壓。如令電子開關(guān)S1、S4和S2、S3成對(duì)按規(guī)律交替導(dǎo)通，則負(fù)載上獲得一個(gè)交變電壓。由此可知，調(diào)節(jié)電子開關(guān)切換導(dǎo)通的周期就可以方便地改變負(fù)載上交變電壓的頻率。圖3-2 單相變頻器主電路原理圖因此可以總結(jié)出，逆變器的變頻工作原理為：用雙向可控電力電子開關(guān)構(gòu)成能夠改變負(fù)載電壓方向的電路，按規(guī)律控制電子開關(guān)，切換負(fù)載電壓方向

35、，便可將輸入的直流電能逆變?yōu)檩敵龅慕涣麟娔?，調(diào)節(jié)電子開關(guān)的切換周期可以改變交流電能的頻率。2.變頻器常用的調(diào)壓方法在工程應(yīng)用中，利用變頻器調(diào)節(jié)頻率時(shí)，往往要求對(duì)輸出電壓也能夠有相應(yīng)的控制，以滿足實(shí)際運(yùn)行的要求。變頻器有以下幾種常用的調(diào)壓方法。（1）可控整流器調(diào)壓；（2）直流斬波器調(diào)壓；（3）逆變器自身調(diào)壓。其中逆變器自身調(diào)壓通過(guò)逆變器自身的電子開關(guān)進(jìn)行斬波控制，使輸出電壓為脈沖列。改變輸出電壓脈沖列的脈沖寬度，便可達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。這種方法稱為脈寬調(diào)制。根據(jù)調(diào)制波形的不同，脈寬調(diào)制可以是單脈沖調(diào)制、多脈沖調(diào)制和正弦波脈寬調(diào)制。正弦波脈寬調(diào)制在輸出電壓的半周期內(nèi)為多脈沖調(diào)制，而且每個(gè)脈沖的

36、寬度按正弦規(guī)律變化，這種方式波形畸變小，諧波成分低。二 交一直一交變頻電路的仿真設(shè)計(jì)交-直-交變頻電路的仿真設(shè)計(jì)如圖3-3所示。設(shè)計(jì)分整流、逆變及負(fù)載三部分，分別將整流和逆變作為兩個(gè)子系統(tǒng)。交-直-交變頻電路經(jīng)過(guò)整流和逆變后，帶動(dòng)三相鼠籠異步電機(jī)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)。電壓型變換器的特點(diǎn)是直流電源接有很大的電容，從逆變器向直流電源看過(guò)去，電源內(nèi)阻為很小的電壓源，從而保證了直流電壓穩(wěn)定，因此該設(shè)計(jì)中選用了大的電容起濾波作用。設(shè)置仿真起始時(shí)間為0.0s，終止時(shí)間為1s，仿真算法為ode23tb?？捎^察到仿真波形如圖3-4、圖3-5所示。 （一）整流子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)交-直-交變頻電路的仿真設(shè)計(jì)中將整流電路做成了一個(gè)子

37、系統(tǒng)，如圖2-4所示。關(guān)于子系統(tǒng)的建立在前文已有介紹，這里就不再討論。三相橋式全控整流電路通過(guò)對(duì)兩組橋臂晶閘管元件的有序控制，可構(gòu)成電源系統(tǒng)對(duì)負(fù)載供電的6條整流回路。每一整流回路中含有2只晶閘管元件，1只為共陰極組的某相元件，另一只則應(yīng)為共陽(yáng)極組的另一相元件。整流回路切換工作的順序可表示為： 123456整流子系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)如圖3-6所示。整流子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中三相整流橋選用了PowerSystem模塊庫(kù)中的“Universal Bridge”模塊，其中功率器件選用晶閘管，同步6脈沖觸發(fā)器的輸出端直接與三相整流橋的脈沖輸入端相連接，給三相整流橋提供觸發(fā)脈沖。同步6脈沖觸發(fā)器的輸入端1是移相控制角信

38、號(hào)輸入端，與“常數(shù)”模塊相連，從而對(duì)觸發(fā)脈沖進(jìn)行移項(xiàng)控制；輸入端2-4是同步線電壓Uab、Ubc和Uca輸入端，同步電壓就是連接到整流橋的三相線電壓；輸入5為觸發(fā)模塊的使能端，接受“移相角控制信號(hào)”。同步6脈沖觸發(fā)器的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框如圖3-7所示。 （二）逆變子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)逆變子系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)如圖3-8所示。逆變子系統(tǒng)中6個(gè)橋臂的電子開關(guān)由絕緣柵雙極型晶體管和反饋二極管組成，工作中主開關(guān)元件的導(dǎo)通順序?yàn)椋?23456-反饋二極管用于提供負(fù)載滯后電流通路，可向電源反饋無(wú)功能量。反饋二極管與晶體管相配合工作，在主開關(guān)元件關(guān)斷后，同一相另一橋臂上的反饋二極管導(dǎo)通，為負(fù)載續(xù)流。6個(gè)主開關(guān)元件依次相差T/

39、6導(dǎo)通，設(shè)置脈沖Pulse1的幅值為15,導(dǎo)通時(shí)間為0.01s，延遲世紀(jì)為0s，脈沖Pulse2比Pulse1延遲T/6，即1.666e-3s，Pulse3比Pulse2延遲3.333e-3s，同樣，Pulse4比Pulse3延遲5e-3s，Pulse5比Pulse4延遲6.666e-3s，Pulse6比Pulse5延遲8.333e-3s。IGBT和二極管的參數(shù)對(duì)話框如圖3-9所示。 （三）電動(dòng)機(jī)負(fù)載對(duì)仿真波形的影響分析設(shè)計(jì)中采用了三相繞線式異步電機(jī)，其仿真圖標(biāo)如圖3-10所示。A、B、C表示定子的三個(gè)端口，a、b、c表示轉(zhuǎn)子的三個(gè)端口。Tm端口為電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，與“常數(shù)”模塊相連接。當(dāng)此值為

40、正數(shù)時(shí)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)；若常數(shù)位負(fù)數(shù)，電機(jī)作發(fā)電機(jī)。輸出端口m表示測(cè)量端。調(diào)試過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)置非常重要，若Tm為0表示電機(jī)工作在空載狀態(tài)；若Tm過(guò)大，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)反向無(wú)窮大。調(diào)試時(shí)應(yīng)先以空載運(yùn)行，再適當(dāng)逐漸帶負(fù)載。在設(shè)計(jì)中還調(diào)整了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的參數(shù)。三相異步電機(jī)的參數(shù)設(shè)置如圖3-11所示。以交流變頻調(diào)速系統(tǒng)為例，對(duì)該系統(tǒng)從建立數(shù)序模型、仿真、結(jié)果顯示，到對(duì)系統(tǒng)分析進(jìn)行了描述，但不夠詳細(xì)。圖3-10 電機(jī)模塊圖標(biāo)第四節(jié) 小 結(jié)綜上所述，MATLAB軟件在電力電子中的仿真有以下幾個(gè)方面的發(fā)展：采用更有效的硬件和MATLAB軟件開發(fā)功能更完善的實(shí)驗(yàn)用的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和教學(xué)仿真系統(tǒng)；結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)際，按照各種理論系統(tǒng)進(jìn)行仿真過(guò)程的設(shè)計(jì)，使所有的工程內(nèi)容都有其理論根源，以及給讀者各種理論背景的查詢；利用MATLAB軟件和人工智能技術(shù)設(shè)計(jì)、研究、開發(fā)新一代電力電子器件，使電力電子技術(shù)的面貌日新月異；隨著電力電子技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，MATLAB軟件也必將涉及到與電力電子器件、裝置、系統(tǒng)等有關(guān)的電力電子技術(shù)仿真。1.論文主要內(nèi)容總結(jié)本文主要研究如何應(yīng)用MATLAB仿真軟件對(duì)逆變電路的變頻原理進(jìn)行仿真。設(shè)計(jì)中主要用MATLAB仿真軟件仿真