【正文】 `畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目：矢量控制交流變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 姓 名： 學 號： 0904150109 指導教師（職稱）： 文小玲（教授） 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 2009自動化01 所 在 學 院： 電氣信息學院 2013年5月武漢工程大學 畢業(yè)設(shè)計目 錄摘 要 IIAbstract III第一章 緒論 1 變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展 1 變頻調(diào)速系統(tǒng)的類型及其主電路結(jié)構(gòu) 2 變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方法 6 設(shè)計任務(wù)與要求 8第二章 系統(tǒng)主電路設(shè)計 9 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計 9 主電路參數(shù)計算及元器件選型分析 10第三章 三相異步電動機的矢量控制數(shù)學模型 15 異步電動機在三相坐標系上的數(shù)學模型和性質(zhì) 15 坐標變換 20 異步電動機在兩相dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系上的數(shù)學模型 23 按轉(zhuǎn)子磁鏈（磁通）定向的數(shù)學模型 25第四章 異步電動機的矢量控制策略 27 矢量控制的基本思想 27 按轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方法的實現(xiàn) 28第五章 系統(tǒng)仿真建模與分析 33 MATLAB/SIMULINK簡介 33 仿真模型的建立 33 系統(tǒng)仿真分析 36總結(jié)與展望 39致 謝 41參考文獻 43 武漢工程大學 畢業(yè)設(shè)計摘 要變頻調(diào)速是交流電動機各種調(diào)速方式中效率最高、性能最好的調(diào)速方法,在整個交流調(diào)速中占有重要的地位。采用MATLAB軟件包中的SIMULINK對基于數(shù)學模型基礎(chǔ)上的電氣傳動控制系統(tǒng)進行仿真建模，具有建模簡便、結(jié)構(gòu)直觀、操作靈活等優(yōu)點，并且仿真結(jié)果具有較高的精度。 本文介紹了現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展概況、小容量矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)的主電路設(shè)計方法、三相異步電動機在三相坐標系和兩相坐標系下的動態(tài)數(shù)學模型及其矢量控制方法。并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用MATLAB/SIMULINK仿真工具建立了按轉(zhuǎn)子磁場定向的異步電動機矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，并對其性能進行了仿真分析。仿真結(jié)果證明了所設(shè)計的系統(tǒng)主電路及其控制算法的可行性和有效性。關(guān)鍵詞：MATLAB/SIMULINK；矢量控制；異步電動機；仿真 武漢工程大學 畢業(yè)設(shè)計AbstractVariablefrequency speed regulation is the most efficient way and the best performance and plays an important role in the whole motor speed control. The electric transmission control system simulation models are based on mathematical models used the SIMULINK which belongs to the MATLAB software package to simulate, it provides with modeling a simple, intuitive structure, operational flexibility and other advantages, and the simulation results with high accuracy.This article describes the development of modern AC drive system overview, smallcapacity vector control inverter main circuit system design, threephase threephase asynchronous motor in the coordinate system and the twophase coordinate system dynamic mathematical model and its vector control methods. And on this basis the application of MATLAB / SIMULINK simulation tool created by the rotor field oriented vector control of induction motor variable speed system simulation model, and its performance is simulated. Simulation results show that the designed system main circuit and control method is feasible and effective.Key words: MATLAB/SIMULINK；Vector control；Asynchronous motor；Simulation 武漢工程大學 畢業(yè)設(shè)計第一章 緒論 變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展電動機作為主要的動力設(shè)備被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科技、日常生活等各個方面，其負荷約占總發(fā)電量的60％ 70％，成為用電量最多的電氣設(shè)備。根據(jù)采用的電流制式不同，電動機分為直流電動機和交流電動機兩大類，其中交流電動機形式多樣、用途各異、擁有量最多，交流電動機又分為同步電動機和異步(感應(yīng))電動機兩大類。根據(jù)統(tǒng)計，交流電動機用電量占電機總用電量的85％左右，可見交流電動機應(yīng)用的廣泛性及其在國民經(jīng)濟中的重要地位[1]?，F(xiàn)代變頻技術(shù)是交流電動機控制技術(shù)的核心,而變頻技術(shù)的核心是功率變換器件和微電子控制技術(shù)。電力電子和微電子技術(shù)的發(fā)展,推動了變頻技術(shù)的發(fā)展,反過來變頻技術(shù)的發(fā)展又對電力電子變換器件提出了新的要求。20世紀是電力電子變頻技術(shù)從誕生到發(fā)展的一個全盛時代。20世紀30年代應(yīng)用機械旋轉(zhuǎn)式變頻機組,將工頻電源變換成低于工頻以下的電源,功率變換器件是原動機發(fā)電機組,存在效率低、損耗大、噪聲大、體積大等問題。60年代SCR(晶閘管)問世,70年代晶閘管變頻器開始逐步取代變頻機組,進入了電力電子變頻技術(shù)時代,使變頻技術(shù)有了新的發(fā)展。但是，由于晶閘管換向是靠外界電源直接控制關(guān)斷,因此需要復雜的換向電路和電壓,且電流保護回路控制復雜,開關(guān)頻率低,目前主要用于交交變頻器。80年代GTR(自關(guān)斷器件大功率雙極性晶閘管)的問世,出現(xiàn)了高性能GTR變頻器,其性能大大優(yōu)于晶閘管變頻器,很快就在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,并盛行一時。然而，由于GTR、GTO(可關(guān)斷晶閘管)為電流控制器件,存在驅(qū)動功率大、開關(guān)頻率低、并聯(lián)困難等問題,難以實現(xiàn)大容量化及高頻低損耗。用戶的高頻化要求推動了功率器件柵極的MOS化,90年代MOS場效應(yīng)型IGBT(絕緣柵極晶閘管Insulated Gate Bipolar Transistor)廣泛用作變頻器的功率變換器件。因為IGBT具有開關(guān)頻率高、并聯(lián)容易、易實現(xiàn)高壓大容量化、控制方便的特點,所以一登場就體現(xiàn)了強大的生命力,很快取代了GTR,其應(yīng)用從通用變頻器（INV)、不間斷電源(UPS)、伺服(SV)、機器人,以至擴大到家用電器、辦公自動化、醫(yī)療器械、太陽能發(fā)電等眾多領(lǐng)域。IGBT變頻器己成為當代變頻調(diào)速技術(shù)的主流,而且在相當長的一段時間內(nèi)仍將是電氣傳動領(lǐng)域的主導變頻器。同時,IGBT智能化模塊(IGBT一IPM)及智能化變頻器將會有很大的發(fā)展。功率器件及變頻器的智能化是將功率變換、驅(qū)動、檢測、控制、保護等功能集成化,實現(xiàn)高效節(jié)能、功能全面、高附加值化。而且，不斷研制出各種新型電力電子器件IGCT(集成門極強驅(qū)動晶閘管Integrated Gate Commutated Thyristor)、MCT(MOS控制晶閘管MOS Controlled Thyristor)、IEGT(集成發(fā)射式門極晶閘管Integrated Emit Gate Thyristor)、GaAs(砷化鎵)、SIC(碳化硅復合器件)、SITH(靜電感應(yīng)晶閘管Static Induct Thyristor)、光控IGBT及超導功率器件等新功能功率變換器[2]。在國民經(jīng)濟建設(shè)和國防科技事業(yè)的進程當中，交流調(diào)速的應(yīng)用極為廣泛和重要。20世紀60年代以后，由于生產(chǎn)發(fā)展的需要和節(jié)省電能的要求，促使世界各國重視交流調(diào)速技術(shù)的研究與開發(fā)。尤其是20世紀70年代以后，由于科學技術(shù)的迅速發(fā)展為交流調(diào)速的發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的技術(shù)條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動技術(shù)面臨著一場歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計算機數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)己成為必然的發(fā)展趨勢。交流電機變頻調(diào)速技術(shù)是當今節(jié)能、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動技術(shù)進步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，以及其它許多優(yōu)點而成為目前廣泛應(yīng)用的最有發(fā)展前途的調(diào)速方式[3]。 變頻調(diào)速系統(tǒng)的類型及其主電路結(jié)構(gòu) 變頻器最早的形式是用旋轉(zhuǎn)發(fā)電機組作為可變頻率電源，供給交流電動機。隨著電力半導體器件的發(fā)展，靜止式的變頻電源成為了變頻器的主要形式。靜止式變頻器從變換環(huán)節(jié)分為兩大類：交直交變頻器和交交變頻器。：它的功能是把一種頻率的交流電直接變換成另一種頻率可調(diào)電壓的交流電（轉(zhuǎn)換前后的相數(shù)相同），又稱直接式變頻器。由于中間不經(jīng)過直流環(huán)節(jié)，不需換流，故效率很高。因而多用于低速大功率系統(tǒng)中，如回轉(zhuǎn)窯、軋鋼機等。但這種控制方式?jīng)Q定了最高輸出頻率只能達到電源頻率的1/3～1/2,所以不能高速運行。：交直交變頻器是先把工頻交流通過整流器變成直流，然后再直流變換成頻率電壓可調(diào)的交流，又稱間接變頻器，交直交變頻器是目前廣泛應(yīng)用的通用變頻器。它根據(jù)直流部分電流、電壓的不同形式，又可分為電壓型和電流型兩種：（1）電流型變頻器電流型變頻器的特點是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感器作為儲能環(huán)節(jié)來緩沖無功功率，即扼制電流的變化，使電壓波形接近正弦波，由于該直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較大，故稱電流源型變頻器。（2）電壓型變頻器電壓型變頻器的特點是中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件采用大電容器作為儲能環(huán)節(jié)來緩沖無功功率，直流環(huán)節(jié)電壓比較平穩(wěn)，直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較小，相當于電壓源，故稱電壓型變頻器。由于電壓型變頻器是作為電壓源向交流電動機提供交流電功率，因此其主要優(yōu)點是運行幾乎不受負載的功率因數(shù)或換流的影響，它主要適用于中、小容量的交流傳動系統(tǒng)。與之相比，電流型變頻器施加于負載上的電流值穩(wěn)定不變，其特性類似于電流源，它主要應(yīng)用在大容量的電機傳動系統(tǒng)以及大容量風機、泵類節(jié)能調(diào)速中[4]。目前，按電壓等級來分，又可將變頻器分為低壓變頻器和中、高壓變頻器。低壓變頻器是指輸出電壓≤500V 的變頻器。所有國內(nèi)外品牌的低壓變頻器,其主電路均為電壓源型的交直交結(jié)構(gòu),形式上幾乎都是兩電平6脈沖,用IGBT作逆變開關(guān),。它具有運行穩(wěn)定、調(diào)速范圍寬、輸出波形好、輸入電流諧波含量低、功率因數(shù)高、效率高、電路簡單的特點, 因而應(yīng)用十分廣泛。使用時應(yīng)該明確: 當電動機的功率≤200kW 時,380～500V的低壓電源可以直接進入主電路的整流環(huán)節(jié)；當電動機的功率200kW 時,為減少輸電線路上的損耗,我國設(shè)計規(guī)范規(guī)定:宜采用高壓供電,此時應(yīng)在高壓電源與低壓變頻器之間裝設(shè)降壓變壓器[5]。 低壓變頻器主電路結(jié)構(gòu)中壓變頻器是指輸出電壓≤6kV的變頻器。其主電路一般為電壓源型的交直交結(jié)構(gòu), 形式上多采用中心點鉗位型三電平逆變電路（，用的是兩電平逆變器,只是上下橋臂各有3個器件串聯(lián)）以避免整流及逆變器件串聯(lián)引起的動態(tài)均壓問題,。