【正文】 交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究畢業(yè)論文1. 緒 論 交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展的概況與趨勢在很長的一個歷史時期內(nèi)，直流調(diào)速系統(tǒng)以其所具有優(yōu)良的靜、動態(tài)性能指標壟斷調(diào)速傳動應用領(lǐng)域。但隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，直流拖動的薄弱環(huán)節(jié)逐步顯示出來。由于換向器的存在，使直流電動機的維護工作量加大，單機容量、最高轉(zhuǎn)速以及使用環(huán)境都受到限制。人們轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、便于維護、價格低廉的異步電動機，但異步電動機的調(diào)速性能難以滿足生產(chǎn)要求，于是，從20世紀30年代開始，人們就致力于交流調(diào)速技術(shù)的研究，然而進展緩慢。在相當長時期內(nèi)，直流調(diào)速一直以性能優(yōu)良領(lǐng)先于交流調(diào)速。60年代以后，特別是70年代以來，電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，使得交流調(diào)速性能可以與直流調(diào)速相媲美、相競爭，目前，交流調(diào)速已進入逐步取代直流調(diào)速的時代。電力電子器件的發(fā)展為交流調(diào)速奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。50年代末出現(xiàn)了晶閘管，由晶閘管構(gòu)成的靜止變頻電源輸出方波或階梯波的交流變電壓，取代旋轉(zhuǎn)變頻機組實現(xiàn)了變頻調(diào)速，然而晶閘管屬于半控型器件，可以控制導通，但不能由門極控制關(guān)斷，因此由普通晶閘管組成的逆變器用于交流調(diào)速必須附加強迫換相電路。70年代以后，功率晶閘管(GTR)、門極關(guān)斷晶閘管（GTO晶閘管）、功率MOS場效應晶閘管（Powewr MOSFET）、絕緣柵雙極晶閘管（IGBT）、MOS控制晶閘管（MCT）等已先后問世，這些器件都是技能控制導通又能控制關(guān)斷的自關(guān)斷器件，又稱全控型器件。它不再需要強迫換相電路，使得逆變器構(gòu)成簡單、結(jié)構(gòu)緊湊。IGBT由于兼有MOSFET和GTR的優(yōu)點，是用于中小功率目前最為了流行的器件，MCT則綜合了晶閘管的高電壓、大電流特性和MOSFET的快速開關(guān)特性，是極有發(fā)展前景的大功率、高頻功率開關(guān)器件。電力電子器件正在向大功率化、高頻化、模塊化、智能化發(fā)展。80年代出現(xiàn)的功率集成電路（Power IC—PIC），集功率開關(guān)器件、驅(qū)動電路、保護電路、接口電路于一體，目前已應用于交流調(diào)速的智能功率模塊（Intelligent Power Module—IPM）采IGBT作為功率開關(guān)，含有電流傳感器、驅(qū)動電路及過載、短路、超溫、欠電壓保護電路，實現(xiàn)了信號處理、故障診斷、自我保護等多種智能功能，及減少了體積、減輕了重量，有提高了可靠性，使用、維護都更加方便，是功率器件的重要發(fā)展方向。隨著新型電力電子器件的不斷涌現(xiàn)，變頻技術(shù)獲得飛速發(fā)展。以普通晶閘管構(gòu)成的方波型逆變器被全控型高頻率開關(guān)器件組成橫的脈寬調(diào)制（PWM）逆變器取代之后，SPWM逆變器及其專用芯片得到了普遍應用。磁通跟蹤型PWM逆變器以不同的開關(guān)模式在電機中產(chǎn)生的實際磁通去逼近定子磁力鏈的給定軌跡—理想磁通圓，即用空間電壓矢量方法決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)，形成PWM波形。由于控制簡單、數(shù)字化方便，已呈現(xiàn)出取代傳統(tǒng)SPWM的趨勢電力流跟蹤型PWM逆變器為電流控制性的電壓源逆變器，兼有電壓和電流控制型逆變器的優(yōu)點，滯環(huán)電流跟蹤型PWM逆變器更因其電流動態(tài)響應快、實現(xiàn)方便，受到重視。目前，隨著器件開關(guān)頻率的提高，并借助于控制模式的優(yōu)化以消除指定諧波，以使PWM逆變器的輸出波形逼近正弦波。但在電網(wǎng)側(cè)，盡管以不空整流器取代了相控整流器，使基波功率因數(shù)（位移因數(shù)）接近于1，然而電流諧波分量大，總功率因數(shù)仍很低，消除對電網(wǎng)的諧波污染并提高功率因數(shù)已構(gòu)成變頻技術(shù)不可回避的問題。為此，在國外已引起廣泛關(guān)注。PWM逆變器工作頻率的進一步提高將受到開關(guān)損耗的限制，特別是大功率逆變器，工作頻率不取決于器件開關(guān)速度而受限于開關(guān)損耗。近年研究出的寫真型逆變器是一種新型軟開關(guān)逆變器，由于應用寫真集舒適功率開關(guān)在零電壓或令電流下進行開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，開關(guān)損耗幾乎為零，使效率提高、體積減小、重量減輕、成本降低，是很有發(fā)展前景的逆變器。在變頻技術(shù)日新月異地發(fā)展的同時，交流電動機控制技術(shù)取得了突破性進展。由于交流電動機是多變量、強耦合的非線性系統(tǒng)，與直流電動機相比，轉(zhuǎn)矩控制要困難得多。70年代初提出的矢量控制理論解決了交流電動機的轉(zhuǎn)矩控制問題，應用坐標變換獎三項系統(tǒng)等效為兩相系統(tǒng)，在經(jīng)過安轉(zhuǎn)子磁場定向的同步旋轉(zhuǎn)變換實現(xiàn)了定子電流勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦，從而達到對交流電動機的磁鏈和電流分別控制的目的。這樣就可以將一臺三相異步電動機等效為直流電動機來控制，因而獲得了與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣優(yōu)良的靜、動態(tài)性能，開創(chuàng)了交流調(diào)速與直流調(diào)速相競爭的時代。直接轉(zhuǎn)矩控制是80年代中期提出的又一轉(zhuǎn)矩控制方法，其思路是把電機與逆變器看做一個整體，采用空間電壓矢量分析方法在定子坐標系進行磁通、轉(zhuǎn)矩計算，通過磁通跟蹤型PWM逆變器的開關(guān)狀態(tài)直接控制轉(zhuǎn)矩。因此，無需對定子電流進行解耦，免去了矢量變換的復雜計算，控制結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)全數(shù)字化，目前正受到各國學者的重視。近10多年來，各國學者致力于無速度傳感器控制系統(tǒng)的研究，利用檢測定子電壓、電流等容易測量的物理量進行速度估算以取代速度傳感器。其關(guān)鍵在于在線獲取速度信息，在保證較高控制精度的同時，滿足實時控制要求。速度估算的方法，除了根據(jù)數(shù)學模型計算電動機轉(zhuǎn)速外，目前應用較多的有模型參考自適應法和擴展卡爾曼濾波法。無傳感器控制技術(shù)不需要檢測硬件，也免去了傳感器帶來的環(huán)境適應性、安裝維護等麻煩，提高了系統(tǒng)可靠性，降低了成本，因而引起了廣泛興趣。微處理機引入控制系統(tǒng)，促進了模擬控制系統(tǒng)向數(shù)字控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化。數(shù)字化技術(shù)使得復雜的矢量控制得以實現(xiàn)，大大簡化了硬件，降低了成本提高了控制精度，而自診斷功能和自調(diào)試功能的實現(xiàn)又進一步提高了系統(tǒng)可靠性，節(jié)約了大量人力和時間，操作、維修都更加方便。微機運算速度的提高、存儲器的大容量化，將進一步促進數(shù)字控制系統(tǒng)取代模擬控制系統(tǒng)，數(shù)字化已成為控制技術(shù)的方向。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，交流電動機控制技術(shù)的發(fā)展方興未艾，非線性解耦控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡自適應控制、模糊控制等各種新的控制策略正在不斷涌現(xiàn)，展現(xiàn)出更為廣闊的前景，必將進一步推動交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。目前，交流調(diào)速系統(tǒng)的主要應用方向可分為如下三大類。（1）以節(jié)能目的的改恒速為可調(diào)速在原來大量的交流不調(diào)速領(lǐng)域（如風機、水泵、壓縮機等）中，改直流啟動為軟啟動；改恒速為可調(diào)速；在調(diào)速性能要求不高的場合，為降低成本采用開環(huán)調(diào)速。僅以泵的控制改造為例，節(jié)電高達20%以上。（2）以少維護省力為目的的取代直流調(diào)速系統(tǒng)在直接關(guān)系到生產(chǎn)和人身安全的重要場合，為減少直流電機的故障和節(jié)省維護時間，改用交流調(diào)速系統(tǒng)。如直流電梯改為交流電梯，有利于保證人身安全，增加正常運轉(zhuǎn)運營時間；直流軋機改為交流軋機，可以大大節(jié)省檢修時間，提高生產(chǎn)效率；電動汽車中采用交流驅(qū)動，可以減小體積和重量，提高可靠性。（3）直流調(diào)速難以實現(xiàn)的領(lǐng)域在直流電機很難實現(xiàn)的大容量高速領(lǐng)域，交流調(diào)速系統(tǒng)可以大顯身手。如電動機車、厚板軋機、高速電鉆等。從多方面來看，交流調(diào)速系統(tǒng)完全可以取代直流調(diào)速系統(tǒng)，并將為工業(yè)生產(chǎn)以及節(jié)電節(jié)能等方面帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。 研究變頻調(diào)速的目的與意義異步電動機的變頻調(diào)速屬轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速，是異步電動機各種調(diào)速方案中效率最高、性能最好的一種調(diào)速方法，是交流調(diào)速的主要發(fā)展方向。異步電動機比直流電機結(jié)構(gòu)簡單、成本低、工作可靠、維護方便、效率高。因此，研究異步電動機的調(diào)速系統(tǒng)，對于提高經(jīng)濟效益具有十分重要的現(xiàn)實意義。由電機學可知，異步電動機的轉(zhuǎn)速表達式為: (11)式中 — 電動機的輸出轉(zhuǎn)速； 為電機的定子供電頻率； — 電動機的轉(zhuǎn)差率； — 電機的極對數(shù)。由公式(11)可知，實現(xiàn)異步電動機輸出速度的改變，主要通過3類方式來實現(xiàn)，即改變電機的極對數(shù)、變化轉(zhuǎn)差率以及改變供電頻率。目前常見到的具體實現(xiàn)調(diào)速方案有：變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、串級調(diào)速以及變頻調(diào)速等。其中變極調(diào)速方式屬于有級調(diào)速，調(diào)速范圍窄，應用場合有限；調(diào)壓調(diào)速方式是以消耗轉(zhuǎn)差功率為代價，不利于節(jié)能，一般應在中小型風機、泵類等功率調(diào)速系統(tǒng)中；串級調(diào)速是以消耗部分轉(zhuǎn)差功率為代價較前者在節(jié)能方面略勝一籌，是一種結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便，較為經(jīng)濟方式，多用在繞線式異步電動機技術(shù)改造中；變頻調(diào)速是最為理想的異步電動機調(diào)速方式，以其高效率和高性能等優(yōu)勢成為交流調(diào)速中目前應用最為廣泛的調(diào)速方案之一。目前交流傳動己經(jīng)上升為電氣調(diào)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(diào)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(shè)備的動力，已廣泛應用于工業(yè)、商業(yè)、公用設(shè)施和家用電器等各個領(lǐng)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(nèi)外企業(yè)采用電機節(jié)能方式的首選。因此，提高電機系統(tǒng)的效率，對節(jié)約電能意義十分重大。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，交流變頻調(diào)速技術(shù)得到了迅速發(fā)展，其顯著的節(jié)能效益，高精確的調(diào)速精度，寬泛的調(diào)速范圍，完善的保護功能，以及易于實現(xiàn)的自動通信功能，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。因為了研究交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)，本論文主要利用Matlab/Simulink仿真工具，搭建交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，通過對系統(tǒng)各部分參數(shù)的設(shè)定對該系統(tǒng)進行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果，分析三相異步電動機交流交直交變頻調(diào)速的工作原理與工作特性及變頻器對電機的影響等，實現(xiàn)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，這對高性能的變頻調(diào)速系統(tǒng)具有一定的應用價值和現(xiàn)實意義。 交流調(diào)速的研究情況（1）電力電子器件的使用現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的快速發(fā)展和電力電子技術(shù)的發(fā)展是分不開的，以電力為對象的電子技術(shù)稱為電力電子技術(shù)。它是一門利用電力電子器件對電能進行轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)膶W科，是現(xiàn)代電子學的一個重要分支。從20世紀50年代末晶閘管問世以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，電力電子器件得到了迅猛的發(fā)展。從只能觸發(fā)導通而不能控制關(guān)斷的半控型器件（如Thyristor晶閘管），到可以控制導通和關(guān)斷的全控型器件（如GTO門極可關(guān)斷晶閘管、GTR電力晶閘管）；從電流控制到電壓（電場）控制（如IGBT絕緣柵雙極型晶閘管、MOSFET電力場效應晶閘管），它們的使用使得開關(guān)高頻化的PWM 技術(shù)成為可能。 目前功電力電子器件正向大功率、高頻化、集成化、智能化、易觸發(fā)、低損耗和好保護等方向發(fā)展。典型的電力電子變頻裝置有電壓型交直交變頻器、電流型交直交變頻器和交交變頻器三種。電壓型交直交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電容作儲能元件，無功功率將由大電容來緩沖，不具有四象運行能力。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(qū)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，是目前發(fā)展最快，應用最廣的變頻器。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，回饋到直流側(cè)的再生電能難以回饋給交流電網(wǎng)，要實現(xiàn)這部分能量的回饋，網(wǎng)側(cè)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，這種再生能量回饋式高性能變頻器具有直流輸出電壓連續(xù)可調(diào)，輸入電流 (網(wǎng)側(cè)電流)波形基本為正弦波，電壓波形為矩形波，功率因數(shù)保持為1并且能量可以雙向流動的特點。電流型交直交變頻器的中間直流環(huán)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(cè)可控整流器的輸出電壓極性即可使回饋到直流側(cè)的再生電能方便地回饋到交流電網(wǎng)，構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)具有四象限運行能力，能很好地實現(xiàn)電機的制動功能，可用于頻繁加減速等對動態(tài)性能有要求的單機應用場合。交交變頻器電路具有效率高，可實現(xiàn)四象限工作，低頻輸出波形接近正弦波。但它接線復雜，輸入電流諧波大，輸入功率因數(shù)低，受電網(wǎng)頻率和變流電路脈波數(shù)的限制，所以一般只用于低速（低頻）的大容量調(diào)速傳動中。為此，矩陣式交交變頻器應運而生。矩陣式交交變頻器是近年出現(xiàn)的一種新穎的變頻電路，它是直接的變頻電路，采用全控型的開關(guān)器件，以斬波方式控制，具有功率密度大，沒有中間直流環(huán)節(jié)，輸入功率因數(shù)為1，輸入電流為正弦波，以及具有能量雙向流動、四象限運行能力和輸出頻率不受電網(wǎng)頻率的限制的優(yōu)點。（2）脈寬調(diào)制( PWM)技術(shù)的應用PWM技術(shù)是伴隨自關(guān)斷器件的發(fā)展而發(fā)展起來的。PWM技術(shù)適應于很多技術(shù)領(lǐng)域，如直流斬波、正弦波整流器、諧波吸收、無功補償和變頻裝置等。PWM技術(shù)應用于變頻器的控制，可以改善變頻器的輸出波形，降低諧波，并減小轉(zhuǎn)矩脈動。同時也可簡化變頻器的結(jié)構(gòu)，加快調(diào)節(jié)速度，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應性能。目前發(fā)展最快、最常用的變頻器是電壓型PWM變頻器，這是一種很有發(fā)展前途的變頻調(diào)速方法。PWM 技術(shù)利用功率半導體器件的高頻開通和關(guān)斷，把直流電壓變成按一定的寬度規(guī)律變化的電壓脈沖序列，以實現(xiàn)變頻與變壓，并有效地抑制和消除諧波的影響。PWM控制技術(shù)一般可分為三大類，即:正弦PWM、優(yōu)化PWM 及隨機PWM。正弦PWM 包括電壓、電流和磁通的正弦PWM ，正弦PWM一般隨著功率器件開關(guān)頻率的提高而得到很好的性能。在中小功率交流傳動的系統(tǒng)中被廣泛的采用。但是對于大容量的電力變換裝置來說，太高的開關(guān)頻率會增加開關(guān)的損耗，而且大功率器件的開關(guān)頻率目前還不能做得很高，在這種情況下，優(yōu)化PWM 技術(shù)正好符合裝置的需要。特定諧波消除法 (Selected Harmonic MiinationPWM,SHE PWM)、效率最優(yōu)PWM和轉(zhuǎn)矩脈動最小PWM都屬于優(yōu)化PWM技術(shù)的范疇。對于普通的PWM變頻器，其輸出電流往往含有較大的諧波成分，諧波電流的存在，會使電動機定子產(chǎn)生振動而發(fā)出電磁噪聲而且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，可以提高功率器件的開關(guān)頻率，但這會增加開關(guān)的損耗；另一種解決方法是隨機地改變功率器件的導通位置和開關(guān)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(nèi)，從而抑制那些幅值比較大的諧波成分，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(shù)。（3）應用矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)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(Variable Voltage Variable Frequency)控制是從