【正文】 逆變電路輸出側產生的高次諧波也會給電動機帶來諸如發(fā)熱加劇、轉矩脈動及噪聲等問題，甚至造成電機損壞，另外，諧波還對通信以及電子設備產生嚴重干擾，影響周圍設備的正常運行。從結構來看，變頻器可分為間接變頻和直接變頻兩大類。但機械式的傳感器有安裝、電纜連接和維護等問題，降低了系統(tǒng)的可靠性。為了更詳細地分析電動機內部過程，如繞組短路或轉子斷條等問題，多回路理論應運而生。6）邏輯運算能力強。系統(tǒng)中硬件向標準化、集成化方向發(fā)展，可以在盡可能少的硬件支持下由軟件去完成復雜的控制功能。與模擬控制不同，它一般不會隨溫度和環(huán)境條件發(fā)生變化。 全數(shù)字控制具有如下特點：1）精度高。（4）全數(shù)字控制技術的應用隨著微電子技術的快速發(fā)展，數(shù)字式控制處理芯片的運算能力和可靠性得到了很大的提高，實現(xiàn)了模擬控制無法實現(xiàn)的復雜控制，這使得全數(shù)字化控制系統(tǒng)有望取代模擬控制系統(tǒng)。該技術在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結構、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。20世紀70年代初提出用矢量變換的方法來研究交流電動機的動態(tài)控制過程。特定諧波消除法 (Selected Harmonic MiinationPWM,SHE PWM)、效率最優(yōu)PWM和轉矩脈動最小PWM都屬于優(yōu)化PWM技術的范疇。PWM控制技術一般可分為三大類，即:正弦PWM、優(yōu)化PWM 及隨機PWM。PWM技術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，并減小轉矩脈動。為此，矩陣式交交變頻器應運而生。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，回饋到直流側的再生電能難以回饋給交流電網，要實現(xiàn)這部分能量的回饋，網側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，輸入電流 (網側電流)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。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。它是一門利用電力電子器件對電能進行轉換、傳輸?shù)膶W科，是現(xiàn)代電子學的一個重要分支。因此，提高電機系統(tǒng)的效率，對節(jié)約電能意義十分重大。目前交流傳動己經上升為電氣調速傳動的主流，直流傳動系統(tǒng)占統(tǒng)治地位的局面已經受到強烈的沖擊。由電機學可知，異步電動機的轉速表達式為: (11)式中 — 電動機的輸出轉速； 為電機的定子供電頻率； — 電動機的轉差率； — 電機的極對數(shù)。從多方面來看，交流調速系統(tǒng)完全可以取代直流調速系統(tǒng)，并將為工業(yè)生產以及節(jié)電節(jié)能等方面帶來巨大的經濟效益和社會效益。（2）以少維護省力為目的的取代直流調速系統(tǒng)在直接關系到生產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，改用交流調速系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，交流電動機控制技術的發(fā)展方興未艾，非線性解耦控制、人工神經網絡自適應控制、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速技術的發(fā)展。無傳感器控制技術不需要檢測硬件，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。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，控制結構簡單，便于實現(xiàn)全數(shù)字化，目前正受到各國學者的重視。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，轉矩控制要困難得多。為此，在國外已引起廣泛關注。磁通跟蹤型PWM逆變器以不同的開關模式在電機中產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狀態(tài)，形成PWM波形。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。50年代末出現(xiàn)了晶閘管，由晶閘管構成的靜止變頻電源輸出方波或階梯波的交流變電壓，取代旋轉變頻機組實現(xiàn)了變頻調速，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斷，因此由普通晶閘管組成的逆變器用于交流調速必須附加強迫換相電路。人們轉向結構簡單、運行可靠、便于維護、價格低廉的異步電動機，但異步電動機的調速性能難以滿足生產要求，于是，從20世紀30年代開始，人們就致力于交流調速技術的研究，然而進展緩慢。交直交變頻調速系統(tǒng)的仿真研究畢業(yè)論文1. 緒 論 交流調速技術發(fā)展的概況與趨勢在很長的一個歷史時期內，直流調速系統(tǒng)以其所具有優(yōu)良的靜、動態(tài)性能指標壟斷調速傳動應用領域。在相當長時期內，直流調速一直以性能優(yōu)良領先于交流調速。70年代以后，功率晶閘管(GTR)、門極關斷晶閘管（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斷的自關斷器件，又稱全控型器件。80年代出現(xiàn)的功率集成電路（Power IC—PIC），集功率開關器件、驅動電路、保護電路、接口電路于一體，目前已應用于交流調速的智能功率模塊（Intelligent Power Module—IPM）采IGBT作為功率開關，含有電流傳感器、驅動電路及過載、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。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。PWM逆變器工作頻率的進一步提高將受到開關損耗的限制，特別是大功率逆變器，工作頻率不取決于器件開關速度而受限于開關損耗。70年代初提出的矢量控制理論解決了交流電動機的轉矩控制問題，應用坐標變換獎三項系統(tǒng)等效為兩相系統(tǒng)，在經過安轉子磁場定向的同步旋轉變換實現(xiàn)了定子電流勵磁分量與轉矩分量之間的解耦，從而達到對交流電動機的磁鏈和電流分別控制的目的。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。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)的轉化。目前，交流調速系統(tǒng)的主要應用方向可分為如下三大類。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，提高生產效率；電動汽車中采用交流驅動，可以減小體積和重量，提高可靠性。 研究變頻調速的目的與意義異步電動機的變頻調速屬轉差功率不變型調速，是異步電動機各種調速方案中效率最高、性能最好的一種調速方法，是交流調速的主要發(fā)展方向。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)、變化轉差率以及改變供電頻率。推廣使用可調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。隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發(fā)展，交流變頻調速技術得到了迅速發(fā)展，其顯著的節(jié)能效益，高精確的調速精度，寬泛的調速范圍，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。從20世紀50年代末晶閘管問世以來，經過幾十年的發(fā)展，電力電子器件得到了迅猛的發(fā)展。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。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，只需改變網側可控整流器的輸出電壓極性即可使回饋到直流側的再生電能方便地回饋到交流電網，構成的調速系統(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。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頻率的限制的優(yōu)點。同時也可簡化變頻器的結構，加快調節(jié)速度，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應性能。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頻率的提高而得到很好的性能。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。它其原理是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過三相/二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1及Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Im1及It1(Im1相當于直流電動機的勵磁電流；It1相當于與轉矩成正比的電樞電流），然后模仿對直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。但是在實際應用中，由于轉子磁鏈難以準確觀測，系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。該技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。在使用數(shù)字控制時，要求的采樣頻率較高，通常高于。數(shù)字計算機的精度與字長有關，變頻器中使用16位乃至32位微型機作為控制機，精度在不斷提高。3）可靠性高。適當?shù)匦薷能浖涂梢愿淖兿到y(tǒng)的功能或提高其性能。容易實現(xiàn)自診斷、故障記錄、故障尋找等功能，使變頻裝置可靠性、可使用性、可維修性大大提高。隨著永磁材料特別是欽鐵硼永磁的發(fā)展，永磁同步電動機(PermanentMagnet Synchronous Motor, PMSM)的研究逐漸熱門和深入，由于這類電動機無需勵磁電流，運行效率、功率因數(shù)和功率密度都很高，因而在交流傳動系統(tǒng)中獲得了日益廣泛的應用。對此，許多學者開展了無速度 (位置)傳感器控制技術的研究，即利用檢測到的電動機出線端電量 (如電機電壓、電流)，估測出轉子的速度、位置，還可以觀測到電動機內部的磁通、轉矩等，進而構成無速度 (位置)傳感器高性能交流傳動系統(tǒng)。間接變頻將工頻電流通過整流器變成直流，然后再經過逆變器將直流變換成頻率和電壓可控的交流。因此，研究變頻器的諧波特性將有利于提高交流傳動系統(tǒng)的可靠性和工作效率。第二章 系統(tǒng)仿真技術：主要介紹仿真技術的概述，仿真軟件與仿真步驟，及對變頻調速系統(tǒng)的大概簡介。系統(tǒng)仿真技術 系統(tǒng)仿真技術的概述系統(tǒng)是由客觀世界中實體與實體間的相互作用和相互依賴的關系構成的具有某種特定功能的有機整體。非工程系統(tǒng)的定義范圍很廣，大至宇宙，小至原子，只要存在著相互關聯(lián)、相互制約的關系，形成一個整體，實現(xiàn)某種目的的均可以認為是系統(tǒng)。從它所描述的系統(tǒng)的運動性質和數(shù)學工具來分，又可以分為連續(xù)系統(tǒng)、離散時間系統(tǒng)、離散事件系統(tǒng)及混雜系統(tǒng)等。 仿真軟件與仿真步驟 仿真軟件電力拖動自動控制系統(tǒng)的動態(tài)過程是非常復雜的，這是由變流器—電機系統(tǒng)的非線性何不連續(xù)性引起的。因此，對于電力電子系統(tǒng)必須分別研究其變流器部分和系統(tǒng)部分。整流器和逆變器可以準確的用開關電路表示，并忽略其離散時間性質，經過變換與電機模型合并起來。當前電子技術已經全面進入了數(shù)字化時代，為了大幅度提高效率，在研制新型電子系統(tǒng)過程中，往往首先提出一個新的設想；然后對其進行仿真以驗證設想的可行性，并預測其性能參數(shù)；在達到了預期的效果之后，在進行硬件的實現(xiàn)。數(shù)學模型的正確與否、與實際電子 系統(tǒng)的近似程度都會直接影響仿真的結果。仿真算法、仿真語言和仿真程序構成了數(shù)學仿真軟件。在實際仿真時，往往反復重復前四個步驟，以保證數(shù)學模型的正確性和仿真算法的可行性。Simulink提供一個圖形化用戶界面用于建模，用鼠標拖拉塊狀圖表即可完成建模。同時也能自己定義和建立自己的塊。在定義了一個模型后，就可以進行仿真了，用綜合方法的選擇或用Simulink的菜單或MATLAB命令窗口的命令鍵入。模型分析工具包括線性化工具和微調工具，它們可以從MATLAB命令行直接訪問，同時還有很多MATLAB的toolboxes中的工具。由電機基礎知識知, 異步電動機轉矩與氣隙磁通、轉差頻率的關系為：只要保持氣隙磁通一定，控制轉差頻率就能控制電機轉矩，這就是轉差頻率控制。直接轉矩控制(DTC)的變頻調速是目前正在發(fā)展的調速方式，它無需像矢量控制那樣進行復雜的矢量變換運算，直接由定子空間矢量分析三相電動機的數(shù)學模型，并決定其控制量. DTC能夠用開環(huán)方式對轉速和轉矩進行控制，簡化了控制結構，但不可避免地產生轉矩脈動，影響低速性能，調速范圍受到限制。如果改變頻率，且保持定子電源電壓不變，則氣隙每極磁通將增大，會引起電動機鐵芯磁路飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機，這是不允許的。這時，電動機的電磁矩為： （22）上式對求導，即，有最大轉矩和臨界轉差率為： （23）由上式可知：當常數(shù)時，在較高時，即接近額定頻率時，隨著的降低，減少的不多；當較低時，較?。幌鄬ψ兇?，則隨著的降低，就減小了。 a）基頻以下調速（常數(shù)）保持 為常數(shù)，升高頻率調速時的機械特性如圖1（b）所示。 變頻器調速原理變頻器（Variablefrequency Drive，VFD）是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備，它的原理是利用功率半導體器件如IGBT的開斷來調整輸出電源的電壓和頻率，根據電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到調速、節(jié)能、保護系統(tǒng)的目的。這種整流變頻裝置具有結構簡單、諧波少、定子與轉子功率因數(shù)可調等優(yōu)點，可以明顯地改善電機的運行狀態(tài)。 圖31變頻調速系統(tǒng)的結構原理圖交流電源經整流、濾波、逆變后變成直流電源，再通過逆變器的有規(guī)則的導通和截止使之輸出頻率可變的電源。因此，它同時又起到一個充