【正文】 相 異 步 電 動 機 的 模 型 Motor、 脈 寬 調(diào) 制 控 制 電 路 的模 型 PWM Generator、 逆 變 器 的 模 型 IGBT Inverter、 電 動 機 的 控 制 變 量 的 測 量輸 出 裝 置 Demux。 當(dāng) 改 變 調(diào) 制 電 壓 的 幅 值 時 ， 脈 寬 隨 之 改 變 ， 即可 改 變 輸 出 電 壓 的 大 小 。若有同一橋臂上下兩個開關(guān)交替地導(dǎo)通與關(guān)斷，則輸出脈沖在“+”和 “－ ”之間變化，這樣得到雙極式的 SPWM 波形。 采 樣脈 沖 的 總 個 數(shù) 與 常 數(shù) 相 加 ， 可 以 保 證 在 每 個 采 樣 周 期 的 中 點 進(jìn) 行 采 樣 。T c= t1+ t2+ t3南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）15圖 42 生 成 SPWM 波 形 的 自 然 采 樣 法 若 以 單 位 量 1 表 示 三 角 載 波 的 幅 值 Ulm，則正弦調(diào)制波的幅值就是調(diào)制M，正弦波可寫作 uM=M sin 1t （41 ）?式 中 ， 1 是調(diào)制波頻率，即逆變器輸出頻率。 交 點 A 是 發(fā) 生 脈 沖 的 時刻 ， B 點 是 結(jié) 束 脈 沖 的 時 刻 。或 者 通 過 軟 件 實 時生 成 SPWM 波 形 。異 步 調(diào) 制 方 式 的 缺 點 是 當(dāng) 載 波 比 N 隨 著 輸 出 頻 率 的 降 低 而 連 續(xù) 變 化 時 ， 它不 可 能 總 是 3 的 倍 數(shù) ， 勢 必 使 輸 出 電 壓 波 形 及 其 相 位 都 發(fā) 生 變 化 ， 難 以 保 持 三相 輸 出 的 對 稱 性 ， 因 而 引 起 電 機 工 作 不 平 穩(wěn) 。當(dāng) 輸 出 頻 率 很 低 時 ， 由 于 相 鄰 兩 脈 沖 間 的 間 距 增 大 ， 諧 波 會 顯 著 增 加 ， 使 電 機產(chǎn) 生 較 大 的 脈 動 轉(zhuǎn) 矩 和 較 強 的 噪 聲 。從 載 波和 調(diào) 制 波 的 頻 率 之 間 的 關(guān) 系 來 看 ， 又 有 同 步 調(diào) 制 、 異 步 調(diào) 制 和 分 段 同 步 調(diào) 制 。 但 經(jīng) 常 使 用 的 方 法 是 采 用 “調(diào) 制 ”的 方 法 。 可 以 看 出 ， 各 脈 沖 的 寬 度 是 按 正弦 規(guī) 律 變 化 的 。 將 如 圖 52（ a） 所 示 正 弦半 波 分 成 N 等 份 ， 就 可 把 正 弦 半 波 看 成 N 個 彼 此 相 連 的 脈 沖 所 組 成 的 波 形 。當(dāng)逆變器各開關(guān)器件都是在理想狀態(tài)下工作時，驅(qū)動相應(yīng)開關(guān)器件的信號也應(yīng)與逆變器的輸出電壓波形相似。 因 該 方 式 采 用 不 可 控 整 流 ， 功 率 因 數(shù) 較 高 ， 且 用PWM 逆 變 ， 諧 波 可 以 大 大 減 少 。 這種 調(diào) 壓 方 法 有 效 地 提 高 了 變 頻 器 電 網(wǎng) 側(cè) 的 功 率 因 數(shù) ， 并 能 方 便 靈 活 地 調(diào) 節(jié) 電 壓 ，但 增 加 了 一 個 電 能 變 換 環(huán) 節(jié) (斬 波 器 )， 使 主 電 路 和 控 制 電 路 復(fù) 雜 ， 該 方 法 仍 存在 諧 波 較 大 的 問 題 。 該 方 式 的 調(diào) 壓 和 調(diào) 頻 分 別 在 兩 個 環(huán) 節(jié) 上進(jìn) 行 且 在 控 制 電 路 上 要 協(xié) 調(diào) 配 合 。 即 使 在 很 低 的 轉(zhuǎn) 速 下 ，也 可 以 實 現(xiàn) 平 穩(wěn) 運 轉(zhuǎn) 。 PWM 控 制 方 法 ， 就 是 把 輸 出 電壓 的 周 波 分 割 成 多 個 脈 沖 ， 通 過 合 理 的 控 制 其 中 每 個 脈 沖 的 寬 度 ， 去 控 制 輸 出電 壓 的 波 形 、 頻 率 及 其 基 波 幅 值 。 因 此 ， 在 中 間 直 流 環(huán) 節(jié) 和 電 動 機 之 間總 會 有 無 功 功 率 的 變 換 。 逆 變 器負(fù) 載 側(cè) 的 變 流 器 為 逆 變 器 ， 最 常 見 的 結(jié) 構(gòu) 形 式 是 利 用 六 個 半 導(dǎo) 體 開 關(guān) 器 件組 成 的 三 相 橋 式 逆 變 電 路 。 交 直 交 變 頻 裝 置 變 頻 器 基 本 結(jié) 構(gòu) 變 頻 器 的 主 要 任 務(wù) 就 是 把 恒 壓 恒 頻 的 交 流 電 轉(zhuǎn) 換 成 變 壓 變 頻 的 交 流 電 ， 以滿 足 交 流 電 動 機 變 頻 調(diào) 速 的 需 要 。 讓 頻率 f1 從 基 頻 f1N 往 上 調(diào) 時 ， 不 可 能 繼 續(xù) 保 持 E1/f1 的 值 不 變 ， 因 電 壓 U1 不 能 超過 額 定 電 壓 U1N。南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）8 當(dāng) 頻 率 降 低 時 U1 和 E1 都 變 小 ， 定 子 漏 阻 抗 壓 降 (主 要 是 定 子 電 阻 壓 降 )不 能 再 忽 略 。 這 種 控 制 又 稱 作 恒 磁 通 變 頻 調(diào) 速 ， 屬 于 恒 轉(zhuǎn) 矩 調(diào)速 方 式 。由上式可見，磁通 Φm 的值是由 E1 和 f1 共同決定的，對 E1 和 f1 進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂凭涂梢允箽庀洞磐?Φm 保持額定值不變。 變 頻 調(diào) 速 的 控 制 方 式 對 異 步 電 動 機 進(jìn) 行 調(diào) 速 控 制 時 ， 希 望 電 動 機 的 主 磁 通 保 持 額 定 值 不 變 。 一 般 異 步 電 機 在 額 定 負(fù) 載 下 的 s=1%～ 6%。 電 機 磁 場 的 轉(zhuǎn) 速稱 為 同 步 轉(zhuǎn) 速 ， 用 Ｎ 表 示 ： Ｎ =60f/p (31）式 中 ： f 為 三 相 交 流 電 源 頻 率 ， 一 般 為 50Hz； p 為 磁 極 對 數(shù) 。 SIMULINK 工 具 箱 的 模 型 都 可 以 通 過 模 型 庫 瀏 覽 器 來 查 找 。 第 三 欄 是 菜 單 命 令 的 等 效按 鈕 。 SIMULINK 的 工 作 環(huán) 境在 MATLAB 的 菜 單 欄 上 選 擇 File,在 下 拉 菜 單 中 的 New 選 項 下 選 中Model。 系 統(tǒng) 運 行 的 狀 態(tài) 和 結(jié) 果 可 以 通 過 波 形 和 曲 線 觀 察 ， 這 和 實 驗 室 中 用 示 波器 觀 察 的 效 果 幾 乎 一 致 。SIMULINK 作 為 面 向 系 統(tǒng) 框 圖 的 仿 真 平 臺 ， 它 具 有 如 下 特 點 ： 以 調(diào) 用 模 塊 代 替 程 序 的 編 寫 ， 以 模 塊 連 成 的 框 圖 表 示 系 統(tǒng) ， 點 擊 模 塊 即可 以 輸 入 模 塊 參 數(shù) 。 系 統(tǒng) 仿 真 (SIMULINK)環(huán) 境 系統(tǒng) 仿 真 (SIMULINK)環(huán) 境 也 稱 工 具 箱 (Toolbox)， 是 MATLAB 最 早 開發(fā) 的 ， 它 包 括 SIMULINK 仿 真 平 臺 和 系 統(tǒng) 仿 真 模 型 庫 兩 部 分 ， 主 要 用 于 仿 真 以 數(shù)學(xué) 函 數(shù) 和 傳 遞 函 數(shù) 表 達(dá) 的 系 統(tǒng) ， 是 20 世 紀(jì) 70 年 代 開 發(fā) 的 連 續(xù) 系 統(tǒng) 仿 真 程 序(CCS)的 繼 續(xù) ， 現(xiàn) 在 的 系 統(tǒng) 仿 真 (SIMULINK)包 括 了 連 續(xù) 系 統(tǒng) 、 非 線 性 系 統(tǒng) 和離 散 系 統(tǒng) 的 仿 真 。 MATLAB 的 SIMULINK 環(huán)境和模型庫 MATLAB 的 SIMULINK 是很有特色的仿真環(huán)境，在此環(huán)境中，用點擊拖動鼠標(biāo)的方式繪制和組織系統(tǒng)或電路，并完成對系統(tǒng)和電路的仿真。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）4而目前常見的計算機仿真軟件有 PISPCE 和 MATLAB 等,我們的虛擬實驗系統(tǒng)主要在 MATLAB 上開發(fā)。將計算機仿真引入課程教學(xué)中來開發(fā)虛擬實驗系統(tǒng),使同學(xué)們能在計算機上做實驗,在計算機上研究各種電路和系統(tǒng),并且可以任意地在計算機上設(shè)計、修改電路和系統(tǒng),且立即看到所設(shè)計電路或系統(tǒng)運行的效果,不僅可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,加深大家對理論的認(rèn)識,更重要的是掌握了一種現(xiàn)代設(shè)計分析手段。為了提高實驗的質(zhì)量和加強同學(xué)們能力的培養(yǎng),為大家創(chuàng)新思維創(chuàng)造條件,我們在學(xué)習(xí)中開展了虛擬實驗的開發(fā)和研究工作。但是實驗往往受到客觀條件的限制,設(shè)備、場地、時間等諸多因素制約了實驗的數(shù)量和質(zhì)量。另外，使用 MATLAB 中的各種分析工具，還可以對仿真結(jié)果進(jìn)行分析和可視化。南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）1基于 MATLAB 的轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)畢業(yè)論文第 一 章 緒 論 課題背景與意義虛擬實驗系統(tǒng)是在計算機仿真基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項新技術(shù)，利用計算機的強大功能虛擬仿真實際的物理系統(tǒng)，將計算機仿真引入到課程教學(xué)中來開發(fā)虛擬實驗，可在計算機上研究電路和系統(tǒng)，并且可以任意地在計算機上設(shè)計、維修電路和系統(tǒng)，且立即看到所設(shè)計電路或系統(tǒng)運行的效果。MATLAB 提供的動態(tài)系統(tǒng)仿真工具 Simulink 可以有效地對系統(tǒng)進(jìn)行建模，而且仿真過程是交互的，可以隨意地改變參數(shù)，并且立即可以得到修改后的仿真結(jié)果。南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）3第 二 章 基 于 MATLAB 的 虛 擬 實 驗 系 統(tǒng) 虛擬系統(tǒng)的實際意義實驗是教學(xué)中的重要手段,對工程類課程的學(xué)習(xí)尤為重要,通過實驗不僅可以驗證理論的結(jié)果,加強對理論的認(rèn)識,并且可培養(yǎng)學(xué)生實際動手能力。對此實驗室已經(jīng)采取了許多措施,如開放實驗室、設(shè)立設(shè)計性實驗等,但是收效都不大,主要是計劃外的實驗需要較長的準(zhǔn)備時間,實驗室很難都具備器件、設(shè)備、儀器的條件。計算機仿真已在科學(xué)研究、工程設(shè)計等方面發(fā)揮了巨大的作用,并且已經(jīng)開發(fā)了多種軟件。另外儀器的維護費用較高，需要耗費大量的人力物力。該虛擬系統(tǒng)是在計算機平臺上進(jìn)行,不需要大量的儀器和設(shè)備,節(jié)省了經(jīng)費和投資,可以彌補實驗設(shè)備的不足。MATLAB 的工具箱已經(jīng)有極其豐富的內(nèi)涵，下面主要介紹 SIMULINK工作環(huán)境和系統(tǒng)仿真(SIMULINK)和電力系統(tǒng)(Power System Block)兩個模型庫。 所 以 ， 有 關(guān) SIMULINK 的 操 作 是 仿 真 應(yīng) 用 的 基 礎(chǔ) 。 這 時 ， 會 自 動 完 成 仿真 系 統(tǒng) 的 初 始 化 過 程 ， 將 系 統(tǒng) 框 圖 轉(zhuǎn) 換 為 仿 真 的 數(shù) 學(xué) 方 程 ， 建 立 仿 真 的 數(shù) 據(jù) 結(jié)構(gòu) ， 并 計 算 系 統(tǒng) 在 給 定 激 勵 下 的 響 應(yīng) 。 以 框 圖 形 式 對 控 制 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 仿 真 是 SIMULINK 的 最 早 功 能 ， 后 來 在SIMULINK 的 基 礎(chǔ) 上 又 開 發(fā) 了 數(shù) 字 信 號 處 理 、 通 信 系 統(tǒng) 、 電 力 系 統(tǒng) 、 模 糊 控 制等 書 10 種 模 型 庫 ， 但 是 SIMULINK 的 窗 口 界 面 是 其 他 工 具 箱 公 用 的 平 臺 ， 在此 平 臺 上 可 以 進(jìn) 行 控 制 系 統(tǒng) 、 電 力 系 統(tǒng) 、 通 信 系 統(tǒng) 等 各 種 系 統(tǒng) 的 仿 真 。 標(biāo) 題 欄 下 方 是 菜 單 欄 ，這 里 有 File(文 件 )、 Edit(編 輯 )、 View(查 看 )、 Simulation(仿 真 )、 Format(格式 )、 Tools(工 具 )和 Help(幫 助 )7 項 主 要 功 能 菜 單 。 模 型 庫 瀏 覽 器模 型 庫 是 SIMULINK 的 重 要 內(nèi) 容 ， 模 型 庫 中 保 存 了 控 制 系 統(tǒng) 中 常 用 的 典 型環(huán) 節(jié) 的 模 型 ， 在 系 統(tǒng) 仿 真 時 ， 只 要 調(diào) 用 這 些 典 型 環(huán) 節(jié) 就 可 以 很 方 便 地 組 成 系 統(tǒng)的 仿 真 模 型 。 變 頻 調(diào) 速 的 基 本 原 理變 頻 調(diào) 速 是 通 過 改 變 電 機 定 子 繞 組 供 電 的 頻 率 來 達(dá) 到 調(diào) 速 的 目 的 的 ， 當(dāng) 在 定子 繞 組 上 介 入 三 相 交 流 電 時 ， 在 定 子 與 轉(zhuǎn) 子 之 間 的 空 氣 隙 內(nèi) 產(chǎn) 生 一 個 旋 轉(zhuǎn) 磁 場 ，它 與 轉(zhuǎn) 子 繞 組 產(chǎn) 生 相 對 運 動 ， 使 轉(zhuǎn) 子 繞 組 產(chǎn) 生 感 應(yīng) 電 動 勢 ， 出 現(xiàn) 感 應(yīng) 電 流 ， 此電 流 與 旋 轉(zhuǎn) 磁 場 相 互 作 用 ， 產(chǎn) 生 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 ， 使 電 機 轉(zhuǎn) 動 起 來 。 轉(zhuǎn) 子 的 實 際 轉(zhuǎn) 速 n 比 磁場 的 同 步 轉(zhuǎn) 速 Ｎ 要 慢 一 點 ， 所 以 稱 為 異 步 電 機 ， 這 個 差 別 用 轉(zhuǎn) 差 率 ｓ 表 示 ： ｓ ＝ ［ （ Nn） /N］ 100% (32) 在 加 上 電 源 轉(zhuǎn) 子 尚 未 轉(zhuǎn) 動 瞬 間 ， n=0， 這 時 s=1； 啟 動 后 的 極 端 情 況n=N， 則 s=0， 即 s 在 0～ 1 之 間 變 化 。 變 頻 器 就 是 在 調(diào) 整 頻 率 的 同 時 還 要 調(diào) 整 電 壓 ， 故 稱 變 壓變 頻 調(diào) 速 ， 簡 稱 VVVF。 由 電 動 機 理論 知 道 ， 三 相 異 步 電 動 機 定 子 每 相 電 動 勢 的 有 效 值 為 E1= KN1 f1NΦm （ 34）式 中 ， E1 為 定 子 每 相 電 動 勢 的 有 效 值 ； f1 是 定 子 頻 率 ； N 為 定 子 繞 組 的 有效 匝 數(shù) ； Φm 為每極級磁通。 為 了 保 持 電 動 機 的 負(fù) 載 能 力 ， 應(yīng) 保