【正文】 28第五章 系統(tǒng)仿真建模與分析 33 MATLAB/SIMULINK簡(jiǎn)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(xiàn) 43 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)摘 要變頻調(diào)速是交流電動(dòng)機(jī)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(gè)交流調(diào)速中占有重要的地位?，F(xiàn)代變頻技術(shù)是交流電動(dòng)機(jī)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)。用戶(hù)的高頻化要求推動(dòng)了功率器件柵極的MOS化,90年代MOS場(chǎng)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。尤其是20世紀(jì)70年代以后，由于科學(xué)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)。由于中間不經(jīng)過(guò)直流環(huán)節(jié)，不需換流，故效率很高。目前，按電壓等級(jí)來(lái)分，又可將變頻器分為低壓變頻器和中、高壓變頻器。由于兩個(gè)次級(jí)繞組線(xiàn)電壓相同, 則它們各相之間相位差為30176。使用中考慮到電流的諧波成分較大,需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)輸出濾波器,才能夠供電機(jī)使用。、24176。177。（1）開(kāi)環(huán)控制通用變頻器常用轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)、恒壓頻比加定子電壓低頻補(bǔ)償?shù)目刂品绞?，主要由斜坡函?shù)模塊、恒壓頻比模塊、PWM信號(hào)生成模塊組成。因而獲得了與直流調(diào)速系統(tǒng)相同的靜、動(dòng)態(tài)性能。由于它省掉了矢量變換方式的坐標(biāo)變換與計(jì)算和為解耦而簡(jiǎn)化異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型,沒(méi)有通常的PWM脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器,因此它的控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制信號(hào)處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且無(wú)超調(diào),是一種具有高靜、動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式。 變頻電源硬件結(jié)構(gòu)框圖 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)380V/，主要由三相整流橋、軟啟動(dòng)電路、直流濾波電路、指示燈電路、制動(dòng)電路、PWM逆變器、輸出濾波器等組成。采用晶閘管半控、全控整流既可以在開(kāi)機(jī)上電后使整流電壓逐漸上升到最大值,實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)；又可以在電源出現(xiàn)故障時(shí),關(guān)斷晶閘管,從而關(guān)閉直流環(huán)節(jié)。當(dāng)電容充電到一定程度時(shí)，使S5閉合，將限流電阻短路。為交流輸入線(xiàn)電壓有效值。 逆變電路及其參數(shù)計(jì)算 作為逆變的一種重要形式,三相逆變器廣泛應(yīng)用于用大電量或三相四線(xiàn)制供電負(fù)載場(chǎng)合，其電路拓?fù)渲饕腥嗳珮蚴?、三相半橋式、三相四橋臂式和組合式等結(jié)構(gòu)。為此，可在逆變器的輸出端設(shè)置LC濾波電路，以減小dv/dt，濾除高次諧波，改善輸出電壓波形?；谝陨弦蛩?對(duì)IGBT的電壓電流進(jìn)行如下計(jì)算：電路額定輸出容量為5KVA,則額定輸出功率： (),輸出相電壓有效值為220V,則通過(guò)每個(gè)IGBT電流的有效值為: () 則通過(guò)IGBT的電流峰值為: ()當(dāng)上(下)橋臂開(kāi)通,下(上)橋臂關(guān)斷時(shí),下管(上管)IGBT兩端承受DC53OV電壓。一般按照低通濾波器的計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì),使濾波器基波頻率落在通帶之內(nèi),從而達(dá)到抑制諧波，保留基波的目的[14]。交流電機(jī)是交流變速傳動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)主要環(huán)節(jié)，其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性以及控制技術(shù)遠(yuǎn)比直流電機(jī)復(fù)雜，而建立一個(gè)適當(dāng)?shù)漠惒诫姍C(jī)數(shù)學(xué)模型則是研究交流變速傳動(dòng)系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性及其控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)[15]。電角度)，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布。 三相異步電動(dòng)機(jī)的物理模型電壓方程式三相定子繞組電壓平衡方程式為 （） （） （）與此相應(yīng)，三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程式為 （） （） (）式中， ，—定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時(shí)值；，— 定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時(shí)值；，— 各相繞組的全磁鏈；， — 定子和轉(zhuǎn)子繞組的電阻；上述各量都已折算到定子側(cè)，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，表示折算的上角標(biāo)“ ′”均省略將電壓方程用矩陣形式，并用微分算子代替微分符號(hào) ()或?qū)懗? ()磁鏈方程式每個(gè)繞組的磁鏈?zhǔn)撬旧淼淖愿写沛満推渌@組對(duì)它的互感磁鏈之和，因此，六個(gè)繞組磁鏈可表達(dá)為 ()或?qū)懗? ()式中是66階的電感矩陣，其中對(duì)角線(xiàn)元素、是各相關(guān)繞組的自感，其余各項(xiàng)則是繞組間的互感。可以用坐標(biāo)變換把參數(shù)轉(zhuǎn)換成常數(shù)?？梢?jiàn)異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)非線(xiàn)性系統(tǒng)。通常以定子電流代替。、和、之間存在下列關(guān)系 （） （）寫(xiě)成矩陣形式，得 （）式中， 是兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系的變換矩陣。它比在ABC坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單得多，階次也降低了，但其非線(xiàn)形、多變量、強(qiáng)耦合的性質(zhì)并未改變。任何一個(gè)機(jī)電傳動(dòng)、伺服系統(tǒng)，在工作中都要服從運(yùn)動(dòng)的基本方程 （）即電機(jī)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，除用以克服負(fù)載的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩外，其余部分就是用來(lái)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子角加速度的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。從整體式看，是一臺(tái)輸入為、三相電壓，輸出為轉(zhuǎn)速的異步電動(dòng)機(jī)。由（）得 （）此式說(shuō)明，跟隨立即變化。它為用戶(hù)提供了用方框圖進(jìn)行建模的圖形接口，它比傳統(tǒng)的仿真軟件包具有更加直觀、方便、靈活等優(yōu)點(diǎn)。用MATLAB/SIMULINK軟件平臺(tái)建立系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能分析。 ABCDQ子模塊ABCDQ子模塊完成從ABC三相定子坐標(biāo)系到d、q坐標(biāo)系的變換（3/2變換），在這個(gè)模塊中，根據(jù)定子電流在ABC三相定子坐標(biāo)系下的分量，經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)變換，得出電動(dòng)機(jī)定子電流在d、q坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量。DQABC模塊完成從d，q坐標(biāo)系到ABC三相定子坐標(biāo)系的變換，在這個(gè)模塊中，根據(jù)定子電流在d，q坐標(biāo)系中的分量，經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)變換，得出電動(dòng)機(jī)定子的三相繞組電流的給定值。速度調(diào)節(jié)器中Kp設(shè)為13，Ki為26，轉(zhuǎn)矩限幅為300。在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上建立了交流電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，通過(guò)在MATLAB軟件中應(yīng)用SIMULINK仿真工具進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性。這篇論文是在文老師的精心指導(dǎo)下進(jìn)行的，從論文的選題，設(shè)計(jì)過(guò)程，到最后的撰寫(xiě)，傾注了文老師的心血，使我順利地完成了論文，更培養(yǎng)了我開(kāi)展科研的能力。對(duì)擔(dān)任我這一組、參加評(píng)審工作和答辯的全體老師表示誠(chéng)摯的謝意。系統(tǒng)仿真表明，適當(dāng)選取調(diào)節(jié)器參數(shù)和合適的仿真參數(shù)，可使該系統(tǒng)得到良好的動(dòng)態(tài)性能，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，超調(diào)量小，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)給定值具有良好的動(dòng)態(tài)跟蹤能力，控制系統(tǒng)的各個(gè)部分協(xié)調(diào)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化，獲得了較好的調(diào)速性能。仿真時(shí)間設(shè)為0～，采樣時(shí)間。Teta Calculation模塊的作用是計(jì)算θ角，也就是d軸的位置。其中，滯環(huán)寬度設(shè)為20。給定電流值、經(jīng)過(guò)坐標(biāo)反變換得到定子三相電流指定值、。用SIMULINK創(chuàng)建的模塊是分層的，因此用戶(hù)可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)來(lái)創(chuàng)建更加復(fù)雜的控制系統(tǒng)模型。電磁轉(zhuǎn)矩方程同（），即 （）此式表明，當(dāng)不變時(shí)，定子電流轉(zhuǎn)矩分量的變化會(huì)引起電磁轉(zhuǎn)矩成正比地改變，沒(méi)有任何滯后。 異步電動(dòng)機(jī)的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖 按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制方法的實(shí)現(xiàn)在模擬直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制時(shí)，一般采用保持主磁通不變，調(diào)節(jié)控制電樞電流的方法，即應(yīng)保持轉(zhuǎn)子總磁鏈不變，改變軸轉(zhuǎn)矩電流分量。在負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律已知的條件下，這就必須對(duì)電機(jī)的瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行有效的控制[19]。 按轉(zhuǎn)子磁鏈（磁通）定向的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向即是按轉(zhuǎn)子全磁鏈?zhǔn)噶糠较蜻M(jìn)行定向，也就是將軸取向于的方向。 異步電動(dòng)機(jī)在兩相dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型式（）的異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型建立在三相靜止的坐標(biāo)系下，如果把它變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，由于兩相坐標(biāo)軸互相垂直，兩相繞組之間沒(méi)有磁的耦合，僅此一項(xiàng)，就會(huì)使數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單了許多。圖中、是任意同步旋轉(zhuǎn)軸系，旋轉(zhuǎn)角速度為同步角速度。綜上所述，三相異步電動(dòng)機(jī)在三相靜止軸系是上的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)多變量、高階、非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)[18]。轉(zhuǎn)矩方程按照機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，可求出電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式 ()式中，—電磁轉(zhuǎn)矩，—電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)。兩繞組之間只有互感。這樣。這是因?yàn)槭紫犬惒诫妱?dòng)機(jī)在進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，電壓和頻率之間必須進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，故輸入變量有電壓和頻率。如果濾波器截止頻率選得過(guò)高,諧波衰減減小,必然導(dǎo)致濾波效果下降,系統(tǒng)中的高頻分量得不到很好的抑制,輸出電壓不能滿(mǎn)足波形失真度的要求；反之若頻率選得過(guò)低,L、C值增大,濾波電感和電容的體積和重量也會(huì)增加,而且濾波電路引起的相位滯后變大,影響整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 輸出濾波器 為保證變頻電源輸出波形正弦度好、失真度小,必須在逆變電路輸出端安裝濾波器。IGBT的選擇應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面的因素：（1） 開(kāi)關(guān)器件額定值(主要為額定電壓和電流)的選擇。三相半橋逆變器雖然也有上述優(yōu)點(diǎn),但其輸入直流電源電壓利用率較低,而且相同輸出電壓時(shí)功率開(kāi)關(guān)的電壓應(yīng)力較大，為了獲得強(qiáng)的帶不平衡負(fù)載的能力,兩個(gè)串聯(lián)的電解電容必須足夠大,從而使逆變器體積和重量增加。F/的電解電容兩個(gè)串聯(lián),相當(dāng)于一個(gè)181。整流二極管的選擇整個(gè)電源容量為5KVA,輸入電壓為三相市電,線(xiàn)電壓有效值為,輸出電壓為三相三線(xiàn)制,相電壓有效值為，根據(jù)系統(tǒng)容量和輸入電壓值可計(jì)算出直流側(cè)最大電壓和電流。本設(shè)計(jì)中采用了三相橋式不控整流電路，主要優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，功率因數(shù)接近于1。（2）三相逆變電路：將DC530V電壓逆變?yōu)轭l率、幅值可調(diào)的三相交流電，提供給負(fù)載。一方面控制器采用BangBang控制，實(shí)際轉(zhuǎn)矩必然在上下限內(nèi)脈動(dòng)；另一方面調(diào)速范圍受限，低速時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)增加，而且定子磁鏈觀測(cè)值會(huì)不準(zhǔn)。然后，通過(guò)電流閉環(huán)的跟隨控制，輸出異步電動(dòng)機(jī)所需的三相定子電流?？梢韵齽?dòng)態(tài)過(guò)程中轉(zhuǎn)矩電流的波動(dòng),從而提高了通用變頻器的動(dòng)態(tài)性能。177。由5對(duì)依次相移12176。 中壓變頻器主電路結(jié)構(gòu)高壓變頻器是指輸出電壓為6～10kV 的變頻器。當(dāng)經(jīng)過(guò)兩個(gè)整流橋的串聯(lián)疊加后,可得到12個(gè)波頭的整流輸出波形,。所有國(guó)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(kāi)關(guān),。但這種控制方式?jīng)Q定了最高輸出頻率只能達(dá)到電源頻率的1/3～1/2,所以不能高速運(yùn)行。交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)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(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。IGBT變頻器己成為當(dāng)代變頻調(diào)速技術(shù)的主流,而且在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)仍將是電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的主導(dǎo)變頻器。20世紀(jì)是電力電子變頻技術(shù)從誕生到發(fā)展的一個(gè)全盛時(shí)代。 本文介紹了現(xiàn)代交