【導(dǎo)讀】化水平、節(jié)約能源、推動技術(shù)進(jìn)步的主要手段。恒壓頻比控制是通用變頻。器中應(yīng)用最為廣泛的控制方式之一。本文在總結(jié)國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了恒壓頻比控制算法的設(shè)計。理，以及基本控制方式。電路，其中包括信號采集電路、驅(qū)動電路、電源電路、保護(hù)電路。MATLAB/Simulink軟真環(huán)境下，建立了通用變頻器的電路仿真模型?；A(chǔ)上，應(yīng)用恒壓頻比的控制算法實(shí)現(xiàn)了通用變頻器電路仿真。表明，本文所研究的通用變頻器能夠達(dá)到所設(shè)計的預(yù)期目標(biāo)。

　　

【正文】 無速度傳感器控制的設(shè)計，性能有了進(jìn)一步提高。 以上討論的控制方法的控制特性的技術(shù)指標(biāo)見表 41 所示。 表 41 各控制策略比較 恒壓頻比 控制 轉(zhuǎn)差率控制 矢量控制 直接控制 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 28 動態(tài)性能 較差 510r/s 達(dá) 1000r/s 達(dá) 1000r/s 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 簡單 ,成本低 簡單價格適中 復(fù)雜，成本高 負(fù)載成本高 應(yīng)用范圍 通用性好 與電機(jī)特性有關(guān) 與電機(jī)特性有關(guān) 與電機(jī)特性有關(guān) 調(diào)速精度 隨負(fù)載大小而定 精度較高，受速度檢測影響 模擬 :% 數(shù)字 :% 模擬 :% 數(shù)字 :% 本章小結(jié) 本章主要對電機(jī)的幾種控制方法進(jìn)行了介紹，最后通過圖表比較出了幾種控制方法的不同差異。從而選出適合不同情況下，最合適的控制方式。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 29 第 5 章 通用變頻器建模及仿真分析 通用變頻器的建模 系統(tǒng)仿真的運(yùn)用 考慮到生產(chǎn)生活中大量貴重元器件由于各種原因隨壞了，在研究交流電動機(jī)變頻調(diào)速是，因此本文 利用了 “系統(tǒng)仿真 ”。 系統(tǒng)仿真是指使用數(shù)學(xué)計算機(jī)設(shè)備來模擬或描述一個系統(tǒng)或過程的行為從而解決問題的一種技術(shù)。系統(tǒng)仿真通過設(shè)計出系統(tǒng)的可以計算的模型，并利用它在計算機(jī)上進(jìn)行試驗以了解系統(tǒng)行為或評估系統(tǒng)運(yùn)用的各種策略，并做定量分析。 仿真技術(shù)是集控制論、系統(tǒng)理論、相似原理、計算機(jī)技術(shù)于一體的綜合性高科技。雖然它才僅僅出現(xiàn)幾十年，卻在社會、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、軍事、教育和企業(yè)管理等各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，在日本企業(yè)，用系統(tǒng)工程解決的事件管理與決策的問題中，有 80%以上是通過系統(tǒng)仿真方法解決的。在我國，目前也正在大力推廣和普及，并已在 交通運(yùn)輸、軍事訓(xùn)練、地區(qū)發(fā)展規(guī)劃、工業(yè)過程設(shè)計、人口問題研究等方面取得了豐碩的成果。系統(tǒng)仿真如此蓬勃發(fā)展，一方面由于本文面臨的各種實(shí)際系統(tǒng)往往都是包括大量隨機(jī)因素的動態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)。對這些系統(tǒng)很難采用傳統(tǒng)方法建立數(shù)學(xué)模型，分析求解。另一方面是由于系統(tǒng)仿真方法具有可控性、無破壞性、安全、不受外界條件的限制等優(yōu)點(diǎn)，他能通過建立逼真的仿真模型和在計算機(jī)上反復(fù)的仿真實(shí)驗，對復(fù)雜問題進(jìn)行綜合分析和比較，從而為科學(xué)決策提供了可靠的依據(jù)。本章通過仿真實(shí)驗，研究了異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性、動態(tài)特性以及系統(tǒng)參數(shù)變化等因素 對系統(tǒng)性能的影響，更證明了系統(tǒng)仿真的必要性和重要性，為新的實(shí)驗設(shè)備的進(jìn)一步開發(fā)和利用奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。 MATLAB 簡介 MATLAB 是目前國際上最流行、應(yīng)用最廣泛的科學(xué)與工程計算軟件，其強(qiáng)項就是強(qiáng)大的矩陣計算。 MATLAB 不僅提供了基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，還提供了一種交互式的高級編程語言 —M 語言，利用 M 語言可以通過編寫腳本或者函數(shù)文件實(shí)現(xiàn)用戶自哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 30 己的算法，開發(fā)相應(yīng)的 MATLAB 專業(yè)工具箱函數(shù)供用戶直接使用。目前MATLAB 產(chǎn)品的工具箱有 40 多個，分別涵蓋了數(shù)據(jù)獲得，計算科學(xué)、控制系統(tǒng)設(shè)計與分析、數(shù)字信 號處理、數(shù)字圖像處理、金融財務(wù)分析以及生物遺傳工程等專業(yè)領(lǐng)域。 Simulink 是基于 MATLAB 的框圖設(shè)計環(huán)境，它不僅可以用來對各種動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、分析和仿真，而且還提供了豐富的功能模塊以及不同的專業(yè)模塊集合。 本次設(shè)計主要用的是 M 語言進(jìn)行編程仿真，通過顯示的坐標(biāo)曲線圖形來觀察仿真效果，得出結(jié)論。 仿真電路設(shè)計 仿真電路總圖設(shè)計 如圖 51 所示 。 三相不可控整流電路如圖 52?；竟ぷ鞣绞?—180 導(dǎo)電方式，即每個橋臂導(dǎo)電 180，同一相上下兩橋臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電角度差 120。任意瞬間有三個橋臂同時導(dǎo)通。 每次換流都是在同一相上下兩個橋臂之間進(jìn)行，也稱之為縱向換流。橋臂 5 的電流相加可得到直流側(cè)電流的波形，每 60 脈動一次，直流電壓基本無脈動，因此逆變器從交流側(cè)向直流側(cè)傳送的公路是脈動的，這是電壓型逆變電路的一個特點(diǎn)。 載波：通過調(diào)制來強(qiáng)制它的默寫特征量隨某個信號的特征值或另一個震蕩的特征值而變化，通常是周期性的電震蕩波。是被調(diào)制以傳輸信號的波 形，一般為正弦波。 調(diào)制波是用調(diào)制信號調(diào)制以后的非正弦波。 圖 51 仿真電路總體設(shè)計 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 31 圖 52 三相整流橋 在本 文 中，采用脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過對一系列脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，對等效的獲得需要的波形（含形狀和幅值）。根據(jù)輸入頻率的設(shè)定，每半個周期采樣 5 次左右，實(shí)驗最大頻率為 40，故設(shè)定參數(shù)周期為 。如圖53 所示 。 0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1 1 . 51 0 . 500 . 511 . 5 如圖 53 調(diào)制波波形 本 文 中，主要改變 調(diào)制波 波輸入頻率，不改變調(diào)制信號的采樣周期，通過信號波形的調(diào)制得到所期望的 PWM 波形。 某一對二極管導(dǎo)通時，輸出電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的 一個，該線電壓既向電容供電，也向負(fù)載供電。當(dāng)沒有二極管導(dǎo)通時，由電容向負(fù)載放電，電容兩端電壓按指數(shù)規(guī)律下降。如圖 54 所示 。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 32 圖 54 濾波電容 由于整流部分保持不變，三相交流電相互作用，產(chǎn)生的線電壓越為 380V, 如圖所示，而且響應(yīng)迅速，給定輸入電路為 50Hz，濾波電容約在半個周期內(nèi)就趨于穩(wěn)定。如圖 55 所示 。 0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 1 0 00100200300400500600 圖 55 整流電路輸出電壓 變頻調(diào)速的仿真結(jié)果分析 改變 調(diào)制 波的頻率，依次設(shè)定為 F=20Hz,15Hz， 10Hz， 5Hz 時 調(diào)制 波輸入正弦信號的周期發(fā)生改變，周期逐漸增大。如圖 56(a)(b)(c)(d)所示 。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 33 0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 1 . 51 0 . 500 . 511 . 5 (a)20Hz 時三相 調(diào)制 波波形 0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 1 . 51 0 . 500 . 511 . 5 (b)15Hz 時三相 調(diào)制 波波形 0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 1 . 51 0 . 500 . 511 . 5 (c)10Hz 時三相 調(diào)制 波波形 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 34 0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 1 . 51 0 . 500 . 511 . 5 (d)5Hz 時三相 調(diào)制 波波形 圖 56 各頻率載波圖像 如圖 57 所示，調(diào)制信號不變時，隨著載波輸入頻率逐漸減小，周期增大，占空比逐漸減小。如在波比 N 的公式所示 (51) 式中，是載波信號的頻率，是參考信號的頻率。 N 在理論上是越大采樣越多，越精確。 1011010 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1101 (a)20Hz 時 IGBT 觸發(fā)信號 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 35 1011010 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1101 (b)15Hz 時 IGBT 觸發(fā)信號 1011010 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1101 (c)10Hz 時 IGBT 觸發(fā)信號 1011010 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1101 (d)5Hz 時 IGBT 觸發(fā)信號 圖 57 各頻率下生成的 PWM 波波形 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 36 5 0 00500 5 0 005000 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 5 0 00500 (a)20Hz 時逆變電路輸出電壓波形 5 0 00500 5 0 005000 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 5 0 00500 (b)15Hz 時逆變電路輸出電壓波形 5 0 00500 5 0 005000 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 5 0 00500 (c)10Hz 時逆變電路輸出電壓波形 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 37 5 0 00500 5 0 005000 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 5 0 00500 (d) 5Hz 時逆變電路輸出電壓波形 圖 58 各頻率下逆變后生成電壓波形 隨著輸入頻率逐漸減小，電動機(jī)輸入的線電壓的頻率也隨之減小，周期逐漸增大，但幅值保持不變。 0204060800 0 . 5 1 1 . 5 5 0 00500 (a)20Hz 時電動機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩輸出波形 2 002040600 0 . 5 1 1 . 5 1 0 0 0 5 0 00500 (b)15Hz 時電動機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩輸出波形 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 38 1 00102030400 0 . 5 1 1 . 5 1 0 0 0 5 0 00500 (c)10Hz 時電動機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩輸出波形 5051015200 0 . 5 1 1 . 5 6 0 0 4 0 0 2 0 00200 (d) 5Hz 時電動機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩輸出波形 圖 59 各頻率下電動機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩 1. 隨著輸入頻率的減小，電動機(jī)相電流的頻率也隨著減小，如圖 59，電動機(jī)電流的周期逐漸增大，但幅值改變不大，響應(yīng)時間也越來越短，開始約 秒時，才趨于穩(wěn)定，隨著頻率減小，后來約 秒左 右就趨于穩(wěn)定。 2. 隨著輸入頻率的減小，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之減小，并且與輸入頻率的減小成比例，當(dāng) f=20 時， f=10 時， f=5 時，即實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的目的。由異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式： 可知轉(zhuǎn)速與輸入頻率成正比，即實(shí)際與理論符合，并且速度穩(wěn)定，也證明了變頻調(diào)速的可行性。 3. 轉(zhuǎn)矩越大，功率也就越大，但是同時也更耗電。理論上，電機(jī)就是在一定范圍內(nèi)，能自動調(diào)節(jié)負(fù)載力矩 （ 轉(zhuǎn)矩 ） 轉(zhuǎn)速的關(guān)系。在電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩將隨轉(zhuǎn)速下降而增大，電機(jī)負(fù)載增加，轉(zhuǎn)速必然下降，旋轉(zhuǎn)磁場切割導(dǎo)體的速度增加，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中感應(yīng)較大的電流，增加電磁力對轉(zhuǎn)子的推動作用，使電機(jī)長生較大轉(zhuǎn)矩。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 39 隨著輸入頻率的減小，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩也更快的趨于穩(wěn)定，開始約 秒時，趨于穩(wěn)定，頻率減小后，約 秒時就趨于穩(wěn)定；同時幅值也有所增大，符合理論情況。 本章小結(jié) 本章列舉了變頻器的仿真模型，并觀察不同頻率下的各模塊輸出波形，最后通過仿真輸出波形分析了變頻器的變速原理。 總結(jié) 本論文 在分析通用變頻器原理及應(yīng)用的基礎(chǔ)上 ，完成變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計，所做的具體工作如下： 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 40 1．研究變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并介紹國內(nèi)外的研究動態(tài)及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和控制技術(shù)。 2. 根據(jù)系統(tǒng)的通體設(shè)計要求，在實(shí)現(xiàn)要求功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計了變頻調(diào)速系統(tǒng)的總體方案。 3. 設(shè)計系統(tǒng)