【正文】 交直交變頻調(diào)速的仿真研究 交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)模型的仿真研究在根據(jù)以上對整流電路部分與逆變電路部分及濾波分析的基礎(chǔ)上，在Simulink中使用SimPowerSystems工具箱，在MATLAB/Simulink的環(huán)境下建立交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的整體仿真模型，如圖44所示。如增加諧波源負(fù)荷接入電網(wǎng)的短路容量，抑制諧波的電壓。二、改進(jìn)電力電子裝置，減少諧波的注入，避免諧波的產(chǎn)生。仿真結(jié)果如圖所示：當(dāng)載波頻率時(shí),仿真結(jié)果如下： 圖421 時(shí)輸出線電壓頻譜波形當(dāng)載波頻率時(shí)，仿真結(jié)果如下：圖422時(shí)輸出線電壓頻譜波形當(dāng)載波頻率時(shí)，仿真結(jié)果如下：圖422 時(shí)輸出線電壓頻譜波形當(dāng)載波頻率時(shí)，仿真結(jié)果如下：圖423 時(shí)輸出線電壓頻譜波形當(dāng)載波頻率時(shí)，仿真結(jié)果如下：圖424 時(shí)輸出線電壓頻譜波形由以上的仿真結(jié)果分析得，在調(diào)制比固定不改變下，改變載波頻率，逆變器輸出新電壓和定子電流的諧波畸變數(shù)據(jù)見下表所示： 表44 逆變器輸出線電壓和定子電流仿真分析調(diào)制比載波頻率基波電壓有效值直流電壓值線電壓 定子電流380672%%380672%%380672%%380672%% 380672%%由以上的仿真結(jié)果可以看出：載波頻率選取時(shí)，降低諧波畸變的效果是最明顯的。電壓諧波總畸變率定義為： （420）式中：為n次諧波電壓的有效值；為基波電壓有效值。選擇可變步長（Variablestep）類型算法， 選擇 ode23tb 算法，停止時(shí)間設(shè)置為 ，相對誤差設(shè)置為 1e 3。在電機(jī)模型中設(shè)有測量端，可對電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、定子電流和轉(zhuǎn)子電流等參量進(jìn)行觀測。參數(shù)設(shè)置如下圖所示： (3)從SimPowerSystems/Elements模塊庫中選擇一個(gè)異步電機(jī)，參數(shù)設(shè)置如下：異步電機(jī)模塊的參數(shù)為：，，極對數(shù)。在本設(shè)計(jì)仿真中，僅介紹空間矢量PWM調(diào)制技術(shù)。由于磁鏈的軌跡是靠電壓空間矢量相加得到的，故也稱之為“電壓空間矢量控制”SVPWM技術(shù)實(shí)際就是在一個(gè)設(shè)定的采樣周期內(nèi)，根據(jù)參考電壓矢量所在的區(qū)間位置，選擇與之相鄰的兩個(gè)基本電壓空間矢量以及零電壓矢量來合成參考電壓空間矢量。圖1 SPWM調(diào)制原理正弦脈寬調(diào)制的特點(diǎn)是脈寬調(diào)制是以逆變器的功率器件的快速而有規(guī)律的開關(guān)，形成一系列有規(guī)則的矩形方波，以和期望的控制電壓等效。其工作原理（以單相為例）：以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波（Carrier wave），并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波（Modulation wave），當(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí)，由它們的交點(diǎn)確定逆變器開關(guān)器件的通斷時(shí)刻，從而獲得在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。在正半周期內(nèi)通過產(chǎn)生兩個(gè)負(fù)電壓輸出，的幅值將減小；隨著負(fù)電壓寬度的增加，基波電壓將隨之減小，在負(fù)半周期內(nèi)同樣適用。利用三角波電壓與參考電壓（一般為正弦波）相比較，以確定各分段矩形脈沖的寬度。對相電壓（階梯波） （42）式中，為自然數(shù)。 表42負(fù)載為Y接時(shí)各種工作狀態(tài)下的相電壓相電壓狀態(tài)1狀態(tài)2狀態(tài)3狀態(tài)4狀態(tài)5狀態(tài)6負(fù)載線電壓可按下式求得： 將上述各狀態(tài)下對應(yīng)的相電壓、線電壓畫出，即可得到導(dǎo)電型的三相電壓型逆變器的輸出電壓波形，如圖24所示。導(dǎo)通規(guī)律如表所示。導(dǎo)電型的工作特點(diǎn)，即每只功率開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間皆為，當(dāng)按的順序?qū)〞r(shí)，每個(gè)工作狀態(tài)下都有三只功率開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，其中每個(gè)橋臂上都有一只功率開關(guān)導(dǎo)通，形成三相負(fù)載同時(shí)導(dǎo)通。每只功率開關(guān)反并聯(lián)一只續(xù)流二極管，為負(fù)載的滯后電流提供反饋到電源的通路。這使逆變器的交流輸出電壓被鉗位為矩波形，與負(fù)載性質(zhì)無關(guān)。 直流測的電流與負(fù)載的關(guān)系負(fù)載電阻分別取100Ω、10Ω、1Ω，進(jìn)行仿真，觀察負(fù)載電阻對直流測電流的影響，仿真結(jié)果見圖46所示：a）R=100Ω時(shí)仿真圖b）R=10Ω時(shí)仿真圖圖46 直流側(cè)與負(fù)載電阻R關(guān)系仿真圖，越小，則負(fù)載越大。搭建仿真模型見圖44：圖44三相橋式不可控整流電路仿真模型模型搭建所取的模塊名稱及提取路徑，具體見表表41:表41 仿真電路模塊的名稱及提取路徑模塊名提取路徑三個(gè)交流電壓源SimPowerSystems/Elements通用橋式電路模塊SimPowerSystems/Power Electriics電壓表/電流表模塊/平均值模塊SimPowerSystems/MeasurementsRLC模塊支路SimPowerSystems/Electrical Sources示波器ScopeSimulink/Sinks完成模型搭建后，打開仿真/參數(shù)窗口，打開菜單，SimlationConfiguration ParametersSolver,選擇 ode23tb 算法，將相對誤差設(shè)置為，停止時(shí)間設(shè)置為 ， 單擊工具欄中的“開始”按鈕開始仿真。根據(jù)三相橋式不可控整流電路的原理圖和實(shí)驗(yàn)過程中要求觀測的波形， 在模型窗口中引入模塊并設(shè)置參數(shù)如下：）1 從SimPowerSystems/Electrical Sources 模塊庫中選取三個(gè)交流電壓源模塊到模型搭建窗口中。Simulink 是一個(gè)結(jié)合了框圖界面和交互仿真能力的仿真工具， 擁有豐富的模塊庫，特別是 版本以后的版本里， Simulink 的模塊庫中又增加了一個(gè)電力系統(tǒng)模塊Power System Blockset，此模塊功能強(qiáng)大，可用于電機(jī)系統(tǒng)、 電力傳動(dòng)、 電力電子系統(tǒng)等領(lǐng)域的仿真與分析。 整流器的研究與分析根據(jù)以上情況分析，當(dāng)在考慮電路中存在的交流側(cè)電感以及為抑制沖擊電流而串聯(lián)的電感時(shí)，電路的工作情況將發(fā)生變化。4）橋式整流電路電容量的確定電容濾波的計(jì)算比較麻煩，因?yàn)闆Q定輸出電壓的因素較多。隨著負(fù)載的加重，輸出電壓的平均值減小，至進(jìn)入連續(xù)情況后，輸出電壓波形的平均值為。因此可以說，在輕載時(shí)直流側(cè)獲得的充電電流是斷續(xù)的，重載時(shí)是連續(xù)的，分界點(diǎn)就是。由“電壓下降速度相等”的原則，我們可以確定臨界的條件。而當(dāng)在沒有二極管導(dǎo)通的時(shí)候，將由電容向負(fù)載放電，電容電壓將按指數(shù)的規(guī)律下降。鑒于以上情況，變頻器的諧波問題應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視。截面積小，意味著有更大的電阻，也就意味著會產(chǎn)生更大的熱量。（7）諧波對采用電纜輸電系統(tǒng)的影響對于采用電纜的輸電系統(tǒng)，除了引起附加損耗外，當(dāng)諧波電流流過電纜時(shí)，還會導(dǎo)致電纜過熱從而加速電纜絕緣的老化，縮短電纜的使用壽命。像變壓器在合閘時(shí)出現(xiàn)的涌流的諧波分量，由于其幅值比較大、諧波含量也比較高，則會很容易引起繼電保護(hù)的誤動(dòng)作。另外，諧波源會在一些諧波頻率上吸收有功功率，但也會在另一些頻率上向外發(fā)送有功功率；吸收的諧波有功功率往往對產(chǎn)生諧波裝置的本身也是無益的，發(fā)出的諧波有功功率也會給接在電網(wǎng)上的其他用電設(shè)備帶來危害，并會增加其功率損耗。這種諧振會使諧波電流放大幾倍甚至數(shù)十倍，對電容器設(shè)備都是一個(gè)很大的威脅，往往會燒毀電容器設(shè)備。我們需要在負(fù)載處裝有并聯(lián)電容器以補(bǔ)償負(fù)載的無功功率，提高負(fù)載的功率因數(shù)?？梢哉f，變頻器諧波對容量相對較大的電力系統(tǒng)影響不很明顯，但對容量小的電力系統(tǒng)，變頻器諧波產(chǎn)生的干擾就不可忽視，它對公用電網(wǎng)是一種污染。 輸出諧波對系統(tǒng)的影響 由前面圖21知，變頻調(diào)速系統(tǒng)中的變頻器的整流部分通常是選擇三相六脈沖的橋式整流電路。然后，對交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本特性進(jìn)行研究，并與其他的調(diào)速方法進(jìn)行比較，說明交直交變頻調(diào)速的優(yōu)越性，確定它的基本參數(shù)。對交直交變頻器的基本原理和基本組成部分進(jìn)行研究。1. 交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)仿真研究 變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與諧波對系統(tǒng)的影響 系統(tǒng)研究的設(shè)計(jì)方案本課題設(shè)計(jì)的是交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究，由電機(jī)轉(zhuǎn)速和電源頻率的線性關(guān)系，通過自己搭建的一個(gè)交直交變頻調(diào)速的方案來研究交直交變頻調(diào)速的基本原理、工作特性和各部分的基本作用以及變頻調(diào)速系統(tǒng)輸出端產(chǎn)生的諧波對交流調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行的影響。如：包裝機(jī)傳送系統(tǒng)，根據(jù)不同品種的產(chǎn)品，需要改變系統(tǒng)傳送速度，使用變頻調(diào)速可使調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制準(zhǔn)確，并易于實(shí)現(xiàn)程序控制。采用變頻調(diào)速，一般主要基于下面幾個(gè)因素的考慮： 交直交變頻調(diào)速的應(yīng)用由于交流變頻調(diào)速技術(shù)具有很大的優(yōu)越性，使得它在發(fā)達(dá)的工業(yè)國家得到了廣泛的應(yīng)用。一方面，交流變頻器的拖動(dòng)負(fù)荷在總用電量中占的比重有一半或一半以上，這些負(fù)荷若能實(shí)現(xiàn)節(jié)能，則可以獲得十分可觀的節(jié)能效益；另一方面，交流變頻器拖動(dòng)本身就存在可以挖掘的節(jié)電潛能。第一，由于直流電機(jī)是以電刷為機(jī)械換向的，因而它的換向受到了限制，它的電樞電壓做的不是很高，一般最高的只能做到一千多伏，但是交流電機(jī)的電樞電壓可做到610kV。與直流調(diào)速系統(tǒng)相比，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。其中，變頻調(diào)速最具優(yōu)勢。雖然變頻調(diào)速有諸多優(yōu)點(diǎn)，但也有其不利因素，主要問題是電流中含高次諧波較多，除對電網(wǎng)有污染外，也使電機(jī)自身增加損耗，引起電機(jī)發(fā)熱。從計(jì)算功率的角度 對于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的變頻器必須同時(shí)滿足以下3個(gè)計(jì)算公式： 滿足負(fù)載輸出： 滿足電動(dòng)機(jī)容量： 滿足電動(dòng)機(jī)電流： 式中為變頻器容量（單位kW），為負(fù)載要求的電動(dòng)機(jī)輸出功率（單位kW），為電動(dòng)機(jī)額定電壓（單位V）， （2）在變頻器的功率分級與電動(dòng)機(jī)功率分級不相同時(shí)，則變頻器的功率要盡可能接近電動(dòng)機(jī)的功率，但應(yīng)略大于電動(dòng)機(jī)的功率。需要著重指出的是，確定變頻器容量前應(yīng)仔細(xì)了解設(shè)備的工藝情況及電動(dòng)機(jī)參數(shù)，例如潛水電泵、繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的額定電流要大于普通籠形異步電動(dòng)機(jī)額定電流，冶金工業(yè)常用的輥道用電動(dòng)機(jī)不僅額定電流大很多，同時(shí)它允許短時(shí)處于堵轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，且輥道傳動(dòng)大多是多電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)。從電流的角度大多數(shù)變頻器容量可從三個(gè)角度表述：額定電流、可用電動(dòng)機(jī)功率和額定容量。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。此外，逆變器的回路產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓發(fā)生波動(dòng)。它有兩個(gè)主要功能：第一，將交流電變成直流電，經(jīng)濾波后供給負(fù)載，或者供給逆變器；第二，給蓄電池提供充電電壓。變頻器是交直交變頻調(diào)速的主要部分，其基本構(gòu)成如圖31所示，它由整流、濾波、逆變等部分組成。電壓型變頻器是將電壓源的直流變換為交流，其直流回路濾波的是電容。交直交變頻器的優(yōu)劣決定了交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)控制效果的優(yōu)劣。保持=常數(shù),升高頻率時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為 （24） 上式求，得最大轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率為 （25）由于較高，、和比大的多，則上式變?yōu)? （26）因此，頻率越高時(shí)，越小，也越小。這相當(dāng)于他勵(lì)直流電機(jī)的降壓調(diào)速。（一）基頻以下變頻調(diào)速為了防止磁路的飽和，當(dāng)降低定子電源頻率時(shí)，保持為常數(shù)，使氣每極磁通為常數(shù)，應(yīng)使電壓和頻率按比例的配合調(diào)節(jié)。像三相異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，忽略定子阻抗壓降時(shí)，定子每相電壓為: （21）式中為氣隙磁通在定子每相中的感應(yīng)電動(dòng)勢；為定子電源頻率；為定子每相繞組匝數(shù)；為基波繞組系數(shù)，為每極氣隙磁通量。矢量控制能夠?qū)D(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，獲得和直流電機(jī)一樣的優(yōu)良性能，它適用于要求快速響應(yīng)或?qū)ζ饎?dòng)、制動(dòng)有嚴(yán)格要求的場合。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與定子電源頻率、極對數(shù)有關(guān), 改變頻率就可平滑地調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速. 但頻率上升或下降可能會引起磁路飽和轉(zhuǎn)矩不足現(xiàn)象，所以在改變頻率的同時(shí)， 需調(diào)節(jié)定子電壓，使氣隙磁通維持不變、電機(jī)效率不下降, 這就是V/F控制. V/F控制簡單, 通用性優(yōu)良, 但因是開環(huán)控制, 調(diào)速精度低、范圍小，只能用在調(diào)速精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求不高的場合。進(jìn)一步，可以改變其中的參數(shù)同時(shí)可以立即看到結(jié)果的改變，仿真結(jié)果可以放到MATLAB工作空間來做后處理和可視化。這種途徑可以深入了解模型的組織和模塊之間的相互作用。Simulink擁有全面的庫，如接收器，信號源，線形及非線形組塊和連接器。系統(tǒng)也能采用復(fù)合速率，也就是不同的部分用不同的速率來采樣和更新。上述五個(gè)步驟之間是有連帶關(guān)系的，不可能將它們完全分離開。在電子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立起來后，必須利用一種或幾種合適的仿真算法編制仿真程序，進(jìn)而進(jìn)行電子系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)。數(shù)學(xué)模型的建立是進(jìn)行系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)，也是進(jìn)行系統(tǒng)仿真必須首先解決的問題。近年來多個(gè)著名的仿真軟件已成功的應(yīng)用于電力電子仿真，如 MATLAB、Pspice、Saber、IsPspice、dSPACE等。此方程可以以定子作為參考系統(tǒng)，或者采用同步旋轉(zhuǎn)參考系統(tǒng)。電氣傳動(dòng)系統(tǒng)覆蓋著納秒級的電子器件暫態(tài)過程、毫秒級的控制其調(diào)節(jié)過程和秒級的機(jī)電過渡過程。計(jì)算機(jī)仿真的基本內(nèi)容包括了系統(tǒng)、算法、模型、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果顯示、分析與驗(yàn)證等環(huán)節(jié)。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式，用來表示系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程中的各個(gè)量的關(guān)系，是分析與設(shè)計(jì)系統(tǒng)的依據(jù)。例如電機(jī)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)是由執(zhí)行部件、功率轉(zhuǎn)換部件以及檢測部件所組成，用它來完成電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置和其他參數(shù)控制的某個(gè)特定目標(biāo)。第五章 結(jié)論與展望。第一章 緒論：主要介紹交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況、研究變頻調(diào)速的目的與意義、交流調(diào)速的研究分析及介紹論文章節(jié)內(nèi)容的安排。由于變頻器供電側(cè)電流中會含有諧波，這些諧波電流注入電網(wǎng)后將對電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，而其