基于Matlab环境下逆变器-交流电动机变频调速系统的建模与仿真(毕业论文).doc

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1、 本科本科毕业设计毕业设计(论论文文) 题题 目：基于目：基于 MatlabMatlab 环境下逆变器环境下逆变器- -交交 流电动机变频调速系统的建模流电动机变频调速系统的建模 与仿真与仿真 学学 院：信息工程学院院：信息工程学院 专专 业：自动化业：自动化 0702 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 二二一一年一一年 四月十二日四月十二日 基于 matlab 环境下逆变器-交流电动机变频调速系统建模与仿真 0 摘要 随着电力电子技术，计算机技术，自动控制技术的迅速发展，交流变频调 速技术得到了迅速发展，其显著的节能效益，宽泛的调速范围，完善的保护功 能，以及易于实

2、现的自动通信功能，得到了广大用户的认可，在运行的安全可 靠，安装使用，维修维护等方面，也给使用者带来了极大的便利。因此，研究 逆变器-交流变频调速系统的基本工作原理和作用特性意义十分重大。 本文研究了逆变器-交流变频调速系统的基本组成部分，主回路主要有三部 分组成：将工频电源变换为滞留电源的“整流器” ；吸收有整流器和逆变器贿赂 产生的电压脉动的“滤波回路” ，也是储能回路；将直流功率变换为交流功率的 “逆变器” 。使用 matlab/simulink 搭建交-直-交变频调速系统的仿真模型，通过 试验对该交-直-交变频调速系统的基本工作原理，工作特性几作用有更深的认 识，也对谐波对于交-直-交

3、变频调速系统的影响有了一定了解。 关键词：逆变器，交-直-交变频，仿真 2011 届毕业设计(论文) 1 The modeling and simulation of inverter frequency speed-sdjusting system based on MATLAB/Simulink Zengqi Abstract With power electronic technology,automatic control technology rapidly. Signifcant energy efficiency and precision and broad scope of

4、speed cpntrol, perfect protection and easy to implement automatic communications, all which have win the many users acceptance.Therefore,studying the AC-DC-AC variablefrequency syserm for the role of the basic working principle and characteristics of great significance. In this paper we studied the

5、basic component of the variable frequency speed regulation system. There are three main components:the “rectifier”which convert the AC power into DC power;the “loop filter” can absorbed the voltage pulse which the rectifier and inverter circuir generated by,it is also energy storage circuit;the “inv

6、erter” converts the DC power into the AC power.Then we used the Matlab/Simulink to build an AC-DC-AC Frequency Control System Simulation Model. Through the tesr of the AC-DC Frequncy control system to pay the basic working principle and working characteristics ,we not only had a deeper understangdin

7、g of the role ,but had a certain degree of understanding about the harmonic AD-DC-DC frequency control system. Key words:AC-DC-DC variable requency systerm, rectifier ,inverter, harmonics, simulation 基于 matlab 环境下逆变器-交流电动机变频调速系统建模与仿真 2 目录目录 第第 1 1 章章 绪论绪论1 1 1.1 交流调速技术概论.1 1.2 电力电子技术在交流调速中的作用.1 1.2.

8、1 电力电子器件介绍.1 1.2.2 交流技术与控制技术.1 1.2.3 微机控制技术对交流调速系统的推进.2 1.3 系统仿真介绍.2 第第 2 2 章章 电力电子器件的模型仿真电力电子器件的模型仿真3 3 2.1 二极管仿真介绍.3 2.1.1 元件符号、图标、仿真模型3 3 2.1.2 输入输出介绍3 2.1.2 参数设置4 2.2 绝缘栅双极型晶体管仿真介绍.5 2.2.1 元件符号、图标、仿真模型7 2.2.2 输入输出介绍7 2.2.2 参数设置7 第第 3 3 章章 几种逆变电路的仿真设计几种逆变电路的仿真设计8 8 3.1 三相桥式逆变电路的设计与仿真.8 3.1.1 三相桥式

9、逆变电路原理.8 2011 届毕业设计(论文) 3 3.1.2 电阻性负载三相桥式逆变电路的设计.9 3.1.3 阻感性负载三相桥式逆变电路的设计10 .10 3.2 三相 SPWM 逆变电路的设计与仿真.12 3.2.1 三相 SPWM 逆变电路的基本原理.12 3.2.2 双极性单相 SPWM 逆变电路的设计与仿真.13 第第 4 4 章章 基于基于 MATLABMATLAB 的变频调速系统的仿真设计的变频调速系统的仿真设计1414 4.1 变频调速系统的电路组成14 4.2 变频调速系统原理15 4.3 变频调速系统的仿真设计15 结论结论1818 致谢致谢1919 参考文献参考文献19

10、19 基于 matlab 环境下逆变器-交流电动机变频调速系统建模与仿真 0 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.1 交流调速技术概论 随着电机制造技术的不断进步，电动机作为风机，水泵，压缩机，机床等 各种设备的动力，已广泛应用于工业，商业，公用设施和家用电器等各个领域。 从全球范围看，电动机的用电量平均占世界各国社会总用电量的一半以上，占 工业用电量的 70%左右。因此，提高电机系统的效率，对节约电能意义十分重 大。 相对与传统的直流调速等而言的的现代交流调速系统，近三十余年来，世 界各国都在致力于交流电动机调速系统的研究，并不断取得突破。到现在为止， 高性能的交流拖动系统正逐步取代直流拖动系

11、统，交流伺服系统也正占据越来 越大的市场份额。交流调速的发展可具体归纳为三个方面：首先，转差频率控 制、矢量变换控制和直接转矩控制等新的交流调速理论的诞生，使交流调速有 了新的理论基础；其次，GTR、 MOSFET 、IGBT 等为代表的新一代大功率电力 电子器件的出现，其开关频率、功率容量都有很大的提高，为交流调速装置奠 定了物质基础；再者，微处理器的飞速发展，使交流调速系统许多复杂的控制 算法和控制方式能得以实现。 其代表就是变频调速。 1.2 电力电子技术在交流调速中的作用 随着电力电子技术，计算机技术，自动控制技术的是、迅速发展，交流调 速技术得到了迅速发展，而交流变频调速技术和性能胜

12、过其他任何一种调速方 式(如：降压调速，变极调速，滑差调速，内反馈串级调速和液力耦合调速) 1.2.1 电力电子器件介绍电力电子器件介绍 可以分为半控型器件、全控型器件和不可控型器件，其中晶闸管为半控型 器件，承受电压和电流容量在所有器件中最高；电力二极管为不可控器件，结 构和原理简单，工作可靠；还可以分为电压驱动型器件和电流驱动型器件，其 中 GTO、GTR 为电流驱动型器件，IGBT、电力 MOSFET 为电压驱动型器件。 1.2.2 交流技术与控制技术交流技术与控制技术 现在变频调速器基本系用 16 位、32 位单片机或 DSP 为控制核心，从而实 现全数字化控制。 2011 届毕业设计

13、(论文) 1 变频器是输出电压和频率可调的调速装置。提供控制信号的回路称为主控 制电路，控制电路由以下电路构成:频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、 电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”。运算电路的控制信号送至“驱动电路” 以及逆变器和电动机的“保护电路 。变频器采取的控制方式，即速度控制、转 拒控制、PID 或其它方式 1.2.3 微机控制技术对交流调速系统的推进微机控制技术对交流调速系统的推进 数字化使得控制器对信息的处理能力大幅度提高，许多难以实现的复杂控 制，采用微机控制器后便都解决了。高性能的矢量控制系统，如果没有微机的 支持是不可能真正实现的。此外，微机控制技术给交流调速

14、系统增加了多方面 的功能，特别是故障诊断技术得到了完全的实现。微机控制技术及大规模集成 电路的应用提高了交流调速系统的可靠性，操作、设置的多 样性和灵活性，降 低了变频调速装置的成本和体积。以微处理器为核心的数字控制已成为现代交 流调速系统的主要特征之一，用于交流调速系统。 1.3 系统仿真介绍 所谓系统仿真（system simulation），就是根据系统分析的目的，在分析 系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、 且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获 得正确决策所需的各种信息。MATLAB 集中了日常数学处理中的各种功能,包括

15、高效的数值计算、矩阵运算、信号处理和图形生成等功能。SIMULINK 是 MATLAB 提供的一个图形化的建模仿真工具,它支持连续、离散或两者混合的线性和非线 性系统,提供了各种各样的模块,允许用户用框图的形式搭建起任意复杂的系统, 从而对其进行准确的仿真,其建模与一般程序建模相比更为直观,操作也更为简 单，它能够直观、快速地分析系统的动态性能、和稳态性能.并且能够灵活的改 变系统的结构和参数,通过快速、直观的仿真达到系统的优化设计。 基于 matlab 环境下逆变器-交流电动机变频调速系统建模与仿真 2 第第 2 2 章章 电力电子器件的模型仿真电力电子器件的模型仿真 2.1 二极管仿真介绍

16、 2.1.1 元件符号、图标、仿真模型元件符号、图标、仿真模型 图 2-1 2.1.2 输入输出介绍输入输出介绍 功率半导体器件的不断进步，尤其是新型可关断器件，如 BIT（双极型晶 体管），MOSFET（金属氧化硅场效应管），IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的实 用化，使得开关高频话得 PWM 技术成为可能。目前功率半导体器件正向高压， 大功率，高频化，集成化和智能化方向发展。典型的电力电子变频装置有电压 型交-直-交变频器，电流型交-直-交变频器和交-交变频器三种。 2011 届毕业设计(论文) 3 2.1.2 参数设置参数设置 图 2-2 仿真的参数设置 图 2-3 IGBT 的参数设置

17、图 2-4 RLC 模块参数设置 基于 matlab 环境下逆变器-交流电动机变频调速系统建模与仿真 4 2.2 绝缘栅双极型晶体管仿真介绍 绝缘栅双极型晶体管(简称 IGBT)等全控型电力电子器件是电能变换装置的 核心部件。IGBT 是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率 MOSFET 的自 然进化。由于实现一个较高的击穿电压 BVDSS 需要一个源漏通道，而这个通道 却具有很高的电阻率，因而造成功率 MOSFET 具有 RDS(on)数值高的特征，IGBT 消除了现有功率 MOSFET 的这些主要缺点。虽然最新一代功率 MOSFET 器件大幅 度改进了 RDS(on)特性，但是在高电平

18、时，功率导通损耗仍然要比 IGBT 技术高 出很多。它的特点就是把 MOS 栅极控制的优点和双极型晶体管的大电流长处综 合起来了。因此，它是电压控制器件，不需要输入电流，驱动方便；双极型晶 体管工作使得它具有较小的导通电压，损耗低。较低的压降，转换成一个低 VCE(sat)的能力，以及 IGBT 的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电 流密度，并简化 IGBT 驱动器的原理图。 图 2-4 2011 届毕业设计(论文) 5 2.2.1 元件符号、图标、仿真模型元件符号、图标、仿真模型 实现电能变换和控制的电子器件类型，控制器件有哪些：如门极可关断晶 闸管、电力场效应晶闸管、绝缘栅双极型晶

19、体管等等。 仿真主要用到的是 Simulink/simpowerSystems 模块， 如 connectors 导线， electrical sourses 直流交流电源， elements 电阻电感电容元件， machines 各种电机， Measurements 电压电流测量， Power Electronics 各种晶体管（这里用到 IGBT） 2.2.2 输入输出介绍输入输出介绍 2.2.2 参数设置参数设置 三相异步电动机的技术参数：额定功率 1.1 KW， 额定工作频率 50HZ，额 定电压 380V，定子电阻 5.41 欧，定子自感 170.67mh, 转子电阻 1.78 欧，

20、转子 自感 170.67mh,定转子互感 163.73mh,极对数 2，定子绕组为星形接法。 基于 matlab 环境下逆变器-交流电动机变频调速系统建模与仿真 6 第第 3 3 章章 几种逆变电路的仿真设计几种逆变电路的仿真设计 利用晶闸管电路把直流电转变成交流电,这种对应于整流的逆向过程,定义 为逆变。例如:应用晶闸管的电力机车,当下坡时使直流电动机作为发电机制动 运行,机车的位能转变成电能,反送到交流电网中去。又如运转着的直流电动机, 要使它迅速制动,也可让电动机作发电机运行,把电动机的动能转变为电能,反送 到电网中去。 把直流电逆变成交流电的电路称为逆变电路。在特定场合下,同一套晶闸管

21、变流 电路既可作整流,又能作逆变。 变流器工作在逆变状态时,如果把变流器的交流侧接到交流电源上,把直流电逆 变为同频率的交流电反送到电网去,叫有源逆变。如果变流器的交流侧不与电网 联接,而直接接到负载,即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负 载,则叫无源逆变。交流变频调速就是利用这一原理工作的。有源逆变除用于直 流可逆调速系统外,还用于交流饶线转子异步电动机的串级调速和高压直流输电 等方面。 3.1 三相桥式逆变电路的设计与仿真 通过对负载分别为三相电阻性负载，三相阻感性负载逆变电路的设计，灵 活运用 matlab，simulink 的相关知识，掌握三相逆变电路的工作原理以及如何 通

22、过仿真技术实现三相逆变电路，为实现变频调速系统奠定基础。 3.1.1 三相桥式逆变电路原理 图 3-5 逆变电路基本工作原理 2011 届毕业设计(论文) 7 3.1.2 电阻性负载三相桥式逆变电路的设计 1. 电阻性负载三相桥式逆变电路的模型， 图 3-6 电阻性负载三相桥式逆变电路 图 3-7 电阻性脉冲波形图 基于 matlab 环境下逆变器-交流电动机变频调速系统建模与仿真 8 图 3-8 电阻性电压电流波形图 3.1.3 阻感性负载三相桥式逆变电路的设计阻感性负载三相桥式逆变电路的设计 图 3-9 三相阻感式仿真电路图 2011 届毕业设计(论文) 9 图 3-10 电感式脉冲触发波

23、形图 图 3-11 电压电流波形图 基于 matlab 环境下逆变器-交流电动机变频调速系统建模与仿真 10 3.2 三相 SPWM 逆变电路的设计与仿真 3.2.1 三相三相 SPWM 逆变电路的基本原理逆变电路的基本原理 由于期望的逆变器输出是一个正弦电压波形，可以把一个正弦半波分 作 N 等分。然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用个与此面 积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点 重合。这样，由 N 个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形为正弦的半周等 效。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。 这一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出 SPWM 波形。

24、由于各脉冲 的幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供电，也就是说，这种交一 直一交变频器中的整流器采用不可控的二极管整流器就可以了。逆变器输 出脉冲的幅值就是整流器的输出电压。当逆变器各开关器件都是在理想状 态下工作时，驱动相应开关器件的信号也应为与形状相似的一系列脉冲波 形，这是很容易推断出来的。 从理论上讲，这一系列脉冲波形的宽度可以严格地用计算方法求得， 作为控制逆变器中各开关器件通断的依据。但较为实用的办法是引用通信 技术中的“调制”这一概念，以所期望的波形(在这里是正弦波)作为调制 波(ModulationWave )，而受它调制的信号称为载波(Carrier Wave )。在 S

25、PWM 中常用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波是上下宽度线性对称变 化的波形，当它与任何一个光滑的曲线相交时，在交点的时刻控制开关器 件的通断，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲， 这正是 SPWM 所需要的结果 图 3-12 三相逆变器主电路 2011 届毕业设计(论文) 11 3.2.2 双极性单相双极性单相 SPWM 逆变电路的设计与仿真逆变电路的设计与仿真 图 3-13 BSPWM 控制的逆变电路 基于 matlab 环境下逆变器-交流电动机变频调速系统建模与仿真 12 第 4 章 基于 Matlab 的变频调速系统的仿真设计 4.1 变频调速系统的电路组成 1.

26、交-直-交变频电路设计 图 4-14 交-直-交电路 图 4-15 整流系统子系统 2011 届毕业设计(论文) 13 4.2 变频调速系统原理 电动机调速的节能效果交流异步电动机的输出转速由下式确定： 式中 n 电动机的输出转速； f 输入的电源频率； s 电动机的转差率； p 电机的极对数。 由公式(1-1)可知，电动机的输出转速输入的电源频率，转差率，电机的极 对数有关，吟哦交流电动机的直接调速方式主要有变极调速（调整 p），转子 串电阻调速或串极调速或反馈电机（调整 s）和变频调速（调整 f）等。 变频器原理是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率 的电能控制装置。交-直

27、-交变频器则是先把交流电经整流器先整流成直流电， 直流中间电路对整流电路的输出进行平滑吕坡，再经过逆变器把这个直流电流 变成频率和电源都可变的交流电。 图 4-16 4.3 变频调速系统的仿真设计 在此次设计中是交直交变频调速系统的仿真研究，主要是通过一个具体的 交直交变频方案来研究交直交变频的基本原理，工作特性，各部分的基本作用 及变频调速系统产生的谐波对负载运行的影响。 基于 matlab 环境下逆变器-交流电动机变频调速系统建模与仿真 14 图 4-17 逆变子系统 图 4-18 电机模块 图 4-19 测量模块 打开仿真/参数窗口，打开菜单，simlationconfiguration

28、 parameters,选择 ode23tb 算法（此系统里面用到了电感，电容等非线性元件。然后我又接 了电压变测量电路的输出电压。这时，系统提示：your model contains nonlinear element,to get a proper simulating performance,you have to use stiff solver.the reconmmended solver is ode23tb or ode15s. 如果没接电压表就没有这种提示），将相对误差设置为 1e-3。，停止时间 设置为 0.1s，单击工具栏中的“开始”按钮开始仿真。仿真结束后双击示 波器

29、模块可观测被测量的波形，改变模块参数可得到随之变化的仿真波形。 2011 届毕业设计(论文) 15 图 4-20 电机转子、定子电流 图 4-21 电机转速波形 基于 matlab 环境下逆变器-交流电动机变频调速系统建模与仿真 16 图 4-22 电机转矩波形 结论结论 本文分析了逆变器-交流变频调速系统的基本原理，工作特性。经分析可知， 一般的交直交变频调速系统主要有两大模块组成：整流模块和逆变模块。通分 析和仿真实验，已经完成了逆变器-交流变频调速系统的仿真，达到了预期效果。 在整个毕业设计过程中，原理的研究和模型的实验与调试最为重要，在逆 变器设计中，采用的是用 igbt 作为开关器件

30、的电压型三相桥式逆变电路。在建 模中其控制方法采用的是跟踪比较法，使实际的输出跟踪指令信号变化。 仿真中注意的问题：有的模块之间是不能直接相连的，比如两个输入，两 个输出连接，需要用一些 connectors 但由于本人是第一次接触数控直流电流源的设计，在设计过程中还存在一 些需要进一步改进和优化的地方，在今后的学习中我将继续这方面的研究，争 取获得更多的收获。 2011 届毕业设计(论文) 17 致谢 本文是在 老师的精心指导下完成的，她使我有了很大的进步。首先我应 当对这位悉心指点我的老师表示感谢。 老师对我的本科设计倾注了大量的心血，使我在获取知识的同时，极大 的提高了我的综合能力，并且

31、在生活和教学实践方面，给了我无微不至的关怀 和细心指导。 同时我还要感谢我的父母，虽然他们不了解我所学习的专业，但是他们一 直对我有着很高的期望，他们的关怀是我前进的动力。 最后我还要感谢我的专业老师们和我班上的同学们，你们伴随着我一起渡 过了人生中最美好的时光，今后也许我们会各奔东西不能时时相见，但我们的 师生情和同学情将地久天长。 由于本人专业知识水平有限，还要请各位老师指点。我会继续努力，朝着 更高的目标前进，并使自己达到一个新的高度。在此由衷的谢谢你们。 参考文献 【1】 电力电子技术王兆安黄俊 西安 机械工业出版社 【2】 电机及拖动基础 顾蝇谷 机械工业出版社 【3】 PWM 变频

32、调速技术 陈因呈 机械工业出版社 【4】 Protel2004神龙工作室 北京人民邮电出版社 【5】 Protel DXP 电路设计制版入门与提高 雪茗斋 电脑教育研究室 人民邮电出版社 【6】 Altium Designer6 电路图设计百例姜艳波 化学工业出版社 【7】 电路设计与制板 Protel DXP 典型实例老虎工作室 倪泽峰 江中 华 人民邮电出版社 基于 matlab 环境下逆变器-交流电动机变频调速系统建模与仿真 18 【8】 电力电子技术手册(精)/国外电气工程名著译丛 机械工业出版社 (2004-01 出版) 【9】 电气传动的脉宽调制控制技术 吴守箴 臧英杰 机械工业出版社 【10】 空间向量脉宽调制原理及实现电气传动赵乃霞 徐展 【11】 最新实用交流调速系统 吴安顺等 机械工业出版社 【12】 变频应用手册 吴志忠 吴家林 机械工业出版社 【13】 电力电子变流技术第三版 黄俊 王兆安 机械工业出版社