交直交变频调速设计及仿真

1、摘 要近些年来，随着现代电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。变频调速技术的迅速发展被越来越多的应用于电机控制领域中，是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，以及广泛的适用范围和调速时因转差功率不变而无附加能量损失等优点而被国内外公认为是最有发展前途的高效调速方式。所以，对交直交变频调速系统的基本工作原理和特性的研究是十分有积

2、极意义的。本文研究了变频调速系统的基本组成部分，主回路主要有三部分组成：将工频电源变换为直流电源的“整流器”；吸收由整流器和逆变器回路产生的电压脉动的“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”。以Matlab/Simulink为仿真工具，搭建交直交变频调速系统的仿真模型，并对仿真结果进行分析研究。通过仿真试验对该交直交变频调速系统的基本工作原理、工作特性及作用有更深的认识，也对谐波对于交直交变频调速系统的影响有了一定的了解。第一章 绪 论1.1 交流调速技术发展概况 在很长的一个历史时期内，直流调速系统以其所具有优良的静、动态性能指标垄断调速传动应用领域。但是随着生产技术

3、的不断发展，直流电机的缺点逐步显示出来，由于机械式换向器的存在使直流电机的维护工作量增加并限制了电机容量、电压、电流和转速的上限值，加之故障率高、效率低、成本高、使用环境受限等缺点，使其在一些大容量的调速领域中无法应用。而异步电动机特别是鼠笼异步电动机，容量、电压、电流和转速的上限，不像直流电动机那样受限制。而且异步电动机的转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统。与其它电机相比，异步电动机的结构简单，制造、使用、维护方便，坚固耐用，运行可靠，重量轻，故障率低，成本低。以三相异步电动机为例，与同功率、同转速的直流电动机相比，前者重量只及后者的二分之一，成本仅为三分之一。异步电

4、动机还容易按不同环境条件的要求，派生出各种系列产品。它还具有接近恒速的负载特性，能满足大多数工农业生产机械拖动的要求。但是在过去很长的时间里由于交流电动机调速困难的致命缺点，简单调速方案不能得到很好的性能指标。20世纪70年代之后，随着交流电动机调速的理论问题的突破和调速装置（主要是变频器）性能的完善，交流电动机调速性能的缺点得到了克服，使得交流调速系统得到了迅速的发展，其技术和性能胜过其它任何一种调速方式 (如:降压调速、变极调速、滑差调速、内反馈串级调速和液力偶合调速)。目前，交流调速系统的性能已经可以和直流调速系统相匹敌，甚至可以超过并逐步取代直流调速系统。目前，从数百瓦级的家用电器到数

5、千千瓦级乃至数万千瓦级的调速传动装置，可以说无所不包的都可用交流调速传动方式来实现。交流调速传动已经从最初的只用于风机、泵类的调速过渡到针对各类高精度、快响应的高性能指标的调速控制。与直流调速系统相比，交流调速系统具有以下特点：（1） 容量大；（2） 转速高且耐高压；（3） 交流电动机的体积、重量、价格比同等容量的直流电动机小，且结构简单、经济可靠、惯性小；（4） 交流电动机环境使用性强，坚固耐用，可以在十分恶劣的环境下使用；（5） 高性能、高精度的新型交流拖动系统已达同直流拖动系统一样的性能指标；（6） 交流调速系统能显著的节能。从性能价格比的角度看，交流调速装置已经优于直流调速装置。交流调

6、速系统最终将取代直流调速系统。 而交流调速传动控制技术之所发展得如此迅速，与一些关键性技术的突破性进展有关，这些技术包括电力电子器件（包括半控型和全控型器件）的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电动机的矢量变换控制技术、直接转矩控制技术、PWM（Pulse Width Modulation）技术以及微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等。控制相比，加、减速更为平滑，且容易使系统稳定。但是转差频率控制并未能实施对电机瞬时转矩的闭环控制，而且动态电流相位的延时会影响系统的实际动态响应。目前，交流调速系统的主要应用方向可分为如下三大类。（1） 以节能目的的改恒速为可调速。在

7、原来大量的交流不调速领域（如风机、水泵、压缩机等）中，改直流启动为软启动；改恒速为可调速；在调速性能要求不高的场合，为降低成本采用开环调速。仅以泵的控制改造为例，节电高达20%以上。（2） 以少维护省力为目的的取代直流调速系统。在直接关系到生产和人身安全的重要场合，为减少直流电机的故障和节省维护时间，改用交流调速系统。如直流电梯改为交流电梯，有利于保证人身安全，增加正常运转运营时间；直流轧机改为交流轧机，可以大大节省检修时间，提高生产效率；电动汽车中采用交流驱动，可以减小体积和重量，提高可靠性。（3） 直流调速难以实现的领域在直流电机很难实现的大容量高速领域，交流调速系统可以大显身手。如电动机

8、车、厚板轧机、高速电钻等。从多方面来看，交流调速系统完全可以取代直流调速系统，并将为工业生产以及节电节能等方面带来巨大的经济效益和社会效益【0】。1.2 研究变频调速的目的与意义异步电动机比直流电机结构简单、成本低、工作可靠、维护方便、效率高。因此，研究异步电动机的调速系统，对于提高经济效益具有十分重要的现实意义。由电机学可知，异步电动机的转速表达式为: (1-1)式中 电动机的输出转速; 为电机的定子供电频率； 电动机的转差率: 电机的极对数。由公式(1-1)可知，实现异步电动机输出速度的改变，主要通过3类方式来实现，即改变电机的极对数、变化转差率以及改变供电频率。目前常见到的具体实现调速方

9、案有：变极调速、调压调速、串级调速以及变频调速等。其中变极调速方式属于有级调速，调速范围窄，应用场合有限；调压调速方式是以消耗转差功率为代价，不利于节能，一般应在中小型风机、泵类等功率调速系统中；串级调速是以消耗部分转差功率为代价较前者在节能方面略胜一筹，是一种结构简单，实现方便，较为经济方式，多用在绕线式异步电动机技术改造中；变频调速是最为理想的异步电动机调速方式，以其高效率和高性能等优势，目前应用最为广泛。通过流体力学的基本定律可知:风机 (或水泵)类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q、压力(扬程)H以及轴功率P具有如下关系 （1-2） （1-3） （1-4）由公式(1-4)可知，在其

10、它运行条件不变的情况下，通过下调电机的运行速度，其节电效果是与转速降落成立方的关系，因此，节电效果非常明显。例如在工况只需要50%的风量或水量时，则可以将电机的转速调节为额定的一半，而此时电机消耗的功率仅为额定的2.5%，即理论上节能可达87.5%.目前交流传动己经上升为电气调速传动的主流，直流传动系统占统治地位的局面已经受到强烈的冲击。推广使用可调速电动机及其控制系统的节能具有广阔的前景，在不久的将来，交流电气传动将会完全取代直流电气传动。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，其中异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大

11、的一种。使之成为国内外企业采用电机节能方式的首选。因此，提高电机系统的效率，对节约电能意义十分重大。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，高精确的调速精度，宽泛的调速范围，完善的保护功能，以及易于实现的自动通信功能，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，研究交直交变频调速系统将有利于提高系统的可靠性和工作效率。为了研究交直交变频调速系统，本论文主要利用Matlab/Simulink仿真工具，搭建交直交变频调速系统的仿真模型，通过对系统各部分参数的设定对该系统进行仿真，

12、根据仿真结果，分析三相异步电动机交流交直交变频调速的工作原理与工作特性及变频器对电机的影响等，实现优化系统设计，这对高性能的变频调速系统具有一定的应用价值和现实意义。1.3 交流调速的研究分析(1) 电力电子器件的使用 现代交流调速技术的快速发展和电力电子技术的发展是分不开的，以电力为对象的电子技术称为电力电子技术。它是一门利用电力电子器件对电能进行转换、传输的学科，是现代电子学的一个重要分支。从20世纪50年代末晶闸管问世以来，经过几十年的发展，电力电子器件得到了迅猛的发展。从只能触发导通而不能控制关断的半控型器件（如Thyristor晶闸管），到可以控制导通和关断的全控型器件（如GTO门极

13、可关断晶闸管、GTR电力晶闸管）；从电流控制到电压（电场）控制（如IGBT绝缘栅双极型晶闸管、MOSFET电力场效应晶闸管），它们的使用使得开关高频化的PWM 技术成为可能。 目前功电力电子器件正向大功率、高频化、集成化、智能化、易触发、低损耗和好保护等方向发展。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。电压型交直交变频器的中间直流环节采用大电容作储能元件，无功功率将由大电容来缓冲，不具有四象运行能力。对于负载电动机而言，电压型变频器相当于一个交流电压源，在不超过容量限度的情况下，可以驱动多台电动机并联运行。电压型PWM 变频器在中小功率电力传动系统中占有

14、主导地位，是目前发展最快，应用最广的变频器。但电压型变频器的缺点在于电动机处于制动(发电)状态时，回馈到直流侧的再生电能难以回馈给交流电网，要实现这部分能量的回馈，网侧不能采用不可控的二极管整流器或一般的可控整流器，必须采用可逆变频器，这种再生能量回馈式高性能变频器具有直流输出电压连续可调，输入电流 (网侧电流)波形基本为正弦波，电压波形为矩形波，功率因数保持为1并且能量可以双向流动的特点。电流型交直交变频器的中间直流环节采用大电感作储能元件，无功功率将由大电感来缓冲，它的一个突出优点是当电动机处于制动 (发电)状态时，只需改变网侧可控整流器的输出电压极性即可使回馈到直流侧的再生电能方便地回馈

15、到交流电网，构成的调速系统具有四象限运行能力，能很好地实现电机的制动功能，可用于频繁加减速等对动态性能有要求的单机应用场合。交-交变频器电路具有效率高，可实现四象限工作，低频输出波形接近正弦波。但它接线复杂，输入电流谐波大，输入功率因数低，受电网频率和变流电路脉波数的限制，所以一般只用于低速（低频）的大容量调速传动中。为此，矩阵式交一交变频器应运而生。矩阵式交一交变频器是近年出现的一种新颖的变频电路，它是直接的变频电路，采用全控型的开关器件，以斩波方式控制，具有功率密度大，没有中间直流环节，输入功率因数为1,输入电流为正弦波，以及具有能量双向流动、四象限运行能力和输出频率不受电网频率的限制的优

16、点。(2) 应用脉宽调制( PWM)技术 电压型PWM变频器是目前最常用的，发展最快的变频器，也是一种很有发展前途的变频调速方法。PWM 技术利用功率半导体器件的高频开通和关断，把直流电压变成按一定的宽度规律变化的电压脉冲序列，以实现变频与变压，并有效地抑制和消除谐波的影响。PWM控制技术一般可分为三大类，即:正弦PWM、优化PWM 及随机PWM。正弦PWM 包括电压、电流和磁通的正弦PWM ，正弦PWM一般随着功率器件开关频率的提高而得到很好的性能。在中小功率交流传动的系统中被广泛的采用。但是对于大容量的电力变换装置来说，太高的开关频率会增加开关的损耗，而且大功率器件的开关频率目前还不能做得

17、很高，在这种情况下，优化PWM 技术正好符合装置的需要。特定谐波消除法 (Selected Harmonic Mi-inationPWM,SHE PWM)、效率最优PWM和转矩脉动最小PWM都属于优化PWM技术的范畴。对于普通的PWM变频器，其输出电流往往含有较大的谐波成分，谐波电流的存在，会使电动机定子产生振动而发出电磁噪声而且还容易引起电动机的机械共振，导致系统的稳定性降低。为了解决以上问题，可以提高功率器件的开关频率，但这会增加开关的损耗；另一种解决方法是随机地改变功率器件的导通位置和开关频率，使变频器输出电压的谐波成分均匀地分布在较宽的频带范围内，从而抑制那些幅值比较大的谐波成分，以达

18、到抑制电磁噪声和机械共振的目的，这就是随机PWM 技术。(3) 应用矢量控制技术、直接转矩控制技术及现代控制理论 交流传动系统中的交流电动机是一个多变量、非线性、强祸合、时变的被控对象，VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)控制是从电动机稳态方程出发研究其控制特性，动态控制效果很不理想。20世纪70年代初提出用矢量变换的方法来研究交流电动机的动态控制过程。它其原理是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相/二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1及Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im

19、1及It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿对直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。但是在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。此外，它必须直接或间接地得到转子磁链在空

20、间上的位置才能实现定子电流解耦控制，这需要在控制系统中配置转子位置或速度传感器，这显然给许多应用场合带来不便。0为了解决系统复杂性和控制精度的问题，又提出了直接转矩控制方法。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。(4) 应用微电子技术随着

21、微电子技术的快速发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到了很大的提高，实现了模拟控制无法实现的复杂控制，这使得全数字化控制系统有望取代模拟控制系统。目前用于交流传动系统的微处理器有单片机、数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP )、专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit, ASIC)等。其中，高性能的计算机结构形式采用超高速缓冲储存器、多总线结构、流水线结构和多处理器结构等。核心控制算法的实时完成、功率器件驱动信号的产生以及系统的监控、保护功能都可以通过微处理器实现，为交流传动系统的控制提供很大的灵活

22、性，且控制器的硬件电路标准化程度高，成本低，使得微处理器组成全数字化控制系统达到了较高的性能价格比。(5) 开发新型电动机和无机械传感器技术交流传动系统的发展对电动机本体也提出了更高的要求。电动机设计和建模有了新的研究内容，如三维涡流场的计算、考虑转子运动及外部变频供电系统方程的联解、电动机阻尼绕组的合理设计及笼条的故障检测等。为了更详细地分析电动机内部过程，如绕组短路或转子断条等问题，多回路理论应运而生。随着永磁材料特别是钦铁硼永磁的发展，永磁同步电动机(Permanent-Magnet Synchronous Motor, PMSM)的研究逐渐热门和深入，由于这类电动机无需励磁电流，运行效

23、率、功率因数和功率密度都很高，因而在交流传动系统中获得了日益广泛的应用。在高性能的交流调速传动系统中，转子速度 (位置)闭环控制往往是必需的。为了实现转速 (位置)反馈控制，须用光电编码器或旋转变压器等与电动机同轴安装的机械速度(位置)传感器来实现转子速度和位置的检测。但机械式的传感器有安装、电缆连接和维护等问题，降低了系统的可靠性。对此，许多学者开展了无速度 (位置)传感器控制技术的研究，即利用检测到的电动机出线端电量 (如电机电压、电流)，估测出转子的速度、位置，还可以观测到电动机内部的磁通、转矩等，进而构成无速度 (位置)传感器高性能交流传动系统。该技术无需在电动机转子和机座上安装机械式

24、的传感器，具有降低成本和维护费用、不受使用环境限制等优点，将成为今后交流电气传动技术发展的必然趋势。(6) 变频调速系统产生的谐波对交流电机负载运行的影响 电机的转速和电源的频率是线性关系，变频器就是利用这一原理将50Hz的工频电通过整流和逆变电路转换为频率可调的交流电源。从结构来看，变频器可分为间接变频和直接变频两大类。间接变频将工频电流通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换成频率和电压可控的交流。直接变频器则将工频交流直接变换成频率和电压可控的交流，没有中间的直流环节。目前变频调速系统应用较多的还是间接变频器，即交直交变频器.由于变频器供电侧电流中会含有谐波，这些谐波电流注入电网后

25、将对电网的电能质量产生不利影响，而其逆变电路输出侧产生的高次谐波也会给电动机带来诸如发热加剧、转矩脉动及噪声等问题，甚至造成电机损坏，另外，谐波还对通信以及电子设备产生严重干扰，影响周围设备的正常运行。因此，研究变频器的谐波特性将有利于提高交流传动系统的可靠性和工作效率。1.4 论文内容安排第一章 绪论：主要介绍交流调速技术的发展概况、研究变频调速的目的与意义、交流调速的研究分析及介绍论文章节内容的安排。第二章 系统仿真技术：比较交流调速系统的各种调速方案，重点分析了交流调压调速系统的原理及机械特性，及对交流调压调速电路以及闭环调压调速系统进行了重点的研究分析。第三章 交流调压调速系统的MAT

26、LAB仿真：运用MATLAB的SIMULINK工具箱分别对异步电动机调压调速系统的主电路与控制电路进行建模和参数设置，最终建立了异步电动机调压调速系统电路的仿真模型，并对其进行了仿真分析和研究，给出仿真结果，通过对仿真结果的分析验证了交流调压电路的工作原理和所建模型的正确性。 第四章 结论：对全文进行总结，指明异步电动机调压调速系统的发展方向。第二章 系统仿真技术2.1 系统仿真技术的概述 系统是由客观世界中实体与实体间的相互作用和相互依赖的关系构成的具有某种特定功能的有机整体。系统的分类方法是有多种多样的，习惯上依照其应用范围可以将系统分为工程系统和非工程系统。工程系统的含义是指由相互关联部

27、件组成的一个整体，以实现特定的目的。例如电机驱动自动控制系统是由执行部件、功率转换部件以及检测部件所组成，用它来完成电机的转速、位置和其他参数控制的某个特定目标。非工程系统的定义范围很广，大至宇宙，小至原子，只要存在着相互关联、相互制约的关系，形成一个整体，实现某种目的的均可以认为是系统。如果想定量地研究系统地行为，可以将其本身的特性及内部的相互关系抽象出来，构造出系统的模型，系统的模型分为物理模型和数学模型。由于计算机技术的快速发展和广泛应用，数学模型的应用越来越普遍。系统的数学模型是描述系统动态特性的数学表达式，用来表示系统运动过程中的各个量的关系，是分析与设计系统的依据。从它所描述的系统

28、的运动性质和数学工具来分，又可以分为连续系统、离散时间系统、离散事件系统及混杂系统等。还可细分为线性、非线性、定常、时变、集中参数、分布参数、确定性、随机等子类。系统仿真是根据被研究的真实系统的数学模型研究系统性能的一门重要的学科，现在尤指是利用计算机去研究数学模型行为的方法。计算机仿真的基本内容包括了系统、算法、模型、计算机程序设计与仿真结果显示、分析与验证等环节。 2.2 仿真软件与仿真步骤2.2.1 仿真软件电力拖动自动控制系统的动态过程是非常复杂的，这是由变流器电机系统的非线性何不连续性引起的。因此，当研究一种控制的方案时，通常的做法是将电气传动系统在计算机上进行仿真。这样在建立线路实

29、验模型之前，即可对性能进行详细的研究。电气传动系统覆盖着纳秒级的电子器件暂态过程、毫秒级的控制其调节过程和秒级的机电过渡过程。因此，对于电力电子系统必须分别研究其变流器部分和系统部分。前者需要采用精确的电力电子器件模型；后者则只需采用理想化的器件模型，包括理想化的交流器和系统的完整传动系统，避免了诸多的假定条件和复杂的数学运算，是系统的设计和研究更加直观、实际。在电力拖动自动控制系统中，直流电动机、异步电动机和同步电动机的电气动态特性可以分别用不同阶数的非线性微分方程表示。此方程可以以定子作为参考系统，或者采用同步旋转参考系统。整流器和逆变器可以准确的用开关电路表示，并忽略其离散时间性质，经过

30、变换与电机模型合并起来。待反馈控制的变流器电机模型可以在计算上进行仿真，对控制参数可以进行细微的调整，得到所需要的性能。另一种研究方法是利用小信号扰动原理，对变流器电机系统进行稳定性分析，一旦得到满意的仿真性能，就可以着手进行模拟线路实验，并与仿真结果进行比较。近年来多个著名的仿真软件已成功的应用于电力电子仿真，如MATLAB、Pspice、Saber、IsPspice、dSPACE等。当前电子技术已经全面进入了数字化时代，为了大幅度提高效率，在研制新型电子系统过程中，往往首先提出一个新的设想；然后对其进行仿真以验证设想的可行性，并预测其性能参数；在达到了预期的效果之后，在进行硬件的实现。这种

31、方法已经逐步成为科研工作的一种主要模式，其中进行系统仿真是其重要的一环。2.2.2 电子系统的仿真步骤 一般来说，一个电子系统可以抽象为由线性器件和非线性器件组成的数学模型，而电子系统仿真就是根据适当的模型对实际的电子系统进行实验研究的过程。数学模型的建立是进行系统仿真的基础，也是进行系统仿真必须首先解决的问题。数学模型的正确与否、与实际电子系统的近似程度都会直接影响仿真的结果。数学模型的建立通常又称为系统建模，它是对电子系统进行仿真的一个重要的环节。在确定了电子系统的数学模型之后，就可以用适当的仿真语言或仿真工具对系统进行仿真。在电子系统的数学模型建立起来后，必须利用一种或几种合适的仿真算法

32、编制仿真程序，进而进行电子系统的仿真实验。仿真算法、仿真语言和仿真程序构成了数学仿真软件。对于电子系统来说，可以采用的仿真语言有很多种，其中MATLAB语言具有非常突出的优点，目前已经成为电子系统的首选的仿真语言，在科研与教学领域内被广泛使用。一般来说，电子系统的仿真可以分为如下五个步骤：1、 根据要分析的电子系统，建立相应的数学模型；2、 找到合适的仿真算法；3、 应用仿真语言编制计算程序；4、 根据初步的仿真结果对该数学模型进行验证；5、 进行系统仿真并认真分析仿真结果。 上述五个步骤之间是有连带关系的，不可能将它们完全分离开。在实际仿真时，往往反复重复前四个步骤，以保证数学模型的正确性和

33、仿真算法的可行性。2.3 MATLAB 概述MATLAB是国际上仿真领域最权威、最实用的计算机工具。它是MathWork公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化数学软件，被誉为“巨人肩上的工具”。MATLAB是一种应用于计算技术的高性能语言。它将计算、可视化和编程结合在一个易于使用的环境中，此而将问题解决方案表示成我们所熟悉的数学符号，其典型的使用包括:.数学计算.运算法则的推导.模型仿真和还原.数据分析，采集及可视化.科技和工程制图.开发软件，包括图形用户界面的建立MATLAB是一个交互式系统，它的基本数据元素是矩阵，且不需要指定大小。通过它可以解决很多技术计算问题，尤其是带有矩阵

34、和矢量公式推导的问题，有时还能写入非交互式语言如C和Fortran等。MATLAB的名字象征着矩阵库。它最初被开发出来是为了方便访问由LINPACK和EISPAK开发的矩阵软件，其代表着艺术级的矩阵计算软件。MATLAB在拥有很多用户的同时经历了许多年的发展时期。在大学环境中，它作为介绍性的教育工具，以及在进阶课程中应用于数学，工程和科学。在工业上它是用于高生产力研究、开发、分析的工具之一。MATLAB的一系列的特殊应用解决方案称为工具箱（toolboxes）。作为用户不可缺少的工具箱，它可以使你学习和使用专门技术。工具箱包含着M-file集，它使MATLAB可延展至解决特殊类的问题。在工具箱

35、的范围内可以解决单个过程、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波、仿真及其他很多问题。经过几十年的完善和扩充，它已发展成线形代数课程的标准工具。在美国，MATLAB是大学生和研究生必修的课程之一。美国许多大学的实验室都安装有MATLAB，供学习和研究之用。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。其包含的SIMULINK是用于在MATLAB下建立系统框图和仿真环境的组件，其包含有大量的模块集，可以很方便的调取各种模块来搭建所构想的试验平台，同时SIMULINK还提供时域和频域分析工具，能够直接绘制系统的Bode图和Nyquist图。MATLAB系统可分

36、为五个部分:1 MATLAB语言： 这是一种高级矩阵语言，其有着控制流程状态，功能，数据结构，输入输出及面向对象编程的特性。它既有“小型编程”的功能，快速建立小型可弃程序，又有“大型编程”的功能，开发一个完整的大型复杂应用程序。MATLAB 语言具有功能强大、界面友好、编程效率高、扩展性强的特点。MATLAB的工作环境：这是一套工具和设备方便用户和编程者使用MATLAB。它包含有在你的工作空间进行管理变量及输入和采集数据的设备。同时也有开发、管理、调试profiling 、 M-files、 MATLABs applications的系列工具。图形操作： 这是MATLAB的图形系统。它包含有系

37、列高级命令，其内容包括二维及三维数据可视化，图形处理，动画制作，表现图形。同时它也提供低级命令便于用户完全定制图形界面并在你的MATLAB软件中建立完整的用户图形界面。MATLAB数据功能库：它拥有庞大的数学运算法则的集合，包含有基本的加，正弦，余弦功能到复杂的求逆矩阵及求矩阵的特征值， Bessel功能和快速傅立叶变换。MATLAB应用程序编程界面： 这是一个允许你在MATLAB界面下编写C和Fortran程序的库。它方便从MATLAB中调用例程(即动态链接)，使MATLAB成为一个计算器，用于读写MAT-files。 Simulink是MATLAB软件的扩展，是用来对动态系统进行建模、仿真

38、和分析的软件包，是面向系统结构的方便的仿真工具。它支持线形和非线性系统，能在连续时间、离散时间或两者的复合情况下建模。系统也能采用复合速率，也就是不同的部分用不同的速率来采样和更新。Simulink提供一个图形化用户界面用于建模，用鼠标拖拉块状图表即可完成建模。在此界面下能像用铅笔在纸上一样画模型。相对于以前的仿真需要用语言和程序来表明不同的方程式而言有了极大的进步。Simulink拥有全面的库，如接收器，信号源，线形及非线形组块和连接器。同时也能自己定义和建立自己的块。模块有等级之分，因此可以由顶层往下的步骤也可以选择从底层往上建模。可以在高层上统观系统，然后双击模块来观看下一层的模型细节。

39、这种途径可以深入了解模型的组织和模块之间的相互作用。在定义了一个模型后，就可以进行仿真了，用综合方法的选择或用Simulink的菜单或MATLAB命令窗口的命令键入。菜单的独特性便于交互式工作，当然命令行对于运行仿真的分支是很有用的。使用scopes或其他显示模块就可在模拟运行时看到模拟结果。进一步，可以改变其中的参数同时可以立即看到结果的改变，仿真结果可以放到MATLAB工作空间来做后处理和可视化。模型分析工具包括线性化工具和微调工具，它们可以从MATLAB命令行直接访问，同时还有很多MATLAB的toolboxes中的工具。因为MATLAB和Simulink是一体的，所以可以仿真、分析，修

40、改模型在两者中的任一环境中进行。2.5变频调速系统2.5.1变频调速的控制方式变频调速的控制方式经历了V/F控制、转差频率控制、矢量控制的发展, 前者属于开环控制, 后两者属于闭环控制, 正在发展的是直接转矩控制.1.V/F控制异步电动机的转速与定子电源频率、极对数有关, 改变频率就可平滑地调节同步转速. 但频率上升或下降可能会引起磁路饱和转矩不足现象，所以在改变频率的同时， 需调节定子电压，使气隙磁通维持不变、电机效率不下降, 这就是V/F控制. V/F控制简单, 通用性优良, 但因是开环控制, 调速精度低、范围小，只能用在调速精度和动态响应要求不高的场合。2.转差频率控制由电机基础知识知,

41、 异步电动机转矩与气隙磁通、转差频率的关系为：只要保持气隙磁通一定，控制转差频率就能控制电机转矩，这就是转差频率控制。转差频率控制利用速度检测器检出电机的转速，然后以电机速度与转差频率的和给定逆变器的输出频率，其控制精度和过电流的抑制等特性较V/ F控制都有所提高，但没有考虑电机电磁惯性的影响，动态转矩仍没得到控制, 动态响应效果仍不理想。3.矢量控制矢量控制是在交流电动机上模拟直流电机控制转矩的规律，将定子电流分解成相应于直流电机的电枢电流的量和励磁电流的量，并分别进行任意控制。矢量控制能够对转矩进行控制，获得和直流电机一样的优良性能，它适用于要求快速响应或对起动、制动有严格要求的场合。4.

42、直接转矩控制直接转矩控制(DTC)的变频调速是目前正在发展的调速方式，它无需像矢量控制那样进行复杂的矢量变换运算，直接由定子空间矢量分析三相电动机的数学模型，并决定其控制量. DTC能够用开环方式对转速和转矩进行控制，简化了控制结构，但不可避免地产生转矩脉动，影响低速性能，调速范围受到限制。2.5.2变频调速原理及其机械特性在各种异步电机调速系统中，效率最高、性能最好的系统是变频调速系统。 从式（11）中可以看出，当异步电动机的磁极对数Pn一定，转差率s定时，改变异步电动机定子绕组供电电源的频率可以达到调速目的，如果频率连续可调，则可平滑地调节异步电动机的转速，即为变频调速原理。像三相异步电动

43、机在运行时，忽略定子阻抗压降时，定子每相电压为式中为气隙磁通在定子每相中的感应电动势；为定子电源频率；为定子每相绕组匝数；为基波绕组系数，为每极气隙磁通量。如果改变频率，且保持定子电源电压不变，则气隙每极磁通将增大，会引起电动机铁芯磁路饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机，这是不允许的。因此，降低电源频率时，必须同时降低电源电压，已达到控制磁通的目的。对此，需要考虑基频（额定频率f=50Hz）以下的调速和基频以上调速两种情况。2.5.3 基频以下变频调速为了防止磁路的饱和，当降低定子电源频率时，保持为常数，使气每极磁通为常数，应使电压和频率按比例的配合调节。这时，电动机的

44、电磁矩为上式对求导，即 ，有最大转矩和临界转差率为由上式可知：当常数时，在较高时，即接近额定频率时，随着的降低，减少的不多；当较低时，较小；相对变大，则随着的降低，就减小了。显然，当降低时，最大转矩不等于常数。保持常数，降低频率调速时的机械特征如图1所示。这相当于他励直流电机的降压调速。图1 变频调速的机械特性（a） 基频以下调速（常数） （b）基频以上调速（=常数）2.5.4 基频以上变频调速在基频以上变频调速时，也按比例身高电源电压时不允许的，只能保持电压为不变，频率越高，磁通越低，是一种降低磁通升速的方法，这相当于它励电动机弱磁调速。保持=常数,升高频率时，电动机的电磁转矩为： 上式求，

45、得最大转矩和临界转差率为：由于较高，、和比大的多，则上式变为因此，频率越高时，越小，也越小。保持 为常数，升高频率调速时的机械特性如图1（b）所示。第三章2 交直交变频调速系统的基本原理及特性研究变频调速系统的结构框图: 图2-1变频器调速系统的原理接线图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滤波，再经过逆变器把这个直流电流变成频率和电压都可变的交流电。  交直交变频器又可以分为电压型和电流型两种，由于控制方法和硬件设计等各种因素，电压型逆变器应用

46、比较广泛。传统的电流型交直交变频器采用自然换流的晶闸管作为功率开关，其直流侧电感比较昂贵，而且应用于双馈调速中，在过同步速时需要换流电路，在低转差频率的条件下性能也比较差，在双馈异步风力发电中应用的不多。采用电压型交直交变频器这种整流变频装置具有结构简单、谐波含量少、定转子功率因数可调等优异特点，可以明显地改善双馈发电机的运行状态和输出电能质量，并且该结构通过直流母线侧电容完全实现了网侧和转子侧的分离。 变频器的整流部分通常采用三相6脉动桥式整流电路，因此，交流供电侧电流中所包含的谐波主要是(k为正整数)次谐波，这些谐波电流注入电网后将对电网的电能质量产生不利影响。在变频器的逆变侧，通过控制装

47、置产生6组脉宽可调的PWM波控制三相的6组功率元件的导通和关断，从而形成电压、频率可调的三相输出电压。2.1 系统的构成交直交变频调速系统的基本构成如原理图2-1所示，它由整流、滤波、逆变等部分组成。交流电源经整流、滤波、逆变后变成直流电源，再通过逆变器的有规则的导通和截止使之输出频率可变的电源。其主回路主要有三部分构成：将工频电源变换为直流电源的“整流器”；吸收由整流器和逆变器回路产生的电压脉动的“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”。(1) 整流器近来大量使用的就是二极管整流器，它把工频电源变换为直流电源，电功率的传送是不可逆的。(2) 滤波回路在整流器整流后的直

48、流电压中，含有六倍电源频率的脉动电压，此外，逆变器回路产生的脉动电流也使直流电压波动。为了抑制这些电压波动，采用直流电抗器和电容器吸收脉动电压（电流）。装置容量较小时，如果电源输出阻抗和整流器容量足够时，可以省去直流电抗器而采用简单的阻容滤波回路。(3) 逆变器 同整流器相反，逆变器的作用是在所确定的时间里有规则地使六个功率开关器件导通、关断，从而将直流功率变换为所需电压和频率的交流输出功率。2.2 交直交变频的基本工作特性Ø 调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。 Ø 调速范围较大，精度高。Ø 起动电流低，对系统及电网无冲击，节

49、电效果明显。 Ø 变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。Ø 易于实现过程自动化。 Ø 必须有专用的变频电源，目前造价较高。 Ø 在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。2.3 交直交变频调速的优越性交流电动机的调速方法有三种：变极调速、改变转差率调速和变频调速。其中，变频调速最具优势。这里仅就交流变频调速系统与直流调速系统做一比较。在直流调速系统中，由于直流电动机具有电刷和整流子，因而必须对其进行检查，电机安装环境受到限制。例如：不能在有易爆气体及尘埃多的场合使用。此外，也限制了电机向高转速、大容量发展。而交流电机

50、就不存在这些问题，主要表现为以下几点： 第一，直流电机的单机容量一般为12 - 14MW，还常制成双电枢形式，而交流电机单机容量却可以数倍于它。第二，直流电机由于受换向限制，其电枢电压最高只能做到一千多伏，而交流电机可做到6 - 10kV。第三，直流电机受换向器部分机械强度的约束，其额定转速随电机额定功率而减小，一般仅为每分钟数百转到一千多转，而交流电机的达到每分钟数千转。第四，直流电机的体积、重量、价格要比同等容量的交流电机大。最后，特别要指出的是交流调速系统在节约能源方面有着很大的优势。一方面，交流拖动的负荷在总用电量中占一半或一半以上的比

51、重，这类负荷实现节能，可以获得十分可观的节电效益。另一方面，交流拖动本身存在可以挖掘的节电潜力。在交流调速系统中，选用电机时往往留有一定余量，电机又不总是在最大负荷情况下运行；如果利用变频调速技术，轻载时，通过对电机转速进行控制，就能达到节电的目的。工业上大量使用风机、水泵、压缩机等，其用电量约占工业用电量的50%；如果采用变频调速技术，既可大大提高其效率，又可减少10%的电能消耗。2.4 交直交变频调速合理应用交流变频调速技术在工业发达国已得到广泛应用。美国有60% - 65%的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了变频调速技术，仅工业传动用电就节约了15% -&

52、#160;20%的电量。 采用变频调速，一是根据要求调速用，二是节能。它主要基于下面几个因素： (1) 变频调速系统自身损耗小，工作效率高。 (2) 电机总是保持在低转差率运行状态，减小转子损耗。 (3) 可实现软启、制动功能，减小启动电流冲击。 在采用变频调速时，需从工艺要求、节约效益、投资回收期等各方面考虑。如果仅从工艺要求、节约效益考虑，下面几种情况选用变频调速较有利： (1) 根据工艺要求，生产线或单台设备需要按程序或按要求调整电机速度的。如：包装机传送系统，根据不同品种的产品，需要改变系统传送速度，使用变频调速可使调速控制系

53、统结构简单，控制准确，并易于实现程序控制。 (2) 用变频调速代替机械变速。如：机床，不仅可以省去复杂的齿轮变速箱，还能提高精度、满足程序控制要求。 (3) 用变频调速代替用闸门或挡板调整流量适于风机、水泵、压缩机等。例如：锅炉上水泵、鼓风机、引风机实行了变频调速控制，不仅省去了伺服放大器、电动操作器、电动执行器和给水阀门（或挡风板），而且使得整个锅炉锅炉控制系统得到了快速的动态响应、高的控制精度和稳定性。 2.5 变频器容量的确定变频调速是通过变频器来实现的，对于变频器的容量确定至关重要。合理的容量选择本身就是一种节能降耗措施。根据现有资料和经验，比较简便的方法

54、有三种： (1)电机实际功率确定发 首先测定电机的实际功率，以此来选用变频器的容量。 (2)公式法 设安全系数取1.05，则变频器的容量为  （2-1）式中，为电机负载；为电机功率。 计算出Pb后，按变频器产品目录可选出具体规格。 为第n台电动机的额定电流，n为电机的台数。在任何情况下，都不能在连续使用时超过额定电流I，当一台变频器用于多台电机时，应满足 电机额定电流法变频器 变频器容量选定过程，实际上是一个变频器与电机的最佳匹配过程，最常见、也较安全的是使变频器的容量大于或等于电机的额定功率，但实际匹配

55、中要考虑电机的实际功率与额定功率相差多少，通常都是设备所选能力偏大，而实际需要的能力小，因此按电机的实际功率选择变频器是合理的，避免选用的变频器过大，使投资增大。 虽然变频调速有诸多优点，但也有其不利因素，主要问题是电流中含高次谐波较多，除对电网有污染外，也使电机自身增加损耗，引起电机发热。再有，变频器价格贵、投资回收器长、技术复杂、尤其在实现闭环自动控制时，还需进行技术处理。 此外，不是任何情况下变频器都节电，如果电机负载变化不大，或深井泵配有水塔，节电、节水效果都不大，就不宜使用变频调速。2.6 熟悉Matlab的原理及应用及Simulink仿真Matlab(Matri

56、x Laboratory的缩写)是Mathworks公司开发的一种集计算、图形可视化和编辑功能于一体的功能强大、操作简便、易于扩充的语言，是目前国际上公认的优秀的数学应用软件之一。 Matlab系统的强大功能是由其核心内容（语言系统、开发环境、图形系统、数学函数库、应用程序接口等）和辅助工具箱（符号计算、图象处理、优化、统计和控制等工具箱）两大部分构成。Simulink是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它可以处理的系统包括：线性、非线性系统；离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散事件系统。在Simulink 提供的图形用户界面GUI上，只要进行鼠标的简单拖拉操作就可构造出复

57、杂的仿真模型。它外表以方块图形式呈现，且采用分层结构。从建模角度讲，这既适于自上而下（Top-down）的设计流程（概念、功能、系统、子系统、直至器件），又适于自下而上（Bottum-up） 逆程设计。从分析研究角度讲，这种Simulink模型不仅能让用户知道具体环节的动态细节，而且能让用户清晰地了解各器件、各子系统、各系统间的信息交换，掌握各部分之间的交互影响。在Simulink环境中，用户将观察到现实世界中摩擦、风阻、齿隙、饱和、死区等非线性因素和各种随机因素对系统行为的影响。在Simulink环境中，用户可以在仿真进程中改变感兴趣的参数，实时地观察系统行为的变化。Simulink环境使用户摆脱了深奥数学推演的压力和烦琐编程的困扰。3工作原理研究及仿真实验3.1 设计方案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或者自己搭建一个交直交变频的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