MATLAB仿真在变频器课程教学中的应用获奖科研报告

MATLAB仿真在变频器课程教学中的应用获奖科研报告

摘

要：随着工业自动化的发展，变频器的应用越来越广泛。由于学校设备资源有限，达不到教学多样性、实用性要求，而通过MATLAB软件中的SIMULINK工具，可以仿真不同的应用情况，使学生能够更好的掌握变频器知识及应用。

关键词：变频器;MATLAB;SIMULINK

变频器是一种应用变频技术和微电子技术，通过改变交流电机工作电源频率来进行控制电机运行的电力控制设备。变频器能够有效提高电力和能源行业电机设备的效率，调节功率因数，起到节能作用;也能够通过提高控制精度，在加工制造行业中提高生产工艺水平。自20世纪90年代起，变频器大量进入中国市场应用，到2015年5月19日国务院正式印发《中国制造2025》，推动工业化和现代化进展，在工业自动化中变频器的应用广泛，尤其在冶金、机械加工、风机、水泵、电梯、造纸印刷、家电等行业，同时也涌现出很多中国自主品牌变频器，用来替代进口。在此背景下，越来越多的职业技术学校，开设变频器相关课程，以更好的为社会培养职业人才。

通常，在职业技术学校变频器课程教学中，教师先介绍实验用到变频器的品牌、型号和功能，比如变频器的输入电源电压、功率、控制方式等，然后给定调试步骤和参数，学生按照步骤，进行交流电机正反转、点动、面板控制和端子输入控制等调试，负载情况往往是空载。这样的教学方式只能让学生了解变频器这种电力控制设备，但不能培养学生对变频器的兴趣和提高解决实际问题的能力。实际情况下，变频器是在具体工作制和负载特性下运行的，偶尔还有可能超出额定工作条件，需要评估是否能够运行。比如变频器的输入电压，由于全球电网系统不统一，美国使用三相220V/单相120V电网电压，而我们中国使用的是三相380V/单相220V电网电压，如表1所示，世界主要地区常用电网情况，因此使用中会遇到需要把三相220V/200V变频器，用在单相220V输入的情况。在这种情况下，就需要知道在单相220V输入情况下，变频器还能够输出多大电流和功率，还会有其他什么影响？如果用实际变频器和电机去模拟，费时费力，而且存在一定的安全风险和损坏风险，使用MATLAB软件进行仿真，能够在较短时间内模拟出结果，以模拟结果为依据，再用实际变频器和电机搭实验台进行确认，能够提高效率和降低风险。

一、搭建MATLAB仿真模型

变频器主要由整流单元、电容滤波单元、逆变制动單元、检测单元以及控制单元组成，如图1变频器拓扑示意图所示，通过半导体电力电子功率器件和微电子处理芯片，实现交流（电网频率）-直流-交流（控制频率）的转换。

首先我们要用MATLAB中的SIMULINK工具，搭建变频器系统模型，如图2所示，使用三相可编程电源系统，其中一相不连接来模拟单相输入情况;使用PWM控制模块模拟控制单元，给逆变单元控制信号;使用三相RLC串联负载来模拟电机，同时添加电流检测单元、电压检测单元，示波器来察看波形结果。

二、仿真参数设置

需要按照变频器和电机配置，来设置仿真中各模块的参数。仿真过程中主要需要设置的是电容容量、PWM调制参数和电机负载。假设选用三相200V级7.5KW变频器，使用了6个1200uF电容，考虑到常规电容容量在标称值的90%左右，因此设置电容C容量为6480uF;设置PWM控制模块的调制比M=0.9;按照电机参数表，如表2所示，计算负载参数：

设置负载参数如图3所示：

三、仿真结果

用SIMULINK中的示波器，监测输出电流波形和电容C两端电压波形。可以看到电容C两端电压波动范围是274V～311V，波形频率为100KHz;对应的电流输出频率为40Hz，在电容C两端电压较低时，变频器输出电流有轻微的畸变，但是总体电流波形呈正弦波形式，曲线光滑，电机能够正常运行。

四、结论

通过MATLAB仿真，可以看到三相200V级7.5KW变频器，在单相输入情况下，能够支持给定电机输出4.5KW功率。使用不同的仿真模型，以及设置不同的仿真参数，我们就可以模拟更多实际应用情况，条件允许时，再在仿真结果的指导下，进行实际变频系统搭建，验证运行情况，能够有效的提高效率、降低