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摘要 ............................................................................................................................. I ABSTRACT ............................................................................................................... II 绪论 ............................................................................................................................ 1 1交流调速技术发展概况 .......................................................................................... 2
1.1电力电子器件 .............................................................................................. 2 1.2变流技术 ...................................................................................................... 3 1.3变频调速的控制方式 ................................................................................... 3 1.4MATLAB/Simulink仿真介绍 ......................................................................... 4 2逆变电路的建模与仿真 .......................................................................................... 5
2.1绝缘栅双极型晶体管 .................................................................................... 5 2.2逆变电路的设计 ........................................................... 错误！未定义书签。
2.2.1三相桥式逆变电路的基本原理 .......................................................... 6 2.2.2正弦脉冲宽度调制（SPWM）基本原理 ............................................... 6 2.2.3三相SPWM逆变器的建模与仿真 ........................................................ 7
3变频器的设计仿真 ................................................................................................ 10
3.1变频器的基本概念 ..................................................................................... 10 3.2交-直-交变频电路的建模与仿真 ............................................................... 11 4矢量控制调速系统建模与仿真 ............................................................................. 14
4.1 建立异步电机模型 .................................................................................... 14
4.1.1 坐标变换 ......................................................................................... 14 4.1.2 建立dq坐标系下电机模型 ............................................................. 15 4.2 异步电动机按转子磁链定向的矢量控制 .................................................. 17
4.2.1按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系状态方程 .......................... 17 4.2.2 异步电动机模型仿真验证 ............................................................... 19 4.2.3 按转子磁链定向矢量控制的基本思想和特点 ................................ 20 4.3 按转子磁链定向矢量控制的方式 .............................................................. 22
4.3.1 电路闭环控制方式 .......................................................................... 22 4.3.2 转矩控制方式 .................................................................................. 22 4.4 矢量控制调速系统仿真 ............................................................................. 23
4.4.1 仿真调试与参数设定 ...................................................................... 24 4.4.2 仿真结果与分析 .............................................................................. 25
致谢 .......................................................................................................................... 28 参考文献 .................................................................................... 错误！未定义书签。
摘要
异步电动机采用变频调速技术，具有调速范围广，调速时因转差功率不变而无附加能量损失的优点，因此，变频调速是一种性能优良的高效调速方式。
本文以MATLAB为仿真工具，介绍了Simulink中的仿真模块，研究了交流电机变频调速系统，分析了变频器的构成和工作原理，并据此对逆变电路进行了仿真设计。首先对调速系统仿真所需要的各种电力系统模块做了简要的介绍，说明了逆变器的工作原理，在此基础上用MATLAB/Simulink软件分别对各种电路模块进行了仿真设计，进而设计出了实际中广泛应用的交-直-交变频器的仿真模型，实现了对交流电机变频调速系统的仿真研究，在此基础上建立电机模型，进行矢量控制设计，以带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制的方法对异步电动机变频调速系统进行建模和仿真，并对仿真结果进行了分析,由仿真结果可以看出系统转速的动态响应快，稳态跟踪精度高，表明此建模方法是可行和有效的。
关键词：MATLAB/Simulink 变频调速 逆变器 仿真
I
ABSTRACT
With the application of frequency and speed conversion technology to synchronous motor, its speed can be wide-ranged adjusted. When it comes to adjusting speed, because of slip power unchanged, there is no additional energy lost. Thus it makes this technology a high-equality and efficient way to exchange the speed.
This thesis, aiming at MATLAB as simulation tool, introduces Simulink simulation module and the AC motor speed control system as the subject of the research and analyzes the structure of the inverter and how it works. On this basis,a variety of inverter circuit simulation designs are conducted. First of all, this thesis makes a brief introduction about power system module power which needs power electronic simulation, the working principle of the inverter included. Based on the theory above, then MATLAB / Simulink software are used in the simulation designs about different kinds of circuit modules. Moreover the designs of the simulation model of widely-used cross - DC - AC inverter are conducted to achieve the goal of the simulation study of AC motor speed control system, carries the modelling and the simulation on asynchronous motor adjusting-speed system based on vector control with torque inner rim and flux linkage of closed loop，gives out the simulation and makes analyse to it．The simulation result of the model shows the speed of dynamic response and the accuracy of steady-state tracking，also confirmes that the modelling is feasible and effective．
Key words：MATLAB/Simulink Frequency Control Inverter Simulation
II
绪论
随着社会的发展，能源需求快速增长，如何有效地节能也成为了一个亟待解决的问题。变频调速技术除了可以改善生产工艺等优越性外，其最大的特点就是节能。近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，各种大功率半导体器件的相继出现，促使交流调速技术飞跃进步，变频调速已成为发展趋势。
早期的交流电动机调速方法，如采用绕线式异步电动机转子串电阻调速、笼型异步电动机变极调速，在定子绕组串电抗器调速等都存在效率低，不经济等缺点。交流变频调速的优越性早在上世纪20年代就已被人们认识，但受到元器件的限制，当时只能用闸流管构成逆变器，由于技资大，效率低，体积大而未能推广。20世纪50年代中期，晶闸管的研制成功，开创了电力电子技术发展的新时代。由于晶闸管具有体积小、重量轻、响应快、管压低等一系列优点，交流电动机调速技术有了飞跃发展，出现了交流异步电动机调压调速、串级调速等系统。20世纪70年代发展起来的变频调速，比上述两种调速方式效率更高，性能更好，在过去的几十年里变频调速技术发展非常快，从主回路拓扑结构、功率开关器件及驱动到数字信号处理器、控制策略均获得长足的进步；控制对象从异步电机到无刷直流、正弦同步电机、磁阻同步电机到伺服同步电机，变频调速技术的控制性能不断提升，在工业自动化领域起着越来越重要的作用，已渗透到国民经济的各个角落。
能源的有效利用关系到国家经济的可持续性发展，具有非常重要的战略意义。中国经济目前处在高速增长的阶段，对能源的需求量非常大;但另一方面，能源利用率很低。根据有关调查研究，我国2003年的电能消耗中，60~70%为动力电；而在总容量高达5.8亿kw的电动机总容量中，却只有不到2000万kw的电动机是采用变频调速控制的。国家目前大力提倡推广变频调速技术，改造现有落后设备，提高生产、加工过程的效率，降低能源消耗；在过去的几年内中国变频器的市场保持着12％~15％的增长率，这个速度已经远远超过了近几年的gdp增长水平，而且至少在未来的5年内保持着10％以上的增长率。
通过对生产实践中大量使用说明变频调速具备高效节能及多方面优势。变频调速技术已经成为电力电子发展的一个方向[1]。目前变频调速技术巳成为现代电力传动技术的一个主要发展方向。其卓越的凋速性能、显著的节电效果、改善现有设备的运行情况、提高系统的安全可靠性和设备利用率、延长设备使用寿命等优点随着应用领域的不断扩大而得到充分的体现,通过对变频技术与各类软硬件特别是与PLC、组态以及控制方法结合产身的效果研究及应用，变频技术必将会随着其他软硬件和控制技术的发展带来更功能和更加广阔前景。
1
1交流调速技术发展概况
电气传动可分为调速和不调速两大类。按照电动机的类型不同，电气传动又分为直流和交流传动两大类。直流电气传动和交流电气传动在19世纪就已诞生，但当时的电气传动系统是不调速系统。由于直流电动机具有良好的起、制动性能，适宜在大范围内平滑调速，所以它在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用，但与此同时，由于直流电机换向困难，还会产生火花，寿命短，要经常维护，价格昂贵等缺点，结构简单、维护方便、运行可靠、价格便宜的交流电机获得人们的青睐，并对交流电机的调速技术进行了深入的研究，随着电力电子技术和控制技术的迅猛发展，高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统有逐步取代直流调速系统的趋势。
目前，交流拖动控制系统的应用领域主要有以下三个方面：第一个是一般性能调速和节能调速，改恒速为调速，节省能量，效果可观：第二个是高性能的交流调速系统和伺服系统，矢量控制技术和直接转矩控制等方法，使交流电机实现了与直流电机相仿的高动态性能：第三个是特大容量、极高转速的交流调速，突破了直流电机由于换相能力限制带来的技术瓶颈。[2]
1.1电力电子器件
现代交流调速技术的发展是和电力电子技术的发展分不开的，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。电力电子电路由电力电子器件、变流电路和控制电路组成，其中电力电子器件是基础。最初的电力电子技术是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。后来，随着科学技术的发展，电力电子技术又与现代控制理论、材料力学、电机工程、计算机科学等许多领域密切相关。目前，电力电子技术成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。
20世纪50年代，电力电子器件主要是汞弧闸流管和大功率电子管。60年代发展起来的晶闸管，因其工作可靠、寿命长、体积小、开关速度快，而在电力电子电路中得到广泛应用。70年代初期，已逐步取代了汞弧闸流管。80年代，普通晶闸管的开关电流已达数千安，能承受的正、反向工作电压达数千伏。在此基础上，为适应电力电子技术发展的需要，又开发出门极可关断晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管等一系列派生器件，以及单极型MOS功率场效应晶体管、双极型功率晶体管、静电感应晶闸管、功能组合模块和功率集成电路等新型电力电子器件。目前，电力电子器件正在向大功率化、高频化、小体积、集成化、智能化、低损耗、易触发、好保护等方向发展。[3]
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