交直交变频调速系统的仿真研究
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极意义的。
本文主要研究了变频调速系统的基本组成部分，主要包括三部分：一是将工频电源变换为直流电源的整流模块电路；二是由整流模块和逆变模块回路产生的电压脉动的滤波回路，也称储能回路；三是将直流电源变换为交流电源的逆变模块电路。以Matlab/Simulink为仿真工具，搭建交直交变频调速系统的各部分的.仿真模型，并对仿真结果进行分析研究。了解交直交变频调速系统的基本工作原理、特性以及分析谐波对交直交变频调速系统的影响。
关键词 ： 交直交变频，整流，逆变，异步电机，仿真，谐波。
Abstract
In recent years, with the development of modern power electronic technology, computer technology and the rapid development of automatic control technology, AC drive and control technology has become one of the most rapidly developing technology at present, the electric transmission technology is being faced with a history of revolution, namely the AC speed regulation system replaces DC speed and computer digital control technology to replace the analog control technology has become the trend of development. The rapid development of inverter technology has been applied more and more in the field of motor control, is the energy-saving, improve the process to improve an important means of product quality and improving the environment, promoting technological progress. Frequency of its superior speed and braking performance, high efficiency, high power factor and energy saving effect, as well as the scope and speed applied widely due to the slip power unchanged and no additional energy loss has been recognized as the governing party is the most promising type. Therefore, study on the basic working principle and characteristics of AC-DC-AC VVVF system is very helpful.
This paper mainly studies the basic part of variable frequency speed regulation system, mainly includes three parts: one is the frequency power conversion for the rectifier module circuit of DC power supply; the two is the loop filter voltage pulse generated by the circuit rectifier module and inverter module, also known as energy storage circuit; three is the circuit of inverter module DC power converter for AC power supply. Taken Matlab/Simulink as the simulation tool, to build simulation model of each part of AC DC AC speed regulation system, and the simulation results were analyzed. To understand the basic working principle, direct AC variable frequency speed regulation system characteristics and harmonic analysis on AC-DC-AC variable-frequency adjustable speed system.
Keywords： AC-DC-AC converter, rectifier, inverter, Asynchronous motor, simulation, harmonic.
目录
交直交变频调速系统的仿真研究........................................................................ 1 摘 要.................................................................................................................... 1 Abstract ................................................................................ 错误！未定义书签。 1
绪 论 ............................................................................................................ 5 1.1 1.2 1.3 1.4 2
交流调速技术发展概况.................................. 错误！未定义书签。 研究变频调速的目的与意义............................................................ 8 交流调速的研究分析........................................................................ 9 论文内容安排.................................................................................. 13
系统仿真技术 ............................................................................................ 15 2.1 2.2
系统仿真技术的概述...................................................................... 15 仿真软件与仿真步骤...................................................................... 15 2.2.1 仿真软件 ................................................................................... 16 2.2.2 电子系统的仿真步骤 ............................................................... 16 2.3
仿真工具.......................................................................................... 17 2.3.1 MATLAB 概述 ............................................ 错误！未定义书签。 2.3.2 Simmulink概述 .......................................................................... 17 2.4
变频调速系统.................................................................................. 18 2.4.1 变频调速的控制方式 ............................................................... 18 2.4.2 变频调速的种类 ....................................................................... 19 2.4.3 基频以下变频调速 ................................................................... 19 2.4.4 基频以上变频调速 ................................................................... 20
3 交直交变频调速系统的研究 .................................................................... 22 3.1
变频调速系统的构成...................................................................... 22 3.1.1 变频器调速原理 ....................................................................... 22 3.1.2 变频器容量的确定 ................................................................... 24 3.2 3.3
交直交变频调速的优势特性.......................................................... 25 交直交变频调速的应用.................................................................. 26
4 交直交变频调速系统的实验仿真研究 .................................................... 28 4.1
变频调速系统的设计与谐波对系统的影响.................................. 28 4.1.1 系统研究的设计方案 ............................................................... 28
4.1.2 输出谐波对系统的影响 ........................................................... 29 4.2
整流器的工作原理研究及实验...................................................... 31 4.2.1 整流器的基本工作原理 ......................................................... 31 4.2.2 整流器的研究与分析 ............................................................. 35 4.3
逆变器输出谐波的仿真研究.......................................................... 43 4.3.1 逆变器的工作原理及分析 ....................................................... 43 4.3.2 脉宽调制技术 ........................................................................... 48 4.3.3 逆变器输出谐波的仿真分析 ................................................... 50 4.3.4 载波频率的改变对谐波的影响 ............................................... 60 4.4
交直交变频调速的仿真研究.......................................................... 69 4.4.1 交直交变频调速系统模型的仿真研究 ................................... 70 4.4.2 交直交变频调速系统的运行仿真与分析 ............................. 71
5
结 论 .......................................................................... 错误！未定义书签。
致 谢.................................................................................................................. 80 参考文献.............................................................................................................. 81
附录一 整流电路仿真模型...................................... 错误！未定义书签。 附录二 逆变电路仿真模型...................................... 错误！未定义书签。 附录三 交直交变频调速系统仿真模型.................. 错误！未定义书签。
绪 论
交流调速技术发展的概况与趋势
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。但随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显示出来。由于换向器的存在，使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们转向结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的异步电动机，但异步电动机的调速性能难以满足生产要求，于是，从20世纪30年代开始，人们就致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢。在相当长时期内，直流调速一直以性能优良领先于交流调速。60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美、相竞争，目前，交流调速已进入逐步取代直流调速的时代。
电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。50年代末出现了晶闸管，由晶闸管构成的静止变频电源输出方波或阶梯波的交流变电压，取代旋转变频机组实现了变频调速，然而晶闸管属于半控型器件，可以控制导通，但不能由门极控制关断，因此由普通晶闸管组成的逆变器用于交流调速必须附加强迫换相电路。70年代以后，功率晶闸管(GTR)、门极关断晶闸管（GTO晶闸管）、功率MOS场效应晶闸管（Powewr MOSFET）、绝缘栅双极晶闸管（IGBT）、MOS控制晶闸管（MCT）等已先后问世，这些器件都是技能控制导通又能控制关断的自关断器件，又称全控型器件。它不再需要强迫换相电路，使得逆变器构成简单、结构紧凑。IGBT由于兼有MOSFET和GTR的优点，是用于中小功率目前最为了流行的器件，MCT则综合了晶闸管的高电压、大电流特性和MOSFET的快速开关特性，是极有发展前景的大功率、高频功率开关器件。电力电子器件正在向大功率化、高频化、模块化、智能化发展。80年代出现的功率集成电路（Power IC—PIC），集功率开关器件、驱动电路、保护电路、接口电路于一体，目前已应用于交流调速的智能功率模块（Intelligent Power Module—IPM）采IGBT作为功率开关，含有电流传感器、驱动电路及过载、短路i、超温、欠电压保护电路，实现了信号