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仿真算法的可行性。
2.3 仿真工具Simmulink的概述
Simulink是MATLAB软件的扩展，是用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，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。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，修改模型在两者中的任一环境中进行。
2.4 变频调速系统
2.4.1 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, 异步电动机转矩M与气隙磁通?、转差频率f2的关系为：M??2f2只要保持气隙磁通?一定，控制转差频率f2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.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[5]。
2.4.2 变频调速的种类
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（1—1）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f1可以达到调速目的，如果频率f1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。
像三相异步电动机在运行时，忽略定子阻抗压降时，定子每相电压为:
U1?E1?4.44f1N1km?m （2-1）
式中E1为气隙磁通在定子每相中的感应电动势；f1为定子电源频率；N1为定子每相绕组匝数；km为基波绕组系数，?m为每极气隙磁通量。
如果改变频率f1，且保持定子电源电压U1不变，则气隙每极磁通?m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f1时，必须同时降低电源电压，已达到控制磁通?m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。 （一）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f1时，保持
U1为常数，使气每f1极磁通?m为常数，应使电压和频率按比例的配合调节。这时，电动机的电磁矩为：
m1pU1T?2?f????1??1????2r?2s?2r?2???r?????x1?x2???s????m1p?U1???22??f1??r?2?2?r1??x1?x2????s?? （2-2）
2f1r?2s1dT?0ds上式对s求导，即，有最大转矩和临界转差率为
Tm?1m1pU11m1p?U1?f1???22?f1r1?r12??x1?x?2?222?f1?f1?r1?r12??x1?x?2?222
（2-3）
??sm?r?2r12??x1?x?2?2由上式可知：当U1?常数时，在f1较高时，即接近额f1定频率时，r1?x1?x?2?，随着f1的降低，Tm减少的不多；当f1较低时，?x1?x?2?较小；r1相对变大，则随着f1的降低，Tm就减小了。显然，当f1降低时，最大转矩Tm不等于常数。保持
U1?常数，降低频率调速时的机械特征如图1所示。f1这相当于他励直流电机的降压调速。
nn1n1'n1''n1'''f1?f1'?f1''?f1'''f1'''f1'''f1'''f1'''nn1n1'n1''n1'''f1'''?f1''?f1'?f1f1'''f1''f1'f1o a）基频以下调速（
oTmTU1?常数） b）基频以上调速（U1=常数） f1TmT图1 变频调速的机械特性
（二）基频以上变频调速