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1、摘 要目前国际形势纷乱复杂、能源危机日益突出，能源瓶颈已经逐渐成为了制约国民经济持续发展的主要因素之一，迫切需要提高工农业生产中的能源利用率。而随着电力电子技术、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的基本工作原理和作用特性意义十分重大。本文根据变频器的基本工作原理和工作特性，设计了一种电压源型交-直-交变频器。主要内容如下:（1）设计变频器的工作原
2、理系统框图，选择用到的元件并确定其参数（2）通过MATLAB/SIMULINK搭建交直交变频调速系统的仿真模型（3）进行仿真，得到仿真波形仿真结果表明所设计系统的控制效果是比较理想的，仿真实验证明该系统运行良好，设计切实可行。关键词：变频器； 异步电机； MATLAB仿真； 交流调速The simulation and research of the frequency converter based on MATLABAbstractAs the current international situation is complex and confusing, energy crisis i
3、s becoming more and more serious, the energy bottleneck has gradually become the one of the main factors restricting the national economy sustainable development, there is a urgent need to enhance the utilization rate of the energy in the production of industry and agriculture. Along with the rapid
4、development of power electronic technology, computer technology, automatic control technology, AC variable frequency speed control technology has been rapidly developed, its significant energy efficiency, high precise speed control precision, wide speed range, perfect protection function, and easy t
5、o achieve communication function has been recognized by the vast numbers of users. It also bring great convenience to the users in the safe and reliable installation, using, maintenance and repair operation.According to the basic principle and characteristics of the converter, this paper designed a
6、voltage source type AC-DC-AC converter. The main contents are as follows:(1) Design the working principle diagram of the converter system, choose the elements which need and determine the parameters.(2) Use the MATLAB/SIMULINK to build an AC-DC-AC speed control system.(3) Running the simulation and
7、get the simulation waveform.The simulation results show that the system control effect is ideal, the simulation experiments prove that the system operates well , the design is viable.Key words: Frequency converter; Asynchronous machine; MATLAB simulation; AC variable speed目录1引言11.1 交流变频调速技术的发展与研究现状1
8、1.2 变频器的概况21.3 变频器的发展过程和现状31.3.1 变频器的发展过程31.3.2 变频器的现状41.3.3 现代通用变频器的基本结构51.4 变频器的应用51.4.1 节能调速61.4.2 特大容量和极高转速的交流调速61.4.3 交流调速装置应用时注意事项61.5 通用变频器的术语和技术参数71.5.1 通用变频器的术语71.5.2 通用变频器的技术参数71.6 本文所做的工作71.7 本章小结82 异步电动机92.1 异步电机的基本工作原理92.2 异步电机的静态数学模型112.3 三相异步电动机的调速方法132.3.1 交流调速的基本类型132.3.2 恒压频比变频调速系统
9、控制原理及其机械特性152.3.3 恒压频比控制的基本电路202.4 本章小结213 变压变频调速系统中的脉宽调制（PWM）技术223.1 PWM技术的发展223.2 PWM控制技术的分类233.3 PWM控制性能指标233.4 本章小结254 变频器的设计264.1 三相电压型交-直-交变频器的基本构成及工作原理264.1.1 三相电压型交-直-交变频器的基本构成264.1.2 三相电压型交-直-交变频器的工作原理284.2 整流器的工作原理及参数计算294.2.1 整流器的工作原理294.2.2 整流元件的选择314.2.3 电抗器参数计算314.3 逆变器的工作原理324.4 驱动保护电
10、路的设计344.4.1 过电压保护344.4.2 过电流保护354.5 本章小结365 基于MATLAB的仿真研究375.1 MATLAB/SIMULINK简介375.2 变频器各主要模块仿真分析385.2.1 整流器的仿真385.2.2 逆变器的仿真415.2.3 PI控制电路的仿真425.2.4 PWM波的产生设计与仿真435.3 交-直-交变频系统综合仿真分析445.4 本章小结506 结论与展望516.1 结论516.2 展望51致 谢53参考文献54IV1引言1.1 交流变频调速技术的发展与研究现状随着电机制造技术的不断发张，电动机作为主要的动力设备而越来越广泛的应用于工农业生产、国
11、防、科技及社会生活等各个方面。从全球范围看，电动机的用电量平均占世界各国社会总用电量的一半以上，占工业用电量的70%左右。因此，提高电机系统的效率，对国民经济的发展意义十分重大。根据采用的电流制式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类，其中交流电动机应用极为广泛，工业生产所消耗的的电能大多是通过交流电动机转化的。交流电动机的诞生和发展己有一百多年的历史8，至今已经研究、制造了形式多样、用途各异的各种容量、各种品种的交流电动机。交流电动机分为同步电动机和异步感应电动机两大类。所谓同步电动机，即电动机的转子转速与定子电流的频率保持严格不变的关系。反之，即是异步电动机。据统计，交流电动机用电量
12、占电机总用电量的85%左右，可见交流电动机应用的广泛性及其在国民经济中的重要地位1 ,2 。电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，在实际应用中，一是要使电动机具有较高的机电能量转换效率；二是根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度1, 2 ,3 。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的影响。为了控制电动机的运行，就要为电动机配上控制装置。电动机和控制装置即为电力传动自动控制系统。以直流电机作为控制对象的电力传动自动控制系统称之为直流调速系统；以交流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统称之为交流调速系统。根据交流电机的分类，相应有同步电动机调速系统和
13、异步电动机调速系统。一般来说，交流传动与相当的直流传动相比通常有价格方面的优势，而且所需维护较少、电机尺寸较小以及更高的可靠性。然而，由于技术上的原因，以往交流传动的调速性能与直流传动有较大差距，因而它们的应用主要局限在风机、泵和压风机等对调速性能要求不高的应用场合。而在高性能应用场合，一般在速度闭环下要求高速段保持高于0.5%的调速精度和至少D=20的宽调速范围，以及高于50rad/s的快速暂态响应这些场合，几乎全部是直流电机的应用领域。不过随着科学技术的方丈，采用适当控制的感应电动机传动在高性能应用上已经胜过直流传动，并且交流传动更加广泛的应用于计算机外围设备的传动、机床和电动工具、机器人
14、和自动装置的传动、纺织厂和造纸厂的传动、电动汽车和电器火车传动、船舶传动、水泥窑和轧钢机传动等等。交流电动机，特别是鼠笼式异步电动机，具有结构简单、制造容易、价格便宜、坚固耐用、转动惯量小、运行可靠、维修简便、使用环境及结构发展不受限制等优点。但是长期以来由于受科技发展的限制，把交流电动机作为调速电机的困难问题未能得到很好的解决，只有一些性能差，低效耗能的调速方法1 2 ，如：(1) 绕线式异步电动机转子外串电阻及机组式串级调速方法。(2) 鼠笼式异步电动机定子调压调速方法(自耦变压器、饱和电抗器)及后来的电磁（滑差）调速方法。20世纪70年代以后，由于生产发展的需要和席卷全球的石油危机，促使
15、世界各国开始重视交流调速技术的研究与开发。电力电子功率器件和控制理论的发展使得交流传动得以飞速发展。1.2 变频器的概况变频器是异步电动机变频调速的控制装置。变频器最早的形式是用旋转发电机组作为可变频率电源，供给交流电动机。随着电力半导体器件的发展，静止式的变频电源成为了变频器的主要形式4,5,6。静止式变频器从主电路的结构形式上可分为两种：交一直一交型和交一交型。(1) 交一直一交型变频器：根据直流部分电流、电压的不同形式，又可分为电压型和电流型两种。电压型变频器是作为电压源向交流电动机施加稳定电压，其主要优点是运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响，它主要适用于中、小容量的交流传动系统。电流型变频器向负载提供的电流值稳定不变，其特性类似于电流源，它主要应用在大容量的电机传动系统以及大容量风机、泵类节能调速中12。(2) 交一交型变频器：它的功能是把一种频率的交流电直接变换成另一种频率的交流电。由于中间不经过直流环节，不需换流，因而多用于低速大功率系统中，如回转窑、轧钢机等。但由于控制方式的限制，其最高输出频率只能达到电源频率的1/3-1/2，所以不能高
