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1、基于MATLAB环境下逆变器-交流电机变频调速系统的仿真摘 要 本文以交流电动机变频调速系统为研究对象，以MATLAB为仿真工具，介绍了Simulink仿真模块，分析了变频器的工作原理，并在此基础上进行了多种逆变电路的仿真设计。 文章首先对MATLAB/Simulink模块中电力电子仿真所需要的电力系统模块集做了简要的说明，介绍了变频器中实现变频的主要环节逆变器的工作原理，并且分析了目前几种最常见的逆变器（单向全桥逆变器、三相桥式逆变器和SPWM控制的单相逆变器）的工作原理，在此基础上运用MATLAB软件分别对这几种电路的仿真进行了设计；并进一步设计出了交-直-交变频器的仿真模型，实现了对交流
2、电动机变频调速系统的仿真。关键词：Simulink，电压型逆变电路，变频调速，仿真设计目 录第一节 绪论4一 交流调速技术发展概况-4二 全数字控制技术-6三 系统仿真-7四 论文的意义及任务-8第二节 电力电子器件仿真模型及逆变电路仿真设计8一 绝缘栅双极性晶体管的仿真模型及参数设定-8二 逆变电路仿真设计-11第三节 基于MATLAB的变频调速系统的仿真设计16一 变频器的基本概念16二 交一直一交变频电路的仿真设计18第四节 小 结-20第一节 绪 论一 交流调速技术发展概况 直流电气传动和交流电气传动在19世纪先后诞生。由于直流传动具有较好的调速性能，而交流传动调速性能难以满足生产要求
3、，因此，在20世纪大部分年代里，直流传动在调速领域中一直占据主导地位。随着生产技术的不断发展，直流传动的缺点逐步暴露出来，由于换相器的存在，使直流电机的维护工作量加大并限制了电机容量、速度和使用环境，加之成本高、效率低等缺点，人们开始转向结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的交流电机，并致力于它的调速技术研究。20世纪60年代后期，特别是70年代以来，随着电力电子技术和控制技术的迅猛发展，交流调速性能完全可以和直流调速相媲美。目前，交流调速已逐步替代直流调速。纵观交流调速传动发展过程，大致是沿着三个方向发展的：一个是取代直流调速实现少维修、省力为目标的高性能交流调速；另一个以节能为目的：改恒
4、速为调速，适用于风机、泵类、压缩机等通用机械的交流调速；第三个是直流调速难以实现的特大容量，极高转速领域的交流调速。(一) 电力电子技术是现代交流调速的物质基础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
5、技术已成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。1.电力电子器件20世纪50年代末晶闸管的问世标志了电力电子技术的开端，从此“电”进入到强电领域，电力电子器件成为弱电控制强电的纽带。近40年来，电力电子器件经历了非常迅猛的发展过程，从只能触发导通而不能控制关断的半控型器件，到可以控制导通和关断的全控型器件，从电流控制到电压电场控制，从低频功率开关到高频功率开关。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。IGBT、IGCT（集成门极换流晶体管）、IPM（智能功率模块）是目前最为流行的电力电子器件。2. 变流技术与控制技术电力电子电路即通常所
6、说的变流电路，它以电力电子器件为核心，通过不同的电路拓扑结构和控制方式来实现对电能的转换和控制。变流电路的基本转换形式有四种，如图1-1所示，图中逆变电路的作用是不仅把直流变成可调电压的电流，而且可输出连续可调的工作频率。整流电路和逆变电路是交-直-交变频器的主要环节，交-直-交变频器是当今应用最广泛、电机调速的中小型交流调速系统的主体。目前最常用的、发展最快的变频器是脉宽调制（PWM）型变频器。交-交变频电路适用于大功率交流调速系统。近年来，随着电力电子器件的迅猛发展，交流调速控制技术也得到迅速的发展。它经历了相位控制技术、VVVF控制技术、转差频率控制技术、脉宽调制技术及矢量控制技术，其中
7、PWM是一种很有发展前途的变频调速方法，矢量控制技术也是一种很有发展前途的新的控制技术。图1-1 变流电路的基本转换形式（二） 矢量控制技术1971年由德国西门子公司的Blaschke提出了矢量控制理论，它是一种新的控制理论和控制技术，它解决了交流电机的转矩控制问题。矢量控制技术根据磁动势等效原则，应用坐标变换将三相系统等效为二相系统，再经过按磁场定向的同步旋转变换，实现了定子电流励磁分量于转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电机的磁链和电流分别控制的目的。这样就可以将一台三相异步电动机等效为直流电动机来控制，因而获得了与直流调速系统同样的静、动态性能，开创了交流调速与直流调速相媲美的时代。二
8、全数字控制技术随着计算机技术突飞猛进的发展，16位乃至32位微处理机的应用越来越普及，而且由于微处理机在性能、速度、容量、价格、体积等方面的不断发展，使得在电气传动中全部采用数字控制成为现实。全数字控制使信息处理能力大大提高，实现了模拟控制无法实现的复杂控制，使RAS功能得以实现。全数字控制的特点如下所述。（1）控制精度高。在模拟控制系统中，大量使用运算放大器会受温度变化和电压波动的影响；而数字控制系统中，一切均通过软件运算，故控制精度高。此外，数字控制采用微量化信号进行运算，故精度有保证。（2）稳定性好。控制信息为数字量，不会随时间发生漂移，也不会随温度和环境条件而发生变化，这是模拟控制无法
9、比拟的。（3）可靠性高。微机控制采用的元器件少，特别是采用单片机后，所用元器件更是大幅度减少，相应的故障率大大降低；而且信号全部采用数字量传输，受干扰的影响小，因此，它比模拟控制可靠性高。（4）维护方便。微机可以存储检测获得的各种信号，它具备记忆能力，容易实现故障诊断，方便维护。（5）灵活性好。在硬件不做任何改动的情况下，只要修改软件就可以改变它的控制功能，实现不同的控制策略。（6）经济性好。采用微机或DSP后会提高控制系统的成本，但随着芯片价格的降低，这个差距会很快缩小。（7）逻辑运算能力强。数字计算机具有很强的逻辑运算能力，与它的存储能力相结合，使得计算机可以做许多事情，甚至可以模拟人的思
10、维进行分析、判断，积累经验，实现智能控制。（8）存储能力强。存储容量大，存储时间几乎不受限制，可以在计算机内存放各种数据和表格，以便采用查表的方法来简化计算。由于变频器供电的调速系统是一个快速系统，在使用数字控制时采样频率较高，通常大于1kHz，常需要完成复杂的操作控制、数字运算和逻辑判断，所以要求单片机具有较大的存储容量和较强的实时处理能力，目前的单片机完全可以满足要求。随着新型自关断电力电子器件、智能功率集成电路的问世，现代控制理论的发展和计算机技术的应用，变频技术日新月异，新的控制策略不断涌现，现代交流调速技术迈上了新的台阶。目前，它已在冶金、机械、电气牵引、纺织、食品等各个方面得到普遍
11、的应用，几乎遍及国民经济各部门的传动领域，交流调速已进入逐步取代直流调速时代。三 系统仿真系统仿真是指根据被研究的真实系统的数学模型，结合所用的仿真软件建立仿真模型，然后依靠仿真模型在计算机上进行计算、分析、研究，以便加深认识和理解真实系统，为系统设计、调试或管理提供所需的信息。系统仿真技术是在数学模型基础上，利用计算机进行实验研究的一种方法。它是建立在系统科学、系统辨识、控制理论、计算机技术及控制工程等科学基础上的一门综合性很强的实验科学技术，是分析复杂系统的一种非常有效的工具。四 论文的意义及任务异步电动机比直流电机结构简单、成本低、工作可靠、维护方便、效率高。因此，开发高性能的异步电动机
12、调速系统，对于提高经济效益具有十分重要的现实意义。在电气传动系统中，应用计算机仿真技术建立电机及其传动的仿真模型，在人为模拟的环境或条件下，利用仿真模型替代真实电机在工作现场运行的实验。这样，能得到可靠的数据，又节约了研究的时间及费用。更重要的是采用计算机仿真方法进行辅助设计，可以在传动系统制造出来之前，就能进行各种方案比较，预测系统的行为、特性，并可通过计算机修改系统参数，直到获得理想的特性为止，从而实现优化设计，为实现高性能交流传动系统提供保证。本论文主要研究利用仿真软件Simulink对该系统进行仿真。通过仿真研究，实现优化设计，这对高性能的变频调速系统具有一定的应用价值和现实意义。第二
13、节 电力电子器件仿真模型及逆变电路仿真设计电力电子器件可直接用于处理电能的主电路中，是实现电能的转换或控制的电子器件。电力电子器件按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，可分为以下三类：半控型器件、全控型器件、不可控器件。在直流-交流变换中，由于开关器件在承受正电压时关断，因此如果采用SCR（晶闸管）作为开关器件，则必须加入强迫换流回路，使SCR在关断时阳极-阴极间承受反压，这增加了控制的复杂性，增大了装置的体积、重量，而且SCR的开关频率较慢。因此，在直流-交流变换中一般采用全控型器件。在全控型电力电子器件中，IGBT是MOSFET和GTR的复合型器件，兼有MOSFET的快速响应、高输入阻抗
14、特性和BJT（电力双极型晶体管）的低通态压降、高电流密度的特性，在变频器、中频电源、开关电源及要求快速、低损耗的领域广泛应用。因此，本设计中采用IGBT作为逆变电路仿真中的主要开关器件。下面将就绝缘栅双极型晶体管的机构和工作原理作详细介绍。一 绝缘栅双极性晶体管的仿真模型及参数设定IGBT驱动原理与电力MOSFET基本相同，通断由门极电压来控制。当IGBT集射级电压为正且大于开启电压，同时门极加正电压时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流，IGBT导通；当IGBT门极施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。当Uce小于零时，IGBT呈反
15、向阻断状态。当Uce大于零时，又分为以下两种情况：若门极电压小于开启电压，则沟道不能形成，IGBT成正相阻断状态；若门极电压大于开启电压，则绝缘门极下的沟道形成，使IGBT正相导通。 （一） 绝缘栅双极型晶体管元件图标、符号和仿真模型由IGBT的工作原理可知，IGBT模块是一个受门极信号控制的半导体器件，它由一个电阻Ron、一个电感Lon和一个支流电压源与一个由逻辑信号控制的开关串联电路组成。元件的图标、符号和仿真模型如图2-1所示。IGBT图2-1 IGBT元件的图标、符号和仿真模型 （二）绝缘栅双极型晶体管元件的输入和输出由IGBT的图标可见，它有两个输入和两个输出。第一个输入C和输出E对应于绝缘栅双极型晶体管的集电极C和发射极E；第二个输入g为加在门极上的Simulink逻辑控制信号，第二个输出m用于测量输出向量。 （三）绝缘栅双极
