1、摘要隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發展，交流變頻 調速技術得到了迅速發展，其顯著的節能效益，高精確的調速精度，寬泛的調 速范圍，完善的保護功能，以及易于實現的自動通信功能，得到了廣大用戶的 認可，在運行的安全可靠、安裝使用、維修維護等方面，也給使用者帶來了極 大的便利。因此，研究交一直一交變頻調速系統的基本工作原理和作用特性意 義十分重大。本文研究了變頻調速系統的基本組成部分，主回路主要有三部分組成：將 工頻電源變換為直流電源的“整流器”；吸收由整流器和逆變器回路產生的電 壓脈動的“濾波回路”，也是儲能回路；將直流功率變換為交流功率的“逆變 器”。使用Matlab/Simul

2、ink搭建交一直一交變頻調速系統的仿真模型，通過實 驗對該交一直一交變頻調速系統的基本工作原理、工作特性及作用有更深的認 識，也對諧波對于交一直一交變頻調速系統的影響有了一定的了解。關鍵詞：交一直一交變頻，整流，逆變，諧波，仿真。II / 54AbstractWith power electr onic tech no logy, computer tech no logy, automatic con troltechno logy is develop ing rapidly, AC variable-freque ncy system tech no logy has been deve

3、lop ing rapidly. Sign ifica nt en ergy efficie ncy and precisi on and broad scope ofspeed con trol, perfect protect ion and easy to impleme nt automatic com muni cati ons,all which have win the many users acceptanee . Therefore, studying the AC-DC-ACvariablefrequency systerm for the role of the basi

4、c working principle andcharacteristics of great sig nifica nee.In this paper we studied the basic component of the variable frequency speedregulatio n system.There are three main comp onen ts: the rectifier which con vertthe AC power into DC power。the loop filter can absorbed the voltage pulse which

5、the rectifier and inv erter circuit gen erated by,it is alsoe nergy storage circuit。the“inv erter converts the DC power in to the AC power. The n we usedthe Matlab /Simulink to build an AC-DC-AC Frequency Control System Simulation Model. Throughthe test of the AC-DC Freque ncy Con trol System to pay

6、 the basic worki ng prin cipleand work ing characteristics,we not only had a deeper un dersta nding of the role,butalso had a certa in degree of un dersta nding about the harm onic AC-DC-DC Frequency Con trol System.Key Words:AC-DC-AC variablerequency systerm,rectifier , inverter,harm oni cs,simulat

7、io n3 / 54目錄摘要IAbstract1引言11.1交流調速技術的發展11.2交直交變頻調速系統研究的目的與意義21.3研究現狀分析32交直交變頻調速系統的基本原理及特性研究72.1系統的構成82.2交直交變頻的基本工作特性82.3交直交變頻調速的優越性82.4交直交變頻調速合理應用92.5變頻器容量的確定102.6熟悉MATLAB的原理及應用及SIMULINK仿真113工作原理研究及仿真實驗123.1設計方案123.2整流器的工作原理研究及實驗123.2.1整流器的基本工作原理123.2.2整流器部分的實驗研究與分析143.3逆變器的工作原理研究及其實驗分析213.3.1逆變器的基本

8、工作原理213.3.2逆變器實驗研究分析233.4交直交變頻調速系統的實驗研究分析303.4.1交直交變頻調速系統模型的實驗研究303.4.2交直交變頻調速系統的運行仿真與分析363.5變頻器輸出諧波的影響383.5.1變頻器輸出諧波對負載的影響384 / 543.5.2諧波實驗研究與分析逆變器部分）415 / 544結論45致謝46參考文獻47附錄一：整流模塊仿真模型48附錄二：交直交變頻調速系統仿真模型491引言1.1交流調速技術的發展隨著電機制造技術的不斷進步，電動機作為風機、水泵、壓縮機、機床等各種 設備的動力，已廣泛應用于工業、商業、公用設施和家用電器等各個領域，其中異 步電動機是各

9、類電動機中應用最廣、需要量最大的一種。在我國，異步電動機的用 電量約占總負荷的80%以上，其中風機、 泵類、 壓縮機和空調制冷機的用電量分別 占全國用電量的10.4%, 20.9%, 9.4%和6%。從全球范圍看，電動機的用電量平均 占世界各國社會總用電量的一半以上，占工業用電量的70%左右。因此，提高電機 系統的效率，對節約電能意義十分重大。異步電動機的基本特點是，轉子繞組不需與其他電源相連，其定子電流直接取 自交流電力系統。與其它電機相比，異步電動機的結構簡單，制造、使用、維護方 便，運行可靠性高，重量輕，成本低。以三相異步電動機為例，與同功率、同轉速 的直流電動機相比，前者重量只及后者的

10、二分之一，成本僅為三分之一。異步電動 機還容易按不同環境條件的要求，派生出各種系列產品。它還具有接近恒速的負載 特性，能滿足大多數工農業生產機械拖動的要求。其局限性是，它的轉速與其旋轉 磁場的同步轉速有固定的轉差率，因而調速性能較差，在要求有較寬廣的平滑調速 范圍的使用場合(如傳動軋機、卷揚機、大型機床、風機、水泵等，不如直流電動 機經濟、方便。但是，直流電動機結構上存在機械換向器和電刷，使它具有一些難 以克服的固有缺點，如維修工作量大，事故率高，容量受換向條件的制約，使用環 境受限(特別在易燃、易爆、粉塵等場合難以應用。20世紀70年代初，席卷世界先進工業國家的石油危機迫使他們投入大量人力

11、和財力去研究高效節能的交流傳動系統。到了二十世紀90年代，隨著電力電子技 術、計算機技術、自動控制技術的迅速發展，交流變頻調速技術得到了迅速發展， 其技術和性能勝過其它任何一種調速方式(如:降壓調速、變極調速、滑差調速、 內反饋串級調速和液力偶合調速。所謂變頻調速就是利用變頻調速器從電網接收工頻50HZ的交流電，經過恰當 的強制變換方法，將輸入的給定頻率交流電變換成為頻率和幅值都可調節的交流電 輸出到交流電動機，從而實現交流電動機的變速運行。2 / 541.2 交直交變頻調速系統研究的目的與意義電動機調速的節能效果交流異步電動機的輸出轉速由下式確定I（1-1式中一電動機的輸出轉速。I輸入的電源

12、頻率。電動機的轉差率：電機的極對數。由公式（1-1可知，電動機的輸出轉速與輸入的電源頻率、轉差率、電機的極對數有關系，因而交流電動機的直接調速方式主要有變極調速（調整P、轉子串電阻調速或串級調速或內反饋電機（調整s和變頻調速（調整f等.通過流體力學的基本定律可知：風機（或水泵類設備均屬平方轉矩負載，其轉 速n與流量Q、壓力（揚程H以及軸功率P具有如下關系1 1-2）I1-3）I1-4）由公式（1-4可知，在其它運行條件不變的情況下，通過下調電機的運行速 度，其節電效果是與轉速降落成立方的關系，因此，節電效果非常明顯。例如在工 況只需要50%勺風量或水量時，則可以將電機的轉速調節為額定的一半，而

13、此時電 機消耗的功率僅為額定的2.5%，即理論上節能可達87.5%.目前交流傳動己經上升為電氣調速傳動的主流，直流傳動系統占統治地位的局 面已經受到強烈的沖擊。推廣使用可調速電動機及其控制系統的節能具有廣闊的前 景，在不久的將來，交流電氣傳動將會完全取代直流電氣傳動。電動機作為風機、水泵、壓縮機、機床等各種設備的動力，已廣泛應用于工 業、商業、公用設施和家用電器等各個領域，其中異步電動機是各類電動機中應用 最廣、需要量最大的一種。使之成為國內外企業采用電機節能方式的首選。因此， 提高電機系統的效率，對節約電能意義十分重大。隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發展，交流變頻調速技 術

14、得到了迅速發展，其顯著的節能效益，高精確的調速精度，寬泛的調速范圍，完 善的保護功能，以及易于實現的自動通信功能，得到了廣大用戶的認可，在運行的 安全可靠、安裝使用、維修維護等3 / 54方面，也給使用者帶來了極大的便利。因此，研究交直交變頻調速系統將有利于提高系統的可靠性和工作效率。為了分析變頻器對 電動機的影響，利用Matlab仿真工具，搭建交直交變頻調速系統的仿真模 型，對系統進行仿真研究。1.3 研究現狀分析(1)采用新型功率半導體器件功率半導體器件的不斷進步，尤其是新型可關斷器件，如BIT(雙極型晶體 管、MOSFET(金屬氧化硅場效應管、IGBT(絕緣柵雙極型晶體管的實用化，使 得

15、開關高頻化的PWM技術成為可能。目前功率半導體器件正向高壓、大功率、高 頻化、集成化和智能化方向發展。典型的電力電子變頻裝置有電壓型交直交變 頻器、電流型交直交變頻器和交交變頻器三種。電流型交直交變頻器的 中間直流環節采用大電感作儲能元件，無功功率將由大電感來緩沖，它的一個突出 優點是當電動機處于制動(發電狀態時，只需改變網側可控整流器的輸出電壓極 性即可使回饋到直流側的再生電能方便地回饋到交流電網，構成的調速系統具有四 象限運行能力， 可用于頻繁加減速等對動態性能有要求的單機應用場合， 在大容量 風機、泵類節能調速中也有應用。電壓型交直交變頻器的中間直流環節采用大電容 作儲能元件，無功功率將

16、由大電容來緩沖。對于負載電動機而言，電壓型變頻器相 當于一個交流電壓源，在不超過容量限度的情況下，可以驅動多臺電動機并聯運 行。電壓型PWM變頻器在中小功率電力傳動系統中占有主導地位。但電壓型變 頻器的缺點在于電動機處于制動(發電狀態時，回饋到直流側的再生電能難以回饋 給交流電網，要實現這部分能量的回饋，網側不能采用不可控的二極管整流器或一 般的可控整流器，必須采用可逆變頻器，這種再生能量回饋式高性能變頻器具有直 流輸出電壓連續可調，輸入電流(網側電流波形基本為正弦，功率因數保持為1并且能量可以雙向流動的特點，代表一個新的技術發展動向，但成本問題限制了它 的發展速度。通常的交一交變頻器都有輸入

17、諧波電流大、輸入功率因數低的缺點， 只能用于低速(低頻大容量調速傳動。為此，矩陣式交一交變頻器應運而生。矩 陣式交一交變頻器功率密度大，而且沒有中間直流環節，省去了笨重而昂貴的儲能 元件，它為實現輸入功率因數為1,輸入電流為正弦和四象限運行開辟了新的途 徑。(2)用脈寬調制(Pulse Width Modulation, PWM技術隨著電壓型PWM變頻器在高性能的交流傳動系統中應用日趨廣泛，PWM技 術的研究越來越深入。PWM利用功率半導體器件的高頻開通和關斷，把直流電壓 變成按一定寬度規律變化的電壓脈沖序列，以實現變頻、變壓并有效地控制和消除 諧波。PWM技術可分為三大4 / 54類:正弦P

18、WM、優化PWM及隨機PWM。正弦PWM包括以電壓、電流和磁通的正弦為目標的各種PWM方案.正弦PWM一般 隨著功率器件開關頻率的提高會得到很好的性能，因此在中小功率交流傳動系統中 被廣泛采用。但對于大容量的電力變換裝置來說，太高的開關頻率會導致大的開關 損耗，而且大功率器件如GTO的開關頻率目前還不能做得很高，在這種情況下， 優化PWM技術正好符合裝置的需要。特定諧波消除法( Selected Harmonic Mi-inationPWM,SHE PWM 、效率最優PWM和轉矩脈動最小PWM都屬于優化PWM技術的范疇。普通PWM變頻器的輸出電流中往往含有較大的和功率器件開關頻率 相關的諧波成

19、分，諧波電流引起的脈動轉矩作用在電動機上，會使電動機定子產生 振動而發出電磁噪聲，其強度和頻率范圍取決于脈動轉矩的大小和交變頻率。如果 電磁噪聲處于人耳的敏感頻率范圍，將會使人的聽覺受到損害。一些幅度較大的中 頻諧波電流還容易引起電動機的機械共振，導致系統的穩定性降低。為了解決以上 問題，一種方法是提高功率器件的開關頻率，但這種方法會使得開關損耗增加。另 一種方法就是隨機地改變功率器件的導通位置和開關頻率，使變頻器輸出電壓的諧 波成分均勻地分布在較寬的頻帶范圍內，從而抑制某些幅值較大的諧波成分，以達 到抑制電磁噪聲和機械共振的目的，這就是隨機PWM技術。(3)應用矢量控制技術、直接轉矩控制技術

20、及現代控制理論 交流傳動系統中的交流電動機是一個多變量、非線性、強禍合、時變的被控對象，VVVF(Variable Voltage Variable Frequency才空制是從電動機穩態方程出發研究 其控制特性，動態控制效果很不理想。20世紀70年代初提出用矢量變換的方法來 研究交流電動機的動態控制過程，不但要控制各變量的幅值，同時還要控制其相 位，以實現交流電動機磁通和轉矩的解禍，促使了高性能交流傳動系統逐步走向實 用化。目前高動態性能的矢量控制變頻器已經成功地應用在軋機主傳動、電力機車 牽引系統和數控機床中。此外，為了解決系統復雜性和控制精度之間的矛盾，又提 出了一些新的控制方法，如直接

21、轉矩控制、電壓定向控制等。另外，智能控制技術 如模糊控制、神經元網絡控制等也開始應用于交流調速傳動系統中，以提高控制的 精度。(4)廣泛應用微電子技術 隨著微電子技術的發展，數字式控制處理芯片的運算能力和可靠性得到很大提 高，這使得全數字化控制系統取代以前的模擬器件控制系統成為可能。目前適于交 流傳動系統的微處理器有單片機、數字信號處理器(Digital Sig nal Processor, DSP 、專用集成電路(Application Specific IntegratedCircuit, ASIC等。其中，高性 能的計算機結構形式采用超高速緩沖儲存器、多總線結構、流水線結構和多處理器 結

22、構等。核心控制算法的實時完成、功率器件驅動信號的產生以及系統的監控、保 護功能都可以通過微處理器實現，為交流傳動系統的控制提供很大的靈活性，且控 制器的硬件電路標準化程度高，成本低，使得微處理器組成全數字化控制系統達到 了較高的性能價格比。5 / 54(5)開發新型電動機和無機械傳感器技術 交流傳動系統的發展對電動機本體也提出了更高的要求。電動機設計和建模有 了新的研究內容，如三維渦流場的計算、考慮轉子運動及外部變頻供電系統方程的 聯解、電動機阻尼繞組的合理設計及籠條的故障檢測等。為了更詳細地分析電動機 內部過程，如繞組短路或轉子斷條等問題，多回路理論應運而生。隨著20世紀80年代永磁材料特別

23、是欽鐵硼永磁的發展，永磁同步電動機( Permanent-MagnetSynchronous Motor, PMSM 的研究逐漸熱門和深入，由于這類電動機無需勵磁電 流，運行效率、功率因數和功率密度都很高，因而在交流傳動系統中獲得了日益廣 泛的應用。在高性能的交流調速傳動系統中，轉子速度(位置閉環控制往往是必需的。為了實現轉速(位置反饋控制，須用光電編碼器或旋轉變壓器等與電動機 同軸安裝的機械速度(位置傳感器來實現轉子速度和位置的檢測。但機械式的傳感 器有安裝、電纜連接和維護等問題，降低了系統的可靠性。對此，許多學者開展了 無速度(位置傳感器控制技術的研究，即利用檢測到的電動機出線端電量(如電

24、機電壓、電流，估測出轉子的速度、位置，還可以觀測到電動機內部的磁通、轉 矩等，進而構成無速度(位置傳感器高性能交流傳動系統。該技術無需在電動機 轉子和機座上安裝機械式的傳感器，具有降低成本和維護費用、不受使用環境限制 等優點，將成為今后交流電氣傳動技術發展的必然趨勢。(6)變頻調速系統產生的諧波對交流電機負載運行的影響 眾所周知，電機的轉速和電源的頻率是線性關系，變頻器就是利用這一原理將50Hz的工頻電通過整流和逆變轉換為頻率可調的交流電源。從結構來看，變頻器 可分為間接變頻和直接變頻兩大類。間接變頻將工頻電流通過整流器變成直流，然 后再經過逆變器將直流變換成頻率和電壓可控的交流。直接變頻器則

25、將工頻交流直 接變換成頻率和電壓可控的交流，沒有中間的直流環節。目前變頻調速系統應用較 多的還是間接變頻器，即交直交變頻器.由于變頻器供電側電流中會含有諧波，這些諧波電流注入電網后將對電網的電 能質量產生不利影響，而其逆變電路輸出側產生的高次諧波也會給電動機帶來諸如 發熱加劇、轉矩脈動及噪聲等問題，甚至造成電機損壞，另外，諧波還對通信以及 電子設備產生嚴重干擾，影響周圍設備的正常運行。因此，研究變頻器的諧波特性 將有利于提高交流傳動系統的可靠性和工作效率。6 / 542 交直交變頻調速系統的基本原理及特性研究圖 2-1 變頻器調速系統的原理接線圖變頻器原理是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電

26、源變換為另一頻率的電 能控制裝置。交一直一交變頻器則是先把交流電經整流器先整流成直流電，直流中 間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，再經過逆變器把這個直流電流變成頻率和 電壓都可變的交流電。交一直一交變頻器又可以分為電壓型和電流型兩種，由于控制方法和硬件 設計等各種因素，電壓型逆變器應用比較廣泛。傳統的電流型交直交變頻器采用自 然換流的晶閘管作為功率開關，其直流側電感比較昂貴，而且應用于雙饋調速中， 在過同步速時需要換流電路，在低轉差頻率的條件下性能也比較差，在雙饋異步風 力發電中應用的不多。采用電壓型交直交變頻器這種整流變頻裝置具有結構簡單、 諧波含量少、定轉子功率因數可調等優異特點，可以明

27、顯地改善雙饋發電機的運行 狀態和輸出電能質量，并且該結構通過直流母線側電容完全實現了網側和轉子側的 分離。變頻器的整流部分通常采用三相6脈動橋式整流電路，因此，交流供電側電流 中所包含的諧波主要是亠（k為正整數次諧波，這些諧波電流注入電網后將對 電網的電能質量產生不利影響。在變頻器的逆變側，通過控制裝置產生6組脈寬可調的PWM波控制三相的6組功率元件的導通和關斷，從而形成電壓、頻率可調的 三相輸出電壓。變頻調速系統的結構框圖7 / 542.1 系統的構成交直交變頻調速系統的基本構成如原理圖2-1所示，它由整流、濾波、逆變等 部分組成。交流電源經整流、濾波、逆變后變成直流電源，再通過逆變器的有規

28、則 的導通和截止使之輸出頻率可變的電源。其主回路主要有三部分構成：將工頻電源 變換為直流電源的“整流器”；吸收由整流器和逆變器回路產生的電壓脈動的“濾 波回路”，也是儲能回路；將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。(1)整流器 近來大量使用的就是二極管整流器，它把工頻電源變換為直流電源，電功率的 傳送是不可逆的。(2)濾波回路 在整流器整流后的直流電壓中，含有六倍電源頻率的脈動電壓，此外，逆變器 回路產生的脈動電流也使直流電壓波動。為了抑制這些電壓波動，采用直流電抗器 和電容器吸收脈動電壓電流)。裝置容量較小時，如果電源輸出阻抗和整流器容 量足夠時，可以省去直流電抗器而采用簡單的阻容濾波回路。

29、(3)逆變器 同整流器相反，逆變器的作用是在所確定的時間里有規則地使六個功率開關器 件導通、關斷，從而將直流功率變換為所需電壓和頻率的交流輸出功率。2.2交直交變頻的基本工作特性調速時平滑性好，效率高。低速時，特性靜關率較高，相對穩定性好。 調速范圍較大，精度高。起動電流低，對系統及電網無沖擊，節電效果明顯。變頻器體積小，便于安裝、調試、維修簡便。易于實現過程自動化。必須有專用的變頻電源，目前造價較高。在恒轉矩調速時，低速段電動機的過載能力大為降低。2.3交直交變頻調速的優越性交流電動機的調速方法有三種：變極調速、改變轉差率調速和變頻調速。其 中，變頻調速最具優勢。這里僅就交流變頻調速系統與直

30、流調速系統做一比較。在直流調速系統中，由于直流電動機具有電刷和整流子，因而必須對其進行檢 查，電機安裝環境受到限制。例如：不能在有易爆氣體及塵埃多的場合使用。此 外，也限制了電機向高轉速、大容量發展。而交流電機就不存在這些問題，主要表 現為以下幾點：第一，直流電機的單機容量一般為12 - 14MW，還常制成雙電樞形式，而交流 電機單機容量卻可以數倍于它。第二，直流電機由于受換向限制，其電樞電壓最高 只能做到一千多伏，8 / 54而交流電機可做到6 - 10kV。第三，直流電機受換向器部分機 械強度的約束，其額定轉速隨電機額定功率而減小，一般僅為每分鐘數百轉到一千 多轉，而交流電機的達到每分鐘數

31、千轉。第四，直流電機的體積、重量、價格要比 同等容量的交流電機大。最后，特別要指出的是交流調速系統在節約能源方面有著 很大的優勢。一方面，交流拖動的負荷在總用電量中占一半或一半以上的比重，這 類負荷實現節能，可以獲得十分可觀的節電效益。另一方面，交流拖動本身存在可 以挖掘的節電潛力。在交流調速系統中，選用電機時往往留有一定余量，電機又不 總是在最大負荷情況下運行；如果利用變頻調速技術，輕載時，通過對電機轉速進 行控制，就能達到節電的目的。工業上大量使用風機、水泵、壓縮機等，其用電量 約占工業用電量的50%；如果采用變頻調速技術，既可大大提高其效率，又可減 少10%的電能消耗。2.4 交直交變頻

32、調速合理應用交流變頻調速技術在工業發達國已得到廣泛應用。美國有60% - 65%的發電量 用于電機驅動，由于有效地利用了變頻調速技術，僅工業傳動用電就節約了15% - 20%的電量。采用變頻調速，一是根據要求調速用，二是節能。它主要基于下面幾個因素：(1)變頻調速系統自身損耗小，工作效率高。(2)電機總是保持在低轉差率運行狀態，減小轉子損耗。(3)可實現軟啟、制動功能，減小啟動電流沖擊。在采用變頻調速時，需從工藝要求、節約效益、投資回收期等各方面考慮。如 果僅從工藝要求、節約效益考慮，下面幾種情況選用變頻調速較有利：(1)根據工藝要求，生產線或單臺設備需要按程序或按要求調整電機速度的。如： 包

33、裝機傳送系統，根據不同品種的產品，需要改變系統傳送速度，使用變頻調速可 使調速控制系統結構簡單，控制準確，并易于實現程序控制。(2)用變頻調速代替機械變速。如：機床，不僅可以省去復雜的齒輪變速箱，還能 提高精度、滿足程序控制要求。(3)用變頻調速代替用閘門或擋板調整流量適于風機、水泵、壓縮機等。例如：鍋 爐上水泵、鼓風機、引風機實行了變頻調速控制，不僅省去了伺服放大器、電動操 作器、電動執行器和給水閥門或擋風板)，而且使得整個鍋爐鍋爐控制系統得到 了快速的動態響應、高的控制精度和穩定性。2.5 變頻器容量的確定變頻調速是通過變頻器來實現的，對于變頻器的容量確定至關重要。合理的容 量選擇本9 /

34、 54身就是一種節能降耗措施。根據現有資料和經驗，比較簡便的方法有三 種：(1電機實際功率確定發 首先測定電機的實際功率，以此來選用變頻器的容量(2公式法設安全系數取1.05,則變頻器的容量為2-1)式中，匚I為電機負載；為電機功率計算出Pb后，按變頻器產品目錄可選出具體規格。為第n臺電動機的額定電流，n為電機的臺數。在任何情況下，都不能在連續使用時超過額定電流I，當一臺變頻器用于多臺電機時，應滿足電機額定電流法變頻器 變頻器容量選定過程，實際上是一個變頻器與電機的最佳匹配過程，最常見、也較安全的是使變頻器 的容量大于或等于電機的額定功率，但實際匹配中要考慮電機的實際功率與額定功 率相差多少，

35、通常都是設備所選能力偏大，而實際需要的能力小，因此按電機的實 際功率選擇變頻器是合理的，避免選用的變頻器過大，使投資增大。雖然變頻調速有諸多優點，但也有其不利因素，主要問題是電流中含高次諧波 較多，除對電網有污染外，也使電機自身增加損耗，弓I起電機發熱。再有，變頻器 價格貴、投資回收器長、技術復雜、尤其在實現閉環自動控制時，還需進行技術處 理。此外，不是任何情況下變頻器都節電，如果電機負載變化不大，或深井泵配有 水塔，節電、節水效果都不大，就不宜使用變頻調速。2.6 熟悉 Matlab 的原理及應用及 Simulink 仿真Matlab（ Matrix Laboratory的縮寫是Mathwo

36、rks公司開發的一種集計算、圖形 可視化和編輯功能于一體的功能強大、操作簡便、易于擴充的語言，是目前國際上 公認的優秀的數學應用軟件之一。Matlab系統的強大功能是由其核心內容語言系統、開發環境、圖形系統、數 學函數庫、應用程序接口等）和輔助工具箱符號計算、圖象處理、優化、統計和控制等工具箱）兩大部分構成。Simulink是一個進行動態系統建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。它可以處 理的系統包括：線性、非線性系統；離散、連續及混合系統；單任務、多任務離散 事件系統。在Simulink提供的圖形用戶界面GUI上，只要進行鼠標的簡單拖拉操作就可 構造出復雜的仿真模型。它外表以方塊圖形式呈現，且采

37、用分層結構。從建模角度 講，這既適于自上而下vTop-down）的設計流程概念、功能、系統、子系統、直 至器件），又適于自下而上Bottum-up） 逆程設計。從分析研究角度講，這種Simulink模型不僅能讓用戶知道具體環節10 / 54的動態細節，而且能讓用戶清晰地了解各 器件、各子系統、各系統間的信息交換，掌握各部分之間的交互影響。在Simulink環境中，用戶將觀察到現實世界中摩擦、風阻、齒隙、飽和、死 區等非線性因素和各種隨機因素對系統行為的影響。在Simulink環境中，用戶可 以在仿真進程中改變感興趣的參數，實時地觀察系統行為的變化。Simulink環境使 用戶擺脫了深奧數學推演

38、的壓力和煩瑣編程的困擾。11 / 543工作原理研究及仿真實驗3.1 設計方案在此次設計中是交直交變頻調速系統的仿真研究，主要是通過一個具體的交直 交變頻方案或者自己搭建一個交直交變頻的方案來研究交直交變頻的基本原理、工 作特性、各部分的基本作用及變頻調速系統產生的諧波對負載運行的影響。對交直交變頻調速系統進行仿真研究需要從幾個模塊分別進行研究， 例如有降 壓模塊、整流模塊、逆變模塊、負載模塊及測量模塊幾個部分。其主回路主要有三 部分構成：將工頻電源變換為直流電源的“整流器”；吸收由整流器和逆變器回路 產生的電壓脈動的“濾波回路”，也是儲能回路；將直流功率變換為交流功率的 “逆變器”。之后利用

39、Matlab/Simulink搭建模型對其輸出的波形進行仿真研究， 并進行諧波分析，并分析輸出諧波對交流電機負載運行的影響。對交直交變頻器的基本原理和基本組成部分進行研究。然后選定合適的電壓 源，再進行降壓，然后通過對整流器的分析研究選定合適的整流方案并進行研究分 析，通過對逆變器的研究和分析選定合適的逆變器并選定合適的逆變器搭建方案。 其中這些部分的研究要根據負載模塊的相關要求來確定，例如：負載的電壓、頻率 等的要求。接下來要對交直交變頻調速系統的基本特性進行研究，并與其他的調速方法作 比較說明其優越性，確定其基本的參數。并在前面的理論基礎上熟悉和學會在Matlab/ Simulink中搭建

40、模型的方法。為后面成功搭建交直交變頻調速系統的模型 和仿真作準備。在前面的基礎上搭建交直交變頻調速系統的仿真模型，并對其中的參數進行設 置進行仿真，對整流后的波形，逆變后的波形進行結果分析。3.2 整流器的工作原理研究及實驗3.2.1整流器的基本工作原理在電容濾波器的三相不可控整流電路中，最常用的就是三相橋式結構。考慮電 感時電容濾波的三相橋式整流電路原理圖如下圖所示：12 / 54EVD圖 3-1 a）考慮電感時電容濾波的三相橋式整流電路idla五VDIVD兀VDlcIRII R圖 3-1b）考慮電感時電容濾波的波形13 / 54該電路中，當某一對二極管導通時，輸出直流電壓等于交流側線電壓中

41、最大 的一個，該線電壓既向電容供電，也向負載供電。當沒有二極管導通時，由電容向 負載供電， 按指數規律下降。設二極管在距線電壓過零點 角處開始導通，并以二極管丨和開始同時 導通的時刻為時間零點，則線電壓為3-1)而相電壓為3-2)在12時，二極管 |和 開始同時導通，直流側電壓等于 ；下一次同 時導通的一對管子是和I,直流側電壓等于回。這兩段導通過程之間的交替 有兩種情況，一種是在 和勺同時導通之前 和 丨是關斷的，交流側向直 流側的充電電流 是斷續的，另一種是 一直導通，交替時由 丨導通換相至I導通， 是連續的。介于二者之間的臨界情況是，丨和冋 同時導通的階段與 和勺同時導通的階段在處恰好銜

42、接了起來，恰好連續。由“電壓下降速度相等”的原則，可以確定臨界條件。假設在的時刻“速度相等”恰好發生，則有可得壬,這就是臨界條件。三三和三三分別是電流斷續和連續的條件。對一個確定的裝置來說，通常只有是可變的，它的大小反映了負載的輕重。因此可以說，在輕載時直流側獲得的充電電流是斷續的，重載時是連續的，分界點就是 -1322整流器部分的實驗研究與分析以上分析的是理想的情況，未考慮實際電路中存在的交流側電感以及為抑制沖 擊電流而串聯的電感。當考慮上述電感時，電路的工作情況發生變化，其仿真過程 如下：在實驗的運行階段，需要對實驗進行仿真，本軟件采用自動化領域廣泛使建模和設置參數：根據三相橋式全控整流電

43、路的原理圖和實驗過程中要求觀測的波形，在模型窗口中引入模塊并設置參數如下：1）從Electrical Sources模塊庫中復制運行仿真打開仿真/參數窗口，打開菜單，Simlatio nCon figuration ParametersSolver選 擇ode23tb算法電容電流平均值為零，因此I（3-5在一個電流周期中，有六個波頭，流過每一個二極管的是其中的兩個波頭，因此二極管電流的平均值為的1/3，即(3-63）二極管承受的電壓二極管承受的最大反向電壓為線電壓的峰值，為二圖 3-5 整流濾波后電壓波形 有效值）20 / 544）橋式整流電路電容量的確定電容濾波的計算比較麻煩，因為決定輸出電

44、壓的因素較多。工程上有詳細的曲線可供查閱。一般常采用以下近似估算法：一種是在 _I的條件下，近似認為 _ 。橋式整流電路的 電容量一般幾百到幾萬uF.3.3逆變器的工作原理研究及其實驗分析3.3.1逆變器的基本工作原理逆變電路根據直流側電源性質的不同可分為兩種：直流側是電壓源的稱為電壓 型逆變電路；直流側是電流源的稱為電流型逆變電路。這里采用的電壓型逆變電 路，下面構成、原理和特性進行介紹：其基本原理圖如下：N圖 3-6 設負載中點 與直流電源假想中點之間的電壓為I,則負載各相的相電壓分別為(3-8把上面各式相加并整理求得設負載為三相對稱負載，則有I，故可得由此可以得出：1也是矩形波，但其頻率

45、為丨頻率的3倍，幅值為其1/3，即一。下面對三相橋式逆變電路的輸出電壓進行定量分析。把輸出電壓I展開成傅里葉級數得(3-11式中， - 為自然數。輸出線電壓有效值I為其中基波幅值 一1和基波有效值I分別為30 / 54(3-1331 / 54在上述的180導電方式的逆變器中， 為了防止同一相上下兩橋臂的開關器件 同時導通而引起直流側電源的短路，要采取“先斷后通”的方法。即先給應關斷的 器件關斷信號，待其關斷后留一定的時間裕量，然后再給應導通的器件發出開通信 號，即在兩者之間留一個短暫的死區時間。死區時間的長短要視器件的開關速度而 定，器件的開關速度越快，所留的死區時間就可以越短。3.4 交直交

46、變頻調速系統的實驗研究分析3.4.1交直交變頻調速系統模型的實驗研究根據以上整流部分和逆變部分的仿真模型連接起來再加上濾波和反饋環節搭建 交直交變頻調速的整體仿真模型。其中為了使仿真模型的運行速度加快，反饋環節 的傳遞函數采用一階延遲環節旦。搭建過程如下：5）從Electrical Sources模塊庫中復制F面再來對負載的相電壓I進行分析。把其展開成傅里葉級數得式中， _為自然數。負載相電壓的有效值 為其中的基波幅值和_1分別為(3-15(3-16(3-17(3-1832 / 54相位設置為0，連接方式Internalconnection設為Yg連接方式，33 / 54其它值采用默認值。屋B

47、lock FarameterE 25 k嘰60 Hi 10 MVAThr*-fiFhaLfi； SouTca - ask) JlinkThree-phase voltage source in series with RL branch.ParaseterEFhais*tEhasc ras voltags：:鄭 | Jjy.生“二-6)從Tran sformer模塊庫中復制一個Three-Phase Tran sformer。設置Win di ng1connection (ABC term in als為Yg,Win di ng 2 connection (abc term in als為De

48、lta (D1。WElock Faranstsrs 5kV / 600V 50 kVAST34 / 54Three-Phase Transfoiaer 7:- Windines aak : irtk7hi七：Guk i益衛：云=丘匸亡a七=云nmf*:二丘r ty thi=& anjtra nmforiSEi立一Set the *indin connset ion tc Yn-cu rant to actes theneutral p-int of the Wye.Click the App：r or tht OK tut ton after a charge to the Units

49、 popup tc c:nfLIEthe c jnftTsicn of par sisters.r_” -h|_ _ Sonf i guratiDEfar i=st=r AivajiL=dS3 IhitPhase TranifcrEr 7icc ind:nj xaik linkThis blcck i.51=nts直thie=-itiaifi trarsEi cr*=r t： us Ing tiir= iinE-e-_Dnai=traEif2rs*ra. S=t the indmg ccnnectiDn tc Yn直hwnTQUFant tcthe neutrac4n.t nf th=Clic

50、k thw Applr cr 1E:吭tuttsn Sifto-r a han 0. 02 1P-*APP-T7）從Power Electronics模塊庫中復制一個通用三相電橋模塊。參數設置為晉Block Fsi用說燈：2SkV / 600V 50 kVANosinaL pc fn ?EEAindinj 2 paja3*tfiiE V2 Fh*Ph (VTSS3RI (pu.rLX tpu.35 / 54tjjBlock Parameters: Rectifier一耳.Universal Eridgs二飯呂k (1ink；This blcsek isaplesent a tridee of

51、selected pwer electronies devices. Series RC KHLitter circuits ar* cpnneeted in pirallel irf.theach switch device. Fress Help for s.LigEti TiL：tb*r vilLi壘雪 fit電且the nEdl EdiKrstized. Far工雪t aEplisaticnsth intsTnal in du ct且n亡曇Lan cf diadsE且nd thyrl stsrs shcald; t* set to z&re8）從Elements模塊庫中復制2個

52、串聯RLC模塊，電容參數設置為 ,I；電感亠，36 / 549）從Power Electronics模塊庫中復制一個通用 三相電橋模塊。 設置Power electronic device為IGBT-Diode bridge，參數設置為。tilBlck FsrafltslerE：FWI I5BT Inverter冰 丨Vnivsrsal ErLdgs-r 耳s；klinkThis block inpleasnt z. brdj:* of saZtctsd poTTfir *lectronicE davieeE. Series EC snubt er eircui tsSJI* r crma亡t

53、壘丘in par al1*1 with arh switch dvies. Frss.f crEUfEEtd. snubter values when the ncd&l is dis亡壬總七三二世EL rET3CE* applications the intsmal induetansze Lon cf diod=Eand thyristers should cs12 zroFarazj=t&T510）從Elements模塊庫中復制一個串聯RLCvIoad）模塊，電容參數設置為Elock Par airieters: 50 kW 3S0 V rms 50 Hz_7 tu e

54、e Ph aEe Paral lE!KLC Load ziask （liiik 二口舁a thr_Eha paTBLIV!LC lendFax arseter mCancelHelp1 537 / 547)Measurements模塊庫中復制2個電壓測量模塊和一個Multimeter模塊。通過此模塊可以任意選擇其中幾個元件的電流量測量8)從Sinks模塊庫中復制2個示波器模塊Scope,通道數設置為4其中的濾波部分的內部搭建如下:圖 3-12 LC 濾波電路的內部結構其參數設置如下:38 / 54將Three-PhaseSeries RLC Branch的bran ch type設為L,設定值

55、為2mH，將Three-PhaseSeries RLC Load的Con figuration設為Y(grou nded，電壓為380V，頻 率為50HZ。搭建的交直交變頻調速系統模型見附錄。按附錄二搭建仿真電路模型，選用的主要模塊的名稱及提取路徑見表3-3:表3-3仿真電路模塊的名稱和提取路徑通用橋式電路模塊 Un iversal BridgeSimPowerSystems/Electrical Source三相電壓源SimPowerSystems/Power Electricnics串聯 RLC 支路 R、CSimPowerSystems/Eleme ntsPWM脈沖發生器PWMSimPo

56、werSystems/Extra Library/C on trol Blocks三相雙繞組變壓器模塊SimPowerSystems/Power Electricnics三相RLC負載LoadSimPowerSystems/Eleme nts電壓測量模塊和電流測量模塊SimPowerSystems/Eleme nts一階延遲1/Z模塊SimPowerSystems/ Extra Library/Co ntrol Blocks穩壓器模塊SimPowerSystems/ Extra Library/Co ntrol Blocks示波器 ScopeSimuli nk/Si nks3.4.2交直交變頻

57、調速系統的運行仿真與分析(1運行仿真打開仿真/參數窗口，選擇ode23tb算法，將相對誤差設置為1e-3,停止時間設置為0.1s，單擊工具欄中的“開始”按鈕開始仿真。仿真結束后雙擊示波器模39 / 54塊可觀測被測量的波形，改變模塊參數可得到隨之變化的仿真波形 其仿真波形如下：)3.Q1!赳卜 7” 1. 1 .!-1P111圖 3-13 交直交變頻調速系統的仿真波形40 / 5441 / 54圖 3-14 變頻前后電壓波形 取一相)(2仿真波形分析：通過搭建的交直交變頻調速系統的仿真結果分析可知，三相的交流電在經過整 流之后變成電壓恒定的直流電壓源，電壓波形基本趨于恒定的直線。在經過逆變部

58、分之后的波形是脈寬可調的方波。而經過反饋和LC濾波之后變成頻率可變的正弦波。而通過變頻前后的波形可以看出變頻之后的正弦波雖然頻率變了，但是其波形 當中還有波動。說明該系統中還有諧波的影響，接下來我也將對該系統的諧波影響 進行一定的分析。3.5 變頻器輸出諧波的影響3.5.1變頻器輸出諧波對負載的影響眾所周知，電機的轉速和電源的頻率是線性關系，變頻器就是利用這一原理將50HZ的工頻電 通過整流和逆變轉換為頻率可調的交流電源。從結構來看，變頻器 可分為間接變頻和直接變頻兩大類。間接變頻將工頻電流通過整流器變成直流，然 后再經過逆變器將直流變換成頻率和電壓可控的交流。直接變頻器則將工頻交流直 接變換

59、成頻率和電 壓可控的交流，沒有中間的直流環節。目前變頻調速系統應用 較多的還是間接變頻器，即交一直一交變頻器本節將討42 / 54論變頻調速系統變頻器輸 出端的諧波及其對交流調速系統的影響。變頻器的整流部分通常采用三相6脈動橋式整流電路，因此，交流供電側流 中所包含的諧波主要是E ( k為正整數次諧波，這些諧波電流注入電網后將對 電網的電能質量產生不利影響。在變頻器的逆變側，通過控制裝置產生6組脈寬可調的PWM波控制三相的6組功率元件的導通和關斷，從而形成電壓、頻率可調的 三相輸出電壓。由于輸出的電壓由PWM波和三角載波的交點產生的，不是標準的 正弦波，其中也含有一系列高次諧波，這些諧波將會對

60、電機和系統的性能帶來一些 不利的影響。隨著變頻器的應用日益廣泛，變頻器的高次諧波對電網和負載產生的危害不容 忽視其中包括：(1對旋轉電機(發電機和電動機戶生附加功率損耗和發熱、產生脈動轉矩和噪聲。此外，由整流器供電的電動機可引起明顯的電壓畸變。(2對無功補償電容組引起諧振或諧波電流的放大，從而導致電容器因過負荷或過電壓而損壞。為了補償負載的無功功率，提高功率因數，常在負載處裝有并聯電容器。為了 提高系統的電壓水平，常在變電所安裝并聯電容器。此外，為了濾除諧波，也會裝 設由電容器和電抗器組成的濾波器。在工頻頻率下，這些電容器的容抗比系統的感 抗大得多，不會產生諧振。但對諧波頻率而言，系統感抗大大增加而容抗大大減 少，就可能產