摘要............................................................................................................................. I ABSTRACT ............................................................................................................... II 绪论. (1)
1交流调速技术发展概况 (2)
1.1电力电子器件 (2)
1.2变流技术 (3)
1.3变频调速的控制方式 (3)
1.4MATLAB/Simulink仿真介绍 (4)
2逆变电路的建模与仿真 (5)
2.1绝缘栅双极型晶体管 (5)
2.2逆变电路的设计 ........................................................... 错误！未定义书签。
2.2.1三相桥式逆变电路的基本原理 (6)
2.2.2正弦脉冲宽度调制（SPWM）基本原理 (6)
2.2.3三相SPWM逆变器的建模与仿真 (7)
3变频器的设计仿真 (10)
3.1变频器的基本概念 (10)
3.2交-直-交变频电路的建模与仿真 (11)
4矢量控制调速系统建模与仿真 (14)
4.1 建立异步电机模型 (14)
4.1.1 坐标变换 (14)
4.1.2 建立dq坐标系下电机模型 (15)
4.2 异步电动机按转子磁链定向的矢量控制 (17)
4.2.1按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系状态方程 (17)
4.2.2 异步电动机模型仿真验证 (19)
4.2.3 按转子磁链定向矢量控制的基本思想和特点 (20)
4.3 按转子磁链定向矢量控制的方式 (22)
4.3.1 电路闭环控制方式 (22)
4.3.2 转矩控制方式 (22)
4.4 矢量控制调速系统仿真 (23)
4.4.1 仿真调试与参数设定 (24)
4.4.2 仿真结果与分析 (25)
致谢 (28)
异步电动机采用变频调速技术，具有调速范围广，调速时因转差功率不变而无附加能量损失的优点，因此，变频调速是一种性能优良的高效调速方式。
本文以MATLAB为仿真工具，介绍了Simulink中的仿真模块，研究了交流电机变频调速系统，分析了变频器的构成和工作原理，并据此对逆变电路进行了仿真设计。首先对调速系统仿真所需要的各种电力系统模块做了简要的介绍，说明了逆变器的工作原理，在此基础上用MATLAB/Simulink软件分别对各种电路模块进行了仿真设计，进而设计出了实际中广泛应用的交-直-交变频器的仿真模型，实现了对交流电机变频调速系统的仿真研究，在此基础上建立电机模型，进行矢量控制设计，以带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制的方法对异步电动机变频调速系统进行建模和仿真，并对仿真结果进行了分析,由仿真结果可以看出系统转速的动态响应快，稳态跟踪精度高，表明此建模方法是可行和有效的。
关键词：MATLAB/Simulink变频调速逆变器仿真
ABSTRACT
With the application of frequency and speed conversion technology to synchronous motor, its speed can be wide-ranged adjusted. When it comes to adjusting speed, because of slip power unchanged, there is no additional energy lost. Thus it makes this technology a high-equality and efficient way to exchange the speed.
This thesis, aiming at MATLAB as simulation tool, introduces Simulink simulation module and the AC motor speed control system as the subject of the research and analyzes the structure of the inverter and how it works. On this basis,a variety of inverter circuit simulation designs are conducted. First of all, this thesis makes a brief introduction about power system module power which needs power electronic simulation, the working principle of the inverter included. Based on the theory above, then MATLAB / Simulink software are used in the simulation designs about different kinds of circuit modules. Moreover the designs of the simulation model of widely-used cross - DC - AC inverter are conducted to achieve the goal of the simulation study of AC motor speed control system, carries the modelling and the simulation on asynchronous motor adjusting-speed system based on vector control with torque inner rim and flux linkage of closed loop，gives out the simulation and makes analyse to it．The simulation result of the model shows the speed of dynamic response and the accuracy of steady-state tracking，also confirmes that the modelling is feasible and effective．
Key words：MATLAB/Simulink Frequency Control Inverter Simulation
绪论
随着社会的发展，能源需求快速增长，如何有效地节能也成为了一个亟待解决的问题。变频调速技术除了可以改善生产工艺等优越性外，其最大的特点就是节能。近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，各种大功率半导体器件的相继出现，促使交流调速技术飞跃进步，变频调速已成为发展趋势。
早期的交流电动机调速方法，如采用绕线式异步电动机转子串电阻调速、笼型异步电动机变极调速，在定子绕组串电抗器调速等都存在效率低，不经济等缺点。交流变频调速的优越性早在上世纪20年代就已被人们认识，但受到元器件的限制，当时只能用闸流管构成逆变器，由于技资大，效率低，体积大而未能推广。20世纪50年代中期，晶闸管的研制成功，开创了电力电子技术发展的新时代。由于晶闸管具有体积小、重量轻、响应快、管压低等一系列优点，交流电动机调速技术有了飞跃发展，出现了交流异步电动机调压调速、串级调速等系统。20世纪70年代发展起来的变频调速，比上述两种调速方式效率更高，性能更好，在过去的几十年里变频调速技术发展非常快，从主回路拓扑结构、功率开关器件及驱动到数字信号处理器、控制策略均获得长足的进步；控制对象从异步电机到无刷直流、正弦同步电机、磁阻同步电机到伺服同步电机，变频调速技术的控制性能不断提升，在工业自动化领域起着越来越重要的作用，已渗透到国民经济的各个角落。
能源的有效利用关系到国家经济的可持续性发展，具有非常重要的战略意义。中国经济目前处在高速增长的阶段，对能源的需求量非常大;但另一方面，能源利用率很低。根据有关调查研究，我国2003年的电能消耗中，60~70%为动力电；而在总容量高达5.8亿kw的电动机总容量中，却只有不到2000万kw的电动机是采用变频调速控制的。国家目前大力提倡推广变频调速技术，改造现有落后设备，提高生产、加工过程的效率，降低能源消耗；在过去的几年内中国变频器的市场保持着12％~15％的增长率，这个速度已经远远超过了近几年的gdp增长水平，而且至少在未来的5年内保持着10％以上的增长率。
通过对生产实践中大量使用说明变频调速具备高效节能及多方面优势。变频调速技术已经成为电力电子发展的一个方向]1[。目前变频调速技术巳成为现代电力传动技术的一个主要发展方向。其卓越的凋速性能、显著的节电效果、改善现有设备的运行情况、提高系统的安全可靠性和设备利用率、延长设备使用寿命等优点随着应用领域的不断扩大而得到充分的体现,通过对变频技术与各类软硬件特别是与PLC、组态以及控制方法结合产身的效果研究及应用，变频技术必将会随着其他软硬件和控制技术的发展带来更功能和更加广阔前景。
1交流调速技术发展概况
电气传动可分为调速和不调速两大类。按照电动机的类型不同，电气传动又分为直流和交流传动两大类。直流电气传动和交流电气传动在19世纪就已诞生，但当时的电气传动系统是不调速系统。由于直流电动机具有良好的起、制动性能，适宜在大范围内平滑调速，所以它在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用，但与此同时，由于直流电机换向困难，还会产生火花，寿命短，要经常维护，价格昂贵等缺点，结构简单、维护方便、运行可靠、价格便宜的交流电机获得人们的青睐，并对交流电机的调速技术进行了深入的研究，随着电力电子技术和控制技术的迅猛发展，高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统有逐步取代直流调速系统的趋势。
目前，交流拖动控制系统的应用领域主要有以下三个方面：第一个是一般性能调速和节能调速，改恒速为调速，节省能量，效果可观：第二个是高性能的交流调速系统和伺服系统，矢量控制技术和直接转矩控制等方法，使交流电机实现了与直流电机相仿的高动态性能：第三个是特大容量、极高转速的交流调速，突破了直流电机由于换相能力限制带来的技术瓶颈。]2[
1.1电力电子器件
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理论、材料力学、电机工程、计算机科学等许多领域密切相关。目前，电力电子技术成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。
20世纪50年代，电力电子器件主要是汞弧闸流管和大功率电子管。60年代发展起来的晶闸管，因其工作可靠、寿命长、体积小、开关速度快，而在电力电子电路中得到广泛应用。70年代初期，已逐步取代了汞弧闸流管。80年代，普通晶闸管的开关电流已达数千安，能承受的正、反向工作电压达数千伏。在此基础上，为适应电力电子技术发展的需要，又开发出门极可关断晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管等一系列派生器件，以及单极型MOS功率场效应晶体管、双极型功率晶体管、静电感应晶闸管、功能组合模块和功率集成电路等新型电力电子器件。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。]3[
1.2变流技术
电力电子电路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变换和控制。电力变换通常可分为四大类，即交流变直流（AC-DC ）、直流变交流（DC-AC ）、直流变直流（DC-DC ）和交流变交流（AC-AC ），变流电路的基本转换形式如图1-1所示。
在实际生活中的交流调速系统里，应用最广泛的是交-直-交变频器，它是由AC-DC 、DC-AC 两类基本的变流电路组合而成，先将交流电整流为直流电，再将直流电逆变为交流电，因此这类电路又称为间接交流变流电路]
4[。目前最常用的、发
展最快的变频器是脉宽调制（PWM ）型变频器。
1.3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φ、转差频率2f 的关系为：
22f M φ∝只要保持气隙磁通φ一定，控制转差频率2f 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
～ —
～
— 整流（AC-DC ）
逆变
（DC-AC ）
斩波（DC-DC ）
交交变频（AC-AC ）
图1-1 变流电路的基本转换形式
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[。
1.4MATLAB/Simulink仿真介绍
MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
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，是面向系统结构图的方便的仿真工具。
Simulink与MATLAB语言的主要区别在于其与用户交互的接口基于Windows的模型化图形输入，其结果是使用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建而非语言的编程上，它有两个显著的功能：Simu和Link，对所需系统的模型图能够进行方便的建模、仿真与分析，从而使一个复杂系统模型的建立和仿真变得直观，更重要的是，Simulink能够用MATLAB自身的语言或者C语言，根据S函数的标准格式，写成自定义的功能模块，因此，它具有很强的扩充能力，同时也能够调用.mdl 文件类型的应用程序，实现与其集成应用的目的，所以，有些应用软件会提供.mdl 文件的S函数，以便能够通过DDE与其传递数据]6[。
Simulink的主要特点就是实时工作，即画出系统图的同时就可得到相应的语言代码，对系统的控制、信号处理和动态系统的算法都可以通过开发模块图自动实现，其结果可在MATLAB工作空间中输出。Simulink支持连续与离散系统以及连续离散混合系统，也支持线性与非线性系统，及具有多种采样频率的系统，以仿真较大、较复杂的系统。
2逆变电路的建模与仿真
在电器设备或电力系统中，直接承担电能的变换或者控制任务的电路被称为主电路，电力电子器件是指可以直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度，可以将电力电子器件分为三类：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件被称为半控型器件，比如晶闸管；通过控制信号既能控制其导通，又能控制其关断的电力电子器件被称为全控型器件，比如绝缘栅双极晶体管、电力场效应晶体管；不能通过控制信号来控制其通断的电力电子器件被称为不可控器件，比如电力二极管。
在逆变电路中，在由断态向通态转移时，无论支路是由全控型还是半控型电力电子器件组成，只要给门极适当的驱动信号，就可以使其开通，但是从通态到断态转移的情况就不同，全控型器件可以通过对门极的控制使其关断，而对于半控型器件的晶闸管来说，就不能通过对其门极的控制使其关断，必须利用外部条件或其他措施才能使其关断，这增加了控制的复杂性，增大了装置的体积、重量，因此，在直-交变流电路中一般采用全控型器件，而由于IGBT具有响应快速、高输入阻抗、低通态压降、高电流密度的特性，在变频器中广泛应用，因此，将IGBT 作为本设计中逆变电路的主要开关器件]7[。
直流-交流变换称为逆变，是指将频率为零的直流电压变换为频率不为零的交流电压。逆变器采用双向可控电力电子开关构成能够改变负载电压方向的电路，按规律控制电子开关，切换负载电压方向，便可将输入的直流电能逆变为输出的交流电能，调节电子开关的切换周期可以改变交流电能的频率。本章对直流-交流变换的基本原理，对现在广泛应用于工业生产中的SPWM逆变电路进行了仿真设计。
2.1绝缘栅双极型晶体管
IGBT的通断是由门极电压来控制，当IGBT集射极电压为正且大于开启电压，同时门极加正电压时，IGBT导通；当IGBT门极施加反压或不加信号时，IGBT关断。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。图标、符号如图2-1所示。
g m C
E
IGBT
图2-1 IGBT元件的图标、符号
由IGBT 的图标可见，它有两个输入和输出。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。
2.2三相桥式逆变电路的基本原理
逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。在三相逆变电路中，应用最为广泛的还是三相桥式逆变电路。采用IGBT 作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路如图2-2所示，可以看成由三个半桥逆变电路组成]8[。
和单相半桥、全桥逆变电路相同，三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也是180°导电方式，即每个桥臂的导电角度为180°，同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120°。这样，在任意瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。
2.3正弦脉冲宽度调制（SPWM ）基本原理
PWM （Pulse Width Modulation ）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，利用面积等效原理，将电压或电流源是以一种通（ON ）或断（OFF ）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去。当这种脉冲的宽度按照正弦规律变换而和正弦波等效的PWM 波形，也称SPWM 波形]9[。下面分析用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，如图2-3所示。
把图中的正弦半波分成N 等分，就可以把正弦半波看成是由N 个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于π/N ，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和响应的正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，就得到2-3所示的脉冲序列，这就是SPWM 波。
图2-2 三相电压型桥式逆变电路
+
V1
V5V6V3V4
V2VD1
VD2
VD6
VD4
VD5
VD3
N'
N
U
V
W
2.4三相SPWM 逆变器的建模与仿真
正弦波脉宽调试逆变器属于电压型逆变器，电子开关采用绝缘栅双极型晶体管。SPWM 采用等腰三角波电压作为载波型号，正弦波为调制信号，通过正弦波电压与三角波电压信号相比较的方法，确定各分段矩形脉冲的宽度。
三相逆变桥选用了PowerSystem 模块库中的“Universal Bridge ”模块，如图2-4所示；脉冲信号选用SimpowerSystem 中的PWM Generator 模块，如图2-5所示。当调制信号不选择内部方式时，模块Signal 端应输入一个正弦参考信号。当PWM 发生器模块被用于触发单相（一桥臂）、单相桥式（二桥臂）变换器时，变换器的输入端可输入单相正弦参考信号；当PWM 发生器模块被用于触发单个或两个三相变换器（三桥臂）桥时，变换器的输入端需要输入一个三相正弦参考信号。当选择内部调制信号时，模块Signal 端的输入可以悬空，不接信号。模块输出可以以四种方式工作，分别输出2、4、6、12路触发，用于触发单相半桥、单相桥式和三相桥式中的全控型器件。
三相SPWM 逆变电路的仿真模型如图2-6所示。
图2-4 三相逆变桥模块
g
A B
C
+
- Signal(s)
Pulses
图2-5 脉冲信号模块
c U r
U )
(t U D
U D U - π
2t
ω π
2t
ω t
U t U ωsin )(m =图2-3 SPWM 原理及输出波形
点击示波器模块观察将直流逆变成交流电能的过程，可以得到输出波形。
变频器有两种工作方式，即交流-交流和交流-直流-交流，在生活中广泛应用的就是后者，本章就对其进行讨论，变频器先将固定频
率和电压的交流电能整流为直流
电能，再将直流电能变换为频率和电压符合要求的交流电能，以供负载使用。因此，变频器是由整流器、滤波器、和逆变器组合而成的变流装置]10[。图3-1所示为变频器的构成原理框图。
变频器将固定频率和电压的交流电能整流为直流电能，可以是不可控的，也可以是可控的，根据变频器调整输出电压的方法而定，滤
g
A
B
C
+
-Universal Bridge
Scope2
Scope1
Scope
RL3
RL2
Signal(s)Pulses
PWM Generator
3Multimeter1
3Multimeter
DC 220V
RL1
图2-6 三相SPWM 逆变电路的仿真模型
Ua
Ub
Uc 图2-7 三相桥式逆变电路输出电流仿真波形
I(RL1)
I(RL2)
I(RL3)
图2-8 三相桥式逆变电路输出电流仿真波形
阻感性负载单相桥式逆变电路由于电感的自感电动势对电流变化的反作用，电流不能突变，体现在负载输出波形上就是输出电流不能突变，因此接近正弦波上面对逆变电路建立了Simulink模型的仿真，结果与理论分析完全一致。因此，可以总结出逆变器的变频工作原理为：用双向可控电力电子开关构成能够改变负载电压方向的电路，按规律控制电子开关，切换负载电压方向，将输入的直流电能逆变为输出的交流电能，调节电子开关的周期便可改变交流电能的频率。
3变频器的设计仿真
3.1变频器的基本概念
变频器有两种工作方式，即交流-交流和交流-直流-交流，后者在生活中得到广泛应用，本章就对其进行讨论.变频器先将固定频率和电压的交流电能整流为直流电能，再将直流电能变换为频率和电压符合要求的交流电能，以供负载使用。因此，变频器是由整流器、滤波器、和逆变器组合而成的变流装置]10[。图3-1所示为变频器的构成原理框图。
变频器将固定频率和电压的交流电能整流为直流电能，可以是不可控的，也可以是可控的，根据变频器调整输出电压的方法而定，滤波器让脉动的直流量变成平直的直流量，可以对直流电压滤波，也可以对直流电流滤波，根据负载的使用要求和变频器的控制方式而定。变频器主要完成两项电能的变换功能：一是改变对负载的供电频率；二是改变对负载的供电电压。因此，变频器的原理就是指其变频、调压的原理和方法。
变频器改变输出电能频率的功能是由逆变器完成的，图3-2所示为单相变频器主电路原理图。逆变器是由双向可控电力电子开关S1、S2、S3、S4组成。当S1和S4导通、S2和S3关断时，负载上得到左正右负的电压；当S2和S3导通、S1和S4关断时，负载上得到左负右正的电压。如果这个过程按一定规律进行，那么负载上就可获得一个交变电压，调节电子开关切换导通和关断的周期就可以改变负载上交变电压的频率。
因此可以总结出，逆变器的变频工作原理为：用双向可控电力电子开关构成能够改变负载电压方向的电路，按规律控制电子开关，切换负载电压方向，便可将输入的直流电能逆变为输出的交流电能，调节电子开关的切换周期就可以改变交流电能的频率。
交流输入
整流器
滤波器
逆变器
交流输出
图3-1 变频器构成原理框图
整流器
滤波器
负载
-
+ S1
S1 S4 S3
图3-2 单相变频器主电路原理图
3.2交-直-交变频电路的建模与仿真
整流部分的设计如图3-3所示，三相桥式全控整流电路通过对两组桥臂晶闸管元件的有序控制，可构成电源系统对负载供电的6条整流回路。每一整流回路中含有2只晶闸管元件，1只为共阴极组的某相元件，另一只则应为共阳极组的另一相元件。三相整流桥选用了PowerSystem 模块库中的Universal Bridge 模块，其中功率器件选用晶闸管，经脉冲触发器与三相整流桥的脉冲输入端相连接，给三相整流桥提供触发脉冲]11[。
交-直-交变频电路经过整流和逆变之后，带动三相异步电机负载运转，设计中采用了三相绕线式异步电机，如图3-4所示，A 、B 、C 表示定子的三个端口，a 、b 、c 表示转子的三个端口，Tm 端口为电机的负载转矩，与“常数”模块相连接，当此值为正数时电机作为电动机；若常数为负数，则电机为发电机。输出端口m 表示测量端。调试过程中，电动机的负载转矩设置非常重要，若Tm 为0表示电机工作在空载状态；若Tm 过大，则电机的转速会反向无穷大。调试时应先以空载运行，再适当逐渐带负载。
v +-
Voltage Measurement
A
B
C
+
-Universal Bridge
A
B C
Three-Phase Source Series RLC Branch
Scope3
Scope2
Scope1
1Multimeter
i +
-
Current Measurement2
i +
-Current Measurement1
i +
-Current Measurement
图3-3 整流器电路仿真图
Tm m A B C
a b c
Asynchronous Machine
SI Units
图3-4 三相异步电机模块图标
交-直-交变频电路的仿真设计如图3-5所示，
g
A
B
C
+
-U n i v e r s a l B r i d g e 1
A
B
C
+-U n i v e r s a l B r i d g e
A B
C
T h r e e -P h a s e S o u r c e
S t e p
S c o p e 3
S c o p e 2
S c o p e 1
S c o p e
m i r _a b c
i s _a b c
w m
T e
M a c h i n e s M e a s u r e m e n t D e m u x
-K -G a i n
P u l s e s
D i s c r e t e P W M G e n e r a t o r 1
i +-C M 3
i +
-
C M 2
i +-
C M 1
C 1
T m
m
A
B
C
a
b
c
A s y n c h r o n o u s M a c h i n e S I U n i t s
图3-5 交直交变频电路的仿真设计
仿真结果如图3-5、3-6所示
由图可知，电机转速平稳上升，无超调。
在仿真过程发现，输出电压的电压波形在调制深度M 不同时稳定性不同，这是由于输出的电压是由SPWM 波形的调制深度M 来决定的，IGBT 每次导通与关断都会有固定长度的延时，而当M 选取较小时，IGBT 在每周期中导通的时间也就越少，延时战友的比例也就相对也多，这表现在输出电压上就是振幅不稳定。
图3-6 电机转子、定子电流波形图
图3-5电机转速波形图
4矢量控制调速系统建模与仿真
在进行交流调速仿真过程中，会遇到各种相关方向研究，尤其是参数辨识的时候，使用simulink 里面的电机模型是不方便的，因为其模型电机的参数是不能变化的（如定子转子电阻电感），如果想对各个参数的具体作用有比较直观的了解，就必须自己搭建电机模型。异步电动机具有高阶、非线性、强耦合和多变量的性质，要获得良好的调速性能，必须从其动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电动机的调速方案，矢量控制就是基于动态模型的高性能的交流电动机调速系统的控制方案之一]12[。本设计将逐渐对异步电动机矢量控制进行详细介绍。
4.1 建立异步电机模型
异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。本设计采用的是二相旋转坐标系（d-q ）下异步电机数学模型。
首先建立αβ坐标系的异步电动机仿真模型，再通过旋转变换就可得到dq 坐标系下的异步电动机模型。
4.1.1 坐标变换
异步电动机三相原始动态模型相当复杂，分析和求解这组非线性方程十分困难。在实际应用中必须予以简化，简化的基本方法就是坐标变换。
矢量变换是简化交流电动机复杂模型的重要数学方法，是交流电动机矢量控制的基础。矢量变换包括三相静止坐标系和两相静止坐标系的变换，两相静止坐标系和两相旋转坐标系的变换，以及直角坐标和极坐标的变换等。不同坐标系中电动机模型等效的原则是：在不同坐标下绕组所产生的合成磁动势相等，变换前后总功率不变。
（1）三相静止坐标系和两相静止坐标系的变换(简称3/2变换)
在交流电动机中三相对称绕组通以三相对称电流可以在电动机气隙中产生空间旋转的磁场，在功率不变的条件下，按磁动势等效的原则，三相对称绕组产生的空间旋转磁场可以用两相对称绕组来等效。三相绕组和两相绕组电压、电流和磁动势之间的关系描述出了ABC 和αβ 两个坐标系中的磁动势矢量，按照磁动势相等的等效原则，三相合成磁动势与两相合成磁动势相等，故两套绕组磁动势在α、
β 轴上的投影都应相等，因此
)2
1
21(3cos
3
cos
33332C B A C B A i i i N i N i N i N i N --=--=π
π
α )(2
3
3
sin
3
sin
3332C B C B i i N i N i N i N -=
-=π
π
β
经过数学换算，可得两相正交坐标系变换到三相坐标系（简称2/3变换）的变换矩阵
?????
???
?
?????????---
=232
1232101323
/2C （4-1） 在前述条件下，电压和磁链的变换阵与电流变换阵相同。 （2）两相静止坐标系和两相旋转坐标系的变换(简称2s/2r 变换)
两相静止绕组，通以两相平衡交流电流，产生旋转磁动势。如果令两相绕组转起来，且旋转角速度等于合成磁动势的旋转角速度,则两相绕组通以直流电流就产生空间旋转磁动势。从两相静止坐标系αβ到两相旋转坐标系dq 的变换,称为两相旋转－两相静止变换，简称2s/2r 变换，其中s 表示静止，r 表示旋转，变换的原则同样是产生的磁动势相等。
αi 、βi 和d i 、q i 之间存在下列关系： ?
???βαβαcos sin sin cos i i i i i i q d +-=+=
写成矩阵形式，得
??
?
???=??????????
??-=??????βαβα????
i i C i i i i r s q d 2/2cos sin sin cos （4-2） 式(4-2)中，?为q d -坐标系d 轴与坐标系轴之间的夹角。则两相静止到两相旋转坐标系的变换矩阵为
??
?
?
??-=????cos sin sin cos 2/2r
s C （4-3） 对(4-3)式进行逆变换可以得到两相静止到两相旋转的变换矩阵为：
??
?
???-=??
??cos sin sin cos 2/2s
r C （4-4） 电压和磁链的旋转变换阵与电流旋转变换阵相同]13[。
4.1.2 建立dq 坐标系下电机模型
（1）动态模型数学表达式
异步电动机在两相同步旋转坐标系上的数学模型包括电压方程、磁链方程和电磁转矩方程和运动方程。
旋转正交坐标系中的异步电动机的电压方程为
??
???????
???----+??????????????+??
????????????????????????=??????????????rd rq sd sq rq rd sq sd rq rd sq sd r r s s rq rd sq sd dt d i i i i R R R R u u u u ψωωψωωψωψωψψψψ)()(0
000000000
1
111 （4-5） 磁链方程为
?
?????????????????????????=?????????????
?rq rd sq sd r m
r m m s m s
rq rd sq sd i i i i L L L L L L L L 0
0000000
ψψψψ （4-6） 转矩方程为
)(rq sd rd sq m p e i i i i L n T -= （4-7）
运动方程为
L e p T T dt
d n J -=ω
（4-8） 以上式中m L ——定子与转子同轴等效绕组间的互感，s L ——定子等效两相绕组间的自感，r L ——转子等效两相绕组间的自感，1ω——dq 相对于定子的旋转角速度，p n ——极对数，J ——转动惯量。 （2）以r s i ψω--为状态变量的状态方程
旋转正交坐标系上的异步电动机具有四阶电压方程和一阶运动方程，因此需要选取五个状态变量。可选的状态变量共有九个，这九个变量分为五组：转速ω；定子电流sd i 和sq i ；转子电流rd i 和rq i ；定子磁链sd ψ和sq ψ；转子磁链rd ψ和rq ψ。
转速作为输出变量必须选取，其余的四组变量可以任意选取两组，定子电流可以直接检测，应当选为状态变量，剩下的三组均不可直接检测或检测十分困难，考虑到磁链对电动机的运行很重要，可以在定子磁链和转子磁链中任选一组。在此次设计中以r s i ψω--为状态变量。
状态变量
X =[ω rd ψ rq ψ sd i sq i ]T （4-9）
输入变量
U =[sd u sq u 1ω L T ]T （4-10）
输出变量
Y =[ω r ψ]T （4-11）
考虑到笼形转子内部是短路的，则0==rq rd u u ，消去rd i 、rq i 、sd ψ、sq ψ，经整理后可得到状态方程和转矩方程
s sq sd sq r
s m
r r s rd r s m rq r r s m sq
s sd sq sd r
s m
r r s rq r s m rd r r s m sd sq r
m rd rq r rq sd r m rq rd r rd L p rq sd rd sq r m
p L u i i L L L R L R L L L T L L L dt di L u i i L L L R L R L L L T L L L dt di i T L T dt
d i T L T dt d T J
n i i JL L n dt d σωσωψσψσσωσωψσψσψωωψψψωωψψψψω+-+--=+++-+=+---
=+-+-=--=122
2122
2112
)(1
)(1
)( 式σ——
电动机漏磁系数，r
s m L L L 21-=σ；r T ——转子电磁时间常数，r r r R L
T =。
转矩方程
）
（rq sd rd sq r
m
p e i i L L n T ψψ-= （4-13） 输出方程
Y =[ω
2rq 2rd ψψ+]T （4-14）
4.2 异步电动机按转子磁链定向的矢量控制
按转子磁链定向矢量控制的基本思想式通过坐标变换，在按转子磁链定向同步旋转正交坐标系中，得到等效的直流电动机模型，仿照直流电动机的控制方法控制电磁转矩与磁链，然后将转子磁链定向坐标系中的控制量反变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。由于变换的是矢量，所以这样的坐标变换也可称做矢量变换，相应的控制系统称为矢量控制系统或按转子磁量定向控制系统。
4.2.1按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系状态方程
在旋转正交dq 坐标系中，如果令d 轴与转子磁链矢量重合，此时的坐标系也可称作按转子磁链定向同步旋转正交坐标系，简称mt 坐标系，此时，d 轴改称m 轴，
q 轴改称t 轴。
转子磁链旋转矢量r ψ的空间角度为?，它与旋转角速度1ω的关系为
dt
d ?
ω=
1 （4-15） 由于d 轴与转子磁链矢量重合，因此
（4-12）
在异步电动机调速系统中，调速性能最好、应用最广的系统是变压变频调速系统。在这种系统中，要调节电动机的转速，须同时调节定子供电电源的电压和频率，可以使机械特性平滑地上下移动，并获得很高的运行效率。但是，这种系统需要一台专用的变压变频电源，增加了系统的成本。近来，由于交流调速日益普及，对变压变频器的需求量不断增长，加上市场竞争的因素，其售价逐渐走低，使得变压变频调速系统的应用与日俱增。下面首先叙述异步电动机的变压变频调速原理。 交流异步电动机变频调速原理： 变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。 现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。 变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。 交-直部分 整流电路：由VD1-VD6六个整流二极管组成不可控全波整流桥。对于380V的额定电源，一般二极管反向耐压值应选1200V，二极管的正向电流为电机额定电流的1.414-2倍。（二）变频器元件作用 电容C1： 是吸收电容,整流电路输出是脉动的直流电压，必须加以滤波， 变压器是一种常见的电气设备，可用来把某种数值的交变电压变换为同频率的另一数值的交变电压，也可以改变交流电的数值及变换阻抗或改变相位。 压敏电阻： 有三个作用,一过电压保护,二耐雷击要求,三安规测试需要. 热敏电阻：过热保护 霍尔: 安装在UVW的其中二相,用于检测输出电流值。选用时额定电流约为电机额定电流的2倍左右。 充电电阻： 作用是防止开机上电瞬间电容对地短路，烧坏储能电容开机前电容二端的电压为0V；所以在上电（开机）的瞬间电容对地为短路状态。如果不加充电电阻在整流桥与电解电容之间，则相当于380V电源直接对地短路，瞬间整流桥通过无穷大的电流导致整流桥炸掉。一般而言变频器的功率越大，充电电阻越小。充电电阻的选择范围一般为：10-300Ω。 储能电容： 又叫电解电容，在充电电路中主要作用为储能和滤波。PN端的电压电压工作范围一般在430VDC～700VDC 之间，而一般的高压电容都在400VDC左右，为了满足耐压需要就必须是二个400VDC的电容串起来作800VDC。容量选择≥60uf/A 均压电阻：防止由于储能电容电压的不均烧坏储能电容；因为二个电解电容不可能做成完全一致，这样每个电容上所承受的电压就可能不同，承受电压高的发热严重（电容里面有等效串联电阻）或超过耐压值而损坏。
课题：转速开环恒压频比控制的交速 姓名：谢海波 学号：P091812925 专业班级：电气工程及其自动化（3）班 西北民族大学电气工程学院 转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统
摘要：转速开环恒压频比控制是交流电动机变频调速最基本的控制方式，一般变频调速装置都有这项功能，恒压频比的转速开环工作方式能满足大多数场合交流电动机调速控制的要求，并且使用方便，是通用变频器的基本模式。采用恒压频比控制，在基频以下的调速过程中的转差率基本不变，所以电动机的机械特性较硬，电动机有较好的调速性能。异步电动机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现在它的应用面很广，目前交流异步电动机的调速系统已经广泛应用于数控机床、风机、泵类、传送带、给料系统、空调器等设备的电力源和动力源，并起到了节省电能，提高设备自动化，提高产品质量的良好效果.下文在详细分析交流异步电动机变频调速的原理基础上，应用MATLAB/SIMULINK仿真软件，实现了转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统的仿真，并且详细分析了仿真结果。 关键词：异步电动机；变频调速；MATLAB 仿真 1．仿真系统说明 本文对交流系统进行建模仿真，可以更加熟悉交流调速系统的结构，掌握各种调速系统的优缺点，选择合理的方案，解决实际中的问题。在进行电动机调速时，常须考虑的一个重 要因素，就是希望保持电动机中每极磁通量为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用 电机的铁芯，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，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。对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰 当的补偿，保持不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通由定子和转子磁动势合成产生，要保持磁通恒定就要费一些周折。 2．变频调速控制方式和原理 转速开环恒压频比控制是交流电动机变频调速最基本的控制方式，一般变频调速装置都带有这项功能，在异步电动机调速时，总希望保持主磁通为额定值。由异步电机定子每相电动势有效值可知，如果略去定子阻抗下降，有 （1） 由(1)式知，若定子端电压不变，随着升高，将减小。又由转矩公式 知，在相同的情况下，减小会导致电动机输出转矩下降，严重时会使电动机堵转。因此， 在变频调速过程中应该同时改变定子电压和频率，以保持主磁通不变。而如何按比例改变电压和频率，要分基频以下和基频以上两种情况。 2.1基频以下调速 恒定压频比调速要求；当相对较高时，可忽略定子电阻那么最大实用转
目录 1 绪论 (1) 1.1课题的背景 (1) 1.1.1 电机的起源和发展............................. 错误！未定义书签。 1.1.2 变频调速技术的发展和应用..................... 错误！未定义书签。 1.2本文设计的主要内容............................... 错误！未定义书签。 2 变频调速系统的方案确定 (4) 2.1变频调速系统 (4) 2.1.1 三相交流异步电动机的结构和工作原理 (4) 2.1.2 变频调速原理 (4) 2.1.3 变频调速的基本控制方式 (5) 2.2系统的控制要求 (6) 2.3方案的确定 (6) 2.3.1 电动机的选择 (6) 2.3.2 开环控制的选择 (7) 2.3.3 变频器的选择 (7) 4 变频调速系统的硬件设计 (8) 4.1S7-200PLC (8) 4.2M ICRO M ASTER420变频器 (8) 4.3外部电路设计 (9) 4.3.1 变频开环调速 (9) 4.3.2 数字量方式多段速控制 (11) 4.3.3 PLC、触摸屏及变频器通信控制 (12) 5 变频调速系统的软件设计 (14) 5.1编程软件的介绍 (14)
5.2变频调速系统程序设计 (15) 6 触摸屏的设计 (23) 6.1触摸屏的介绍 (23) 6.2MT500系列触摸屏 (25) 6.3触摸屏的设计过程 (26) 6.3.1 计算机和触摸屏的通信 (26) 6.3.2 窗口界面的设计 (27) 6.3.3 触摸屏工程的下载 (31) 7 PLC系统的抗干扰设计 (33) 7.1 变频器的干扰源 (33) 7.2干扰信号的传播方式 (33) 7.3 主要抗干扰措施 (34) 7.3.1 电源抗干扰措施 (34) 7.3.2 硬件滤波及软件抗干扰措施 (34) 7.3.3 接地抗干扰措施 (34) 结论 (36) 致谢 ................................................ 错误！未定义书签。参考文献 .. (37)
摘要 异步电动机采用变频调速技术，具有调速范围广，调速时因转差功率不变而无附加能量损失的优点，因此，变频调速是一种性能优良的高效调速方式。 本文以MATLAB为仿真工具，介绍了Simulink中的仿真模块，研究了交流电机变频调速系统，分析了变频器的构成和工作原理，并据此对逆变电路进行了仿真设计。首先对调速系统仿真所需要的各种电力系统模块做了简要的介绍，说明了逆变器的工作原理，在此基础上用MATLAB/Simulink软件分别对各种电路模块进行了仿真设计，进而设计出了实际中广泛应用的交-直-交变频器的仿真模型，实现了对交流电机变频调速系统的仿真研究，在此基础上建立电机模型，进行矢量控制设计，以带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制的方法对异步电动机变频调速系统进行建模和仿真，并对仿真结果进行了分析,由仿真结果可以看出系统转速的动态响应快，稳态跟踪精度高，表明此建模方法是可行和有效的。 关键词：MATLAB/Simulink变频调速逆变器仿真
ABSTRACT With the application of frequency and speed conversion technology to synchronous motor, its speed can be wide-ranged adjusted. When it comes to adjusting speed, because of slip power unchanged, there is no additional energy lost. Thus it makes this technology a high-equality and efficient way to exchange the speed. This thesis, aiming at MATLAB as simulation tool, introduces Simulink simulation module and the AC motor speed control system as the subject of the research and analyzes the structure of the inverter and how it works. On this basis,a variety of inverter circuit simulation designs are conducted. First of all, this thesis makes a brief introduction about power system module power which needs power electronic simulation, the working principle of the inverter included. Based on the theory above, then MATLAB / Simulink software are used in the simulation designs about different kinds of circuit modules. Moreover the designs of the simulation model of widely-used cross - DC - AC inverter are conducted to achieve the goal of the simulation study of AC motor speed control system, carries the modelling and the simulation on asynchronous motor adjusting-speed system based on vector control with torque inner rim and flux linkage of closed loop，gives out the simulation and makes analyse to it．The simulation result of the model shows the speed of dynamic response and the accuracy of steady-state tracking，also confirmes that the modelling is feasible and effective． Key words：MATLAB/Simulink Frequency Control Inverter Simulation
东北石油大学 MATLAB电气应用训练 2013年 3 月 8日
MATLAB电气应用训练任务书 课程 MATLAB电气应用训练 题目直流电动机开环调速系统仿真 专业电气信息工程及其自动化姓名赵建学号 110603120121 主要内容： 采用工程设计方法对双闭环直流调速系统进行设计,选择调节器结构,进行参数的计算和校验；给出系统动态结构图,建立起动、抗负载扰动的MATLAB /SIMULINK 仿真模型。分析系统起动的转速和电流的仿真波形,并进行调试,使双闭环直流调速系统趋于合理与完善 基本要求： 1.设计直流电动机开环调速系统 2.运用MATLAB软件进行仿真 3.通过仿真软件得出波形图 参考文献： [1] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统—运动控制系统第3版[M]. 北京：机械工业出版社, 2007. [2] 王兆安, 黄俊. 电力电子技术第4版[M]. 北京：机械工业出版社, 2000. [3] 任彦硕. 自动控制原理[M]. 北京：机械工业出版社, 2006. [4] 洪乃刚. 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M]. 北京：机械工业出版社, 2006. 完成期限 2013.2.25——2013.3.8 指导教师李宏玉任爽 2013年 2 月25 日
目录 1课题背景 (1) 2直流电动机开环调速系统仿真的原理 (2) 3仿真过程 (5) 3.1仿真原理图 (5) 3.2仿真结果 (9) 4仿真分析 (12) 5总结 (13) 参考文献 (14)
1课题背景 直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代，随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力传动控制技术研究和应用的繁荣。晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。现在的直流和交流调速装置都是数字化的，使用的芯片和软件各有特点，但基本控制原理有其共性。 长期以来，仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上，即在系统模型建立以后要设计一种算法。以使系统模型等为计算机所接受，然后再编制成计算机程序，并在计算机上运行。因此产生了各种仿真算法和仿真软件。 由于对模型建立和仿真实验研究较少，因此建模通常需要很长时间，同时仿真结果的分析也必须依赖有关专家，而对决策者缺乏直接的指导，这样就大大阻碍了仿真技术的推广应用。 MATLAB提供动态系统仿真工具Simulink，则是众多仿真软件中最强大、最优秀、最容易使用的一种。它有效的解决了以上仿真技术中的问题。在Simulink中，对系统进行建模将变的非常简单，而且仿真过程是交互的，因此可以很随意的改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的结果。另外，使用MATLAB中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。 Simulink可以超越理想的线性模型去探索更为现实的非线性问题的模型，如现实世界中的摩擦、空气阻力、齿轮啮合等自然现象；它可以仿真到宏观的星体，至微观的分子原子，它可以建模和仿真的对象的类型广泛，可以是机械的、电子的等现实存在的实体，也可以是理想的系统，可仿真动态系统的复杂性可大可小，可以是连续的、离散的或混合型的。Simulink会使你的计算机成为一个实验室，用它可对各种现实中存在的、不存在的、甚至是相反的系统进行建模与仿真。 传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。随着生产技术的发展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面提出了更高要求，这就要求大量使用调速系统。由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，从20世纪30年代
第一节 交流异步电动机变频调速原理 根据电机学原理，交流异步电动机的转速可表示为： )1(**60s p f n -= （2-1-1） 式中： n 一 电动机转速/分钟，单位：r/min ； p 一 电动机磁极对数； f 一 电源频率，单位：Hz ； s 一 转差率，10<
I 一 定子绕组的相电流； r 一 定子绕组电阻与转子绕组电阻折算到定子侧的电阻之和。 交流异步电动机的定子绕组的感应电动势是定于绕组切割旋转磁场磁力线的结果， 其 有效值计算如下： E = K * f * Φ （2-1-3） 式中：Ｋ 一 与电动机结构有关的常数； ｆ 一 电源频率； Φ 一 磁通量 。 由式（2-1-2）知，加在电机绕组端的电源电压Ｕ，一部分产生感应电动势Ｅ，另一部 分消耗在电阻 r （ 定子绕组电阻与转子绕组电阻折算到定子侧的电阻之和 ）上 。其中定 子绕组的相电流 I 由两部分构成： 21I I I += （2-1-4） 电机的定子电流有一小部分1I 用于建立磁场的主磁通，其余大部分2I 用于产生拖动负 载的电磁力。 由式 （2-1-1）知，调整电源频率f 时，可以调节速度n 。 当电源频率f 下降时，由 式 （2-1-3）知，感应电动势随之比例减小；在相电压U 保持不变的情况下，由式（2-1-2） 知，定子绕组的相电流I 相应增大。在很多情况下，电机的负载是基本恒定的，因此用于产 生电磁力的电流2I 是基本不变的，于是1I 将增大；1I 的增大将直接导致主磁通的增大。由 式 （2-1-3），主磁通的增大，将引起感应电动势Ｅ比例增大；由式（2-1-2），感应电动势 Ｅ的增大将使定子电流I 减小。不难理解，通过这样的负反馈，电机将最终稳定在一个新的 工作点。 这样的控制方法看起来似乎没有问题。但实际情况是主磁通容量上限与电机的铁芯有 关。电机的铁芯受制于重量、体积、成本等因素的考虑，不可能做的很大。对于电机设计来 说，设计目标之一就是：当电机处于额定工作状态下时，主磁通接近容量上限。上述的变频 调速方法工作在额定频率以下时，将会导致铁心磁饱和，引起电流波形畸变，有效力矩下降； 严重时，将导致电机发热过快，振动和噪音加大；工作在额定频率以上时，铁心处于弱磁状 态，电磁力矩不足，电机的机械特性变软（转差率s 变大），带载能力下降。 结论：通过只调节电源频率来调节速度的方法不可取。
1 设计任务 1、了解并熟悉双闭环三相异步电机调压调速原理及组成。 2、学习 SIMULINK，熟悉相关的模块功能。 3、进一步理解交流调压系统中电流环和转速环的作用。 2 设计要求 1、利用SIMULINK建立闭环调速系统仿真模型。 2、调试完成调压模块仿真、开环系统仿真、闭环系统仿真。 3 设计设备 1、计算机一台 2、MATLAB仿真软件 4 设计原理 调压调速即通过调节通入异步电动机的三相交流电压大小来调节转子转速的方法。理论依据来自异步电动机的机械特性方程式： 其中，p为电机的极对数； 为定子电源角速度； w 1 为定子电源相电压； U 1 R ’为折算到定子侧的每相转子电阻； 2 为每相定子电阻； R 1 L 为每相定子漏感； 11 L 为折算到定子侧的每相转子漏感； 12 S为转差率。 图1 异步电动机在不同电压的机械特性
由电机原理可知，当转差率s 基本保持不变时，电动机的电磁转矩与定子电压的平方成正比。因此，改变定子电压就可以得到不同的人为机械特性，从而达到调节电动机转速的目的。 4.1 调压电路 改变加在定子上的电压是通过交流调压器实现的。目前广泛采用的交流调压器由晶闸管等器件组成。它是将三个双向晶闸管分别接到三相交流电源与三相定子绕组之间通过调整晶闸管导通角的大小来调节加到定子绕组两端的端电压。这里采用三相全波星型联接的调压电路。 图2 调压电路原理图 4.2 开环调压调速 开环系统的主电路由触发电路、调压电路、电机组成。原理图如下： Ua Ub Uc T2 T3 T5 T4 T6 R R R N T1
图3 开环调压系统原理图 AT为触发装置，用于调节控制角的大小来控制晶闸管的导通角，控制晶闸管输出电压来调节加在定子绕组上的电压大小。
中南大学 《工程训练》 ——设计报告 设计题目：异步电机变频调速 指引教师：黎群辉 设计人：冯露 学号： 专业班级：自动化0906班 设计日期：9月
交流异步电动机变频调速系统设计 摘要 近年来,交流电机变频调速及其有关技术研究己成为当代电气传动领域一种重要课题,并且随着新电力电子器件和微解决器推出以及交流电机控制理论发展，交流变频调速技术还将会获得巨大进步。 本文对变频调速理论，逆变技术，SPWM产生原理进行了研究，在此基本上设计了一种新型数字化三相SPWM变频调速系统，以8051控制专用集成芯片 SA4828为控制核心，采用IGBT作为主功率器件，同步采用EXB840构成IGBT驱动电路，整流电路采用二极管，可使功率因数接近1，并且只用一级可控功率环节，电路构造比较简朴。 V控制，同步，软件程序使得参数输入和变频器运营方式变本文在控制上采用恒 f 化极为以便，新型集成元件采用也使得它开发周期短。 此外，本文对SA4828三相SPWM波发生器使用和编程进行了详细简介，完毕了整个系统控制某些软硬件设计。 V控制，SA4828波形发生器 核心字:变频调速，正弦脉宽调制， f
目录 摘要................................................ 错误!未定义书签。 1.1 研究目与意义 (1) 1.2本次设计方案简介 (2) 1.2.1 变频器主电路方案选定 (2) 1.2.2 系统原理框图及各某些简介 (3) 1.2.3 选用电动机原始参数 (4) 2交流异步电动机变频调速原理及办法 (5) 2.1 异步电机变频调速原理 (5) 2.2 变频调速控制方式及选定 (6) V比恒定控制 (6) 2.2.1 f 2.2.2 其他控制方式................................ 错误!未定义书签。3变频器主电路设计. (13) 3.1 主电路工作原理 (13) 3.2 主电路各某些设计 (13) 3.3. 采用EXB840IGBT驱动电路 (15) 4控制回路设计 (16) 4.1 驱动电路设计 (16) 4.2 保护电路......................................... 错误!未定义书签。 4.2.1 过、欠压保护电路设计........................ 错误!未定义书签。 4.2.2 过流保护设计................................ 错误!未定义书签。 4.3 控制系统实现 (19) 5变频器软件设计....................................... 错误!未定义书签。 5.1 流程图 (22)
一、三相异步电动机变频调速原理 由于电机转速n 与旋转磁场转速1n 接近，磁场转速1n 改变后，电机转速n 也就随之变化，由公式1 160f n p =可知，改变电源频率1f ，可以调节磁场旋转，从而改变电机转速，这种方法称为变频 调速。 根据三相异步电动机的转速公式为 ()()1 16011f n s n s p = -=- 式中1f 为异步电动机的定子电压供电频率；p 为异步电动机的极对数；s 为异步电动机的转差率。 所以调节三相异步电动机的转速有三种方案。异步电动机的变压变频调速系统一般简称变频调速系统，由于调速时转差功率不变，在各种异步电动机调速系统中效率最高，同时性能最好，是交流调速系统的主要研究和发展方向。 改变异步电动机定子绕组供电电源的频率1f ，可以改变同步转速n ，从而改变转速。如果频率1f 连续可调，则可平滑的调节转速，此为变频调速原理。 三相异步电动机运行时，忽略定子阻抗压降时，定子每相电压为 1111m 4.44m U E f N k φ≈= 式中1E 为气隙磁通在定子每相中的感应电动势；1f 为定子电源频率；1N 为定子每相绕组匝数； m k 为基波绕组系数，m φ为每极气隙磁通量。 如果改变频率1f ，且保持定子电源电压1U 不变，则气隙每极磁通m φ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1f 时，必须同时降低电源电压，已达到控制磁通m φ的目的。 .1、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1f 时，保持 1 1 U f 为常数，使气每极磁通m φ为常数，应使电压和频率按比例的配合调节。这时，电动机的电磁转 矩为 ()()2 22 2 11 1 111 2 12222111211222p r r m pU f m U s s T f r r f r x x r x x s s ππ?? ?? ?? ??? ??? ?? ??? ''??= = ?''????'+++'+++ ? ? ? [1][8]
机电传动与控制课程综合训练三 一、综合训练项目任务书 综合训练项目：交流电机变频调速系统 目的和要求：加强对交流变频调速系统及变频器的理解；应用交流变频调速系统及变频器解决交流电机变频调速问题。提高分析和解决实际工程问题的能力。促成“富于探索精神，具有较强的自学能力、开拓创新意识和敏锐的观察事物以及分析处理事物的能力”的目标实现。 成果形式：交流电机变频调速系统设计说明书。 相关参数：参看《机电传动控制》（第五版），冯清秀等编著，华中科技大学出版社，P291~316。 一、综合训练项目设计内容 1.变频调速系统 1.1 三相交流异步电动机的结构和工作原理 三相交流异步电动机是把电能转换成机械能的设备。一般电动机主要由两部分组成：固定部分称为定子，旋转部分称为转子。三相交流异步电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。当磁极沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。电动势的方向由右手定则来确定。因为运动是相对的，假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。该电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来。 1.2 变频调速原理 变频器可以分为四个部分，如图1.1所示。 通用变频器由主电路和控制回路组成。给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。主电路包括整流器、中间直流环节（又称平波回路）、逆变器。
图1.1 变频器简化结构图 ⑴整流器。它的作用是把工频电源变换成直流电源。 ⑵平波回路（中间直流环节）。由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动状态还是发电状态，起始功率因数总不会等于1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件—电容器或电感器来缓冲，所以中间直流环节实际上是中间储能环节。 ⑶逆变器。与整流器的作用相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率。逆变器的结构形式是利用6个半导体开关器件组成的三相桥式逆变器电路。通过有规律的控制逆变器中主开关的导通和断开，可以得到任意频率的三相交流输出波形。 ⑷控制回路。控制回路常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电路，驱动电路和制动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制，以及完成各种保护功能。控制方式有模拟控制或数字控制。 2.系统的控制模型 本系统的结构如图1.2所示。
摘要 现在流行的异步电动机的调速方法可分为两种：变频调速和变压调速，其中异步电动机的变频调速应用较多，它的调速方法可分为两种：变频变压调速和矢量控制法，前者的控制方法相对简单，有二十多年的发展经验。因此应用的比较多，目前市场上出售的变频器多数都是采用这种控制方法。本设计采用恒压变频调速并在MTALAB运行环境下进行仿真设计并运行仿真模型得出结论。 关键词:交流调速系统, 异步电动机, PWM技术MATLAB.....
目录 摘要................................ 错误！未定义书签。第一章前言.......................... 错误！未定义书签。 1.1 设计的目的和意义................. 错误！未定义书签。 1.2变频器调速运行的节能原理......... 错误！未定义书签。第二章交流异步电动机............... 错误！未定义书签。 2.1交流异步电动机变频调速基本原理 ... 错误！未定义书签。 2.2变频变压（VVVF）调速时电动机的机械特性 (6) 2.3变压变频运行时机械特性分折 (7) 第三章变频技术简介和控制方法 (11) 3.1 变频调速技术简介 (11) 3.2变频器工作原理及分类 (12) 3.3 交流调速的基本控制方法 (18) 3.4脉冲宽度调制（PWM）技术 (21) 第四章异步电动机变频调速系统设计的仿真和实现 (24) 4.1 MATLAB的编程环境 (24) 4.2仿真结果 (29) 结论 (30) 致谢.............................. 错误！未定义书签。参考文献............................ 错误！未定义书签。
交流电动机调速系统的分类 1.同步电动机调速系统 同步电动机只能依靠改变频率来进行调速，而根据频率控制方式的不同，可把同步电动机调速系统分为他控式和自控式两种类型。 如果用独立的变频装置作为同步电动机的变频电源进行调速，则称之为他控式同步电动机调速系统，大多用于类似永磁同步电动机的小容量场合。 采用频率闭环方式的同步电动机调速系统称为自控式同步电动机调速系统，它是用电动机轴上安装的位置检测器来控制变频装置触发脉冲，使同步电动机工作在自同步状态。自控式同步电动机调速系统又可细分为负载换向自控式同步电动机调速系统和交一交变频供电的自控式同步电动机调速系统。 负载换向自控式同步电动机调速系统叉称为x换向器电机，它的主电路采用交一直-交电流型变流器，利用同步电动机电流超前电压的特点，使逆变器的晶闸管工作在自然换向状态。这种系统又被称为LCI(Load Commutated Inve11er)，它的容量已达到数万千伏安，电压达万伏以上。 交一交变频同步电动机调速系统的逆变器由晶闸管组成，采用交一交循环变流结构和矢量控制技术，具有优良的动态性能，广泛地用于轧钢机主传动系统中。交一交变频同步电动机调速系统的容量很大，但调频范围只能限制在工频的三分之一左右。 2.异步电动机调速系统 在异步电动机中，从定子传入转子的电磁功率可以分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率；另一部分是转差功率，与转差率成正比，它的去向是调速系统效率高低的标志。就转差功率的处理方式的不同，异步电动机调速系统可分成三大类。 (1)转差功率消耗型调速系统。这种调速系统全部转差功率都被消耗掉，用增加转差功率的消耗来换取转速的降低，因而效率也随之降低。降电压调速、电磁转差离合器调速及绕线异步电动机转子串电阻调速这三种方法都属于这一类。 (2)转差功率回馈型调速系统。这种调速系统的大部分转差功率通过变流装置回馈给电网或者加以利用，转速越低回馈的功率越多，但是增设的装置也要多消耗一部分功率。绕线异步电动机转子双馈调速即属于这一类。 (3)转差功率不变型调速系统。在这种调速系统中，转差功率仍旧消耗在转子里，但小论转速高低，转差功率基本不变。如变极对数调速、变频调速两种调速方法即属于这一类。 2.异步电动机转差回馈型调速系统 双馈调速足指将电能分别馈入异步电动机的定子绕组和转子绕组，通常将定子绕组接入工频电源，将转子绕组接到频率、幅值、相位和相序都可以调节的变频电源。如果改变转子绕组电源的频率、幅值、相位和相序，就可以调节异步电机的转矩、转速、转向及和定子侧的无功功率。这种双馈调速的异步电动机可以超同步或亚同步运行，不但可以工作在电动状态，而且可以工作在发电状态。 因为交一交变流器采用晶闸管自然换向方式，结构简单，可靠性高，而且交，交变流器能够直接进行能量转换，效率高，所以，在双馈调速方式中采用交．交变流器作为转子绕组的变频电源是比较合适的。 绕线式异步电动机串级调速系统是从定子侧馈入电能，从转子侧馈出电能的系统。从广义上说，它也是双馈调速系统的一种。 在双馈调速中，所用变频器的功率仅占电动机总功率的一小部分，可以大大降低变频器的容量，从而降低了调速系统的成本，此外，双馈电机还可以调节功率因数，由于具有这些优点，双馈电机特别适合应用于大功率的风机、水泵类负载的调速场合；双馈调速方式在风力、
湖南工程学院应用技术学院毕业设计说明书 目：题 专业班级：号：学学生姓名： 完成日期： 指导教师： 评阅教师：
2011 年 6 月
院术学学院应用技湖南工程务任书（论文）毕业设计 设计（论文）题目：交流异步电机的调速控制系统设计 姓名专业班级学号 指导老师职称教研室主任 一、基本任务及要求： 主要设计完成可控硅交流调压调速系统的设计，主要完成： （1）交流调压调速的原理和调压调速的静、动态性能分析； （2）系统组成与工作原理； （3）主电路与控制电路设计； （4）元器件选型及参数计算； （5）软件设计； （6）系统应用与调试说明。 二、进度安排及完成时间： （1）第一至第三周：查阅资料,撰写文献综述和开题报告。 （2）第四周至第五周：毕业实习。 （3）第六周至第七周：交流调压调速的原理和调压调速的静、动态性能分析。 （4）第八周至第九周：系统组成与工作原理；主电路与控制电路设计。
（5）第十周至第十二周：元器件选型及参数计算；软件设计；系统应用与调试说明。 （6）第十三周至第十五周：撰写毕业设计论文。 （7）第十六周：毕业设计答辩 目录 摘 要 .................................................................. .... I ABSTRACT ............................................................ ..... II 第1章绪 论 (1) 1.1 变频调速技术简介 ................................................. 1 1.2 变频器的发展现状和趋 势 (2) 1.2.1 变频器的发展现状 ............................................. 2 1.2.2 变频器技术的发展趋势 ......................................... 2 1.2 研究的目的与意义 ................................................. 3 1.3 本次设计方案简 介 (4) 1.3.1 变频器主电路方案的选定 ....................................... 4 1.3.2 系统原理框图及各部分简介 ..................................... 5 1.3.3 选用电动机原始参数 ........................................... 6 第2章交流异步电动机变频调速原理及方 法 (7)
毕业论文声明 本人郑重声明： 1．此毕业论文是本人在指导教师指导下独立进行研究取得的成果。除了特别加以标注地方外，本文不包含他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。对本文研究做出重要贡献的个人与集体均已在文中作了明确标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 2．本人完全了解学校、学院有关保留、使用学位论文的规定，同意学校与学院保留并向国家有关部门或机构送交此论文的复印件和电子版，允许此文被查阅和借阅。本人授权大学学院可以将此文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本文。 3．若在大学学院毕业论文审查小组复审中，发现本文有抄袭，一切后果均由本人承担，与毕业论文指导老师无关。 4.本人所呈交的毕业论文，是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。论文中凡引用他人已经发布或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。论文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中已明确的方式标明。 学位论文作者（签名）： 年月
关于毕业论文使用授权的声明 本人在指导老师的指导下所完成的论文及相关的资料（包括图纸、实验记录、原始数据、实物照片、图片、录音带、设计手稿等），知识产权归属华北电力大学。本人完全了解大学有关保存，使用毕业论文的规定。同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版或电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权大学可以将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存或编汇本毕业论文。如果发表相关成果，一定征得指导教师同意，且第一署名单位为大学。本人毕业后使用毕业论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为大学。本人完全了解大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存或汇编本学位论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入学校有关数据库和收录到《中国学位论文全文数据库》进行信息服务。在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 论文作者签名：日期： 指导教师签名：日期：
交流变频调速基本原理 一．异步电动机概述 1．异步电动机旋转原理 异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流相互作用产生的。 ⑴磁场以n0转速顺时针旋转，转子绕组切割磁力线，产生转子 电流 ⑵通电的转子绕组相对磁场运动，产生电磁力 ⑶电磁力使转子绕组以转速n旋转，方向与磁场旋转方向相同 2．旋转磁场的产生 旋转磁场实际上是三个交变磁场合成的结果。这三个交变磁场应满足： ⑴在空间位置上互差2π/3 rad电度角。这一点，由定子三相绕 组的布置来保证
⑵在时间上互差2π/3 rad相位角（或1/3周期）。这一点，由通 入的三相交变电流来保证 3．电动机转速 产生转子电流的必要条件是转子绕组切割定子磁场的磁力线。因此，转子的转速n必须低于定子磁场的转速n0，两者之差称为转差： Δn＝n0－n 转差与定子磁场转速（常称为同步转速）之比，称为转差率：s＝Δn / n0 同步转速n0由下式决定： n0＝60 f / p 式中，f为输入电流的频率，p为旋转磁场的极对数。 由此可得转子的转速 n＝60 f（1－s）/ p 二．异步电动机调速 由转速n＝60 f（1－s）/ p可知异步电动机调速有以下几方法： 1．改变磁极对数p （变极调速） 定子磁场的极对数取决于定子绕组的结构。所以，要改变p，必须将定子绕组制为可以换接成两种磁极对数的特殊形式。 通常一套绕组只能换接成两种磁极对数。 变极调速的主要优点是设备简单、操作方便、机械特性较硬、
效率高、既适用于恒转矩调速，又适用于恒功率调速；其缺点是有极调速，且极数有限，因而只适用于不需平滑调速的场合。2．改变转差率s （变转差率调速） 以改变转差率为目的调速方法有：定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速、串极调速等。 ⑴定子调压调速 当负载转矩一定时，随着电机定子电压的降低，主磁通减少，转子感应电动势减少，转子电流减少，转子受到的电磁力减少，转差率s增大，转速减小，从而达到速度调节的目；同理，定子电压升高，转速增加。 调压调速的优点是调速平滑，采用闭环系统时，机械特性较硬，调速范围较宽，缺点是低速时，转差功率损耗较大，功率因素低，电流大，效率低。调压调速既非恒转矩调速，也非恒功率调速，比较适合于风机泵类特性的负载。 分体机上的室内风机就是利用定子电压调速的方法进行调速的，其调速电路如下图。 根据风机速度的反馈信号，控制晶闸管SCR导通的相角，从而控制风机定子的输入电压，以控制风机的风速。 前面讲在空间位置上互差2π/3 rad电度角的三相绕组通以在时间上互差2π/3 rad相位角（或1/3周期）三相交变电流可产生旋转磁场，同样，在空间位置上互差π/2 rad电度角的两相绕组通以在时间上互差π/2 rad相位角（或1/2周期）两相交变电
异步电动机矢量控制系统仿真 1.异步电机矢量控制系统的原理及其仿真 1.1 异步电动机矢量控制原理 异步电机矢量变换控制系统和直接转矩控制系统都是目前已经获得应用的高性能异步电机调速系统，对比直接转矩控制系统，矢量变换系统有可以连续控制，调速范围宽的优点，因此矢量变换控制系统为现代交流调速的重要方向之一。 本文采用的是转子磁场间接定向电流控制型交流异步电机矢量控制系统[1]，如图1所示。 图1矢量变换控制系统仿真原理图 如果把转子磁链方向按空间旋转坐标系的M轴方向定向，则可得到按转子磁场方式定向下的三相鼠笼式异步电动机的矢量控制方程。 （1） （2） （3） （4）
（5） 上列各式中，是转子励磁电流参考值；是转差角频率给定值；是定子电流的励磁分量；是定子电流的转矩分量；是定子频率输入角频率； 是转子速度；是转子磁场定向角度；是转子时间常数；和分别是电机互感和转子自感。 图4所示控制系统中给定转速与实际电机转速相比较，误差信号送入转速调节器，经转速调节器作用产生给定转矩信号，电机的激磁电流给定信号根据电机实际转速由弱磁控制单元产生，再利用式（1）产生定子电流激磁分量给定信号，定子电流转矩分量给定信号则根据式（2）所示的电机电磁转矩表达式生成。、和转子时间常数Lr一起产生转差频率信号，与ωr相加生成转子磁场频率给定信号，对积分则得到转子磁场空间角度给定信号。和经坐标旋转和2/3相变换产生定子三相电流给定信号、和，与定子三相电流实测信号、和相比较，由滞环控制器产生逆变器所需的三相PWM信号。 1.2 异步电机转差型矢量控制系统建模 在MATLAB/SIMULINK环境下利用电气系统模块库中的元件搭建交流异步电机转差型矢量控制系统[2]，电流控制变频模型如图2所示。 图2 电流控制变频模型图 整个仿真图由电气系统模块库中的元件搭建组成，元件的直观连接与实际的主电路相像似，其中主要包括：速度给定环节，PI速度调节器、坐标变换模块、