通用变频器的仿真研究

变频器仿真模拟及其应用随着电力电子技术的不断发展，变频器在各种电力变换和控制系统中得到广泛应用。

变频器作为能够改变交流驱动电机的频率和电压的装置，在电机控制中起着至关重要的作用。

随着变频器技术的迅速发展，仿真模拟技术被越来越广泛地应用于变频器的设计和控制中，成为变频器研究领域中的一个重要工具。

本文将介绍变频器仿真模拟技术的基本原理、应用和发展趋势。

一、变频器仿真模拟技术的基本原理变频器仿真模拟技术是指利用电脑计算机软件来模拟变频器运行过程的一种技术。

它不同于实验实测，基于类比电路与传统计算的方法，它采用数字信号处理算法，用软件程序模拟变频器内部的电路运行及控制系统的实时响应，将复杂的变频器系统转换成电路仿真模型进行分析和测试。

变频器仿真模拟技术利用仿真软件建立变频器模型，通过模拟变频器内部电路及控制系统的实时响应过程，掌握变频器运行的各种特性参数和性能。

二、变频器仿真模拟技术的应用1. 参数选择和设计仿真技术可以帮助我们快速理解选择相应的元器件，优化整体的电路结构，得到最符合设计要求的变频器电路。

变频器仿真软件可以通过接口设定变频器电路的参数，自动计算电路元件的参数值，减少了手工计算，并降低组装测试的人力成本和时间消耗。

2. 故障诊断和调试变频器仿真模拟技术在变频器故障诊断和调试方面有很大的应用。

许多仿真软件都提供了故障诊断功能，通过模拟测试，可以定位变频器故障出现的位置，为实施正确的维护和修理提供基础。

3. 值得信任的控制算法控制算法的好坏对变频器控制系统的性能有着至关重要的影响。

使用仿真模拟技术，可以用于计算出控制算法的运行时间、响应时间、稳态误差，进行控制算法的分析和评估，可以确保控制算法的正确性和稳定性。

三、变频器仿真模拟技术的发展趋势随着变频器应用领域的不断拓展，变频器仿真模拟技术也不断发展。

以下是几个变频器仿真模拟技术的示例：1. 人工智能仿真人工智能技术的发展为变频器仿真模拟提供了新途径。

摘要随着电力电子器件和微处理器芯片的发展，使得数字化变频调速技术成为当代电机控制技术的趋势。

传统的SPWM控制算法未顾及输出电流波形，不易于数字化。

所以需要更进一步的控制算法，来使电机产生恒定转矩，于是便产生电压空间矢量PWM(Space Vector Pulse Width Modulation，简称SVPWM)控制算法。

变频器SVPWM控制系统就是利用该算法的来对异步电机实行控制的，它的输出谐波小，也使得直流侧的电压利用率提升了15%。

本课题变频器的控制芯片是TMS320F2812DSP，采用SVPWM调制技术，产生PWM波形，并对6个IGBT的通断进行控制，从而在电机空间产生圆形旋转磁场，使电机产生恒定转矩。

本文最后一章还使用MATLAB /SIMULINK对变频器SVPWM进行仿真分析，仿真结果进一步验证了变频器SVPWM算法的可行性和正确性。

关键词：变频器；SVPWM；异步电机；MATLAB/SIMULINK仿真AbstractWith the development of power electronic devices and microproc essor chips, digital frequency conversion technology has become the trend of modern motor control technology. The traditional SPWM control algorithm does not take into account the output current waveform, not easy to digitize. Therefore, the need for further control algorithms, so that the motor generates a constant torque, so it will produce a voltage space vector PWM (Space Vector Pulse Width, SVPWM). Inverter SVPWM control system is the use of the algorithm to control the motor, its output harmonic is small, but also makes the DC side voltage utilization increased by 15%.The inverter control chip is TMS320F2812DSP, using SVPWM modulation technology, PWM waveform, and the 6 IGBT on-off control, resulting in a circular rotating magnetic field in motor space, makes the motor produce constant torque. In the last chapter of this paper, MATLAB /SIMULINK is used to simulate the frequency converter SVPWM, and the simulation results verify the feasibility and correctness of the SVPWM algorithm.Keywords: inverter;Space Vector Pulse Width Modulation;Asynchronous motor;simulation目录摘要 (I)Abstract (II)1绪论 (1)1.1课题研究背景及意义 (1)1.2变频器SVPWM的发展现状和趋势 (3)1.3课题研究要求及任务 (6)1.4论文的主要内容 (7)2变频器SVPWM控制系统结构及原理 (8)2.1变频器SVPWM控制系统结构 (8)2.2变频器SVPWM基本原理 (10)2.3变频器SVPWM法则推导 (12)2.4变频器SVPWM控制算法 (14)3变频器SVPWM控制系统设计 (22)3.1总体设计 (22)3.2主电路设计 (22)3.3驱动电路设计 (24)3.4控制电路设计 (26)3.5软件设计 (28)4变频器SVPWM控制系统建模仿真及结果分析 (29)4.1系统仿真模型的建立 (29)4.2系统仿真结果分析 (34)总结 (38)参考文献 (39)致谢 (40)1 绪论1.1 课题研究背景及意义在当今工业社会，能源的有效利用一直是科学研究的重要方向，这关乎与我们的可持续发展，因此，节能研究就显得越来越重要。

中国矿业大学
毕业论文(设计)开题报告
课题名称：通用变频器的仿真设计
毕业设计起止时间：2008年3月5日～6月20日
学生姓名：学号：
专业：自动化
班级：自动化04-1班
指导教师：
报告日期：2008年4月6号
说明：
1.本报告前4项内容由承担毕业论文(设计)课题任务的学生独立撰写；
2.本报告必须在第八学期开学两周内交指导教师审阅并提出修改意见；
3.学生须在小组内进行报告，并进行讨论；
4.本报告作为指导教师、毕业论文(设计)指导小组审查学生能否承担该毕业设计(论文)
课题和是否按时完成进度的检查依据，并接受学校的抽查。

年第期5风力发电用双PWM变频器仿真研究罗林1张桂怀2王振凯3（1.内蒙古工业大学电力学院，呼和浩特010051；2.内蒙古电力科学研究院，呼和浩特010020；3.哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨150001）摘要本文针对无刷双馈风力发电机，采用了一种新的三相电压源型双PWM 变频器控制方案，网侧采用d-q 模型的空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM ），较好地实现了电压的跟踪和单位功率控制，转子侧采用电流滞环控制。

仿真表明，该双PWM 变频器网侧能够获得单位功率因数的正弦输入电流，稳定的直流输出电压，转子侧电流具有快速的动态响应；变频器能够实现能量的双向流动，仿真验证了控制策略的正确性和有效性。

关键词：双PWM 变频器；无刷双馈电机；仿真；风力发电Simulation Study of Dual PWM for Wind Power GenerationLuo Lin 1Zhang Guihuai 2W an g Zhenkai 3（1.Scho ol of Electric Power,Inn er Mongolia University of Technology,Hohhot 010051；2.Inner Mo golia Electric Power Research Institute,Hohh ot 010020；3.School of Astronautics,Harbin Institute of Tech nology,Harbin 150001）Ab str actThis p aper introduced a new three phase voltage source dual PWM control scheme forwind power system of brushless double-fed machine(BDFM).The d-q model based in the space vector pulse width modulation (SVPWM)was used to get a good performance of voltage ’s tracking and un ity po wer factor control of gird side.The hysteresisor current control was used for the motor side.The simulatio n results show that unity power factor current wave can be achieved ,the dc voltage is steady.Rotor-side Cu rrent has fast dynamic response,Power is able to bidirectly flow throu gh the dual PWM.Simulation results verify the availability and validity of the proposed contro l strateg y.Key wor d s ：fual PWM ；BDFM ；simulation ；wind power generation1引言近几年我国新能源产业发展很快，开发和利用可再生能源得到了高度的重视，特别是交流励磁变速恒频风力发电得到了迅速的发展。

基于matlab下的工频变频仿真研究利用matlab仿真软件，分别对工频直接启动和变频调速进行仿真建模，通过对比，进一步阐述变频调速的优点。

希望可以对相关工作提供借鉴。

标签：matlab；工频；变频；优点引言变频调速是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的转速。

变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。

Matlab软件下的simulink环境可以使用的电力系统仿真模块库（Power system blockset）主要是由加拿大的Hydro Quebec和TECSIM International公司共同开发的，其功能非常强大，可以用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等领域的仿真，提供一种类似电路搭建的方法用于系统模型的绘制。

1 变频调速原理按照电机学的基本原理，电机的转速满足如下的关系式：可知，只要平滑调节异步电动机的供电频率f，就可以平滑调节同步转速n0，从而实现异步电动机的无级调速，这就是变频调速的基本原理。

表面看来，只要改变定子电压的频率f就可以调节转速大小了，但事实上仅改变f并不能正常调速。

在实际系统中，是在调节定子电源频率f的同时调节定子电压U，通过U和f的协调控制实现不同类型的变频调速。

由电机学知：2 工频直接启动建模及仿真3 变频调速建模及仿真3.1 变频调速模型的基本结构（1）整流器，采用三相全波桥式二极管整流。

（2）中间直流环节，采用滤波电容。

（3）逆变器，采用IGBT元件做为逆变元件。

（4）触发回路，采用离散PWM发生器做为IGBT逆变触发。

（5）监测回路，采用电动机检测模块，负责对电机的转速、定子电流、电磁转矩指标参数加以观测。

3.2 变频调速建模异步电动机参数和工频直接启动一样。

变频调速模型如图3。

变频调速仿真波形如图4。

4 变频调速的优点（1）从工频直接启动和变频调速的波形来看，工频启动电流大，启动后电机电流一般为额定电流的4-7倍，若多台大功率的电机同时启动，将对电网造成很大冲击。

编号：（）字号本科生毕业设计通用变频器的仿真研究题目：姓名：学号：班级：中国矿业大学本科生毕业设计姓名：学号：学院：信息与电气工程学院专业：自动化设计题目：通用变频器的仿真研究专题：指导教师：职称：2008年6月徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院信息与电气工程学院专业年级学生姓名任务下达日期：2008年2月25 日设计（论文）日期：2008年 2 月25 日至2008 年 6 月20 日设计（论文）题目：通用变频器的仿真研究设计（论文）主要内容和要求：1. 查阅20篇以上课题相关的近年参考文献，其中近5年文献过半，书不超过5部，英文文献5篇以上，并在论文中加以标注;2. 学习和掌握异步电动机调速系统、通用变频器的内部结构、以及SIMLINK的应用。

3. 基于PWM模块建立变频器数学模型;4. 利用MATLAB/Simulink搭建变频调速系统模型,进行仿真;5．翻译一篇与毕业设计相关的近5年发表外文文献（3000字以上）。

院长（系主任）签字：指导教师签字：中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：成绩：指导教师签字：年月日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：成绩：评阅教师签字：年月日中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩摘要随着工业技术的发展，变频器调速技术的应用越来越广泛，它良好的节能效果，和灵活的调速性能，成为调速系统的主导方向。

众所周知，交流电机的调速控制是利用整流电子开关如IGBT,MOSFET和GTO等，异步电机通过PWM脉宽调幅产生整流电压如今已经慢慢替代直流电机和晶闸管整流桥。

全数字通用型变频器VVVF 控制变频调速系统设计与仿真毕业设计1概述交流变压变频技术自20世纪六七十年代获得突破性进展以来，一直受到高度重视。

随着电力电子技术的发展，新控制方法的不断涌现，计算机仿真技术的应用，交流电动机的速度控制产生了一场深刻的革命，而各种高性能微处理器的应用，更促使这场革命迅速步入全数字化进程。

以各种电力半导体器件构成的变频器驱动交流电动机的调速系统以其调速精度高、速度控制范围广、响应速度快、保护功能完善，过载能力强、节能显著、使用维护方便等优点，已经广泛的用于电力、运输、制造等国民经济领域[1]。

1.1变频技术的发展1.1.1 电力电子技术的发展电力电子技术是用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。

电力电子器件的发展为电力电子技术发展奠定了物质基础。

自美国GE公司1957年生产出第一个晶闸管以来，功率器件的发展突飞猛进。

其中，第一代为半控型器件以晶闸管为代表；第二代在70年代以后，出现了功率晶体管(GTR)、门极关断晶闸管(GTO晶闸管)、功率MOS场效应晶体管(PowerMOSFET)等全控型器件；第三代功率器件以复合型为标志，绝缘栅双极晶体管(IGBT)、MOS控制晶闸管(MCT)，这些全控型器件先后问世，IGBT由于兼有MOSFET和GTR的优点，是目前用于中小功率最为流行的器件。

目前IGBT己发展到了第四代，这使得IGBT在1000kW以下的功率变换装置中成为首选器件。

MCT则综合了晶闸管的高电压、大电流特性和MOSFET的快速开关特性，是极有发展前景的大功率、高频功率开关器件。

电力电子器件正在向大功率化、高频化、智能化发展。

第四代IGBT的应用使变频器的性能有了更大的提高，其一是IGBT开关器件发热减少，将曾占主回路发热50%~70%的器件发热降低到了30%；其二是高载波控制，使输出电流有了明显改善；其三是开关频率提高，实现了电机的静音化；其四是驱动功率减少，体积趋于更小[2]。

8XC196MC变频器专用仿真器的开发摘要: 介绍变频器专用仿真器的设计开发。

硬件设计方面,介绍了芯片的选择,重点论述三对PWM波形发生器、保护电路和信号输入输出电路,并选择并口与上位机通信;软件设计方面,仿真器与上位机的通讯使用同步串行通讯(SPI),软件依据此通讯协议而设计,使用32位命令-地址-数据方式。

此仿真器也可直接用于变频控制,实际使用证明,此仿真器优于其它通用型仿真器。

关键词: 变频器仿真器 PWM波形市面上各种仿真器应有尽有,但这些仿真器是通用性的,对于使用8XC196MC作为变频器专用芯片的开发人员来说,却并不那么好用,甚至有一定的障碍,因为仿真器的有些端口已被仿真系统使用,用户就不能再使用这些端口。

下面依据变频器开发的一些要求设计简单好用的8XC196MC仿真器,重点是三相波形发生器(WG)及保护(EXTINT)电路8XC196MC和其他的芯片比较,一个最显著的特点是它的WG电路。

WG是使8XC196MC适合于电机控制的主要片内外围电路,其与专用三相波形发生器芯片HEF4752相似,但它的功能更强,使用起来更方便,占用CPU时间更少。

WG可产生三对具有同一载波(三角波或正向锯齿波可选)但占空比各自可编程的PWM波形,每对PWM波形是互补的。

其间的死区时间(不重迭激活时间)、输出极性和输出组合均可编程。

载波周期和各相的占空比的修改方式以及每个载波周期中断请求次数也可编程。

当被WG驱动的外设发生故障时,其保护电路立即硬件关闭WG的输出,并提出中断请求。

当用WG的三对PWM波形(经隔离放大)来驱动三相逆变器时,可实现交流电机的变频调速或其他交直流调速方案。

1 硬件设计方案为了简化仿真器r 设计,使用87C196MC作仿真器开发芯片,这样可以利用其内部的EPROM。

内部的EPROM可以作为仿真器的监控程序(要求正确无误),外部的RAM可以作为仿真器的用户程序。

内部EPROMr 主要任务是将用户程序、数据送到外部RAM中或从RAM中读取程序、数据因为87C196MC在运行内部EPROM程序时,外部的P3、P4、P5口可以设置为I/O口,这样就可以控制这三个I/O口来控制RAM数据的写入或读出,此时P3、P4口需要接上拉电阻),在传送用户程序时从内部EPROM处执行程序(将=1后复位)。

在膜技术水处理行业中的高压泵多采用变频器进行转速调节,来实现降低能耗的目的,高压泵应用变频器进行转速调节虽在一定程度上节约了电能,但变频调速也有局限性,除了投资较大、维护成本较高外,当水泵变速过大时会造成效率下降,由此可见变频器不可能无限制调速,其调速范围、调速性能与变频器的控制方式息息相关。

本文通过仿真软件Matlab /Simulink 建立高压泵变频调速的数学模型,研究调速控制方式与节能效益的关系,最终得出高压泵出口流量调节的最佳调节方式,提高变频调速系统的运行效率,从而达到在保障水处理装置稳定性,节约电能。

1运行工况分析高压泵的能耗主要取决于膜单元的操作压力,而在装置运行过程中高压泵的扬程随着膜通量、运行情况、原水水质和水温等情况而变化的,为了满足工况需求,多采用水泵调节的方式,人为地改变运行高压泵工况点的位置。

高压泵的工况点是由泵的特性曲线和管路系统特性曲线共同决定的,因此,改变任何一个的特性曲线都可以达到流量调节或压力调节的目的。

高压泵的调节方式与节能的关系极为密切,过去普遍采用改变阀门或挡板开度的节流调节方式,即改变管路阻力曲线进行调节。

这种调节方式虽然简便易行,但往往造成很大的能量损失,逐渐为其它调节方式所取代。

目前高压泵多采用变频器进行转速调节,来实现降低能耗的目的,高压泵应用变频器进行转速调节虽在一定程度上节约了电能,但变频调速也有局限性,除了投资较大、维护成本较高外,当水泵变速过大时会造成效率下降,由此可见变频器不可能无限制调速,其调速范围、调速性能与变频器的控制方式息息相关。

大量的调查统计表明,一些在运行中需要进行调节的泵,其能量浪费的主要原因,往往是由于采用不合适的调节控制方式。

因此,根据工况需求采用经济而可靠的变频器控制方式(V /F 控制、转差频率控制、矢量控制)是节约电能,保障系统稳定可靠运行的有效途径和关键所在。

2仿真参数膜法水处理系统是以水流量为控制对象的闭环系统,选用合适变频调速方式,控制电机转速,转速同流量建立关系,从而控制水流量。

工作过程描述当变频器被投入自动运行时， 乳化泵电机变频接触器首先被控制导通，变频器输出频率上升，同时管网压力信号逐渐增加，出液管网的压力信号与压力设定信号负反馈闭环，当管网压力与设定压力基本平衡时，变频器控制变频电机维持在一定的频率下运行，此时变频器的PID 调节器对管网的压力反馈信号与设定压力信号进行比较，当压力反馈信号值高于设定压力信号值时，PID 自动调节变频器的输出频率，使变频器的输出频率降低，从而降低电动机的转速，使乳化泵站的输出液体减少，管网的压力下降，使系统的管网压力与设定压力基本平衡，并在新的平衡点运行；当压力反馈信号值低于设定压力信号值时，PID 自动调节变频器的输出频率，使变频器的输出频率升高，从而提高电动机的转速，使乳化泵站的输出液体增加，管网的压力升高，使系统的管网压力与设定压力基本平衡，并在新的平衡点运行。

变频器的PID 调节是动态它对调节，它对管网的压力信号时时检测，并与压力设定信号进行比较，即时对变频器的输出频率进行调整，使管网的实际压力与设定压力一致，达到系统地恒压供液的效果，从而满足使用现场的工艺要求。

系统辨识变频器压力检测与变换系统 ()1G s =频率与转速的关系系数数学模型60f n P=被控对象（假设）32()131sG s es -=+系统的稳定性分析 程序如下：s2=tf(2,[13 1],'ioDelay',3)[Gm,Pm]=margin(s2); margin(s2)Transfer function: 2 exp(-3*s) * -------- 13 s + 1由bode 图可知，无调节器时，被控对象开环稳定，幅值的稳定裕量为11.4dB ，相位稳定裕量为97.1︒，对应的增益为3.72。

调节器采用PI 控制()I c p K G s K S=+其中参数0I p K K =和I K 采用稳定边界法征订。

先让0I K =，调整p K 使系统等幅振荡此时的振荡周期11cr T s =和比例系数4.1cr K ≈,则 1.73/2.2p cr K K =≈，0.18/(0.85)I p cr K K T ==在 1.1p K =，0.18I K =的基础上做进一步整定1.1p K =,0.1I K =可见系统有10%的超调量。

【关键字】论文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理系统框图，选择用到的元件并确定其参数（2）通过MA TLAB/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 converterbased on MATLABAbstractAs the current international situation is complex and confusing, energy crisis is 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 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 to 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 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 MA TLAB/SIMULINK to build an AC-DC-AC speed control system.(3) Running the simulation and 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................................................ 错误!未定义书签。

基于Matlab的通用变频器仿真教学系统开发冯兴田; 胡慧慧; 陈荣【期刊名称】《《实验室研究与探索》》【年(卷),期】2019(038)009【总页数】4页(P135-138)【关键词】变频器; 仿真教学; 仿真模型【作者】冯兴田; 胡慧慧; 陈荣【作者单位】中国石油大学(华东)信息与控制工程学院山东青岛266580【正文语种】中文【中图分类】TM460 引言通用变频器一般通过内部绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)的通断来调整输出电源的电压和频率，根据电动机的实际需要来提供其所需要的电源电压、频率达到节能、调速等目的[1-3]，同时，变频器具有过流、过压、过载等完善的保护功能，另外，通用变频器高度集成化，使得其操作简单、应用便捷，是当今生产、生活中非常重要的设备[4-6]。

通用变频器的理论基础融合了电动机、电力电子、交流调速以及自动控制原理等，而交流调速系统是电力拖动自动控制系统的核心内容之一[7-9]。

在交流调速系统的实践教学过程中，通用变频器作为关键环节，因其高度集成化，难以对其内部结构、信号处理等环节进行测试，只是设置一些基本的功能进行简单操作，难以配合基础理论进行相关的问题分析。

本文基于Matlab仿真软件，搭建变频器模型和仿真平台[10-13]，实现基于异步电动机稳态模型下的交流调速系统分析，让学生通过仿真分析掌握相应的理论知识。

1 仿真系统模型图1所示为搭建的通用变频器-异步电动机仿真系统结构图，通用变频器选择常规的交-直-交结构[14-15]，主要包括二极管构成的三相不可控整流桥、滤波电路、IGBT构成的逆变器(Universal bridge1)，其门极g的驱动信号由图1上半部分的控制电路产生脉冲宽度调制(Pulse width modulation,PWM)波(PWM generator)进行控制。

逆变器的输出为三相异步电动机提供电源，异步电动机的参数设置如图2所示。

第8卷第3期南阳师范学院学报Vol .8No 132009年3月Journal of Nanyang Nor mal University Mar .2009收稿日期:2008-10-20作者简介:刘红钊(1979-),河南新野人,硕士,助教,主要从事电气自动控制研究.基于M a tlab 的SVP W M 变频器的仿真研究刘红钊,黄义定,吕晓东(南阳师范学院物理与电子工程学院,河南南阳473061) 摘　要:基于S VP WM 变频器的原理,采用合适的算法,利用Matlab 的Si m ulink 工具箱,建立了S VP WM 变频器的仿真模型,将该模型应用到永磁直线同步电动机垂直运输系统中,进行了仿真.仿真的结果表明,S VP WM 控制方式下的磁通轨迹已经接近圆形,变频器也具有很好的鲁棒性,同时也提高了整个系统运行的稳定性和可靠性.关键词:Matlab;S VP WM;仿真;变频器中图分类号:T M 351 文献标识码:A 文章编号:1671-6132(2009)03-0032-04 目前,广泛应用的P WM 变频器都是主要着眼于使逆变器输出电压尽量接近正弦波,或者说,希望输出的P WM 电压波形的基波成分尽量大,谐波尽量小.至于电流波形和磁场的形状就不予考虑了.这种变频器虽然具有数学模型简单、控制线性度好和容易实现的优点,但是它也有缺点———电压利用率太低.为此人们又提出了三次谐波注入法等技术,来使调制度M >1而又不会出现过调制现象,但这些方法都是出于补救的目的.现在,最流行、效果最好的当属空间电压矢量S VP WM 技术———磁链轨迹法.这种方法是从电动机的角度出发,其目标是使交流电机产生圆形的磁场.磁链的轨迹是靠电压空间矢量相加得到的,所以又称“电压空间矢量控制”[1].1　S VP WM 变频器的原理1.1　定子电压矢量与磁链矢量的关系当用三相平衡的正弦电压向交流电动机供电时,电动机的定子磁链空间矢量幅值恒定,并以恒速旋转,磁链矢量的运动轨迹形成圆形的空间旋转磁场(磁链圆).因此如果有一种方法,使逆变电路能向交流电动机提供可变频,并能保证电动机形成定子磁链圆,就可以实现交流电动机的变频调速.电压空间矢量是按照电压所加在绕组的空间位置来定义的.电动机的三相定子绕组可以定义一个三相平面静止坐标系,如图1所示.可以把图1的平面看做一个复平面,那么AO轴上的单位矢量可以表示为e j 0,BO 轴上的单位矢量可以表示为e j 2π/3,CO 轴上的单位矢量可以表示为e j 4π/3,这样U ・A 、U ・B 、U ・C ,三相电压矢量可以表图1　三相电压空间矢量示为U ・A =u A (t )e j 0,U ・B =u B (t )e j 2π/3,U ・C =u C (t )ej 4π/3.(1)三相合成的空间电压矢量U ・1可以表示为U ・1=U ・A +U ・B +U ・C =u A (t )e j 0+u B (t )ej 2π/3+u C (t )ej 4π/3.(2) 考虑到u A (t )、u B (t )、u C (t )都是正弦量,利用欧拉公式经整理可以得到U ・1=32U e j (ωt+π/2).(3) 从式(3)可以看出,三相电压空间矢量相加的合成空间矢量U ・1是一个旋转空间矢量,它的幅值是每相电压幅值的1.5倍,其旋转的角速度等于正弦电压量的角频率.在变压变频调速系统中,电动机由三相P WM 逆变器供电,这时,供电电压和三相正弦电压有所不同.为使电动机对称工作,三相电压必须同时供　第3期刘红钊等:基于Matlab 的S VP WM 变频器的仿真研究电,即在任一时刻,一定有处于不同桥臂下的三个器件同时导通,而相应桥臂的另三个功率器件则处于关断状态.对于每一逆变器总的拓扑结构,共有8种工作状态,那就是001、010、011、100、101、110、111、000.其中111表示三个桥臂都是上管导通,下管关断,而000则表示三个桥臂都是下管导通,上管关断,在这两种情况下,电动机的绕组都不和电源连接,但是从控制电动机的运行角度来看,这两种工作状态也并非是完全无意义的.把对应于上面的前6种开关状态的相电压值分别代入到式(2)中,可以得到6个电压矢量,如图2所示.对应于111和000这两个状态的矢量,称为零矢量,零矢量的幅值为零.U ・1～U ・6称为非零矢量,非零矢量的幅值取决于直流母线电压的大小.如果把6个非零的电压矢量依次首尾相连,就形成了一个正六边形,这也可以看做是磁链矢量端点的运动轨迹.也就是说,如果逆变器顺序按照100、110、010、011、001、101的工作状态运行,那么电动机的旋转磁场是正六边形的.如图3所示.1.2　零矢量的作用和每相绕组的电压平衡方程相似,可以写出矢量表示的总电压平衡方程如下:U ・1=R I ・+d ψ・d t.(4) 当转速不是很低时,定子电阻压降较小,定子电压与磁链的近似关系为U ・1≈dψ・d t]U ・Δt =Δψ.(5) 希望改变电动机磁场的旋转速度,只需要改变式(5)中的作用时间Δt ,但是单纯地改变作用时间Δt 将会使得磁通变大或变小,这显然是不符合恒磁通变频调速的要求的.这时,零矢量的作用就体现出来了.零矢量作用电动机绕组,磁链端点原地踏步,停止不前,如果在正六边形的每条边上,在非零矢量作用的同时,均匀地插入零矢量,让电动机的磁链端点“走走停停”,就可以改变磁链运行速度,而不改变磁链的运行轨迹,从而实现恒磁通变频调速.1.3　空间电压矢量控制算法在上述控制方式下,形成了正六边形的旋转磁通,而不是我们希望的圆形旋转磁场.要想获得圆形磁场,可以正多边形来代替,显然,正多边形的边越多,近似程度就越好.因此,就需要更多的逆变器开关状态,以形成更多的电压空间矢量.可以利用6个非零的基本电压空间矢量以及2个零矢量的线性时间组合来得到更多的开关状态,从而获得更多的电压空间矢量,这些电压矢量都是等幅而不同相位的.在一个周期内,逆变器的开关状态将超过6个,有些开关状态会多次重复出现.逆变器的输出电压是一系列等幅不等宽的脉冲波,这就是实用的空间电压矢量P WM 控制方式,一般称为S VP WM 方式.在S VP WM 控制方式下,如图4所示.利用“V ・s ”平衡的原则,可以得出U ・1和U ・2的线性合成矢量U ・r ,在图4中,t 1表示矢量U ・1的作用时间,t 2表示矢量U ・2的作用时间,T c 是总的时间段,但是t 1与t 2的和并不一定等于T c .一般来说,在T c 中还应当包含有零矢量的作用时间t 0,通过t0可以控制调制比M ,从而就可以控制合成适量的幅值.图4　U ・1和U ・2的线性合成矢量U r根据图4中各矢量在直角坐标系坐标轴上的投影可以得到:U ・1t 1+U ・2t 2co s π3=U ・r T c cos θ,(6)U ・2t 2sin π3=U ・r T c sin θ.(7)・33・南阳师范学院学报　第8卷　 再令U ・1=U ・2=U s (直流母线电压),U ・r =32U s M.所以可得t 1=T c M sinπ3-θ,t 2=T c M sin θ,t 0T c -t 1-t 2.(8) 如图2所示,把6个非零空间电压矢量包含的区域分为6个区,称为扇区.每个扇区都有一个扇区号(如图2中的0、1、2、3、4、5).要确定图5中的U ・r 位于哪个扇区是非常重要的,因为只有知道U ・r 位于哪个扇区,我们才能知道用哪一对相邻的基本电压空间矢量去合成U ・r .首先,当U ・r 以α-β坐标系上的分量形式U ・r α、U ・r β给出时,先用下式计算B 0、B 1、B 2.B 0=U ・β,B 1=sin60°U ・α-sin30°U ・β,B 2=-sin60°U ・α-sin30°U ・β.(9) 再用下式计算P 值:P =4sign (B 2)+2sign (B 1)+sign (B 0).(10)式中sign (x )是符号函数.如果x >0,sign (x )=1;如果x <0,sign (x )=0.然后,根据P 值查表1,即可确定扇区号[2].每个扇区对应区间为60°,实现S VP WM 控制的方法是把每个区间再分成若干个对应于时间T c的小区间,在每个小区间内,取这个小区间的中心位置来确定式(8)中θ角的位置,按照式(6)来确定合成电压矢量U ・r .每一个小区间都对应着一个合成的电压矢量U ・r ,也对应着输出的P WM 波电压中的一个脉冲波.式(8)给出了各个矢量的作用时间,实际上也是脉冲波形中各个小段的宽度.本文采用以脉冲中心位置为基准的方式,通过定时器定时产生S VP WM 波形,如图5所示.表1　P 值与扇区号的对应关系P123456扇区号15324图5　S VP WM 波形2　S VP WM 变频器的仿真模型由上分析,用Matlab 建立S VP WM 的变频器仿真模块如图6所示,主要有5个子系统和其他几个模块组成.Subsyste m 作用是把三相电压变为两相图6　S VP WM 变频器仿真模块・43・　第3期刘红钊等:基于Matlab 的S VP WM 变频器的仿真研究电压,Subsyste m1确定调制比M 、P WM 波的周期T c 及图5中的θ角的大小(θ的变化范围为0～π/3),Subsyste m2循环地确定U r 目前处于六个扇区中的哪一个,Subsyste m3计算t 1和t 2,Subsyste m4计算最终的t 0、t 1和t 2,Subsyste m5根据Subsyste m2产生的扇区信息和Subsyste m4计算出的t 0、t 1和t 2发送P WM 波[3].3　仿真结果图7是基于S VP WM 变频器的永磁直线同步电动机垂直运输系统伺服控制系统的仿真结构图.图8是在S VP WM 控制方式下,电动机启动开始0106秒内的磁通轨迹.从图8可以看出,采用S VP WM 控制方式,磁通的轨迹已经非常接近圆形磁场.图7　采用S VP WM控制方式时的变频调速系统的仿真结构图图8　S VP WM 控制方式下的磁通轨迹图4　结论仿真的结果表明,S VP WM 控制方式下的磁通轨迹已经接近圆形,这与理论推导相吻合.另外,从磁通的轨迹来看,图形只有轻微的畸形,由此表明,电机参数的变化对变频器输出并没有显著的影响,变频器具有很好的鲁棒性,同时也提高了整个系统运行的稳定性和可靠性.参　考　文　献[1]　李宁,陈桂.运行控制系统[M ].北京:高等教育出版社,2004.[2]　王晓明,王玲.电动机的DSP 控制[M ].北京:北京航空航天大学出版社,2004.[3]　刘红钊.永磁直线同步电动机驱动的垂直运输系统整体模型及控制策略研究[D ].焦作:河南理工大学,2007.S im ul a ti on research on M a tl ab 2ba sed SVP W M converterL IU Hong 2zhao,HUANG Yi 2ding,L ΒXiao 2dong(School of Physics and E lectronic Eng ineering,N anyang N or m al U n iversity ,N anyang 473061,China )Abstract:The S VP WM converter is established bases on its p rinci p le,suitable algorithm and si m ulink t ool box of Matlab .It is app licated int o per manent magnet linearsynchr onous mot or vertical trans portati on syste m t oo .The re 2sults of si m ulati on show that magnetic flux l ocus has very app r oached circle at S VP WM contr ol way .It has very str ong Robust and enhance the stability and reliability of the whole syste m.Key words:Matlab;S VP WM;si m ulati on;converter・53・。

变频器仿真
个变频器控制系统仿真
一、变频器内部控制柜的仿真
变频器内部控制系统采用PLC+FPGA+人机界面
1、开关量的仿真：需要模拟开关柜内K1,K2,K3,K4的逻辑动作
2、三相电流三相电压的仿真：需要有4～20ma的模拟量信号来模拟变频器的三相输出电流和三相输出电压，
3、升降频率的仿真：模拟变频器的升降频，
4、变频器输出波形的仿真：
5、变频器故障仿真：包括功率单元故障检测、过流、过压、欠压、过载等等
6、人机界面：数据显示、数据记录、数据分析、控制、故障记录
7、远程就地控制
8、闭环控制仿真（暂时没用到过）
二、上位机的仿真
上位机采用人机界面+PLC的形式
模拟用户方的上位机系统，可能是DSC、WINCE、以及各种组态
三、变频器与上位机的通信仿真
1、模拟用户方系统对我方变频器实现远程监控和控制，上位机可以对变频器进行启动、停车、急停、故障记录、复位、频率控制等等操作
2、分别通过各种协议来传输数据，包括profibus、modbus、tcp/ip、GPRS无线传输等等
3、通过4～20毫安电流来控制变频器频率
4、变频器和上位机的开关量信号传输。