带异步电动机的PWM电压型逆变器的建模与仿真docWord文件下载.docx
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和减少研发经费支出,经常利用计算机仿真技术进行一些验证工作,本课题拟利用MATLAB的工具箱构造SPWM逆变器-异步电机系统,设计PWM逆变器控制回路,展开对该系统的一些研究。
设计的主要内容:
1、设计方案论证、比较及确定
2、设计完善的硬件电路
3、元器件选型及有关计算
4、软件设计及有关调试
二、进度安排及完成时间:
1、第一周至第三周:
明确课题任务及要求,搜集课题所需资料,掌握资料查阅方法,了解本课题研究现状、存在问题及研究的实际意义。
2、第三周:
查阅相关资料,自学相关内容,确定课题总体方案,分配课题任务,确定个人研究重点,做好选题报告。
3、第四周至第五周:
根据自己研究的方向,确定自己的总体设计方案,根据对象特性进行各种控制方法的研究,并设计硬件总体模块图及软件模块图。
4、第六周至第十二周:
完成系统的控制方法研究,软、硬件设计。
5、第十三周至第十四周:
系统仿真及调试。
6、第十五周至第十六周:
整理资料,完成毕业论文编写,进行毕业答辩。
诚信声明
本人声明:
1、本人所呈交的毕业设计(论文)是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果;
2、据查证,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,毕业设计(论文)中不包含其他人已经公开发表过的研究成果,也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料;
3、我承诺,本人提交的毕业设计(论文)中的所有内容均真实、可信。
作者签名:
隆森洲日期:
2012年6月11日
目录
摘要I
Abstract..II
第1章绪论1
1.1逆变技术发展现状1
1.2PWM控制技术的发展现状3
第2章PWM控制技术6
2.1PWM(脉冲宽度调制)6
2.2PWM的控制方法及其比较7
2.2.1单极性正弦脉宽调制7
2.2.2双极性正弦脉宽调制8
2.2.3单极性调制和双极性调制的比较9
2.3SPWM(正弦脉冲宽度调制)10
2.3.1SPWM的工作原理10
2.3.2SPWM的调制算法11
第3章三相桥式逆变器13
3.1IGBT的动态特性分析13
3.2三相PWM逆变器的工作原理和结构电路14
3.2.1三相桥式PWM逆变器电路14
3.2.2逆变器的工作原理14
3.2.3 spwm波的基波电压16
3.2.4 脉宽调制的制约条件18
3.2.5 功率开关器件的开关频率19
3.2.6 最小间歇时间与调制度19
3.2.7 同步调制与异步调制20
第4章三相电压型SPWM逆变器的仿真21
4.1三相电压型SPWM逆变器的仿真设计21
4.2三相电压型SPWM逆变器的各模块电路22
4.2.1电源模块22
4.2.2SPWM波形发生电路23
4.2.3滤波电路24
4.2.4逆变电路25
4.3三相电压型SPWM逆变器的电动机调速仿真图26
第5章结果分析及研究28
5.1SPWM波形分析28
5.2三相电压型SPWM逆变器的波形分析28
5.3三相电压型SPWM逆变器电机调速的波形分析30
总结32
参考文献...................................................................................................................................33
致谢...........................................................................................................................................35
带异步电动机的PWM电压型逆变器的建模与仿真
摘要:
近年来,交流电机变频调速及其相关技术的研究己成为现代电气传动领域的一个重要课题,并且随着新的电力电子器件和微处理器的推出以及交流电机控制理论的发展,交流变频调速技术还将会取得巨大进步。
三相电压型桥式是逆变电源常用结构之一,其应用主要集中在UPS,和电机驱动等方面,其控制主要有两种方式:
1、以自然采样为理论基础的各种SPWM方式及其改进;
2、以磁通轨迹控制为理论基础的空间电压矢量(SVPWM)控制方式及其改进。
SPWM正弦脉宽调制法这项技术的特点是原理简单,通用性强,具有开关频率固定,控制和调节性能好,能消除谐波使输出电压只含有固定频率的高次谐波分量,设计简单等一系列优点,是一种比较好的波形改善法。
它的出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。
SPWM技术成为目前应用最为广泛的PWM逆变技术。
因此,研究SPWM逆变器的基本工作原理和作用特性意义十分重大。
本论文介绍了三相电压型SPWM逆变器的工作原理,仿真电路及matlab仿真。
文中还给出了用此逆变器构成的三相交流电动机变频调速系统,并对仿真结果进行分析。
关键字:
变频调速;
逆变器;
ModelingandSimulationofPWMvoltageinverterwithinductionmotor
Abstract:
Recently,theresearchofvariablefrequencyspeedvariationofACmotorandrelevanttechnologyhasbecomeanimportantissueinelectricaldrivefield,withtheappearanceofnewpowerelectronapparatusandmicroprocessorandthedevelopmentofthecontroltheory,thetechnologyofvariablefrequencyspeedvariationwillimprovemorerapidly.
Three-phasevoltageoverheadpowerinverterisoneofthecommonstructure,itsapplicationmainlyconcentratedintheUPS,andmotordrive,andsoon,theircontrolTherearetwomainways:
1,tonaturalsamplingofthetheoreticalbasisforvariouswaysSPWMAndimprovementof2tocontrolthefluxtrajectorybasedonthetheoryofspacevoltagevector(SVPWM)controlandimprovement.
SPWMsinepulsewidthmodulationprincipleofthistechnologyischaracterizedbysimple,versatile,withafixedswitchingfrequency,controlandregulationperformance,eliminateharmonicsthatcontainonlyafixedoutputvoltageofhighfrequencyharmoniccomponents,simpledesignandaseriesofadvantages,isagoodwaveformimprovementAct.Itwasasmallinverterplayedanimportantrole.SPWMtechnologybecomethemostwidelyusedinverterwithPWMtechnology.Therefore,thestudyofSPWMinvertercharacteristicsofthebasicworkingprincipleandtheroleofgreatsignificance.
Thispaperdescribesthethree-phasevoltageSPWMinverterworks,simulatecircuitsandmatlabsimulation.Thearticlealsogivesthecompositionwiththisthree-phaseACinvertermotorfrequencycontrolsystems,andsimulationresultswereanalyzed.
Keywords:
variablefrequencyspeedcontrol;
inverters
第1章绪论
1.1逆变技术发展现状
随着国民经济的高速发展和国内外能源供应的紧张,电能的开发和利用显得更为重要。
目前,国内外都在大力开发新能源,如太阳能、风力发电、潮汐发电等。
一般情况下,这些新型发电装置输出不稳定的直流电,不能直接提供给需要交流电的用户使用。
为此,需要将直流电变换成交流电,需要时可并入市电电网。
这种DC-AC变换需要逆变技术来完成。
逆变技术的发展大致可分为三代:
第一代,是基于二极管和晶闸管的不控或半控强迫换流技术;
第二代,以自关断器件如GTO、BJT、MOSFET、IGBT、SIT、SITH等为基础,主要采用的控制技术为PWM控制;
第三代则是以软开关,功率因数校正和消除谐波为特征。
电力电子装置控制技术的主要研究目标是:
提高装置效率,减小装置的体积、重量,降低谐波失真,提高装置的动静态性能等。
控制理论是其主要的理论基础.纵观几十年来控制技术的发展,从七十年代的PID模拟式控制,到目前的无速度偏差并可同时对许多参量进行调节和综合的微处理器及微型计算机控制,特别是多变量和分散控制、鲁棒控制等技术的引入,使控制技术逐步经历了从模拟控制、模拟数字控制、直接数字控制、PWM控制发展到矢量控制、无速度传感器的矢量控制、准谐振变换等的发展过程,这些控制方法使电力电子变换装置的动态和静态指标及保护性能都得到了很大程度的提高。
PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛,对逆变电路的影响也最为深刻。
现在大量应用的逆变电路中,绝大部分都是PWM型逆变电路;
而PWM控制技术同样是有赖于在逆变电路中的应用,才发展得比较成熟Matlab的Simulink是很好的仿真软件环境,他有良好的人机界面和周到的帮助功能,通过模块组合就能方便地实现系统的动态仿真。
PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。
1964年A.Schonung和H.stemmler首先在<
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BBC>
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评论上提出把这项通讯技术应用到交流传动中,从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。
从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较,产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始,到目前采用全数字化方案,完成优化的实时在线的PWM信号输出,可以说直到目前为止,PWM在各种应用场合仍占主导地位,并一直是人们研究的热点。
由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点,由此在交流传动乃至其它能量变换系统中得到广泛应用。
PWM控制技术大致可以分为三类,正弦PWM(包括电压,电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案,多重PWM也应归于此类),优化PWM及随机PWM。
正弦PWM已为人们所熟知,而旨在改善输出电压、电流波形,降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势(如ABBACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等);
而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率(THD)最小,电压利用率最高,效率最优,及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。
在70年代开始至80年代初,由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管,载波频率一般最高不超过5KHZ,电机绕组的电磁噪音及谐波引起的振动引起人们的关注。
为求得改善,随机PWM方法应运而生。
其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声(在线性频率坐标系中,各频率能量分布是均匀的),尽管噪音的总分贝数未变,但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。
正因为如此,即使在IGBT已被广泛应用的今天,对于载波频率必须限制在较低频率的场合,随机PWM仍然有其特殊的价值(DTC控制即为一例);
另一方面则告诉人们消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率,因为随机PWM技术提供了一个分析、解决问题的全新思路。
在电力拖动领域,解决好电动机的无级调速问题有着十分重要的意义,电机调速性能的提高可以大大提高工农业生产设备的加工精度、工艺水平以及工作效率,从而提高产品的质量和数量;
对于风机、水泵负载,如果采用调速的方法改变其流量,节电效率可达20%-60%。
众所周知,直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标。
在很长的一个历史时期内,调速传动领域基本上被直流电机调速所垄断,这是和实际中交流电机的广泛使用是一对存在的矛盾,许多应用交流电机的设备为了达到调节被控对象的目的,只能采用物理的方法,例如采用风门,阀门控制流量等,这样浪费能源的问题就很突出,费用就大。
而且在采用直流调速的方面由于直流电机固有的缺点—换相器和电刷的存在,使得维修工作量大,事故率高,电机的大容量使用受到限制,在易燃易爆的场合无法使用,因此开发交流调速势在必行。
变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点,是目前运用最广泛且最有发展前途的调速方式。
交流电动机变频调速系统的种类很多,从早起提出的电压源型变频器开始,相继发展了电流源型,脉宽调制等各种变频器。
目前变频调速的主要方案有:
交-交变频调速,交-直-交变频调速,同步电动机自控式变频调速,正弦波脉宽调制(SPWM)变频调速,矢量控制变频调速等。
这些变频调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平。
随着电力电子技术的发展,特别是可关断晶闸管GT0,电力晶体管GTR,绝缘门极晶体管IGBT,MOS晶闸管及MTC等具有自关断能力全控功率元件的发展,再加上控制单元也从分离元件发展到大规模数字集成电路及采用微机控制,从而使变频装置的快速性,可靠性及经济性不断提高,变频调速系统的性能也得到不断完善。
PWM控制技术在逆变电路中的应用十分广泛,目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM技术。
常用的PWM技术主要包括:
正弦脉宽调制(SPWM)、选择谐波调制(SHEPWM)、电流滞环调制(CHPWM)和电压空间矢量调制(SVPWM)。
PWM技术用于变频器的控制,可以改善变频器的输出波形,降低谐波并减小转矩脉动。
同时也简化了变频器的结构,加快了调节速度,提高了系统的动态响应。
随着电力电子器件制造技术的发展和新型电路变换器的不断出现,现代控制理论向交流调速领域的渗透,特别是微型计算机及大规模集成电路的发展,交流电动机调速技术正向高频化、数字化和智能化方向发展。
控制策略的应用:
由于电力电子电路良好的控制特性及现代微电子技术的不断进步,使几乎所有新的控制理论,控制方法都得以在交流调速装置上应用和尝试。
从最简单的转速开环恒压频比控制发展到基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制和基于动态模型保持定子磁链恒定的直接转矩控制。
1.2PWM控制技术的发展现状
正弦逆变电源作为一种可将直流电能有效地转换为交流电能的电能变换装置被广泛地应用于国民经济生产生活中,其中有:
针对计算机等重要负载进行断电保护的交流不间断电源UPS(UninterruptlePowerSupply);
针对交流异步电动机变频调速控制的变频调速器;
针对智能楼宇消防与安防的应急电源EPS(EmergencePowerSupply);
针对船舶工业用电的岸电电源SPS(ShorePowerSupply);
还有针对风力发电、太阳能发电等而开发的特种逆变电源等等.随着控制理论的发展与电力电子器件的不断革新,特别是以绝缘栅极双极型晶体管IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)为代表的自关断可控型功率半导体器件出现,大大简化了正弦逆变电源的换相问题,为各种PWM型逆变控制技术的实现提供了新的实现方法,从而进一步简化了正弦逆变系统的结构与控制.
电力电子器件的发展经历了晶闸管(SCR)、可关断晶闸管(GTO)、晶体管(BJT)、绝缘栅晶体管(IGBT)等阶段。
目前正向着大容量、高频率、易驱动、低损耗、模块化、复合化方向发展,与其他电力电子器件相比,IGBT具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点,为了达到这些高性能,采用了许多用于集成电路的工艺技术,如外延技术、离子注入、精细光刻等。
IGBT最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。
它的并联不成问题,由于本身的关断延迟很短,其串联也容易。
尽管IGBT模块在大功率应用中非常广泛,但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题,其主要失效机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度,另外,绝缘材料的缺陷也是一个问题。
随着电力电子技术的飞速发展,正弦波输出变压变频电源已被广泛应用在各个领域中,与此同时对变压变频电源的输出电压波形质量也提出了越来越高的要求。
对逆变器输出波形质量的要求主要包括两个方面:
一是稳态精度高;
二是动态性能好。
因此,研究开发既简单又具有优良动、静态性能的逆变器控制策略,已成为电力电子领域的研究热点之一。
在现有的正弦波输出变压变频电源产品中,为了得到SPWM波,一般都采用双极性调制技术。
该调制方法的最大缺点是它的6个功率管都工作在较高频率(载波频率),从而产生了较大的开关损耗,开关频率越高,损耗越大。
本文针对正弦波输出变压变频电源SPWM调制方式及数字化控制策略进行了研究,以SG3525为主控芯片,以期得到一种较理想的调制方法,实现逆变电源变压、变频输出。
交流传动与控制技术是目前发展最为迅速的技术之一,这是和电力电子器件制造技术、变流技术控制技术以及微型计算机和大规模集成电路的飞速发展密切相关。
通用变频器作为早个商品开始在国内上市,是近十年的事,销售额逐年增加,于今全年有超过数十亿元(RMB)的市场。
其中.各种进口品牌居多,功率小至百瓦大至数千千瓦;
功能简易或复杂;
精度低或高;
响应慢或快:
有PG(测速机)或无PG;
有噪音或无噪音等等。
对于许多用户来说,这十年中经历了多次更新,现所使用的变频器大都属于目前最为先进的机型如果从应用的角度来说,我们的水准与发达国家没有什么两样。
作为国内制造商,通过这十年来对国外的先进技术进行销化,也正在积极地进行国产变频器的自主开发.努力追赶世界发达国家的水平。
回顾近十年来国外通用变频器技术的发展对于深入了解交流传动与控制技术的走向,以及如何站在高起点上结合我国国情开发我国自己的产品应该说具有十分积极的意义.
通用变频器大都为电压型交-直-交变频器。
三相交流电首先通过二极管不控整流桥得到脉动直流电,再经电解电容滤波稳压,最后经无源逆变输出电压、频率可调的交流电给电动机供电。
这类变频器功率因数高、效率高、精度高、调速范围宽,所以在工业中获得广泛应用。
但是通用变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统,如高速电梯、矿用提升机、轧钢机、大型龙门刨床、卷绕机构张力系统及机床主轴驱动系统等。
因为这种系统要求电机四象限运行,当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时,电机处于再生发电状态。
由于二极管不控整流器能量传输不可逆,产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上,产生泵升电压。
而以GTR、IGBT为代表的全控型器件耐压较低,过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容,甚至会破坏电机的绝缘,从而威胁系统安全工作,这就限制了通用变频器的应用范围。
第2章PWM控制技术
2.1PWM(脉冲宽度调制)
PWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲。
按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变逆变输出频率。
PWM控制——脉冲宽度调制技术,通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)
理论基础:
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。
冲量指窄脉冲的面积。
这里所说的效果基本相同,是指环节的输出响应波形基本相同。
PWM波形可等效的各种波形,例如:
直流斩波电路可以等效直流波形;
PWM波可以等效正弦波形;
还可以等效成其他所需波形,如等效所需非正弦交流波形等,其基本原理和SPWM控制相同,也基于等效面积原理。
用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波的方法:
正弦半波N等分,可看成N个彼此相连的脉冲序列,宽度相等,但幅值不等;
用矩形脉冲代替,等幅,不等宽,中点重合,面积(冲量)相等。
这样就可得到PWM波形。
由上方法可知各脉冲的幅值相等,而宽度按正弦规律变化。
对于正弦波的负半周,也可用同样的方法得到PWM波形。
像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形,也称SPWM波形。
要改变等效输出正弦波幅值时,只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。
2.2PWM的控制方法及其比较
2.2.1单极性正弦脉宽调制
调制信号ur为正弦波,载波uc在ur的正半周为正极性的三角波,在ur的负半周为负极性的三角波。
在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。
在ur的半个周期内三角波载波只在正极性或负极性一种极性范围内变化,所得到的PWM波形也只在单个极性范围变化的控制方式称为单极性PWM控制方式。
单极性正弦脉宽调制用幅值为
的参考信号波
与幅值为
频率为
的三角波
比较,产生功率开关信号。
其原理波形如图2.2所示。
图2.2是用单相正弦波全波整流电压信号与单向三角形载波交截,再通过倒相产生功率开关驱动信号。
参考波频率fr决定了输出频率fo,每半周期的脉冲数P决定于载波频率fc。
P=fc/2fa(2-1)
用参考电压信号的幅值Ur,与三角形载波信号的幅值Uc的比值,即调制度m=Ur/Uc,来控制输出电压变化。
当调制度由0~1变化时,脉宽由0~π/p变化,输出电压由0~E变化。
如果每个脉冲宽度为θ,则输出电压的傅里叶级数展开式为:
(2-2)
系数An和Bn由每个脉宽为θ,起始角为α的正脉冲来决定和对应的负脉冲起始角π+α来决定。
如果第j个脉冲的起始角为αj则有:
(2-3a)
(2-
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