基于matlab的变频器的仿真研究本科毕业论文.docx
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基于matlab的变频器的仿真研究本科毕业论文
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MATLAB/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
Thesimulationandresearchofthefrequencyconverter矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
basedonMATLAB
Abstract
Asthecurrentinternationalsituationiscomplexandconfusing,energycrisisisbecomingmoreandmoreserious,theenergybottleneckhasgraduallybecometheoneofthemainfactorsrestrictingthenationaleconomysustainabledevelopment,thereisaurgentneedtoenhancetheutilizationrateoftheenergyintheproductionofindustryandagriculture.Alongwiththerapiddevelopmentofpowerelectronictechnology,computertechnology,automaticcontroltechnology,ACvariablefrequencyspeedcontroltechnologyhasbeenrapidlydeveloped,itssignificantenergyefficiency,highprecisespeedcontrolprecision,widespeedrange,perfectprotectionfunction,andeasytoachievecommunicationfunctionhasbeenrecognizedbythevastnumbersofusers.Italsobringgreatconveniencetotheusersinthesafeandreliableinstallation,using,maintenanceandrepairoperatio聞n創.沟燴鐺險爱氇谴净。
Accordingtothebasicprincipleandcharacteristicsoftheconverter,thispaperdesignedavoltagesourcetypeAC-DC-ACconverter.Themaincontentsareasfollows残:
骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
(1)Designtheworkingprinciplediagramoftheconvertersystem,choosetheelementswhichneedanddeterminetheparameter酽s.锕极額閉镇桧猪訣锥。
(2)UsetheMATLAB/SIMULINKtobuildanAC-DC-ACspeedcontrolsystem.彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。
(3)Runningthesimulationandgetthesimulationwaveform謀.荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。
Thesimulationresultsshowthatthesystemcontroleffectisideal,thesimulationexperimentsprovethatthesystemoperateswell,thedesignisviab厦le礴.恳蹒骈時盡继價骚。
Keywords:
Frequencyconverter;Asynchronousmachine;MATLABsimulation;ACvariablespeed茕桢广鳓鯡选块网羈泪。
II
1引言1
1.1交流变频调速技术的发展与研究现状1
1.2变频器的概况2
1.3变频器的发展过程和现状3
1.3.1变频器的发展过程.3
1.3.2变频器的现状.5
1.3.3现代通用变频器的基本结构.5
1.4变频器的应用6
1.4.1节能调速.6
1.4.2特大容量和极高转速的交流调速.6
1.4.3交流调速装置应用时注意事项.7
1.5通用变频器的术语和技术参数7
1.5.1通用变频器的术语.7
1.5.2通用变频器的技术参数.7
1.6本文所做的工作8
1.7本章小结8
2异步电动机.9
2.1异步电机的基本工作原理9
2.2异步电机的静态数学模型11
2.3三相异步电动机的调速方法13
2.3.1交流调速的基本类型.13
2.3.2恒压频比变频调速系统控制原理及其机械特性.15
2.3.3恒压频比控制的基本电路.20
2.4本章小结22
3变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术.22
3.1PWM技术的发展.22
3.2PWM控制技术的分类.23
3.3PWM控制性能指标.24
3.4本章小结26
4变频器的设计.26
4.1三相电压型交-直-交变频器的基本构成及工作原理27
4.1.1三相电压型交-直-交变频器的基本构成.27
4.1.2三相电压型交-直-交变频器的工作原理.28
4.2整流器的工作原理及参数计算30
4.2.1整流器的工作原理.30
III
4.2.2整流元件的选择.32
4.2.3电抗器参数计算.32
4.3逆变器的工作原理33
4.4驱动保护电路的设计35
4.4.1过电压保护.35
4.4.2过电流保护.37
4.5本章小结37
5基于MATLAB的仿真研究.38
5.1MATLAB/SIMULINK简介.38
5.2变频器各主要模块仿真分析39
5.2.1整流器的仿真.39
5.2.2逆变器的仿真.42
5.2.3PI控制电路的仿真43
5.2.4PWM波的产生设计与仿真44
5.3交-直-交变频系统综合仿真分析45
5.4本章小结51
6结论与展望.52
6.1结论52
6.2展望52
致谢.54
参考文献.55
IV
1引言
1.1交流变频调速技术的发展与研究现状
随着电机制造技术的不断发张,电动机作为主要的动力设备而越来越广泛的应用于工农业生产、国防、科技及社会生活等各个方面。
从全球范围看,电动机的用电量平均占世界各国社会总用电量的一半以上,占工业用电量的70%左右。
因此,提高电机系统的效率,对国民经济的发展意义十分重大。
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根据采用的电流制式不同,电动机分为直流电动机和交流电动机两大类,其中交流电动机应用极为广泛,工业生产所消耗的的电能大多是通过交流电动机转化的。
交流电动机的诞生和发展己有一百多年的历史[8],至今已经研究、制造了形式多样、用途各异的各种容量、各种品种的交流电动机。
交流电动机分为同步电动机和异步感应电动机两大类。
所谓同步电动机,即电动机的转子转速与定子电流的频率保持严格不变的关系。
反之,即是异步电动机。
据统计,交流电动机用电量占电机总用电量的85%左
右,可见交流电动机应用的广泛性及其在国民经济中的重要地位[1,2]。
籟丛妈羥为贍偾蛏练
淨。
电动机作为把电能转换为机械能的主要设备,在实际应用中,一是要使电动机具有较高的机电能量转换效率;二是根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度[1,2,3]。
电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的影响。
为了控制电动机的运行,就要为电动机配上控制装置。
电动机和控制装置即为电力传动自动控制系统。
以直流电机作为控制对象的电力传动自动控制系统称之为直流调速系统;以交流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统称之为交流调速系统。
根据交流电机的分类,相应有同步电动机调速系统和异步电动机调速系统。
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一般来说,交流传动与相当的直流传动相比通常有价格方面的优势,而且所需维护较少、电机尺寸较小以及更高的可靠性。
然而,由于技术上的原因,以往交流传动的调速性能与直流传动有较大差距,因而它们的应用主要局限在风机、泵和压风机等对调速性能要求不高的应用场合。
而在高性能应用场合,一般在速度闭环下要求高速段保持高于0.5%的调速精度和至少D=20的宽调速范围,以及高于50rad/s的快速暂态响应这些场合,几乎全部是直流电机的应用领域。
不过随着科学技术的方丈,采用适当控制的感应电动机传动在高性能应用上已经胜过直流传动,并且交流传动更加广泛的应用于计算机外围设备的传动、机床和电动工具、机器人和自动装置的传动、纺织厂和造纸厂的传动、电动汽车和电器火车传动、船舶传动、水泥窑和轧钢机传动等等。
渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。
交流电动机,特别是鼠笼式异步电动机,具有结构简单、制造容易、价格便宜、坚固耐用、转动惯量小、运行可靠、维修简便、使用环境及结构发展不受限制等优点。
但是长期以来由于受科技发展的限制,把交流电动机作为调速电机的困难问题未能得到很好的解决,只有一些性能差,低效耗能的调速方法[12],如:
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(1)绕线式异步电动机转子外串电阻及机组式串级调速方法。
(2)鼠笼式异步电动机定子调压调速方法(自耦变压器、饱和电抗器)及后来的电磁(滑差)调速方法。
20世纪70年代以后,由于生产发展的需要和席卷全球的石油危机,促使世界各国开始重视交流调速技术的研究与开发。
电力电子功率器件和控制理论的发展使得交流传动得以飞速发展。
擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。
1.2变频器的概况
变频器是异步电动机变频调速的控制装置。
变频器最早的形式是用旋转发电机组作为可变频率电源,供给交流电动机。
随着电力半导体器件的发展,静止式的变频电源成为了变频器的主要形式[4,5,6]。
贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。
静止式变频器从主电路的结构形式上可分为两种:
交一直一交型和交一交型。
(1)交一直一交型变频器:
根据直流部分电流、电压的不同形式,又可分为电压型和电流型两种。
电压型变频器是作为电压源向交流电动机施加稳定电压,其主要优点是运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响,它主要适用于中、小容量的交流传动系统。
电流型变频器向负载提供的电流值稳定不变,其特性类似于电流源,它主要应用在大容量的电机传动系统以及大容量风机、泵类节能调速中[12]。
坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。
(2)交一交型变频器:
它的功能是把一种频率的交流电直接变换成另一种频率的交流电。
由于中间不经过直流环节,不需换流,因而多用于低速大功率系统中,如回转窑、轧钢机等。
但由于控制方式的限制,其最高输出频率只能达到电源频率的1/31/2,所以不能高速运行。
蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。
变频器按主电路方式分类,种类有限,新的电路方式较少。
相比之下,按控制方式分类时,种类较多,由于可控制的对象较多,包括频率、电压、电流、磁通、转矩、转速、位置等,而且对每一种控制对象又有多种控制方式。
其中以V/f控制的变频器、转差频率控制的变频器和矢量控制的变频器等较为常见。
由于转差频率控制的变频器需要针对具体电机的机械特性调整控制参数,而矢量控制的变频器一般应用于轧钢、造纸设备等对动态性能要求较高的场合,所以它们的通用性较差,目前市场上销售的通用变频器的控制方式多半为V/F比恒定控制。
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V/F比恒定控制方式又称为VVVF(变压变频)控制方式。
在V/F控制的变频器中,主电路中逆变器采用IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor绝缘栅双极型晶闸
管)构成三相逆变桥,控制原理采用PWM(脉冲宽度调制)方式。
其主要的优点是可以进行电机的开环速度控制,无需速度传感器,控制电路简单,负载可以是通用标准异步电动机,所以V/F比恒定控制方式通用性强,经济性好,是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。
但其较差的低速性能是V/F比恒定控制存在的主要问题[7]。
綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。
飞速发展的变频器,在国民经济的各部门得到了广泛的应用。
从使用对象的角度,变频器又可分为通用变频器和专用变频器。
专用变频器用于特定的控制对象,例如机床的主轴、进给部分的控制器等。
通用变频器是相对专用变频器而言的,我们通常把系列化、批量化、占市场量最大的中小功率变频器称为通用变频器。
通用一词有两方面的含义:
一是这种变频器可用以驱动通用型交流电机,而不一定使用专用变频电机;二是通用变频器具有各种可供选择的功能,能适应许多不同性质的负载机械。
由于通用变频器强调通用性,其性能可以满足大多数生产机械调速控制的需要,而且比专用变频器价格便宜,因此应用广泛。
通用变频器和异步电动机结合起来,实现了对生产机械的调速传动控制,在很多文献中都简单的称其为变频器传动。
[1]变频器传动具有它固有的优势,应引用到不同的生产机械或设备上,可以体现出不同的功能,达到不同的目的,收到相应的效益。
在需要进行速度控制的场合,变频器传动以其操作方便、体积小、控制性能高而成为目前世界上最受欢迎的调速方式,它的优越性已带来了巨大的社会效益和经济效益[4]。
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1.3变频器的发展过程和现状
1.3.1变频器的发展过程
早在二战之前,德国和苏联就开始研制变频调速系统[5]。
但一直到50年代中期,由于1957年晶闸管的发明,才使得电力电子技术进入了强电领域,伴随着电力半导体
器件的发展,1964年第一台变频器问世了,变频调速的各种方案开始进入使用阶段。
但是当时用晶闸管制成的变频器因造价高,仅仅用于纺织,磨床等特定用途。
进入70年代,受石油危机的影响,电机调速问题渐渐得到人们的重视,这对变频调速技术的发展起到了很大的推动作用[6,7]。
为节能服务的低价变频器开始出现,但仍属于专用变频器。
1974年德国的F.Barnet等人开始利用著名的空间电压矢量概念对PWM波进行评估[5],控制理论的发展和实现手段上的进步使得变频调速技术经历了第一个高峰[7]。
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虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。
进入80年代以后,电力电子技术取得了突飞猛进的发展,新的器件和变换技术不断涌现。
从早期的SCR到GTO到近几年出现的1GBT,SITH(静电感应晶闸管)、SIT(静电感应晶体管)、MCT(MOS控制晶闸管),器件的功率级别、开关频率等都大大提高。
同时还出现了与半导体器件配套的功率集成电路(POWERIC)和功能更完善的智
能化功率半导体器件(IPM)[2]。
逆变器由以晶闸管为核心的外部换相电路向以自关断器件为核心的自换相电路变化,功率器件开关频率的大大提高也使得各种复杂控制方式易于实现。
现在功率半导体器件的发展目标是:
高集成度、制成各种特定用户的模块、大大降低成本、提高可靠性、研制新一代IPEM(IntegratedPowerElectonic
Module)以取代PLC这些成就和发展为变频器的飞速发展和大规模普及提供了物质上的准备条件[13]。
锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。
随着微处理器的不断进步,从8-16位的单片机,到16-32位的数字信号处理器
DSP),再到32-64位的精简指令集合计算机(RISC),位数增多,执行速度快,控制能力也就越来越强,从而导致了变频调速控制技术由模拟控制向全数字化控制转化。
[7,8]
。
今后变频器的发展方向是进一步缩小元器件的体积,提高专用集成电路(ASIC)的集
成度,使小容量系统的控制器和变换器都能嵌装在电机机壳里面,构成机电一体化
構氽頑黉碩饨荠龈话骛。
伴随着电子控制器和电力电子技术的不断发展,相应的自动控制策略也取得了长足的进展,在变换器的PWM控制技术方面先后提出了SPW(M正弦波PWM)方式、SVPWM(SpaceVectorPWM空间电压矢量PWM)方式和各种优化PWM方式,先进的PWM方式使输出谐波大大降低[12]。
同时在控制理论上也提出了一系列新的控制方法,如无速度传感变频控制、转矩直接控制、非线性解藕控制等,因而电机控制系统的结构不断简化,性能不断提高。
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1.3.2变频器的现状
进入90年代,变频器以其优异的控制性能,在调速领域独树一帜,并在工业领域及家电产品中得到迅速推广[8]。
此时,变频技术和变频器制造已经从一般意义的拖动技术中分离出来,成为世界各国在工业自动化和机电一体化领域中争强占先的阵地,各发达国家更是在该技术领域注入了极大的人力、物力、财力,使之目前己经进入了高新技术行业。
就变频技术而言,目前日本、美国及法国、荷兰、丹麦等国家可以说是齐头并进,不分仲伯[9]。
在这一领域的研制、生产方面,220KW功率以上的变频器基本被欧、美等国家垄断,如德国的西门子(SIEMENS)、丹佛斯(DANFOS)S、美国的AB,GE公司、欧洲的ABB等[9]。
中小容量的变频器85%为日本产品和台湾产品所占领,如富士(FUJI)、三垦(SAMCO)、东芝(TOSHIBA)、松下(PANASONI)C,三菱(MITSUBISH)I、安川以及台湾的台达[11]。
由于这些国家、地区的工业基础好、制造业发达、开发生产能力强,所以他们生产的变频器适应范围广,变频器应用普及率在85%以上。
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相对于这些工业发达国家而言,国内厂家在电子产品的科研开发、工艺设计、加工制造能力等方面,同国外厂家相比存在一定差距,从总体上看,我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距10-15年。
识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。
国内交流变频调速技术产业状况表现如下:
(1)变频器的整机技术落后,国内虽有很多单位投进了一定的人力、物力,但由于气力分散,并没有形成一定的技术和生产规模。
凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。
(2)变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空缺。
(3)相关配套产业及行业落后。
(4)产销量少,可靠性及工艺水平不高。
1.3.3现代通用变频器的基本结构
现代通用变频器大都是选用全控型的BJT,IGBT,GTO等功率开关器件的电压型变频器,其控制方式为各种PWM控制,而半控型的SCR器件、PAM(PulesAmplitudeModulation脉冲幅值调制)控制方式、电流型变频器,在通用变频器中己很少采用[2]。
此外,通用变频器大都是频率开环控制的。
输出频率的设定,分模拟设定方式与数字设定方式两种。
模拟设定方式,通常以0-5V作为频率设定信号,用可调电位器进行设定与调节,数字设定方式则是已按键或触摸式开关进行设定。
因此,通常把变频器分为模拟设定式PWM通用变频器与数字式设定PWM变频器两种。
但数字设定方式的变频器,一般也都留有模拟设定的端口。
恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。
1.4变频器的应用
交流变频传动装置现已在我国各行业广泛应用,特别在石化、冶金、汽车、造纸、热电、食品、纺织、包装等工业。
最大交流变频传动用于钢铁企业5000kW控制精确度要求高的轧机上,最小用在家用空调的风机上,几乎包括各个领域。
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1.4.1节能调速
节能调速目前普遍使用在控制精确度不高、动态性能要求低的平方率负载上,如风机和水泵。
风机和水泵等机械总容量几乎占工业电气传动总容量的一半,也是耗能大户。
如一个5000t/d的水泥厂,窑尾高温风机2500kW,全厂风机的耗电量约占整个厂用电量的30%;大的水厂如北京水源九厂,仅水泵容量为2500kW的就有4台。
如交流传动不调速,风量和水的流量,靠档板和阀门来调节,相当于增加管道的阻力,使大量电能消耗在档板和阀门上,负载下降又使驱动电动机的功率因数降低。
由于风机和水泵属于平方率负载,如换成交流调速系统,据统计平均节能在20%左右。
目前在城
市供水、供热系统的离心泵、循环泵、风机已普遍使用变频器调速,在煤矿、化工、食品、冶金、有色、建材行业中的泵类和风机也开始大量使用变频器,并取得较好的节能效果。
由于控制要求不高,只要选型正确,各类变频器都可用于泵类和风机中。
如大功率高压泵类和风机负载可采用低压半导体器件组成功率单元串联的大功率高压变频器,当然也可使用大功率器件组成的高压变频器,但价格较贵。
大的水厂如大连、福州、东莞水厂,大的热电厂如吉林热电厂、首钢热电厂等采用了大功率高压变频器;广州珠江水泥厂、都江堰水泥厂等几乎所有风机都采用了大功率高压变频器。
硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。
1.4.2特大容量和极高转速的交流调速
对于特大容量和极高转速的传动装置,当极限容量与转速的乘积超过约106kW·r/min这一数值时,由于直流电动机换向器的换向能力,限制了其容量和转速,交流电动机则不受限制。
因此特大容量的传动如钢板轧机、矿井主皮带机、卷扬机等,以采用交流变频调速为宜。
对此类传动装置控制要求很高。
西门子SIMOVERTMV用在
安阳钢铁公司和酒泉钢铁公司特大容量的轧机上,传动装置功率为5000kW和3500kW;
用在平朔安家岭井工矿1号井、2号井主皮带机的功率分别为3*1080kW和3*850kW;燕山石化高压聚乙烯挤压机功率为3000kW。
对极高转速的传动装置如在化工和食品行业的离心机,高速搅拌机和高速磨头也应采用交流调速装置。
这种传动装置容量不大,但动态性能要求高,在运行时要防止超速。
阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。
1.4.3交流调速装置应用时注意事项
交流调速装置应用时有以下几个注意事项[17]:
(1)交流变频调速传动装置对电网会产生谐波
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