基于matlab的变频器的仿真研究本科毕业论文(编辑修改稿)

基于matlab的变频器的仿真研究本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

高转速的传动装置，当极限容量与转速的乘积超过约 106 kW 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 SIMOVERT MV 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。 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干扰，应按中国谐波标准7 GB/T1454993 加谐波滤波器或电抗器，使其对电网干扰最小。 （ 2） 为使变频调速器受外界干扰影响最小 ,在布线时控制电缆，电源电缆与电动机的连接电缆走线须相互隔离，不能放在同一电缆线槽中或电缆架上；输入和输出信号回路须用屏蔽对绞线，接到电动机主回路连接电缆应屏蔽或铠装，屏蔽层接地；用短而粗的节电接地线按规定正确连接保护接地和系统接地，最后连接到公共的星形接地网络；根据需要还可考虑加隔离变压器和进线电抗器，使其受干扰影响最小。 （ 3）在低速运行时，须防止轴系的震荡；在高速运行时，须防止超速。 通用变频器的术语和技术参数 通用变频器的术语 根据变频器国家标准 GB 1266820xx《 中国调速电气传动系统国家标准 》 所规定的几个重要专业术语如下： （ 1） 输出电压： GB 1266820xx 定义输出电压是输出端子间的基波 均方 根电压。 （ 2） 输出频率调节范围： GB 1266820xx 规定为使被控电机在持续输出转矩下稳定运行的频率范围。 （ 3） 频率分辨率： GB 1266820xx 规定为两个频率之间增量的最小值。 通用变频器的技术参数 （ 1） 输出容量：规定输出容量为视在功率，单位是 kVA， 并规定应在下列数据中选择： 2, 4, 6, 10, 35, 50, 60, 100, 150, 200,230, 330, 360, 420, 470, 500 (kVA)。 （ 2） 额定输出电压： GB 1266820xx 中规定变频器输出颁定电压，最大不超过输入线电压值。 当输入单相 220 V 士 10%的情况下，其额定输出电压为三相 220V(最大值 )。 （ 3） 额定输出频率：在我国，一般工业用电设备的额定频率为 50Hz。 本文所做的工作 基于通用变频器良好的市场 环境， 结合国内的研发现状 以及 现代电力电子技术的8 发展，中、小容量变频器 拥有广阔的发展前景。 出于 社会和经济效益两方面的考虑，应 一般中小功率交流异步电动机对变频器高性能低成本的客观要求， 本次设计的通用变频器主要使用功率器件 IGBT、 PWM 逆变器等， 采用 V/F 控制， 通过 MATLAB /SIMULINK 设计仿真模型并进行 频调速系统 实验 ，从而检验系统设计的正确性，及该通用变频器 设计 的可行性。 本章小结 本章 主要 介绍了 在生产生活中越来越广泛应用的变频调速及变频器。 从交流调速的发展、变频器的概况、发展及应用等方面对变频器相关情况进行了简要的介绍；通过对国内外变频器研究、生产、应用情 况的 简单分析，说明了变频器研究在当今社会的必要性和实际意义；最后简单介绍了本文 的主要研究内容。 9 2 异步电动机 交 流电机是把机械能转变为交流电能或者把交流电能转变为机械能的旋转 机 械。 交流电机分为同步电机 (synchronous machine) 和异步电机（ asynchronous machine）。 同步电机在正常运行时转子转速与旋转磁场的转速之比为常数，不随负载变化而变化。 而异步电机的转子转速则由旋转磁场的转速、负载情况等决定。 同步电机和异步电机虽然运行性能有很大差别，但是电机内部发生的电磁现象和机电能量转换原理基本相同，因而可以一起来进行研究。 本文主要针对交流异步电动机进行调速，因而着重介绍交流异步电动机的基本工作原理。 异步电机的基本工作原理 异步电机主要用作电动机，用途十分广泛。 遍及工农业及家用的各个方面，容量从几十瓦到数千千瓦。 其数量约占各种电动机总数的 90%，其中中 、小型异步电动机占了 70%以上，在工业中，风机、泵、压缩机、中小型轧钢设备、各种金属切削机床、轻工机械、矿山机械等可由异步电动机拖动家用电器如电扇、洗衣机、电冰箱、空调等也可由单相异步电动机拖动 [11]。 异步电动机具有结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率高、工作特性好等优点。 和同容量的直流电机相比，异步电动机的重量约为直流电机的一半，而价格仅为直流电机的三分之一。 它的缺点是功率因数较低，由于它必须从电网中吸收滞后性的无功功率，因而功率因数总小于 1。 但是随着交流调速技术的不断发展，三相异 步电动机在电力拖动系统中正得到越来越广泛的应用。 三相异步电动机主要由定子和转子两大部分组成，定子和转子之间是空气隙。 此外，还有端盖、轴承、机座、风扇等部件。 异步电动机的额定值包含以下几项： （ 1） 额定功率 P 指电动机在额定情况下运行时，输出的机械功率，单位 kW。 （ 2） 额定电压 U 指电动机额定运行时，外加于定子绕组上的线电压，单位是 V。 （ 3） 额定电流 I 指电动机在额定电压下，轴上有额定功率输出时定子绕组上的线电流值，单位是 A。 （ 4） 额定频率 f 我国的工业用电的频率是 50Hz，一般国内的异步电动机的额定频率都为 50Hz。 10 （ 5） 额定转速 n 指电动机在额定电压、额定频率下，轴端输出额定功率时转子的转速值，单位为 r/min。 （ 6） 功率因数 指电动机在额定负载情况下，定子边的功率因数值。 三相异步电动机的定子上装有三相对称绕组，转子绕组是一个自身短路的多相绕组。 异步电动机运行时，将定子绕组接到三相交流电源上，在电机的气隙中建立一个旋转磁场，其转速为同步速 n1=60f1/p，如图 21 所示的，是一简单的二极异步电机的示意图。 n 1SN 图 21 异步电动机工作原理 图中， N 和 S 表示旋转磁场的两极，并以同步速 n1逆时针方向旋转。 旋转磁场的磁力线切割转子上的导条，根据电磁感应定律，此时转子的导条内会产生感应电势。 因为转子绕组自身短路，因而在转子导条中会有电流流过。 根据右手定则，可以判断转子导条中电势和电流的方向。 又根据电磁力定律，载流的导条在旋转磁场中必然受到电磁力的作用，电磁力的方向由左手定则决定。 由此可以判断图 21 中作用于转子导条上的电磁转矩的方向与旋转磁场的转向相同，也是逆时针方向。 如果电磁转矩足以克服转子上的负载转矩 (包括电机本身 的控制制动转矩 )，转子就可以在逆时针方向加速旋转了。 当电磁转矩与负载转矩相平衡时，异步电动机就处于稳定运行状态运行，此时转子转速 n 为某一稳定值。 一般情况下，转子的 n 转速总是略小于旋转磁场的同步转速 n1，因为转子和旋转磁场之间必须有相对运动才能在转子绕组里产生感应电势和感应电流，从而产生电磁转矩。 正是由于异步电动机靠自身的电磁转矩所产生的转子转速 n 不可能达到其同步速 n1,异步电动机的名称才由此而得。 我们把同步转速 n1，与转子转速 n 的差值叫做转速差 n，即 n=n1−n。 将 n 表示为同步转速 n的百分值，称为转差率（也叫转差或者滑差），用 s 表示，即 ： s = nn1 = n1− nn1 （ 21） 11 s 是异步电动机的一个基本参数， 它是表征异步电机运行状态和运行性能的一个基本变量。 不难看出， 当 n=0 时， s=1，当 n= n1时， s=0；当 nn1 时， s0；当转子与旋转磁场反向时， n取负值，此时 s1。 异步电机的静态数学模型 （ 1） 异步电动机的在调速时需要进行电压 (电流 )和频率的协调控制，因而有电压(电流 )和频率两个独立的输入变量。 由于它只有一个三相输入电源，磁通的建立和转速的变化是同时进行的，在调节转速的同时，为了获得较大的动态转矩，也需要对磁通施加某种控制。 可见，异步电动机是一个多变量的输入、输出系统。 而电压 (电流 )、频率、磁通、转速之间又互相有影响，所以它又是一个强耦合的多变量系统 [12]。 （ 2） 异步电动机中，电流和磁通共同作用产生转矩，转速乘以磁通得到感应电势，而它们又都是变化的，因而即使不考虑磁饱和等因素，数学模型也是非线 性的。 （ 3） 三相异步电动机定子有三个绕组，转子也可等效为三个绕组，每个绕组产生磁通时都有自己的电磁惯性，再加上运动系统的机电惯性，转速和转角的积分关系，即使不考虑变频装置的滞后因素，也是一个八阶系统 [15]。 总的来说，异步电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。 异步电动机内部发生的各种能量转换涉及电、磁和机械力三种物理量并且遵守能量守恒关系，反映在电磁和机械力方面分别为电势平衡关系、磁势 平 衡关系和转矩平衡关系。 三相定子绕组电压方程： dtdΨRiudtdΨRiudtdRiuCsCCBsBBAsAA (22) 与此应地，三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为： 12 dtdRiudtbdRiudtdRiucrccrbbaraa (23) 式中 ： uA， uB， uC， ua， ub， uc一定子和转子相电压的瞬时值； iA， iB， iC， ia， ib， ic一定子和转子相电流的瞬时值； A ， B ， C ， a ， b ， c 一各相绕组的全磁链； Rs, Rr一定子和转子绕组电阻。 每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和。 因此，六个绕组的磁链可表达为： cbaCBAcccbcacCcBcAbcbbbabCbBbAacabaaaCaBaACcCbCaCCCBCABcBbBaBCBBBAAcAbAaACABAAcbaCBAiiiiiiLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL （ 24） 或者写成 Ψ = Li 式中， L 是 6x6 电感矩阵，其中对角线元素 LAA、 LBB、 LCC、 Laa、 Lbb、 Lcc 是各有关绕组的自感，其余各项则是绕组间的互感。 与电机绕组交链的磁通有两类：一类是只与某一相绕组交链而不穿过气隙的漏磁通，另一类是穿过气隙的相间互感磁通，后者是主要的。 互感磁通又分为两类： （ 1） 定子三相彼此之间和转子三相彼此之间位置是固定的，故互感为常值。 （ 2） 定子任一相与转子任一相间的位置是变化的，互感是角位移的函数。 在一般情况下，忽略电力拖动系统中的阻转矩阻尼和扭转弹性转矩时，电力拖动系统的运动方程是： eLpJTTnddt （ 25） 式中 TL一负载阻转矩； J一机组的转动惯量； np一极对数 假定线性磁路、磁动势在空间按正弦分布，可得转矩方程为 ： [ ( ) s i n ( )s i n ( 1 2 0 ) ( ) s i n ( 1 2 0 ) ]e p m s A a B b C c A b B c C aA c B b C bT n L i i i i i i i i i i i ii i i i i i          （ 26） 13 其中 np为。