SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)MATLAB仿真.docx

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1、SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真1.1系統(tǒng)仿真綜述在采用電力半導(dǎo)體器件對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行交流調(diào)速的分析研究中，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)顯示出了它的巨大優(yōu)越性。MATLAB/SIMULINK環(huán)境是一種優(yōu)秀的系統(tǒng)仿真軟件，使用它可以大大提高系統(tǒng)仿真和CAD的效率和可靠性。本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是用MATLAB對基于SPWM控制的交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。系統(tǒng)仿真模型主要由整流器、濾波器、逆變器、電動(dòng)機(jī)模型以及SPWM控制器幾部分組成，對實(shí)際系統(tǒng)的分析與研究十分有幫助。本文根據(jù)電力電子器件的開關(guān)原理、PWM調(diào)制方式的動(dòng)作過程和自動(dòng)控制理論，結(jié)合具體的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2、并基于多信息融合思想，構(gòu)建計(jì)算機(jī)仿真方案，在通過分析比較仿真波形、儀表的顯示結(jié)果和存儲示波器的記錄，檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型、電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)器方式和主要元器件參數(shù)是否正確，修改設(shè)計(jì)方案，逐步達(dá)到預(yù)期的目的。本文用仿真調(diào)速系統(tǒng)控制一臺三相異步電動(dòng)機(jī)。系統(tǒng)工作過程是：首先通過電網(wǎng)中獲得三相對稱交流電，然后經(jīng)過三相不可控整流和SPWM控制方式下的逆變器為電動(dòng)機(jī)提供電源。電動(dòng)機(jī)在三相逆變電源的控制下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)負(fù)載工作。在本系統(tǒng)中，三相橋式逆變電路的基本工作方式采用的是導(dǎo)電方式，同一相(即同一半橋)上下兩個(gè)臂交替導(dǎo)電，這樣，在任意瞬間，將有3個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。在控制電

3、路中，采用的是正弦波脈寬調(diào)制法(SPWM)，即三角形載波信號和三相對稱的正弦波參考信號相比較，在交點(diǎn)處發(fā)出三相脈沖調(diào)制信號，去驅(qū)動(dòng)逆變器主回路的各IGBT的基極，當(dāng)改變參考信號的幅值時(shí)，相電位脈沖的脈寬隨之改變，從而改變了主回路基波相電壓的大小。當(dāng)改變參考信號的頻率時(shí)，輸出電壓的頻率隨之改變。如果同時(shí)改變參考電壓的幅值和頻率，就可以實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng)u/f＝常數(shù)的要求。這種調(diào)制方式的特點(diǎn)是在半個(gè)周期內(nèi)，脈沖間中心線等距，脈沖等幅、調(diào)寬，各脈沖面積之和與正弦波下的面積成正比。在SPWM方式中，經(jīng)常要用到調(diào)制系數(shù)M(M＝調(diào)制波幅值/載波幅值)。調(diào)制系數(shù)M是有條

4、件限制的。因?yàn)镸>1時(shí)，在調(diào)制波形的中間部分因?yàn)閰⒖颊也ê洼d波三角波形無交點(diǎn)，使其槽寬消失，實(shí)際上處于非線性控制，所以，為了實(shí)現(xiàn)精確的線性控制要求，正弦波參考信號的最大幅值不能大于三角波幅值，即M≤1。經(jīng)過分析研究證明，當(dāng)M≤1時(shí)，逆變器輸出線電壓中的基波分量的最大幅值只有逆變器輸入電網(wǎng)線電壓幅值0.866倍[19]。1.1SIMULINK中電力系統(tǒng)工具箱和仿真元件簡介Matlab對電路進(jìn)行仿真是基于圖形仿真軟件Simulink環(huán)境下，操作只需鼠標(biāo)的拖放和設(shè)定元件的參數(shù)，然后連線進(jìn)行仿真。下面對本系統(tǒng)的五個(gè)模塊，即PWM模塊、三相異步電動(dòng)機(jī)模塊、測量模

5、塊和輸出模塊、多功能橋式模塊逐個(gè)介紹其組成與仿真。1.PWM模塊的組成與仿真變頻器的調(diào)制方式可分為PAM(脈幅調(diào)制)和PWM(脈寬調(diào)制)兩種，中小型電機(jī)大都采用PWM方式，脈寬調(diào)制時(shí)，變頻器輸出電壓的大小通過改變輸出脈沖的占空比進(jìn)行調(diào)制，目前普遍應(yīng)用的是占空比按正弦規(guī)律安排的正弦波脈寬調(diào)制方式。PWM模塊是由一個(gè)PWM信號發(fā)生模塊和一個(gè)三臂逆變橋組成的。打開電力系統(tǒng)工具箱(PowerSystemBlockset)，打開特殊元件庫(extralibrary)，雙擊discretecontrolblocks，將出現(xiàn)一些離散控制模塊，通過對話框來選擇相關(guān)的模式

6、和電子器件，為PWM系統(tǒng)提供了基于載波的脈沖。這個(gè)模塊可以用來觸發(fā)單相、兩相、三相或者是三相橋相連接的電子器件，如(FET，GTO，或者是IGBT)。通過在“發(fā)生器模式”參數(shù)中選擇橋臂個(gè)數(shù)，這個(gè)模塊可以用于控制單相和三相的PWM電路。2.電機(jī)的仿真通常對電機(jī)的仿真是非常困難的，因?yàn)殡姍C(jī)本身是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性系統(tǒng)，仿真需建立多維方程組，對其編程來實(shí)現(xiàn)。而Matlab對電機(jī)仿真則非常容易，只需設(shè)定一些電機(jī)參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)。雙擊Machines模塊，彈出一個(gè)包含幾種電機(jī)模型的子窗口，其中有同步電機(jī)、異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)等，還有電機(jī)的測量環(huán)節(jié)。現(xiàn)以三相異

7、步電機(jī)為例說明其仿真過程。用鼠標(biāo)拖放異步電機(jī)模型(AsynchronousMachineSIUnits)至工作窗口，注意有兩種異步電機(jī)模型，此時(shí)拖放的是標(biāo)準(zhǔn)形式的電機(jī)；另一種是以標(biāo)幺值形式(puUnits)表示的。然后在工作窗口中雙擊電機(jī)模型，將彈出電機(jī)參數(shù)設(shè)定窗口，需設(shè)定的參數(shù)有：[電機(jī)額定功率、線電壓、頻率]，[定子電阻、漏感]，[轉(zhuǎn)子電阻、漏感]，[定轉(zhuǎn)子互感]，[轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、摩擦系數(shù)、電機(jī)極對數(shù)]，[電機(jī)初始條件：轉(zhuǎn)差率、電位角、定子相電流和相角]。通常最后一項(xiàng)除轉(zhuǎn)差率設(shè)為1，其他各項(xiàng)則根據(jù)仿真所用的電機(jī)實(shí)際參數(shù)設(shè)定。圖7.1是一個(gè)三相異步電機(jī)模型

8、。圖7.1三相異步電機(jī)模型圖中異步電機(jī)模型的A、B、C端口是三相定子電源輸入端口