交直交变频调速设计及仿真

摘要近些年来，随着现代电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。

变频调速技术的迅速发展被越来越多的应用于电机控制领域中，是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。

变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，以及广泛的适用范围和调速时因转差功率不变而无附加能量损失等优点而被国内外公认为是最有发展前途的高效调速方式。

所以，对交—直—交变频调速系统的基本工作原理和特性的研究是十分有积极意义的。

本文研究了变频调速系统的基本组成部分，主回路主要有三部分组成：将工频电源变换为直流电源的“整流器”；吸收由整流器和逆变器回路产生的电压脉动的“滤波回路”，也是储能回路；将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

以Matlab/Simulink为仿真工具，搭建交—直—交变频调速系统的仿真模型，并对仿真结果进行分析研究。

通过仿真试验对该交—直—交变频调速系统的基本工作原理、工作特性及作用有更深的认识，也对谐波对于交—直—交变频调速系统的影响有了一定的了解。

第一章绪论1.1 交流调速技术发展概况在很长的一个历史时期内，直流调速系统以其所具有优良的静、动态性能指标垄断调速传动应用领域。

但是随着生产技术的不断发展，直流电机的缺点逐步显示出来，由于机械式换向器的存在使直流电机的维护工作量增加并限制了电机容量、电压、电流和转速的上限值，加之故障率高、效率低、成本高、使用环境受限等缺点，使其在一些大容量的调速领域中无法应用。

而异步电动机特别是鼠笼异步电动机，容量、电压、电流和转速的上限，不像直流电动机那样受限制。

而且异步电动机的转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统。

与其它电机相比，异步电动机的结构简单，制造、使用、维护方便，坚固耐用，运行可靠，重量轻，故障率低，成本低。

以三相异步电动机为例，与同功率、同转速的直流电动机相比，前者重量只及后者的二分之一，成本仅为三分之一。

异步电动机还容易按不同环境条件的要求，派生出各种系列产品。

它还具有接近恒速的负载特性，能满足大多数工农业生产机械拖动的要求。

但是在过去很长的时间里由于交流电动机调速困难的致命缺点，简单调速方案不能得到很好的性能指标。

20世纪70年代之后，随着交流电动机调速的理论问题的突破和调速装置（主要是变频器）性能的完善，交流电动机调速性能的缺点得到了克服，使得交流调速系统得到了迅速的发展，其技术和性能胜过其它任何一种调速方式 (如:降压调速、变极调速、滑差调速、内反馈串级调速和液力偶合调速)。

目前，交流调速系统的性能已经可以和直流调速系统相匹敌，甚至可以超过并逐步取代直流调速系统。

目前，从数百瓦级的家用电器到数千千瓦级乃至数万千瓦级的调速传动装置，可以说无所不包的都可用交流调速传动方式来实现。

交流调速传动已经从最初的只用于风机、泵类的调速过渡到针对各类高精度、快响应的高性能指标的调速控制。

与直流调速系统相比，交流调速系统具有以下特点：（1）容量大；（2）转速高且耐高压；（3）交流电动机的体积、重量、价格比同等容量的直流电动机小，且结构简单、经济可靠、惯性小；（4）交流电动机环境使用性强，坚固耐用，可以在十分恶劣的环境下使用；（5）高性能、高精度的新型交流拖动系统已达同直流拖动系统一样的性能指标；（6）交流调速系统能显著的节能。

从性能价格比的角度看，交流调速装置已经优于直流调速装置。

交流调速系统最终将取代直流调速系统。

而交流调速传动控制技术之所发展得如此迅速，与一些关键性技术的突破性进展有关，这些技术包括电力电子器件（包括半控型和全控型器件）的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电动机的矢量变换控制技术、直接转矩控制技术、PWM（Pulse Width Modulation）技术以及微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等。

控制相比，加、减速更为平滑，且容易使系统稳定。

但是转差频率控制并未能实施对电机瞬时转矩的闭环控制，而且动态电流相位的延时会影响系统的实际动态响应。

目前，交流调速系统的主要应用方向可分为如下三大类。

（1）以节能目的的改恒速为可调速。

在原来大量的交流不调速领域（如风机、水泵、压缩机等）中，改直流启动为软启动；改恒速为可调速；在调速性能要求不高的场合，为降低成本采用开环调速。

仅以泵的控制改造为例，节电高达20%以上。

（2）以少维护省力为目的的取代直流调速系统。

在直接关系到生产和人身安全的重要场合，为减少直流电机的故障和节省维护时间，改用交流调速系统。

如直流电梯改为交流电梯，有利于保证人身安全，增加正常运转运营时间；直流轧机改为交流轧机，可以大大节省检修时间，提高生产效率；电动汽车中采用交流驱动，可以减小体积和重量，提高可靠性。

（3）直流调速难以实现的领域在直流电机很难实现的大容量高速领域，交流调速系统可以大显身手。

如电动机车、厚板轧机、高速电钻等。

从多方面来看，交流调速系统完全可以取代直流调速系统，并将为工业生产以及节电节能等方面带来巨大的经济效益和社会效益【0】。

1.2 研究变频调速的目的与意义异步电动机比直流电机结构简单、成本低、工作可靠、维护方便、效率高。

因此，研究异步电动机的调速系统，对于提高经济效益具有十分重要的现实意义。

由电机学可知，异步电动机的转速表达式为:(1-1) 式中n—电动机的输出转速;为电机的定子供电频率；s — 电动机的转差率:P — 电机的极对数。

由公式(1-1)可知，实现异步电动机输出速度的改变，主要通过3类方式来实现，即改变电机的极对数、变化转差率以及改变供电频率。

目前常见到的具体实现调速方案有：变极调速、调压调速、串级调速以及变频调速等。

其中变极调速方式属于有级调速，调速范围窄，应用场合有限；调压调速方式是以消耗转差功率为代价，不利于节能，一般应在中小型风机、泵类等功率调速系统中；串级调速是以消耗部分转差功率为代价较前者在节能方面略胜一筹，是一种结构简单，实现方便，较为经济方式，多用在绕线式异步电动机技术改造中；变频调速是最为理想的异步电动机调速方式，以其高效率和高性能等优势，目前应用最为广泛。

通过流体力学的基本定律可知:风机 (或水泵)类设备均属平方转矩负载，其转速n 与流量Q 、压力(扬程)H 以及轴功率P 具有如下关系2121//n n Q Q = （1-2）22121)/(/n n H H = （1-3）32121)/(/n n P P = （1-4）由公式(1-4)可知，在其它运行条件不变的情况下，通过下调电机的运行速度，其节电效果是与转速降落成立方的关系，因此，节电效果非常明显。

例如在工况只需要50%的风量或水量时，则可以将电机的转速调节为额定的一半，而此时电机消耗的功率仅为额定的2.5%，即理论上节能可达87.5%.目前交流传动己经上升为电气调速传动的主流，直流传动系统占统治地位的局面已经受到强烈的冲击。

推广使用可调速电动机及其控制系统的节能具有广阔的前景，在不久的将来，交流电气传动将会完全取代直流电气传动。

电动机作为风机、水泵、压缩机、机床等各种设备的动力，已广泛应用于工业、商业、公用设施和家用电器等各个领域，其中异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。

使之成为国内外企业采用电机节能方式的首选。

因此，提高电机系统的效率，对节约电能意义十分重大。

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将有利于提高系统的可靠性和工作效率。

为了研究交直交变频调速系统，本论文主要利用Matlab/Simulink仿真工具，搭建交—直—交变频调速系统的仿真模型，通过对系统各部分参数的设定对该系统进行仿真，根据仿真结果，分析三相异步电动机交流交直交变频调速的工作原理与工作特性及变频器对电机的影响等，实现优化系统设计，这对高性能的变频调速系统具有一定的应用价值和现实意义。

1.3 交流调速的研究分析(1)电力电子器件的使用现代交流调速技术的快速发展和电力电子技术的发展是分不开的，以电力为对象的电子技术称为电力电子技术。

它是一门利用电力电子器件对电能进行转换、传输的学科，是现代电子学的一个重要分支。

从20世纪50年代末晶闸管问世以来，经过几十年的发展，电力电子器件得到了迅猛的发展。

从只能触发导通而不能控制关断的半控型器件（如Thyristor 晶闸管），到可以控制导通和关断的全控型器件（如GTO门极可关断晶闸管、GTR 电力晶闸管）；从电流控制到电压（电场）控制（如IGBT绝缘栅双极型晶闸管、MOSFET电力场效应晶闸管），它们的使用使得开关高频化的PWM 技术成为可能。

目前功电力电子器件正向大功率、高频化、集成化、智能化、易触发、低损耗和好保护等方向发展。

典型的电力电子变频装置有电压型交—直—交变频器、电流型交—直—交变频器和交—交变频器三种。

电压型交直交变频器的中间直流环节采用大电容作储能元件，无功功率将由大电容来缓冲，不具有四象运行能力。

对于负载电动机而言，电压型变频器相当于一个交流电压源，在不超过容量限度的情况下，可以驱动多台电动机并联运行。

电压型PWM 变频器在中小功率电力传动系统中占有主导地位，是目前发展最快，应用最广的变频器。

但电压型变频器的缺点在于电动机处于制动(发电)状态时，回馈到直流侧的再生电能难以回馈给交流电网，要实现这部分能量的回馈，网侧不能采用不可控的二极管整流器或一般的可控整流器，必须采用可逆变频器，这种再生能量回馈式高性能变频器具有直流输出电压连续可调，输入电流 (网侧电流)波形基本为正弦波，电压波形为矩形波，功率因数保持为1并且能量可以双向流动的特点。

电流型交—直—交变频器的中间直流环节采用大电感作储能元件，无功功率将由大电感来缓冲，它的一个突出优点是当电动机处于制动 (发电)状态时，只需改变网侧可控整流器的输出电压极性即可使回馈到直流侧的再生电能方便地回馈到交流电网，构成的调速系统具有四象限运行能力，能很好地实现电机的制动功能，可用于频繁加减速等对动态性能有要求的单机应用场合。

交-交变频器电路具有效率高，可实现四象限工作，低频输出波形接近正弦波。

但它接线复杂，输入电流谐波大，输入功率因数低，受电网频率和变流电路脉波数的限制，所以一般只用于低速（低频）的大容量调速传动中。