matlab三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速

1、目錄第1章 緒論11.1論文研究背景11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀21.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀21.3論文主要內(nèi)容2第2章 異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)方案選擇42.1交流調(diào)速系統(tǒng)42.2交流調(diào)速方案52.2.1調(diào)壓調(diào)速52.2.2串級(jí)調(diào)速52.2.3變級(jí)調(diào)速62.2.4電磁調(diào)速72.2.5變頻調(diào)速72.3交流調(diào)速方案確定8第3章 異步電機(jī)的變頻調(diào)速93.1異步電機(jī)物理模型93.2變頻控制方式選擇103.2.1直接轉(zhuǎn)矩控制方式113.2.2矩陣式控制方式113.2.3 電壓空間矢量SVPWM控制方式123.2.4 正弦脈寬調(diào)制SPWM控制方式123.3變頻調(diào)速控制方案確定123.4 SPWM變

2、頻調(diào)速123.3.1同步調(diào)制與異步調(diào)制133.3.2自然采樣與規(guī)則采樣143.3.3單極性調(diào)制與雙極性調(diào)制15第4章基于MATLAB的異步電機(jī)調(diào)速仿真164.1MATLAB簡(jiǎn)介164.1.1MATLAB介紹164.1.2MATLAB仿真模塊184.2SPWM逆變器建模仿真194.2.1參數(shù)設(shè)置194.2.2SPWM模型204.2.3SPWM仿真214.3異步電機(jī)SPWM調(diào)速系統(tǒng)仿真224.3.1參數(shù)設(shè)置224.3.2調(diào)速系統(tǒng)模型234.3.3調(diào)速系統(tǒng)仿真23第5章總結(jié)與展望27參考資料28致謝29第1章 緒論1.1論文研究背景隨著社會(huì)的發(fā)展，能源需求急速增長(zhǎng)，如何有效地節(jié)能也成為了一個(gè)亟待解決

3、的問(wèn)題。早期的交流電機(jī)調(diào)速方法，采用的繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、籠型異步電動(dòng)機(jī)變極調(diào)速或者在定子繞組串電抗器調(diào)速等都存在效率低，不經(jīng)濟(jì)等缺點(diǎn)。就現(xiàn)階段來(lái)說(shuō)，電能是全球使用量最多的清潔能源，也是浪費(fèi)最多的清潔能源，從電機(jī)控制方面入手，是解決此問(wèn)題的最好方式。異步電動(dòng)機(jī)可以將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能以及其它清潔能源，使用量也是相當(dāng)廣泛，一半以上的能量被用于電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換，而這些所消耗的能量的電機(jī)中大部分都是異步電動(dòng)機(jī)，異步電機(jī)的潛在使用價(jià)值可見(jiàn)一斑。在國(guó)內(nèi)，中小型的異步電機(jī)在使用過(guò)程中占主要分量，由于設(shè)備的陳舊以及制造技術(shù)的不到位，以及理論研究的不到位，導(dǎo)致能源的浪費(fèi)問(wèn)題十分嚴(yán)重。能源工業(yè)作為國(guó)民經(jīng)

4、濟(jì)的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，我國(guó)能源工業(yè)面臨著環(huán)境保與護(hù)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的雙重壓力。為此，國(guó)家十二五計(jì)劃中，在電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能的相關(guān)方面使用的資金總量高達(dá)515億元之多，有資料顯示，由于受到部分技術(shù)以及不部分資源的限制，我國(guó)能源有效利用效率比發(fā)達(dá)國(guó)家相對(duì)要低。交流變頻調(diào)速的優(yōu)越性早在上世紀(jì)20年代就已被人們認(rèn)識(shí)，但受元器件體積過(guò)大的限制，當(dāng)時(shí)只能用閘流管構(gòu)成逆變器，由于技資大，效率低，體積大等缺點(diǎn)而未能推廣。20世紀(jì)50年代中期，晶閘管的研制成功，開(kāi)創(chuàng)了電力電子技術(shù)發(fā)展的新時(shí)代。由于晶閘管具有響應(yīng)快、體積小、重量輕、管壓低等一系列優(yōu)點(diǎn)，交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)有了飛躍發(fā)展，出現(xiàn)了交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速、

5、串級(jí)調(diào)速等系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的變頻調(diào)速，比之兩種調(diào)速方式效率更高，性能更優(yōu)，在過(guò)去的幾十年里變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展非?？欤瑥闹骰芈吠?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率開(kāi)關(guān)器件及驅(qū)動(dòng)到數(shù)字信號(hào)處理器、控制策略均獲得長(zhǎng)足的進(jìn)步；控制對(duì)象從異步電機(jī)到無(wú)刷直流、正弦同步電機(jī)、磁阻同步電機(jī)到伺服同步電機(jī)，變頻調(diào)速技術(shù)的控制性能不斷提升，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域起著越來(lái)越重要的作用，已滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)角落?？梢?jiàn)，異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速問(wèn)題在我國(guó)將有著巨大的發(fā)展方向。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀20世紀(jì)60年代中期，德國(guó)的A Schonung 等人率先提出了脈寬調(diào)制變頻的思想，他們把通信系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)推廣應(yīng)用于變

6、頻調(diào)速中，為現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和實(shí)用化開(kāi)辟了新的道路。從此，交流調(diào)速理論及應(yīng)用技術(shù)大致沿下述四個(gè)方面發(fā)展。交流變頻調(diào)速在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已得到廣泛應(yīng)用。國(guó)外在高性能大容量交流電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)的研究和應(yīng)用上遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在我國(guó)的前面，已有更高級(jí)別的高壓逆變器大量投入市場(chǎng)，并應(yīng)用于電力機(jī)車(chē)上、船艦電力推進(jìn)、造紙、軋鋼等系統(tǒng)中。交流變頻調(diào)速技術(shù)以及產(chǎn)品已成為一些發(fā)達(dá)國(guó)家的先導(dǎo)產(chǎn)品。目前，國(guó)外先進(jìn)的工業(yè)國(guó)家生產(chǎn)直流傳動(dòng)的裝置基本呈下降趨勢(shì)，而交流變頻調(diào)速裝置的生產(chǎn)大幅度上升。以日本為例，20世紀(jì)后期，直流調(diào)速占80%，交流占20%。到目前為止，日本除了個(gè)別地方還繼續(xù)采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)外，幾乎所有調(diào)速系統(tǒng)那個(gè)都采用交

7、流變頻裝置。1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀我國(guó)在應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)上目前處于初級(jí)階段，但發(fā)展速度逐年增長(zhǎng)較快，國(guó)家已將該項(xiàng)目列為“八五”重點(diǎn)攻關(guān)及推廣項(xiàng)目。這將加快交流調(diào)速在我國(guó)的普及應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)狀況如下：（1）變頻器的控制策略的基礎(chǔ)與國(guó)外差距不大；（2）變頻器的整體技術(shù)落后，國(guó)內(nèi)雖有很多企業(yè)投入了一定的人力和物理，但由于力量分散，并沒(méi)能形成一定的技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模；（3）變頻器產(chǎn)品所用的半導(dǎo)體功率器件的制造業(yè)幾乎是空白；（4）相關(guān)配套產(chǎn)品及行業(yè)落后；（5）產(chǎn)銷(xiāo)量少，可靠性及工藝水品不高。1.3論文主要內(nèi)容通過(guò)MATLAB中的simulink對(duì)三相異步電機(jī)變頻調(diào)速進(jìn)行仿真?；?MATLAB

8、軟 件 中 的Simulink 和 Power System Blochset，建立了SPWM三相異步電機(jī)變頻調(diào)速的仿真模型，分析主電路及控制電路的工作原理，完成了SPWM變頻調(diào)速特性的仿真的設(shè)計(jì)。并對(duì)仿真結(jié)果的分析驗(yàn)證。 論文的主要結(jié)構(gòu)安排為：1、緒論：論述異步電機(jī)調(diào)速研究的背景及意義，簡(jiǎn)要概述異步電機(jī)調(diào)速的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。2、異步電機(jī)調(diào)速方案選擇：論述交流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析各種交流異步電機(jī)的調(diào)速方案，選擇性能優(yōu)的調(diào)速方案作為本論文的研究重點(diǎn) 3、異步電機(jī)的變頻調(diào)速：介紹異步電機(jī)的物理模型，介紹了變頻調(diào)速的四種控制方式，并選擇應(yīng)用廣泛的正弦脈寬調(diào)制方式，詳細(xì)介紹了SPWM控制方式下的變頻。4

9、、基于MATLAB的異步電機(jī)調(diào)速仿真：首先介紹MATLAB的各個(gè)功能以及其simulink功能，并利用其PCB庫(kù)中的電氣元件建模；分別詳細(xì)說(shuō)明了SPWM變頻模塊與異步電機(jī)調(diào)速模塊的建立與調(diào)試仿真。5、結(jié)論與展望：總結(jié)異步電機(jī)的正弦脈寬調(diào)速仿真結(jié)果，分析其角頻率（n/9.55）與電壓頻率的關(guān)系，并分析SPWM變頻的好處，總結(jié)此次論文的研究?jī)?nèi)容，提出需要改進(jìn)的方面。第2章 異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)方案選擇2.1交流調(diào)速系統(tǒng)異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型包括異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)的等效電路和機(jī)械特性，兩者有聯(lián)系又有區(qū)別。穩(wěn)態(tài)等效電路描述了在一定轉(zhuǎn)差率下電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)電氣特性，而機(jī)械特性則表征了轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。按照定

10、義，轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：n=60f1p式中n1同步轉(zhuǎn)速p為電機(jī)極對(duì)數(shù)f1供電電源頻率而同步轉(zhuǎn)速與電機(jī)角速度關(guān)系為：n=602=9.55按照交流異步電動(dòng)機(jī)原理，從定子傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子的電磁功率Pm分成成兩部分：一部分是拖動(dòng)負(fù)載的有效功率；另一部分是傳輸給轉(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)差功率，與轉(zhuǎn)差率s成正比。從能量轉(zhuǎn)換的角度看，轉(zhuǎn)差率是否增大，能量石被消耗掉還是得到利用，是評(píng)價(jià)調(diào)速系統(tǒng)性能高低的標(biāo)志。轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)：這種類(lèi)型的全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能消耗在轉(zhuǎn)子回路中，定子降電壓調(diào)速和繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)串電阻調(diào)速均屬于這一類(lèi)。轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)：在這類(lèi)系統(tǒng)中，一部分轉(zhuǎn)差功率被消耗掉，大部分則通過(guò)變流裝置回饋給電

11、網(wǎng)或轉(zhuǎn)化成機(jī)械能予以利用，轉(zhuǎn)速越低，能利用的功率越多，繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速屬于這一類(lèi)。轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)：在轉(zhuǎn)差功率中，轉(zhuǎn)子銅損是不可避免的，在定子側(cè)實(shí)行變壓變頻控制時(shí)，無(wú)論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)子銅損基本不變，轉(zhuǎn)子電路中沒(méi)有附加的損耗，因此效率最高，是應(yīng)用最廣的一種調(diào)速方案。2.2交流調(diào)速方案2.2.1調(diào)壓調(diào)速保持電源頻率f1為額定頻率f1n，只改變定子電壓Us的調(diào)速方法稱(chēng)作調(diào)壓調(diào)速。由于受電動(dòng)機(jī)絕緣和磁路飽和的限制，定子電壓Us只能降低，不能升高，故又稱(chēng)作降壓調(diào)速。調(diào)壓調(diào)速的基本特征是電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速保持為額定值不變，即n1=n1N=60f1Np而氣隙磁通m隨定子電壓的降低而減小，屬于弱磁調(diào)

12、速。當(dāng)改變電動(dòng)機(jī)的定子電壓時(shí)，可以得到一組不同的機(jī)械特性曲線，從而獲得不同轉(zhuǎn)速。由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，因此最大轉(zhuǎn)矩下降很多，其調(diào)速范圍較小，使一般籠型電動(dòng)機(jī)難以應(yīng)用。為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，調(diào)壓調(diào)速應(yīng)采用轉(zhuǎn)子電阻值大的籠型電動(dòng)機(jī)，如專(zhuān)供調(diào)壓調(diào)速用的力矩電動(dòng)機(jī)，或者在繞線式電動(dòng)機(jī)上串聯(lián)頻敏電阻。為了擴(kuò)大穩(wěn)定運(yùn)行范圍，當(dāng)調(diào)速在2：1以上的場(chǎng)合應(yīng)采用反饋控制以達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速目的。 調(diào)壓調(diào)速的主要裝置是一個(gè)能提供電壓變化的電源，常用的調(diào)壓方式有串聯(lián)飽和電抗器、自耦變壓器以及晶閘管調(diào)壓等幾種。晶閘管調(diào)壓方式為最佳。調(diào)壓調(diào)速的特點(diǎn)： 調(diào)壓調(diào)速線路簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制； 調(diào)壓過(guò)程中轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱形式

13、消耗在轉(zhuǎn)子電阻中，效率較低。 調(diào)壓調(diào)速一般適用于100KW以下的生產(chǎn)機(jī)械。2.2.2串級(jí)調(diào)速在異步電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中附加交流電動(dòng)勢(shì)調(diào)速的關(guān)鍵就是在轉(zhuǎn)子側(cè)串入一個(gè)可變頻、可變幅的電壓。將異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電壓先整流成直流電壓，然后在引入一個(gè)附加的直流電動(dòng)勢(shì)，控制此直流附加電動(dòng)勢(shì)的幅值，就可以調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這樣一來(lái)就把交流電機(jī)調(diào)速的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為與頻率無(wú)關(guān)的直流變壓?jiǎn)栴}，對(duì)問(wèn)題的分析與工程實(shí)現(xiàn)都方便多了。加入這一直流附加電動(dòng)勢(shì)要有一定的技術(shù)要求：首先，他應(yīng)該是可以平滑調(diào)節(jié)的，以滿足對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速平滑調(diào)節(jié)的要求；其次，從節(jié)能的角度看，希望產(chǎn)生附加直流電動(dòng)勢(shì)的裝置能夠吸收從異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)傳遞來(lái)的轉(zhuǎn)差功率并

14、加以利用。根據(jù)以上的要求，較好的方案是采用工作在有源逆變狀體的晶閘管可控整流裝置作為產(chǎn)生直流附加電動(dòng)勢(shì)的電源。串級(jí)調(diào)速是指繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入可調(diào)節(jié)的附加電勢(shì)來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差，達(dá)到調(diào)速的目的。大部分轉(zhuǎn)差功率被串入的附加電勢(shì)所吸收，再利用產(chǎn)生附加的裝置，把吸收的轉(zhuǎn)差功率返回電網(wǎng)或轉(zhuǎn)換能量加以利用。根據(jù)轉(zhuǎn)差功率吸收利用方式，串級(jí)調(diào)速可分為電機(jī)串級(jí)調(diào)速、機(jī)械串級(jí)調(diào)速及晶閘管串級(jí)調(diào)速形式，多采用晶閘管串級(jí)調(diào)速，其特點(diǎn)為： 可將調(diào)速過(guò)程中的轉(zhuǎn)差損耗回饋到電網(wǎng)或生產(chǎn)機(jī)械上，效率較高； 裝置容量與調(diào)速范圍成正比，投資省，適用于調(diào)速范圍在額定轉(zhuǎn)速70%90%的生產(chǎn)機(jī)械上； 調(diào)速裝置故障時(shí)可以切換至全速

15、運(yùn)行，避免停產(chǎn)； 晶閘管串級(jí)調(diào)速功率因數(shù)偏低，諧波影響較大。 本方法適合于風(fēng)機(jī)、水泵及軋鋼機(jī)、礦井提升機(jī)、擠壓機(jī)上使用。在繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路引入一附加電勢(shì)，使得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)通過(guò)變流裝置向電網(wǎng)反饋或從電網(wǎng)吸收轉(zhuǎn)差功率，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。串級(jí)調(diào)速可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是直接使用變頻電源；另一類(lèi)是將不同頻率的轉(zhuǎn)子電壓經(jīng)過(guò)整流器整流，變換為與轉(zhuǎn)差成正比的直流，在其直流回路中串入一個(gè)極性相反的逆變器來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。串級(jí)調(diào)速的主要優(yōu)點(diǎn)是：可以將滑差能量以電能的形式回饋至電網(wǎng)，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)系統(tǒng)總效率較高，可達(dá)90%以上；調(diào)速平滑；裝置容量與速度調(diào)節(jié)范圍成正比，當(dāng)要求調(diào)速范圍不大時(shí)，所需外加電源容量小，

16、設(shè)備費(fèi)用較低；可靠性較高，即使附加電源出了問(wèn)題，系統(tǒng)可甩掉附加電源，切換至轉(zhuǎn)子短接狀態(tài)下運(yùn)行。串極調(diào)速的主要缺點(diǎn)是：功率因數(shù)低，可能要低于0.6；晶體管串級(jí)調(diào)速裝置有諧波危害；當(dāng)電網(wǎng)電壓瞬時(shí)大幅度降低時(shí)，串級(jí)調(diào)速裝置有可能停止運(yùn)行；最大力矩降低約17%左右，電氣制動(dòng)的特性不夠理想，線路相對(duì)較復(fù)雜等。2.2.3變級(jí)調(diào)速變換異步電動(dòng)機(jī)繞組極數(shù)從而改變同步轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)速的方式稱(chēng)為變極調(diào)速。變極調(diào)速技術(shù)是通過(guò)采用變極多速異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。這種多速電動(dòng)機(jī)大都為籠型轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)與基本系列異步電動(dòng)機(jī)相似，現(xiàn)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的有雙、三、四速等3類(lèi)。變極調(diào)速是通過(guò)外部的開(kāi)關(guān)切換改變電機(jī)繞組的串并聯(lián)關(guān)系實(shí)現(xiàn)的。只

17、能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)節(jié)（一般有兩個(gè)速度），如電機(jī)由兩極切換到四極，速度就會(huì)由大約3000轉(zhuǎn)/分降到大約1500轉(zhuǎn)/分。變極調(diào)速一般是以兩個(gè)速度為主，輔以閥門(mén)和擋板調(diào)節(jié)，比單純使用閥門(mén)和擋板要好一些，但是仍然有節(jié)能潛力可挖。另外，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，變極電機(jī)的效率比常規(guī)的通用電機(jī)要稍低一些。變極調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是投資較少。變極調(diào)速方式就是電動(dòng)機(jī)的同一套繞組經(jīng)控制設(shè)備把各線圈的接法進(jìn)行變換，改變電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)來(lái)改變電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方式。這是一種不連續(xù)的調(diào)速方式，適用于極對(duì)數(shù)可以改變的多速鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)。從電機(jī)構(gòu)造上看，定子繞組有單繞組和多繞組兩種，一半多為單繞組，單繞組變極電機(jī)不僅出線少，用銅省，而且可以實(shí)現(xiàn)雙

18、速、三倍及倍極比、非倍極比的變極調(diào)速。 變極調(diào)速是一種傳統(tǒng)的調(diào)速方式，廣泛應(yīng)用于機(jī)床等機(jī)械的調(diào)速，變極調(diào)速的主要優(yōu)點(diǎn)是：無(wú)附加轉(zhuǎn)差損耗，電氣傳動(dòng)效率高，控制線路簡(jiǎn)單，設(shè)備費(fèi)用低。其主要缺點(diǎn)是：不能連續(xù)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速方法是用改變定子繞組的接線方式來(lái)改變籠型電動(dòng)機(jī)定子極對(duì)數(shù)達(dá)到調(diào)速目的，特點(diǎn)如下： 具有較硬的機(jī)械特性，穩(wěn)定性良好； 無(wú)轉(zhuǎn)差損耗，效率高； 接線簡(jiǎn)單、控制方便、價(jià)格低； 有級(jí)調(diào)速，級(jí)差較大，不能獲得平滑調(diào)速； 可以與調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調(diào)速特性。 本方法適用于不需要無(wú)級(jí)調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，如金屬切削機(jī)床、升降機(jī)、起重設(shè)備、風(fēng)機(jī)、水泵等。2.2.4電磁調(diào)速

19、電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)由籠型電動(dòng)機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器和直流勵(lì)磁電源（控制器）三部分組成。直流勵(lì)磁電源功率較小，通常由單相半波或全波晶閘管整流器組成，改變晶閘管的導(dǎo)通角，可以改變勵(lì)磁電流的大小。 電磁轉(zhuǎn)差離合器由電樞、磁極和勵(lì)磁繞組三部分組成。電樞和后者沒(méi)有機(jī)械聯(lián)系，都能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。電樞與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子同軸聯(lián)接稱(chēng)主動(dòng)部分，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)；磁極用聯(lián)軸節(jié)與負(fù)載軸對(duì)接稱(chēng)從動(dòng)部分。當(dāng)電樞與磁極均為靜止時(shí)，如勵(lì)磁繞組通以直流，則沿氣隙圓周表面將形成若干對(duì)N、S極性交替的磁極，其磁通經(jīng)過(guò)電樞。當(dāng)電樞隨拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于電樞與磁極間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而使電樞感應(yīng)產(chǎn)生渦流，此渦流與磁通相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)有磁極的轉(zhuǎn)子按同一方向旋

20、轉(zhuǎn)，但其轉(zhuǎn)速恒低于電樞的轉(zhuǎn)速N1，這是一種轉(zhuǎn)差調(diào)速方式，變動(dòng)轉(zhuǎn)差離合器的直流勵(lì)磁電流，便可改變離合器的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特點(diǎn)： 裝置結(jié)構(gòu)及控制線路簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維修方便； 調(diào)速平滑、無(wú)級(jí)調(diào)速； 對(duì)電網(wǎng)無(wú)諧影響； 速度失大、效率低。 本方法適用于中、小功率，要求平滑動(dòng)、短時(shí)低速運(yùn)行的生產(chǎn)機(jī)械。2.2.5變頻調(diào)速變頻調(diào)速是改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流直流交流變頻器和交流交流變頻器兩大類(lèi)，目前國(guó)內(nèi)大都使用交直交變頻器。其特點(diǎn)： 效率高，調(diào)速過(guò)程中沒(méi)有附加損耗； 應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動(dòng)機(jī)

21、； 調(diào)速范圍大，特性硬，精度高； 技術(shù)復(fù)雜，造價(jià)高，維護(hù)檢修困難。 本方法適用于要求精度高、調(diào)速性能較好場(chǎng)合。 變頻調(diào)速分為基頻以下調(diào)速和基頻以上調(diào)速，基頻以下調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，基頻以上調(diào)速屬于恒功率調(diào)速方式。2.3交流調(diào)速方案確定從調(diào)速時(shí)的能耗觀點(diǎn)來(lái)看，有高效調(diào)速方法與低效調(diào)速方法兩種：高效調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)差率不變，因此無(wú)轉(zhuǎn)差損耗，如多速電動(dòng)機(jī)、變頻調(diào)速以及能將轉(zhuǎn)差損耗回收的調(diào)速方法（如串級(jí)調(diào)速等）。有轉(zhuǎn)差損耗的調(diào)速方法屬低效調(diào)速，如轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法，能量就損耗在轉(zhuǎn)子回路中；電磁離合器的調(diào)速方法，能量損耗在離合器線圈中；液力偶合器調(diào)速，能量損耗在液力偶合器的油中。一般來(lái)說(shuō)轉(zhuǎn)差損耗隨調(diào)速范圍擴(kuò)

22、大而增加，如果調(diào)速范圍不大，能量損耗是很小的。在交流電動(dòng)機(jī)的以上調(diào)速方式中，變頻調(diào)速因其突出的性能，應(yīng)用最為廣泛，同時(shí)也是電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)最為活躍的研究領(lǐng)域。隨著電力電子技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展和完善，變頻調(diào)速的技術(shù)性能不斷提升，變頻調(diào)速技術(shù)已成為我國(guó)企業(yè)節(jié)約能源、提高生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、提高產(chǎn)品質(zhì)量和改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的主要技術(shù)手段之一?，F(xiàn)在人們所說(shuō)的交流調(diào)速，主要是指采用電子式電力變換器對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速傳動(dòng)，除變頻以外的另外一些簡(jiǎn)單的調(diào)速方案，例如變極調(diào)速、定子調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速等，由于其性能較差，終將會(huì)被變頻調(diào)速所取代。因此，此次選取變頻調(diào)速方案作為交流調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成部分。第3章 異步電

23、機(jī)的變頻調(diào)速3.1異步電機(jī)物理模型異步電動(dòng)機(jī)具有非線性、強(qiáng)耦合、多變量的性質(zhì)，要獲得高動(dòng)態(tài)調(diào)速性能，必須從動(dòng)態(tài)模型出發(fā)，分析異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制規(guī)律，研究高性能異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方案。三相異步電機(jī)的物理模型如圖所示，定子三相繞組軸線A、B、C在空間是固定的，轉(zhuǎn)子繞組軸線a、b、c以角速度隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。如以A軸為參考坐標(biāo)軸，轉(zhuǎn)子a軸和定子A軸間的電角度為空間角位移變量。規(guī)定各繞組電壓、電流、磁鏈的正方向符合電動(dòng)機(jī)慣例和右手螺旋定則。圖3-1異步電機(jī)物理模型在一般情況下，其電磁方程是時(shí)變的非線性系統(tǒng)，求解困難，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換以后，可進(jìn)行解耦，得到一組時(shí)不變的狀態(tài)方程。對(duì)于交流變頻調(diào)速電機(jī)，一般采用

24、任意速d-q-n坐標(biāo)系方程進(jìn)行分析。在任意速下，靜止三相坐標(biāo)系as-bs-cs變換到任意速d-q-n坐標(biāo)系方程：fqsfdsfns=23coscos(- 2/3)cos(+ 2/3)sinsin(- 2/3)sin(+ 2/3)fasfbsfcs=0tkdt+0式中fas靜止坐標(biāo)系定子電壓fbs靜止坐標(biāo)系定子電流fcs靜止坐標(biāo)系定子磁鏈fqs任意速坐標(biāo)系定子電壓fds任意速坐標(biāo)系定子電流fns任意速坐標(biāo)系定子磁鏈k任意速度由上面的坐標(biāo)變換，可以得到異步電機(jī)在任意速下的d-q-n坐標(biāo)系的電壓方程。uqsudsuqrudr=Rs00 00Rs0 00(kr/kb)Xm- (kr/kb)Xm0Rr

25、(kr/kb)Rr (kr/kb)Rr Rr iqsidsiqridr+Xs0Xm00Xs0XmXm0Xr00Xm0Xrpiqsidsiqridr式中Rs定子電阻Rr轉(zhuǎn)子電阻Xs定子電抗Xr轉(zhuǎn)子電抗Xm勵(lì)磁電抗kr電磁轉(zhuǎn)速kb參考轉(zhuǎn)速p微分算子3.2變頻控制方式選擇交流調(diào)速傳動(dòng)控制技術(shù)之所以發(fā)展的如此迅速，和如下一些關(guān)鍵性技術(shù)的突破性進(jìn)展有關(guān)，它們是電力電子器件（包括半控型和全控型器件）的制造技術(shù)、基于電力電子電路的電力變換技術(shù)、交流電動(dòng)機(jī)的矢量變換控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)、PWM（Pulse Width Modulation）技術(shù)以及以微型計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的全數(shù)字化控制技術(shù)等。

26、近二十年來(lái)，以功率晶體管GTR為逆變器功率元件、8位微處理器為控制核心、按壓頻比U/f控制原理實(shí)現(xiàn)異步機(jī)調(diào)速的變頻器，在性能和品種上出現(xiàn)了巨大的技術(shù)進(jìn)步。其一，是所用的電力電子器件GTR以基本上為絕緣柵雙極晶體管IGBT所替代，進(jìn)而廣泛采用性能更為完善的智能功率模塊IPM，使得變頻器的容量和電壓等級(jí)不斷地?cái)U(kuò)大和提高。其二，是8位微處理器基本上為16位微處理器所替代，進(jìn)而有采用功能更強(qiáng)的32位微處理器或雙CPU，使得變頻器的功能從單一的變頻調(diào)速功能發(fā)展為含有邏輯和智能控制的綜合功能。其三，是在改善壓頻比控制性能的同時(shí)，推出能實(shí)現(xiàn)矢量控制和轉(zhuǎn)矩直接控制的變頻器，使得變頻器不僅能實(shí)現(xiàn)調(diào)速，還可進(jìn)行伺

27、服控制。其控制方式主要分為以下四種：3.2.1直接轉(zhuǎn)矩控制方式1985年，德國(guó)魯爾大學(xué)的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車(chē)牽引的大功率交流傳動(dòng)上。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算；它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。由于采用雙位式控制，實(shí)際轉(zhuǎn)矩必然在上下線脈動(dòng)；由于磁

28、鏈計(jì)算采用了帶積分環(huán)節(jié)的電壓模型，積分初值、累計(jì)誤差和定子電阻的變化都會(huì)影響磁鏈計(jì)算的準(zhǔn)確度。以上問(wèn)題在低速時(shí)非常明顯，因此系統(tǒng)的調(diào)速范圍受到限制。3.2.2矩陣式控制方式矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過(guò)三相二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1Ib1，再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1、It1 (Im1相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流；It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)，然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)

29、機(jī)，分別對(duì)速度，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動(dòng)機(jī)控制過(guò)程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。3.2.3 電壓空間矢量SVPWM控制方式它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制的。經(jīng)實(shí)踐使用后又有所改進(jìn)，即引入頻率補(bǔ)償，能消除速度控制的誤差；通過(guò)反饋估算磁鏈幅值

30、，消除低速時(shí)定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動(dòng)態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒(méi)有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒(méi)有得到根本改善。3.2.4 正弦脈寬調(diào)制SPWM控制方式正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制方式其特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。以頻率與期望的輸出電壓波相同的正弦作為調(diào)制波，以頻率比調(diào)制波高很多的等腰三角波作為載波，當(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí)，由他們的交點(diǎn)確定逆變器開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)刻，從而獲得幅值相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列。隨著PWM變頻器的廣泛應(yīng)用，已制成多種專(zhuān)用集成芯片作為SPW

31、M信號(hào)的發(fā)生器，許多用于電機(jī)控制的微機(jī)芯片集成了帶有死區(qū)的PWM控制功能，經(jīng)功率放大后，即可驅(qū)動(dòng)電力電子器件，使用相當(dāng)簡(jiǎn)便。3.3變頻調(diào)速控制方案確定通過(guò)分析以上變頻控制方法，直接轉(zhuǎn)矩控制存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與調(diào)速范圍較小的問(wèn)題；矢量控制方式受電機(jī)參數(shù)影響較大加上等效過(guò)程復(fù)雜存在實(shí)際輸出不理想的問(wèn)題；電壓空間矢量的控制環(huán)節(jié)復(fù)雜且未引入轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)所以對(duì)調(diào)速系統(tǒng)無(wú)較大改善；綜上本次異步電機(jī)變頻調(diào)速選擇正弦脈寬SPWM控制方式，使用廣泛，技術(shù)成熟，性能穩(wěn)定。3.4 SPWM變頻調(diào)速SPWM的原理為在控制電路中調(diào)制，在主電路中輸出。在控制電路中，一個(gè)頻率為fr幅值為Ur的參考正弦波Wsin（調(diào)制信號(hào)）加載于頻率

32、為fc幅值為Uc的三角波W（載波）后，得到一個(gè)脈沖寬度變化的SPWM波Wspwm（已調(diào)制波），用已調(diào)制波的高低邏輯電平經(jīng)分配與放大后去驅(qū)動(dòng)逆變器的主開(kāi)關(guān)元件，即可使逆變器輸出與已調(diào)制波Wspwm相似的SPWM電壓波形，SPWM輸入輸出原理框圖如下頁(yè)所示：在控制電路中，一個(gè)頻率為fr幅值為Ur的參考正弦波Wsin（調(diào)制信號(hào)）加載于頻率為ft幅值為Ut的三角波W（載波）后，得到一個(gè)脈沖寬度變化的SPWM波Wspwm（已調(diào)制波），用已調(diào)制波的高低邏輯電平經(jīng)分配與放大后去驅(qū)動(dòng)逆變器的主開(kāi)關(guān)元件，即可使逆變器輸出與已調(diào)制波Wspwm相似的SPWM電壓波形。調(diào)制度M：為正弦調(diào)制波參考信號(hào)幅值Urm與三角載

33、波幅值Ucm之比。載波比N：為三角載波頻率fc與正弦調(diào)制波參考信號(hào)頻率fr之比。從調(diào)制脈沖的極性上：?jiǎn)螛O性脈寬調(diào)制：如果在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)，三角載波只在正或負(fù)的一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的SPWM波也只處于一個(gè)極性的范圍內(nèi)； 雙極性脈寬調(diào)制：如果在正弦調(diào)制波半個(gè)周期內(nèi)，三角載波在正負(fù)極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在正負(fù)之間變化。從載頻信號(hào)和參考信號(hào)的頻率關(guān)系：異步調(diào)制：載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式；同步調(diào)制： N 等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和信號(hào)波保持同步；分段同步調(diào)制：把 fr 范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)保持N恒定，不同頻段N不同。3.3.1同步調(diào)制與異步調(diào)制同步調(diào)制方

34、式：基本同步調(diào)制方式，fr 變化時(shí)N不變，信號(hào)波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定；三相電路中公用一個(gè)三角波載波，且取 N 為3的整數(shù)倍，使三相輸出對(duì)稱(chēng)；為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡對(duì)稱(chēng)，N應(yīng)取奇數(shù)；fr 很低時(shí)，fc 也很低，由調(diào)制帶來(lái)的諧波不易濾除；fr 很高時(shí)，fc 會(huì)過(guò)高，使開(kāi)關(guān)器件難以承受。異步調(diào)制方式：整個(gè)輸出頻率范圍內(nèi)載波比N不為常數(shù)，一般是保持載波頻率始終不變，這樣可使低頻時(shí)載波比增大，輸出半周期內(nèi)脈沖數(shù)增加，解決了較低次數(shù)的高次諧波問(wèn)題；不能在整個(gè)輸出頻率范圍內(nèi)滿足N為3的倍數(shù)的要求，會(huì)使輸出電壓波形相位隨時(shí)變化，難以保證正、負(fù)半波以及三相之間的對(duì)稱(chēng)性，會(huì)引起偶次諧波等其他問(wèn)題。 通常保

35、持 fc 固定不變，當(dāng) fr 變化時(shí)，載波比 N 是變化的；在信號(hào)波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱(chēng)，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對(duì)稱(chēng)；當(dāng)fr較低時(shí)，N 較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對(duì)稱(chēng)產(chǎn)生的不利影響都較?。划?dāng) fr 增高時(shí)，N 減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM 脈沖不對(duì)稱(chēng)的影響就變大。分段同步調(diào)制方式：是將同步、異步調(diào)制相結(jié)合的一種調(diào)制方法，它把整個(gè)變頻運(yùn)行范圍劃分為若干個(gè)頻段，在每個(gè)頻段內(nèi)都維持載波比N為恒定，對(duì)不同頻段取不同的N值。這樣既保持了同步調(diào)制下波形對(duì)稱(chēng)、運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，又解決了低頻運(yùn)行時(shí)諧波增大的弊病。把 fr 范圍劃分成若干

36、個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)保持N恒定，不同頻段N不同；在 fr 高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過(guò)高；在 fr 低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過(guò)低。3.3.2自然采樣與規(guī)則采樣自然采樣：將三相正弦波與三角波比較，在波形相交點(diǎn)自然地確定脈沖的采樣點(diǎn)和開(kāi)關(guān)點(diǎn)。即采樣點(diǎn)和開(kāi)關(guān)點(diǎn)重合。該法最準(zhǔn)確，但要求解復(fù)雜的超越方程，難以在實(shí)時(shí)控制中在線計(jì)算，工程應(yīng)用不多自然采樣的長(zhǎng)處在于，基波幅值與調(diào)制度M成正比，利于調(diào)壓；高次諧波隨著載波比N與調(diào)制度M的增大而減小，有利于波形正弦化。而其缺點(diǎn)在于實(shí)時(shí)控制時(shí)難以計(jì)算脈沖寬度；離線計(jì)算，利用查表法輸出PWM波，占有內(nèi)存過(guò)大，不符合微機(jī)等采樣周期的控制要求。規(guī)則采樣

37、：在載波三角波的固定點(diǎn)對(duì)正弦波進(jìn)行采樣，以確定脈沖的前沿和后沿時(shí)刻，而并不管此時(shí)是否發(fā)生正弦調(diào)制波與載波三角波相交。也就是說(shuō)采樣點(diǎn)和開(kāi)關(guān)點(diǎn)不重合，采樣點(diǎn)是固定的，開(kāi)關(guān)點(diǎn)是變化的。開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換時(shí)刻可以利用簡(jiǎn)單的三角函數(shù)在線地計(jì)算出來(lái)，滿足了微機(jī)全數(shù)字控制的需要。工程實(shí)用方法，效果接近自然采樣法，計(jì)算量小得多。自然采樣法中，脈沖中點(diǎn)不和三角波一周期的中點(diǎn)（即負(fù)峰點(diǎn)）重合，規(guī)則采樣法使兩者重合，每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角波中點(diǎn)為對(duì)稱(chēng)，使計(jì)算大為簡(jiǎn)化，在三角波的負(fù)峰時(shí)刻對(duì)正弦信號(hào)波采樣得E點(diǎn)，過(guò)E作水平直線和三角波分別交于A、B點(diǎn)，在A點(diǎn)時(shí)刻tA和B點(diǎn)時(shí)刻tB控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，脈沖寬度t2 和用自然

38、采樣法得到的脈沖寬度非常接近圖3-2規(guī)則采樣與自然采樣因此，一般而言，實(shí)際應(yīng)用中都是采用規(guī)則采樣的方式。3.3.3單極性調(diào)制與雙極性調(diào)制單極性調(diào)制意指載波只有一個(gè)極性，或正或負(fù)，不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)正負(fù)，單極性調(diào)制使用的元件為脈沖信號(hào)，階躍信號(hào)，三角載波，正弦波，通過(guò)這些信號(hào)組合而成單極性調(diào)制波。雙極性調(diào)制以在上述提出，即載波的正負(fù)同時(shí)存在。圖3-3 單極性調(diào)制輸出電壓（上）雙極性調(diào)制輸出電壓（下）由上圖可以觀察出，在載波頻率和調(diào)制正弦波頻率相同的情況下，在調(diào)制度M接近于1的情況下，單極性輸出電壓較之雙極性的輸出電壓更符合原有正弦波形。所以一般而言都是采用單極性調(diào)制，這樣調(diào)制出來(lái)的電壓更加接近原信號(hào)。

39、第4章基于MATLAB的異步電機(jī)調(diào)速仿真4.1MATLAB簡(jiǎn)介4.1.1MATLAB介紹MATLAB是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB是matrix&laboratory兩個(gè)詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實(shí)驗(yàn)室）。是由美國(guó)mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必

40、須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用MATLAB的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著MATLAB的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級(jí)，MATLAB的用戶界面也越來(lái)越精致，更加接近Windows的標(biāo)準(zhǔn)界面，人機(jī)交互性更強(qiáng)，操作更簡(jiǎn)單。而且新版本的MATLAB提供了完整的聯(lián)機(jī)查詢、幫助系統(tǒng)

41、，極大的方便了用戶的使用。簡(jiǎn)單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過(guò)編譯就可以直接運(yùn)行，而且能夠及時(shí)地報(bào)告出現(xiàn)的錯(cuò)誤及進(jìn)行出錯(cuò)原因分析。Matlab是一個(gè)高級(jí)的矩陣/陣列語(yǔ)言，它包含控制語(yǔ)句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c(diǎn)。用戶可以在命令窗口中將輸入語(yǔ)句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫(xiě)好一個(gè)較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序（M文件）后再一起運(yùn)行。新版本的MATLAB語(yǔ)言是基于最為流行的C+語(yǔ)言基礎(chǔ)上的，因此語(yǔ)法特征與C+語(yǔ)言極為相似，而且更加簡(jiǎn)單，更加符合科技人員對(duì)數(shù)學(xué)表達(dá)式的書(shū)寫(xiě)格式。使之更利于非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的科技人員使用。而且這種語(yǔ)言可移植性好、可拓展性極強(qiáng)，這也是MATLAB能夠深

42、入到科學(xué)研究及工程計(jì)算各個(gè)領(lǐng)域的重要原因。MATLAB是一個(gè)包含大量計(jì)算算法的集合。其擁有600多個(gè)工程中要用到的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)用戶所需的各種計(jì)算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計(jì)算中的最新研究成果，而且經(jīng)過(guò)了各種優(yōu)化和容錯(cuò)處理。在通常情況下，可以用它來(lái)代替底層編程語(yǔ)言，如C和C+ 。在計(jì)算要求相同的情況下，使用MATLAB的編程工作量會(huì)大大減少。MATLAB的這些函數(shù)集包括從最簡(jiǎn)單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復(fù)雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的問(wèn)題其大致包括矩陣運(yùn)算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號(hào)運(yùn)算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、工程中的

43、優(yōu)化問(wèn)題、稀疏矩陣運(yùn)算、復(fù)數(shù)的各種運(yùn)算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學(xué)運(yùn)算、多維數(shù)組操作以及建模動(dòng)態(tài)仿真等。MATLAB自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來(lái)，并且可以對(duì)圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動(dòng)畫(huà)和表達(dá)式作圖。可用于科學(xué)計(jì)算和工程繪圖。新版本的MATLAB對(duì)整個(gè)圖形處理功能作了很大的改進(jìn)和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對(duì)于一些其他軟件所沒(méi)有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等），MATLAB同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。同時(shí)對(duì)一些特殊的可視

44、化要求，例如圖形對(duì)話等，MATLAB也有相應(yīng)的功能函數(shù)，保證了用戶不同層次的要求。另外新版本的MATLAB還著重在圖形用戶界面（GUI）的制作上作了很大的改善，對(duì)這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。MATLAB對(duì)許多專(zhuān)門(mén)的領(lǐng)域都開(kāi)發(fā)了功能強(qiáng)大的模塊集和工具箱。一般來(lái)說(shuō)，它們都是由特定領(lǐng)域的專(zhuān)家開(kāi)發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評(píng)估不同的方法而不需要自己編寫(xiě)代碼。領(lǐng)域，諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫(kù)接口、概率統(tǒng)計(jì)、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、信號(hào)處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識(shí)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、LMI控制、魯棒控制、模型預(yù)測(cè)、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)快

45、速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、定點(diǎn)仿真、DSP與通訊、電力系統(tǒng)仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。新版本的MATLAB可以利用MATLAB編譯器和C/C+數(shù)學(xué)庫(kù)和圖形庫(kù)，將自己的MATLAB程序自動(dòng)轉(zhuǎn)換為獨(dú)立于MATLAB運(yùn)行的C和C+代碼。允許用戶編寫(xiě)可以和MATLAB進(jìn)行交互的C或C+語(yǔ)言程序。另外，MATLAB網(wǎng)頁(yè)服務(wù)程序還容許在Web應(yīng)用中使用自己的MATLAB數(shù)學(xué)和圖形程序。MATLAB的一個(gè)重要特色就是具有一套程序擴(kuò)展系統(tǒng)和一組稱(chēng)之為工具箱的特殊應(yīng)用子程序。工具箱是MATLAB函數(shù)的子程序庫(kù)，每一個(gè)工具箱都是為某一類(lèi)學(xué)科專(zhuān)業(yè)和應(yīng)用而定制的，主要包括信

46、號(hào)處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、小波分析和系統(tǒng)仿真等方面的應(yīng)用。在開(kāi)發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個(gè)文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強(qiáng)大的圖形標(biāo)注和處理功能，包括對(duì)性對(duì)起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向Excel和HDF5進(jìn)行連接。4.1.2MATLAB仿真模塊Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無(wú)需大量書(shū)寫(xiě)程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)

47、Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和

48、拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫(kù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。.構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問(wèn)MATLAB大量的工具來(lái)進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信

49、號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。SIMULINK模塊庫(kù)按功能進(jìn)行分類(lèi)，包括以下8類(lèi)子庫(kù)：Continuous（連續(xù)模塊）Discrete（離散模塊）Function&Tables（函數(shù)和平臺(tái)模塊）Math（數(shù)學(xué)模塊）Nonlinear（非線性模塊）Signals&Systems（信號(hào)和系統(tǒng)模塊）Sinks（接收器模塊）Sources（輸入源模塊）4.2SPWM逆變器建模仿真4.2.1參數(shù)設(shè)置(1)電力系統(tǒng)仿真模塊（powergui）：Powergui模塊允許選擇下面的方法來(lái)解決你的電路：連續(xù)，采用變步長(zhǎng)求解器從Simulink理想開(kāi)關(guān)連續(xù)；固定時(shí)步的電氣系統(tǒng)的離散化；相量的解決方案。Powergui模

50、塊是任何包含SimPowerSystems模塊Simulink模型仿真的必要。它是用來(lái)存儲(chǔ)電路等效Simulink表示模型的狀態(tài)空間方程。本設(shè)計(jì)模式設(shè)置為discrete，采樣時(shí)間為0.00001s。(2)PWM發(fā)生器（PWM generator）：這一模型的出現(xiàn)讓逆變電路變得更加簡(jiǎn)潔清爽，不用再外接調(diào)制電路作為逆變器的控制，PWM發(fā)生器能夠很好地替代調(diào)制電路，設(shè)置內(nèi)部調(diào)制信號(hào)，就能產(chǎn)生可以控制的調(diào)制信號(hào)。本設(shè)計(jì)PWM發(fā)生器載波頻率選擇大于調(diào)制頻率即可，設(shè)為1500Hz，調(diào)制度M（為正弦調(diào)制波參考信號(hào)幅值Urm與三角載波幅值Ucm之比，調(diào)制信號(hào)幅值必小于載波信號(hào)幅值）取0 1間的這種值即可，可取為0.4，當(dāng)然稍大一點(diǎn)效果也許更不錯(cuò)，輸出電壓頻率取50Hz。唯一接口端直接作為三相整流橋的控制控制觸發(fā)信號(hào)。(3)多功能橋（universal bridge）：此模塊實(shí)現(xiàn)選定的電力電子設(shè)備的橋梁。系列RC緩沖電路并聯(lián)一開(kāi)關(guān)裝置。建議緩沖值在模型離散化。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用二極管和晶閘管的內(nèi)部電感應(yīng)該被設(shè)置為零。本設(shè)計(jì)選擇電力電子器件為IGBT，其他設(shè)置為默認(rèn)值即可，設(shè)置測(cè)量物理量為所有電壓和電流。左邊兩個(gè)接口為電源輸入接口，接直流電壓源；右邊最