SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真

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)體器件對電動機(jī)進(jìn)行交流調(diào)速的分析研究中，計算機(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)計的特點是用MATLAB 對基于SPWM 控制的交流異步電動機(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、電動機(jī)模型以及SPWM 控制器幾部分組成，對實際系統(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)制方式的動作過程和自動控制理論，結(jié)合具體的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并基于多信息融合思想，構(gòu)

2、建計算機(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機(jī)提供電源。電動機(jī)在三相逆變電源的控制下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩帶動負(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 上下兩個臂交替導(dǎo)電，這樣，在任意瞬間，將有3個橋臂同時導(dǎo)通。在控制電路中，采用的是正弦波脈寬調(diào)制法(SPWM，即三角形載波信號和三

3、相對稱的正弦波參考信號相比較，在交點處發(fā)出三相脈沖調(diào)制信號，去驅(qū)動逆變器主回路的各IGBT 的基極，當(dāng)改變參考信號的幅值時，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，輸出電壓的頻率隨之改變。如果同時改變參考電壓的幅值和頻率，就可以實現(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng)u/f常數(shù)的要求。這種調(diào)制方式的特點是在半個周期內(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 是有條件限制的。因為M>1時，在調(diào)制波形的中間部分因為參考正弦波和載波三角波形無交點，使其槽寬消失，實

4、際上處于非線性控制，所以，為了實現(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，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。1.2 SIMULINK 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)的五個模塊，即PWM 模塊、三相異步電動機(jī)模塊、測量模塊和輸出模塊、多功能橋式模塊逐個介紹其組成與仿真。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

5、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，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PWM 信號發(fā)生模塊和一個三臂逆變橋組成的。打開電力系統(tǒng)工具箱(Power System Blockset，打開特殊元件庫(extra library ，雙擊discrete control blocks ，將出現(xiàn)一些離散控制模塊，通過對話框來選擇相關(guān)的模式和電子器件，為PWM 系統(tǒng)提供了基于載波的脈沖。這個模塊可以用來觸發(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

6、 。通過在“發(fā)生器模式”參數(shù)中選擇橋臂個數(shù)，這個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，因為電機(jī)本身是一個多變量、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)即可實現(xiàn)。雙擊Machines 模塊，彈出一個包含幾種電機(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)?，F(xiàn)以三相異步電機(jī)為例說明其仿真過程。用鼠標(biāo)拖放異步電機(jī)模型(Asynchronous Machine SI Units至工作窗口，注意有兩種異步電機(jī)模型，此時拖放的是標(biāo)準(zhǔn)形式的電機(jī)；另一

7、種是以標(biāo)幺值形式(pu Units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。通常最后一項除轉(zhuǎn)差率設(shè)為1，其他各項則根據(jù)仿真所用的電機(jī)實際參數(shù)設(shè)定。圖7.1是一個三相異步電機(jī)模型。 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，Tm 端口是電機(jī)軸上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，電機(jī)作電動運(yùn)行時Tm 應(yīng)為正值，作發(fā)電運(yùn)行時Tm 應(yīng)為負(fù)值。電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的a 、 b、c 三個端口一般通過總線短

8、接在一起。電機(jī)模型的m_SI端口是各種測量值的輸出端口，電機(jī)的可測量值有20個，如定、轉(zhuǎn)子三相電流，d-q 坐標(biāo)上的定、轉(zhuǎn)子電壓和磁鏈， 電機(jī)轉(zhuǎn)速及電磁轉(zhuǎn)矩。但這些量不能直接從m_SI端口輸出，必須由電機(jī)測量環(huán)節(jié)(ASMMeasurement Demux 輸出，即把m_SI端口和測量環(huán)節(jié)的m 端口相連，測量環(huán)節(jié)的輸出端口就可輸出各測量值。這樣可以用仿真示波器直接觀測電機(jī)各個量的波形，也便于把電機(jī)一些輸出量，如電流、電壓、轉(zhuǎn)速，接回輸入端，形成各種閉環(huán)控制。需注意的是：Matlab 的電機(jī)模型是基于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d-q坐標(biāo)系 ，因此凡是輸出量下標(biāo)為_qd的都是d-q 坐標(biāo)上的量，如與靜止坐標(biāo)系

9、或同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的量進(jìn)行反饋比較時，需對輸出量進(jìn)行坐標(biāo)變換。其它電氣元件用法與此類同，只需設(shè)定元件參數(shù)和實際值相符，然后在工作窗口中進(jìn)行輸入和輸出的連線，形成完整的電路就可開始仿真。3. 測量模塊的仿真交流電機(jī)測量單元用于觀測交流電機(jī)的工作情況。在交流電機(jī)的模型圖標(biāo)上都有一個測量端M ，通過該端可以輸出交流電機(jī)模型的各變量，如電壓、電流、轉(zhuǎn)速、磁鏈等的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)以多維矢量的形式表示，在使用中，需要將需觀測的變量數(shù)據(jù)從多維矢量中分列出來，交流電機(jī)測量單元的作用就是用于分列需觀測的變量數(shù)據(jù)。交流電機(jī)測量單元是一個通用單元，它可以用于測量交流同步電機(jī)也可以用于測量異步電機(jī)。在使用時，只要將電機(jī)

10、模塊的測量輸出端M 與測量單元的輸入端M 連接起來即可。雙擊測量單元模塊，則彈出對話框，在對話框的電機(jī)類型欄中選擇需要觀測的電機(jī)后，在該欄下方即會出現(xiàn)這種電機(jī)可觀測的各種變量，可以根據(jù)需要點擊各項變量前的空白欄，則完成了需觀測量的選擇。觀測變量一般可以使用示波器。如果電機(jī)模型使用的是國際單位制，則輸出變量也是使用國際單位制，如果電機(jī)模型使用的是標(biāo)幺值，則輸出變量使用的也是標(biāo)幺值。4. 輸出觀察模塊的仿真本系統(tǒng)中使用Scope 來顯示輸出。本系統(tǒng)中要觀察的是整流輸出波形，逆變器輸出波形，PWM 波形、定子電流、電磁轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)速。Scope 來自于Simulink 中的sinks 庫。將它由si

11、nks 庫中拖至工作空間，分別連到需要觀察的模塊上即可。5.多功能橋式電路模型多功能橋式電路模型是一個即可以用作整流也可以用作逆變的模型，并且可以通過設(shè)置來改變它的相數(shù)和采用的電力電子開關(guān)模型。點擊多功能橋模型圖標(biāo)，彈出模塊的對話框。在對話框中，第一欄是選擇模型橋臂的相數(shù)，有1、2、3三種相數(shù)可供選擇；第二欄用于選擇模型是交流輸入還是交流輸出，如果是選擇交流輸入，則輸出就是直流，模型用于整流；如果選擇是交流輸出，則輸入端就需要連接直流，模型用于逆變。對話框的第五欄選擇變流器使用的電力電子開關(guān)種類，這里有MATLAB 模型庫的六種開關(guān)可以選擇，即二極管、普通晶閘管、GTO 、MOSFET 、IG

12、BT 和理想開關(guān)。其他緩沖電路和開關(guān)器件的參數(shù)設(shè)定與單個電力電子器件開關(guān)的參數(shù)設(shè)定相同，不過變流器模型中可設(shè)置的參數(shù)較少，也就是說，變流器模型使用的開關(guān)模型較簡單。1.3 變流電路的仿真在交-直-交電壓源型變頻器中，一般其AC-DC 變換部分采用不可控整流器，并且中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波，這是三相不可控橋帶電容性負(fù)載的電路。這類電路的仿真即可以在可控整流的基礎(chǔ)上設(shè)控制角為0，也可以使用不控的整流模塊來仿真。在本設(shè)計中用的是不可控器件進(jìn)行整流，其在阻容負(fù)載時其仿真模型如下： 圖7.2 三相不控橋阻容性負(fù)載的仿真模型模型由三相電源，三相電壓主電流測量模塊（V-I ），三相二極管和阻容性負(fù)載組成。

13、模型中設(shè)電源相電壓為220V ，阻容負(fù)載是R 的值為2歐姆，C 的值為0.1F ，電阻近似表示了AC-DC-AC 變換的逆變器及負(fù)載，仿真算法采用ode23。仿真波形如下所示： 圖7.3 三相電源電壓波形 圖7.4 電源A 相電流波形圖7.5 整流輸出電壓波形 圖7.6 整流輸出電流波形三相電壓源型SPWM 逆變器是在通用變頻器中使用的最多的，用SIMULINK 模塊仿真三相電壓源型SPWM 逆變器是很方便的，使用模型庫的多功能模塊和PWM 脈沖發(fā)生器就能實現(xiàn)。三相電壓源型SPWM 逆變器仿真模型如下所示： 圖7.7 三相SPWM 逆變器仿真模型在SPWM 逆變器的參數(shù)設(shè)置中，多功能橋設(shè)為三相

14、橋臂，三相在輸出端，開關(guān)器件選擇IGBT 。IGBT 的驅(qū)動信號由PWM 信號發(fā)生器產(chǎn)生，在發(fā)生器對話框中，選擇了內(nèi)調(diào)制信號方式，當(dāng)然也可以采用外調(diào)制信號輸入方式，這時需要外加三相正信號。選擇三角波頻率為600HZ ，這樣觀擦電壓波形比較清楚，實用頻率要高的多。仿真波形如下所示： 圖7.8 SPWM波形圖7.9 逆變器輸出A 相電壓波形 圖7.10 逆變器輸出B 相電壓波形 圖7.11 逆變器輸出C 相電壓波 圖7.12 逆變器輸出線電壓波形1.4 轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真下圖是異步電動機(jī)的PWM 變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)圖，主要設(shè)計環(huán)節(jié)有整流器，PWM 信號發(fā)生器，逆變器及異步電動機(jī)模型。P

15、WM 信號發(fā)生器是一個封裝的子系統(tǒng)，內(nèi)含有離散三角波發(fā)身器，其三角波信號與輸入信號進(jìn)行比較，通過選擇器，產(chǎn)生PWM 脈沖信號；逆變器也是一個封裝的子系統(tǒng)，由六個功率器模塊組成，PWM 信號發(fā)生單元的輸出作為控制脈沖，控制六個功率器件的通斷。電機(jī)模型選用電氣系統(tǒng)模塊中的異步電機(jī)模型，只需設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩21。設(shè)定電機(jī)參數(shù)如下：額定功率：1.2kw ；線電壓：380V ；頻率：50Hz，定子電阻：0.435 歐姆；漏感：2mH，轉(zhuǎn)子電阻：0.816歐姆；漏感：2mH， 定轉(zhuǎn)子互感：69.31mH，轉(zhuǎn)動慣量：0.089；摩擦系數(shù)：0；電機(jī)極對數(shù)：2。 圖7.13 變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真模型空載時仿

16、真波形如下所示：圖7.14 定子電流波形 圖7.15 轉(zhuǎn)速波形 圖7.18 轉(zhuǎn)速波形 圖7.19 轉(zhuǎn)矩波形 從電動機(jī)的轉(zhuǎn)速波形可以看到，轉(zhuǎn)速從0轉(zhuǎn)上升到1400轉(zhuǎn)后穩(wěn)定。電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩波 形，在圖中可以看出由零速到微速的過程中，轉(zhuǎn)矩的脈動幅值較大。在加速過程中，轉(zhuǎn)矩脈 動幅值減小，但是其值高于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。在轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定值時，電磁轉(zhuǎn)矩值最終下降到與給定 的負(fù)載轉(zhuǎn)矩值相等，且基本穩(wěn)定。0.3s左右時，轉(zhuǎn)速基本恒定時，轉(zhuǎn)矩也基本恒定。 從定子電流波形可以看到， 電動機(jī)在起動時電流很大， 隨著速度的升高， 電流逐漸減小， 在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時達(dá)到最小且基本穩(wěn)定。這是因為在起動時，轉(zhuǎn)差率很大，電動機(jī)的等效阻抗很 小，所以起動電流很大，而在電動機(jī)正常運(yùn)行時，其轉(zhuǎn)差率很小，電動機(jī)的等效阻抗很大， 從而限制了定子電流。 1.5 小結(jié) MATLAB/SIMULINK環(huán)境是一種優(yōu)秀的系統(tǒng)仿真工具軟件，這個工具的使用對研制交流異 步電動機(jī)SPWM調(diào)速系統(tǒng)起到了巨大的幫助作用。本文構(gòu)造的電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特點是： 1系統(tǒng)模型全部由基本的SIMULINK模塊實現(xiàn)，與實際系統(tǒng)相對應(yīng)，結(jié)構(gòu)簡單明了。 2仿真系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，對控制系統(tǒng)稍微改進(jìn)，就可以實現(xiàn)各種PWM控制，如準(zhǔn)