MATLAB仿真在變頻器課程教學(xué)中的應(yīng)用獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

MATLAB仿真在變頻器課程教學(xué)中的應(yīng)用獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

摘

要：隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，變頻器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。由于學(xué)校設(shè)備資源有限，達(dá)不到教學(xué)多樣性、實(shí)用性要求，而通過(guò)MATLAB軟件中的SIMULINK工具，可以仿真不同的應(yīng)用情況，使學(xué)生能夠更好的掌握變頻器知識(shí)及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：變頻器;MATLAB;SIMULINK

變頻器是一種應(yīng)用變頻技術(shù)和微電子技術(shù)，通過(guò)改變交流電機(jī)工作電源頻率來(lái)進(jìn)行控制電機(jī)運(yùn)行的電力控制設(shè)備。變頻器能夠有效提高電力和能源行業(yè)電機(jī)設(shè)備的效率，調(diào)節(jié)功率因數(shù)，起到節(jié)能作用;也能夠通過(guò)提高控制精度，在加工制造行業(yè)中提高生產(chǎn)工藝水平。自20世紀(jì)90年代起，變頻器大量進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)應(yīng)用，到2015年5月19日國(guó)務(wù)院正式印發(fā)《中國(guó)制造2025》，推動(dòng)工業(yè)化和現(xiàn)代化進(jìn)展，在工業(yè)自動(dòng)化中變頻器的應(yīng)用廣泛，尤其在冶金、機(jī)械加工、風(fēng)機(jī)、水泵、電梯、造紙印刷、家電等行業(yè)，同時(shí)也涌現(xiàn)出很多中國(guó)自主品牌變頻器，用來(lái)替代進(jìn)口。在此背景下，越來(lái)越多的職業(yè)技術(shù)學(xué)校，開(kāi)設(shè)變頻器相關(guān)課程，以更好的為社會(huì)培養(yǎng)職業(yè)人才。

通常，在職業(yè)技術(shù)學(xué)校變頻器課程教學(xué)中，教師先介紹實(shí)驗(yàn)用到變頻器的品牌、型號(hào)和功能，比如變頻器的輸入電源電壓、功率、控制方式等，然后給定調(diào)試步驟和參數(shù)，學(xué)生按照步驟，進(jìn)行交流電機(jī)正反轉(zhuǎn)、點(diǎn)動(dòng)、面板控制和端子輸入控制等調(diào)試，負(fù)載情況往往是空載。這樣的教學(xué)方式只能讓學(xué)生了解變頻器這種電力控制設(shè)備，但不能培養(yǎng)學(xué)生對(duì)變頻器的興趣和提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力。實(shí)際情況下，變頻器是在具體工作制和負(fù)載特性下運(yùn)行的，偶爾還有可能超出額定工作條件，需要評(píng)估是否能夠運(yùn)行。比如變頻器的輸入電壓，由于全球電網(wǎng)系統(tǒng)不統(tǒng)一，美國(guó)使用三相220V/單相120V電網(wǎng)電壓，而我們中國(guó)使用的是三相380V/單相220V電網(wǎng)電壓，如表1所示，世界主要地區(qū)常用電網(wǎng)情況，因此使用中會(huì)遇到需要把三相220V/200V變頻器，用在單相220V輸入的情況。在這種情況下，就需要知道在單相220V輸入情況下，變頻器還能夠輸出多大電流和功率，還會(huì)有其他什么影響？如果用實(shí)際變頻器和電機(jī)去模擬，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)和損壞風(fēng)險(xiǎn)，使用MATLAB軟件進(jìn)行仿真，能夠在較短時(shí)間內(nèi)模擬出結(jié)果，以模擬結(jié)果為依據(jù)，再用實(shí)際變頻器和電機(jī)搭實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行確認(rèn)，能夠提高效率和降低風(fēng)險(xiǎn)。

一、搭建MATLAB仿真模型

變頻器主要由整流單元、電容濾波單元、逆變制動(dòng)單元、檢測(cè)單元以及控制單元組成，如圖1變頻器拓?fù)涫疽鈭D所示，通過(guò)半導(dǎo)體電力電子功率器件和微電子處理芯片，實(shí)現(xiàn)交流（電網(wǎng)頻率）-直流-交流（控制頻率）的轉(zhuǎn)換。

首先我們要用MATLAB中的SIMULINK工具，搭建變頻器系統(tǒng)模型，如圖2所示，使用三相可編程電源系統(tǒng)，其中一相不連接來(lái)模擬單相輸入情況;使用PWM控制模塊模擬控制單元，給逆變單元控制信號(hào);使用三相RLC串聯(lián)負(fù)載來(lái)模擬電機(jī)，同時(shí)添加電流檢測(cè)單元、電壓檢測(cè)單元，示波器來(lái)察看波形結(jié)果。

二、仿真參數(shù)設(shè)置

需要按照變頻器和電機(jī)配置，來(lái)設(shè)置仿真中各模塊的參數(shù)。仿真過(guò)程中主要需要設(shè)置的是電容容量、PWM調(diào)制參數(shù)和電機(jī)負(fù)載。假設(shè)選用三相200V級(jí)7.5KW變頻器，使用了6個(gè)1200uF電容，考慮到常規(guī)電容容量在標(biāo)稱(chēng)值的90%左右，因此設(shè)置電容C容量為6480uF;設(shè)置PWM控制模塊的調(diào)制比M=0.9;按照電機(jī)參數(shù)表，如表2所示，計(jì)算負(fù)載參數(shù)：

設(shè)置負(fù)載參數(shù)如圖3所示：

三、仿真結(jié)果

用SIMULINK中的示波器，監(jiān)測(cè)輸出電流波形和電容C兩端電壓波形。可以看到電容C兩端電壓波動(dòng)范圍是274V～311V，波形頻率為100KHz;對(duì)應(yīng)的電流輸出頻率為40Hz，在電容C兩端電壓較低時(shí)，變頻器輸出電流有輕微的畸變，但是總體電流波形呈正弦波形式，曲線(xiàn)光滑，電機(jī)能夠正常運(yùn)行。

四、結(jié)論

通過(guò)MATLAB仿真，可以看到三相200V級(jí)7.5KW變頻器，在單相輸入情況下，能夠支持給定電機(jī)輸出4.5KW功率。使用不同的仿真模型，以及設(shè)置不同的仿真參數(shù)，我們就可以模擬更多實(shí)際應(yīng)用情況，條件允許時(shí)，再在仿真結(jié)果的指導(dǎo)下，進(jìn)行實(shí)際變頻系統(tǒng)搭建，驗(yàn)證運(yùn)行情況，能夠有效的提高效率、降低