交流电机的变频调速控制仿真
摘 要采用变频调速技术的异步电动机，具备调速范围广以及调速时由于转差功率不变而没有附加能量损失的优点，正因如此，变频调速以一种性能优良的高效调速方式而存在。?本文运用MATLAB做为仿真工具，对Simulink当中的仿真模块进行了介绍，同时对交流电机变频调速系统进行研究，且对变频器的构成以及工作原理进行了分析，并通过此法对逆变电路进行仿真设计。最开始，我们对调速系统的仿真所需的各种电力系统模块做出了简要介绍，并对逆变器的工作原理进行说明，在此之上采用MATLAB/Simulink对各种电路模块进行了分别仿真设计，从而将实际之中应用很广泛的交-直-交变频器仿真模型设计出来，也让对交流电机的变频调速系统仿真的研究得以实现，然后建立出电机模型，设计出矢量控制，通过带转矩内环转速、磁链闭环矢量的控制这种方法来对异步电动机变频调速系统仿真与建模，同时分析仿真结果,仿真结果显示出系统转速动态的响应快，稳态跟踪的精度高，便可以得到此建模方法的可行性与有效性。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 变频调速技术的历史与发展 1
1.1.1 变频调速的历史 1
1.1.2 变频调速的发展 2
1.2 研究变频调速的目的及意义 3
1.3 本课题研究内容 4
第二章 交流感应电机矢量控制系统的介绍 6
2.1 交流感应电机的控制方法 6
2.2 交直流调速系统的相关概念和比较 6
2.3 矢量控制系统的介绍 7
2.3.1 矢量控制的基本原理 7
2.3.2 坐标变换理论 8
2.4 MATLAB/Simulink仿真介绍 10
2.5 交流电机数学模型 11
第三章 交流电机变频调速控制系统设计 14
3.1 脉宽调制技术 14
3.1.1 脉宽调制原理 14
3.1.2 脉宽调制逆变器的建模及仿真 14
3.2 励磁的分析和计算 16
3.3 逆变器的发展和使用 17
3.4 按转子磁链定向的异步电动机矢量控制 18
3.4.1 同步旋转正交坐标系状态方程 18
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
3.4.2 异步电动机模型仿真验证 20
3.4.3 依据转子磁链的定向矢量控制的特点 22
第四章 结果及分析 24
4.1 按照转子磁链定向矢量控制方式 24
4.1.1 电流闭环控制方式 24
4.1.2 转矩控制方式 24
4.2 矢量控制调速系统仿真 25
4.2.1 仿真调试与参数设定 27
4.2.2 仿真结果与分析 28
结束语 31
致 谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1 变频调速技术的历史与发展
1.1.1 变频调速的历史
物理学家奥斯特于19世纪初发现了电流在磁场里能受到力的作用这个物理现象，在这之后，安培环路定律的提出者安培对这个现象进行总结，并且还提出了著名的磁路定律。而后，法拉第又在此研究成果上进行了磁场与电流互相交替作用从而产生电磁力矩的实验，从而在实践上为电动机原理进行了证明。直流电动机应运而生，至此以后，直流电动机的应用以及理论的研究在长达几十年的历史中发生了大大的提升，当时工业电气传动的方式只有一种，那便是直流传动，这都归功于他静、动态性能的出色表现。
直流电机的优点在于他的调速性能很好，反观他的缺点也十分明显，首先由于直流电机的电刷以及换向器，使得他故障率和其他相比会较高，其次，他的使用环境会被限制（像易燃易爆气体及尘埃多的场合用他就不适合），最后，直流电动机在电压等级、单机容量以及转速上面也会受到各种制约。在19世纪末出现了三相鼠笼式交流异步电动机，他的优点在于维护方便、制造简单以及坚固耐用。基于这些优点，人们就开始试着想舍弃直流电动机，进而使用交流异步电动机，可当时的技术限制的这一行为，交流传动代替直流传动这一行为只有在不调速的情况下才能实现，这一状况一直延续到20世纪中期。
自60年代开始，采用半导体交流技术的交流调速系统面向社会，这多亏了电力电子以及电子技术的不断开发，尤其是发展了电力半导体开关器件。下面介绍几个比较有标志性的调速系统，我们可以从中看出交流调速的发展过程。
（1）晶闸管调压调速系统
晶闸管调压调速系统是为了实现交流异步电动机的调速，他是通过交流异步电动机的定子电压的平方以及转矩成正比的理论，并且通过晶闸管当做交流开关并将其加到电动机定子上的电压。我们多将交流异步电动机用于中小功率的短时或重复短时工作负载之中，这是因为虽然其调压调速性能指标并不高，但他的控制结构简单同时调整较容易。
（2）串级调速系统
串级调速系统是通过改变附加电势相位以及幅值大小来实现调速，且其需在绕线式异步电动机转子回路中串入附加电势且此电势需与转子电势同频率。此系统具有超同步以及低同步这两种串级调速方式，其充分利用交流异步电动机的转差功率的优点，且具有调速性能好这一优势，在不可逆拖动系统中尤为常见。
（3）变频调速系统
变频调速系统实现调速的方式是通过改变供电电压的频率从而完成改变交流异步电动机同步转速这一目的。而在调速是不改变电动机机械特性的硬度这一优点使得此调速系统能保持好的调速性能。
自70 年代开始，随着新型电力电子器件的不断出现，以及计算机控制技术和大规模集成电路不断发展还有人们对现代控制理论的运用，各种类型的调速系统伴着静止逆变器得到了飞跃的发展，同时也创造出了有力条件使得交流拖动系统蓬勃发展。现如今，交流电力拖动系统已拥有很多优点，其较高的稳速精度及工作效率、较宽的调速范围、较快的动态响应还有能够四象限运行，并且他的静态与动态特性都能和直流电动机的拖动系统相抗衡。
1.1.2 变频调速的发展
通过上世纪60年代研究交流变频调速技术至今，我们发现，很多理论以及技术开始和交流变频调速技术有了密不可分的关联。现在交流变频调速技术已关系到自动控制理论、电路拓扑理论、电动机理论、微电子以及计算机等各种技术以及理论，这使得变频调速技术成为了一门拥有很强综合性的多学科交叉技术。变频调速系统已不断广泛应用于电力，机床等传统工业以至于航空航天这些高新技术产业也广泛应用交流变频调速系统，其优异的性能得到了肯定。
交流电动机控制技术能够日益成熟还得益于电力电子器件技术的不断发展，新的控制方法的实现就需要新型电力电子器件作为基础。电力电子器件对电能进行控制、变换、开关这一行为便是电力电子技术。
如今变频技术被广泛开发应用于国际家电领域，作为一个高新技术，新型变频器的应用起到关键作用，他可以将50Hz固定供电频率转变成30130Hz变化频率，这大大提高了效率并且达到了节能的目的，最关键是使得电动机的运动频率能够自动调节。
变频器于上世纪80年代初开始不断面向社会。变频器的转变让人称奇，他由模拟控制发展到全数字控制，由利用BJT发展到利用IGBT，这两大发展历程仅仅在短短不到20年便实现了。
利用BJT的PWM变频器于80年代初达到通用化。而在90年代初，BJT通用变频器的运用将容量控制在600KVA,400KVA以下。尽管几年前IGBT才被用在主开关器件上面，短短三、四年，IGBT变频器的单机容量就达到了800IVA，由于IGBT的容量不断扩大，通用变频器容量必须跟上步伐，跟着也扩大。
现如今，变频电源装置趋于小型化，这是由多种原因造成的，像变频器的主电路之中功率电路向模块化发展，而控制电路开始运用全数字的控制技术以及大规模的集成电路，并且在结构的设计上也运用了平面安装技术。除此之外，有一种混合式的功率集成器件，运用了厚薄膜混合集成技术，他将功率电桥、检测电路、驱动电路以及保护电路之类装在了一起，这便构成一种智能的电力模块，此器件属于一种绝缘的金属基底结构，因此，其防电磁干扰能力强，保护电路以及检测电路和功率开关之间的距离要尽力缩小，因此保护迅速并可靠，传感的信号也会非常快。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 变频调速技术的历史与发展 1
1.1.1 变频调速的历史 1
1.1.2 变频调速的发展 2
1.2 研究变频调速的目的及意义 3
1.3 本课题研究内容 4
第二章 交流感应电机矢量控制系统的介绍 6
2.1 交流感应电机的控制方法 6
2.2 交直流调速系统的相关概念和比较 6
2.3 矢量控制系统的介绍 7
2.3.1 矢量控制的基本原理 7
2.3.2 坐标变换理论 8
2.4 MATLAB/Simulink仿真介绍 10
2.5 交流电机数学模型 11
第三章 交流电机变频调速控制系统设计 14
3.1 脉宽调制技术 14
3.1.1 脉宽调制原理 14
3.1.2 脉宽调制逆变器的建模及仿真 14
3.2 励磁的分析和计算 16
3.3 逆变器的发展和使用 17
3.4 按转子磁链定向的异步电动机矢量控制 18
3.4.1 同步旋转正交坐标系状态方程 18
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
3.4.2 异步电动机模型仿真验证 20
3.4.3 依据转子磁链的定向矢量控制的特点 22
第四章 结果及分析 24
4.1 按照转子磁链定向矢量控制方式 24
4.1.1 电流闭环控制方式 24
4.1.2 转矩控制方式 24
4.2 矢量控制调速系统仿真 25
4.2.1 仿真调试与参数设定 27
4.2.2 仿真结果与分析 28
结束语 31
致 谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1 变频调速技术的历史与发展
1.1.1 变频调速的历史
物理学家奥斯特于19世纪初发现了电流在磁场里能受到力的作用这个物理现象，在这之后，安培环路定律的提出者安培对这个现象进行总结，并且还提出了著名的磁路定律。而后，法拉第又在此研究成果上进行了磁场与电流互相交替作用从而产生电磁力矩的实验，从而在实践上为电动机原理进行了证明。直流电动机应运而生，至此以后，直流电动机的应用以及理论的研究在长达几十年的历史中发生了大大的提升，当时工业电气传动的方式只有一种，那便是直流传动，这都归功于他静、动态性能的出色表现。
直流电机的优点在于他的调速性能很好，反观他的缺点也十分明显，首先由于直流电机的电刷以及换向器，使得他故障率和其他相比会较高，其次，他的使用环境会被限制（像易燃易爆气体及尘埃多的场合用他就不适合），最后，直流电动机在电压等级、单机容量以及转速上面也会受到各种制约。在19世纪末出现了三相鼠笼式交流异步电动机，他的优点在于维护方便、制造简单以及坚固耐用。基于这些优点，人们就开始试着想舍弃直流电动机，进而使用交流异步电动机，可当时的技术限制的这一行为，交流传动代替直流传动这一行为只有在不调速的情况下才能实现，这一状况一直延续到20世纪中期。
自60年代开始，采用半导体交流技术的交流调速系统面向社会，这多亏了电力电子以及电子技术的不断开发，尤其是发展了电力半导体开关器件。下面介绍几个比较有标志性的调速系统，我们可以从中看出交流调速的发展过程。
（1）晶闸管调压调速系统
晶闸管调压调速系统是为了实现交流异步电动机的调速，他是通过交流异步电动机的定子电压的平方以及转矩成正比的理论，并且通过晶闸管当做交流开关并将其加到电动机定子上的电压。我们多将交流异步电动机用于中小功率的短时或重复短时工作负载之中，这是因为虽然其调压调速性能指标并不高，但他的控制结构简单同时调整较容易。
（2）串级调速系统
串级调速系统是通过改变附加电势相位以及幅值大小来实现调速，且其需在绕线式异步电动机转子回路中串入附加电势且此电势需与转子电势同频率。此系统具有超同步以及低同步这两种串级调速方式，其充分利用交流异步电动机的转差功率的优点，且具有调速性能好这一优势，在不可逆拖动系统中尤为常见。
（3）变频调速系统
变频调速系统实现调速的方式是通过改变供电电压的频率从而完成改变交流异步电动机同步转速这一目的。而在调速是不改变电动机机械特性的硬度这一优点使得此调速系统能保持好的调速性能。
自70 年代开始，随着新型电力电子器件的不断出现，以及计算机控制技术和大规模集成电路不断发展还有人们对现代控制理论的运用，各种类型的调速系统伴着静止逆变器得到了飞跃的发展，同时也创造出了有力条件使得交流拖动系统蓬勃发展。现如今，交流电力拖动系统已拥有很多优点，其较高的稳速精度及工作效率、较宽的调速范围、较快的动态响应还有能够四象限运行，并且他的静态与动态特性都能和直流电动机的拖动系统相抗衡。
1.1.2 变频调速的发展
通过上世纪60年代研究交流变频调速技术至今，我们发现，很多理论以及技术开始和交流变频调速技术有了密不可分的关联。现在交流变频调速技术已关系到自动控制理论、电路拓扑理论、电动机理论、微电子以及计算机等各种技术以及理论，这使得变频调速技术成为了一门拥有很强综合性的多学科交叉技术。变频调速系统已不断广泛应用于电力，机床等传统工业以至于航空航天这些高新技术产业也广泛应用交流变频调速系统，其优异的性能得到了肯定。
交流电动机控制技术能够日益成熟还得益于电力电子器件技术的不断发展，新的控制方法的实现就需要新型电力电子器件作为基础。电力电子器件对电能进行控制、变换、开关这一行为便是电力电子技术。
如今变频技术被广泛开发应用于国际家电领域，作为一个高新技术，新型变频器的应用起到关键作用，他可以将50Hz固定供电频率转变成30130Hz变化频率，这大大提高了效率并且达到了节能的目的，最关键是使得电动机的运动频率能够自动调节。
变频器于上世纪80年代初开始不断面向社会。变频器的转变让人称奇，他由模拟控制发展到全数字控制，由利用BJT发展到利用IGBT，这两大发展历程仅仅在短短不到20年便实现了。
利用BJT的PWM变频器于80年代初达到通用化。而在90年代初，BJT通用变频器的运用将容量控制在600KVA,400KVA以下。尽管几年前IGBT才被用在主开关器件上面，短短三、四年，IGBT变频器的单机容量就达到了800IVA，由于IGBT的容量不断扩大，通用变频器容量必须跟上步伐，跟着也扩大。
现如今，变频电源装置趋于小型化，这是由多种原因造成的，像变频器的主电路之中功率电路向模块化发展，而控制电路开始运用全数字的控制技术以及大规模的集成电路，并且在结构的设计上也运用了平面安装技术。除此之外，有一种混合式的功率集成器件，运用了厚薄膜混合集成技术，他将功率电桥、检测电路、驱动电路以及保护电路之类装在了一起，这便构成一种智能的电力模块，此器件属于一种绝缘的金属基底结构，因此，其防电磁干扰能力强，保护电路以及检测电路和功率开关之间的距离要尽力缩小，因此保护迅速并可靠，传感的信号也会非常快。
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