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(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行交流調(diào)速的分析研究中，計(jì)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(jì)的特點(diǎn)是用MATLAB對(duì)基于SPWM控制的交流異步電動(dòng)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(dòng)機(jī)模型以及SPWM控制器幾部分組成，對(duì)實(shí)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(kāi)關(guān)原理、PWM調(diào)制方式的動(dòng)作過(guò)程和自動(dòng)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)建計(jì)算機(jī)仿真

2、方案，在通過(guò)分析比較仿真波形、儀表的顯示結(jié)果和存儲(chǔ)示波器的記錄，檢驗(yàn)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(jì)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(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)。系統(tǒng)工作過(guò)程是：首先通過(guò)電網(wǎng)中獲得三相對(duì)稱交流電，然后經(jīng)過(guò)三相不可控整流和SPWM控制方式下的逆變器為電動(dòng)機(jī)提供電源。電動(dòng)機(jī)在三相逆變電源的控制下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)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(gè)臂交替導(dǎo)電，這樣，在任意瞬間，將有3個(gè)橋臂同時(shí)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(hào)和三相對(duì)稱的正弦

3、波參考信號(hào)相比較，在交點(diǎn)處發(fā)出三相脈沖調(diào)制信號(hào)，去驅(qū)動(dòng)逆變器主回路的各IGBT的基極，當(dāng)改變參考信號(hào)的幅值時(shí)，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(hào)的頻率時(shí)，輸出電壓的頻率隨之改變。如果同時(shí)改變參考電壓的幅值和頻率，就可以實(shí)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(diǎn)是在半個(gè)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?yàn)镸>1時(shí)，在調(diào)制波形的中間部分因?yàn)閰⒖颊也ê洼d波三角波形無(wú)交點(diǎn)，使其槽寬消失，實(shí)際上處于非線性控制

4、，所以，為了實(shí)現(xiàn)精確的線性控制要求，正弦波參考信號(hào)的最大幅值不能大于三角波幅值，即M1。經(jīng)過(guò)分析研究證明，當(dāng)M1時(shí)，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(jiǎn)介 Matlab對(duì)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(duì)本系統(tǒng)的五個(gè)模塊，即PWM模塊、三相異步電動(dòng)機(jī)模塊、測(cè)量模塊和輸出模塊、多功能橋式模塊逐個(gè)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(脈寬調(diào)制)兩種，中小型電機(jī)大都采

5、用PWM方式，脈寬調(diào)制時(shí)，變頻器輸出電壓的大小通過(guò)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(gè)PWM信號(hào)發(fā)生模塊和一個(gè)三臂逆變橋組成的。打開(kāi)電力系統(tǒng)工具箱(Power System Blockset)，打開(kāi)特殊元件庫(kù)(extra library)，雙擊discrete control blocks，將出現(xiàn)一些離散控制模塊，通過(guò)對(duì)話框來(lái)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(gè)模塊可以用來(lái)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)。通過(guò)在“發(fā)生器模式”參數(shù)中選擇橋臂個(gè)

6、數(shù)，這個(gè)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(duì)電機(jī)的仿真是非常困難的，因?yàn)殡姍C(jī)本身是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性系統(tǒng)，仿真需建立多維方程組，對(duì)其編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。而Matlab對(duì)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(shí)現(xiàn)。雙擊Machines模塊，彈出一個(gè)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(cè)量環(huán)節(jié)?，F(xiàn)以三相異步電機(jī)為例說(shuō)明其仿真過(guò)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(shí)拖放的是標(biāo)準(zhǔn)形式的電機(jī)；另一種是以標(biāo)幺值形式(pu Units)表示的。然

7、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(dòng)慣量、摩擦系數(shù)、電機(jī)極對(duì)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(xiàng)除轉(zhuǎn)差率設(shè)為1，其他各項(xiàng)則根據(jù)仿真所用的電機(jī)實(shí)際參數(shù)設(shè)定。圖7.1是一個(gè)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(dòng)運(yùn)行時(shí)Tm應(yīng)為正值，作發(fā)電運(yùn)行時(shí)Tm應(yīng)為負(fù)值。電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的a、 b、c三個(gè)端口一般通過(guò)總線短接在一起。電機(jī)模型的m_SI端口是各種測(cè)量值的輸出端口，電機(jī)的

8、可測(cè)量值有20個(gè)，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(cè)量環(huán)節(jié)(ASM Measurement Demux )輸出，即把m_SI端口和測(cè)量環(huán)節(jié)的m端口相連，測(cè)量環(huán)節(jié)的輸出端口就可輸出各測(cè)量值。這樣可以用仿真示波器直接觀測(cè)電機(jī)各個(gè)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_(kāi)qd的都是d-q坐標(biāo)上的量，如與靜止坐標(biāo)系或同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的量進(jìn)行反饋比較時(shí)，需對(duì)輸出量進(jìn)行坐標(biāo)變換。其它

9、電氣元件用法與此類同，只需設(shè)定元件參數(shù)和實(shí)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(kāi)始仿真。3.測(cè)量模塊的仿真交流電機(jī)測(cè)量單元用于觀測(cè)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(gè)測(cè)量端M，通過(guò)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(cè)的變量數(shù)據(jù)從多維矢量中分列出來(lái)，交流電機(jī)測(cè)量單元的作用就是用于分列需觀測(cè)的變量數(shù)據(jù)。交流電機(jī)測(cè)量單元是一個(gè)通用單元，它可以用于測(cè)量交流同步電機(jī)也可以用于測(cè)量異步電機(jī)。在使用時(shí)，只要將電機(jī)模塊的測(cè)量輸出端M與測(cè)量單元的輸入端M連接起來(lái)即可。雙擊測(cè)量單元模塊，

10、則彈出對(duì)話框，在對(duì)話框的電機(jī)類型欄中選擇需要觀測(cè)的電機(jī)后，在該欄下方即會(huì)出現(xiàn)這種電機(jī)可觀測(cè)的各種變量，可以根據(jù)需要點(diǎn)擊各項(xiàng)變量前的空白欄，則完成了需觀測(cè)量的選擇。觀測(cè)變量一般可以使用示波器。如果電機(jī)模型使用的是國(guó)際單位制，則輸出變量也是使用國(guó)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(lái)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(lái)自于Simulink中的sinks庫(kù)。將它由sinks庫(kù)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

11、式電路模型是一個(gè)即可以用作整流也可以用作逆變的模型，并且可以通過(guò)設(shè)置來(lái)改變它的相數(shù)和采用的電力電子開(kāi)關(guān)模型。點(diǎn)擊多功能橋模型圖標(biāo)，彈出模塊的對(duì)話框。在對(duì)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(duì)話框的第五欄選擇變流器使用的電力電子開(kāi)關(guān)種類，這里有MATLAB模型庫(kù)的六種開(kāi)關(guān)可以選擇，即二極管、普通晶閘管、GTO、MOSFET、IGBT和理想開(kāi)關(guān)。其他緩沖電路和開(kāi)關(guān)器件的參數(shù)設(shè)定與單個(gè)電力電子器件開(kāi)關(guān)的參數(shù)設(shè)定相同，不過(guò)變

12、流器模型中可設(shè)置的參數(shù)較少，也就是說(shuō)，變流器模型使用的開(kāi)關(guān)模型較簡(jiǎn)單。1.3 變流電路的仿真1.3.1 整流電路仿真在交-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(lái)仿真。在本設(shè)計(jì)中用的是不可控器件進(jìn)行整流，其在阻容負(fù)載時(shí)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(cè)量模塊（V-I），三相二極管和阻容性負(fù)載組成。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

13、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1.3.2 三相電壓源型SPWM逆變器仿真三相電壓源型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(kù)的多功能模塊和PWM脈沖發(fā)生器就能實(shí)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)為三相橋臂，三相在輸出端，開(kāi)關(guān)器件選擇IGBT。IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由PW

14、M信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，在發(fā)生器對(duì)話框中，選擇了內(nèi)調(diào)制信號(hào)方式，當(dāng)然也可以采用外調(diào)制信號(hào)輸入方式，這時(shí)需要外加三相正信號(hào)。選擇三角波頻率為600HZ，這樣觀擦電壓波形比較清楚，實(shí)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(kāi)環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真下圖是異步電動(dòng)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(jì)環(huán)節(jié)有整流器，PWM信號(hào)發(fā)生器，逆變器及異步電動(dòng)機(jī)模型。PWM信號(hào)發(fā)生器是一個(gè)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(hào)與輸入信號(hào)進(jìn)行比較

15、，通過(guò)選擇器，產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)；逆變器也是一個(gè)封裝的子系統(tǒng)，由六個(gè)功率器模塊組成，PWM信號(hào)發(fā)生單元的輸出作為控制脈沖，控制六個(gè)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(dòng)慣量：0.089；摩擦系數(shù)：0；電機(jī)極對(duì)數(shù)：2。圖7.13 變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真模型空載時(shí)仿真波形如下所示：圖7.14 定子電流波形圖7.15 轉(zhuǎn)速波形圖7.16 轉(zhuǎn)矩波形 負(fù)載轉(zhuǎn)矩為11.8

16、N.m時(shí)的波形如下：圖7.17 定子電流波形 圖7.18 轉(zhuǎn)速波形圖7.19 轉(zhuǎn)矩波形從電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速波形可以看到，轉(zhuǎn)速?gòu)?轉(zhuǎn)上升到1400轉(zhuǎn)后穩(wěn)定。電動(dòng)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(guò)程中，轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)幅值較大。在加速過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(shí)，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(shí)，轉(zhuǎn)速基本恒定時(shí)，轉(zhuǎn)矩也基本恒定。從定子電流波形可以看到，電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)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(shí)達(dá)到最小且基本穩(wěn)定。這是因?yàn)樵谄饎?dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)差率很大，電動(dòng)機(jī)的等效阻抗很小，所以起動(dòng)電流很大，而在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)差率很小，電動(dòng)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(gè)工具的使用對(duì)研制交流異步電動(dòng)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(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)是：1)系統(tǒng)模型全部由基本的SIMULINK模塊實(shí)現(xiàn)，與實(shí)際系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了。2)仿真系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)控制系統(tǒng)稍微改進(jìn)，就可以實(shí)現(xiàn)各種