1、摘要隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交流變頻 調(diào)速技術(shù)得到了迅速發(fā)展，其顯著的節(jié)能效益，高精確的調(diào)速精度，寬泛的調(diào) 速范圍，完善的保護(hù)功能，以及易于實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)通信功能，得到了廣大用戶(hù)的 認(rèn)可，在運(yùn)行的安全可靠、安裝使用、維修維護(hù)等方面，也給使用者帶來(lái)了極 大的便利。因此，研究交一直一交變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本工作原理和作用特性意 義十分重大。本文研究了變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本組成部分，主回路主要有三部分組成：將 工頻電源變換為直流電源的“整流器”；吸收由整流器和逆變器回路產(chǎn)生的電 壓脈動(dòng)的“濾波回路”，也是儲(chǔ)能回路；將直流功率變換為交流功率的“逆變 器”。使用Matlab/Simul

2、ink搭建交一直一交變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，通過(guò)實(shí) 驗(yàn)對(duì)該交一直一交變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本工作原理、工作特性及作用有更深的認(rèn) 識(shí)，也對(duì)諧波對(duì)于交一直一交變頻調(diào)速系統(tǒng)的影響有了一定的了解。關(guān)鍵詞：交一直一交變頻，整流，逆變，諧波，仿真。II / 54AbstractWith power electr onic tech no logy, computer tech no logy, automatic con troltechno logy is develop ing rapidly, AC variable-freque ncy system tech no logy has been deve

3、lop ing rapidly. Sign ifica nt en ergy efficie ncy and precisi on and broad scope ofspeed con trol, perfect protect ion and easy to impleme nt automatic com muni cati ons,all which have win the many users acceptanee . Therefore, studying the AC-DC-ACvariablefrequency systerm for the role of the basi

4、c working principle andcharacteristics of great sig nifica nee.In this paper we studied the basic component of the variable frequency speedregulatio n system.There are three main comp onen ts: the rectifier which con vertthe AC power into DC power。the loop filter can absorbed the voltage pulse which

5、the rectifier and inv erter circuit gen erated by,it is alsoe nergy storage circuit。the“inv erter converts the DC power in to the AC power. The n we usedthe Matlab /Simulink to build an AC-DC-AC Frequency Control System Simulation Model. Throughthe test of the AC-DC Freque ncy Con trol System to pay

6、 the basic worki ng prin cipleand work ing characteristics,we not only had a deeper un dersta nding of the role,butalso had a certa in degree of un dersta nding about the harm onic AC-DC-DC Frequency Con trol System.Key Words:AC-DC-AC variablerequency systerm,rectifier , inverter,harm oni cs,simulat

7、io n3 / 54目錄摘要IAbstract1引言11.1交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展11.2交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)研究的目的與意義21.3研究現(xiàn)狀分析32交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本原理及特性研究72.1系統(tǒng)的構(gòu)成82.2交直交變頻的基本工作特性82.3交直交變頻調(diào)速的優(yōu)越性82.4交直交變頻調(diào)速合理應(yīng)用92.5變頻器容量的確定102.6熟悉MATLAB的原理及應(yīng)用及SIMULINK仿真113工作原理研究及仿真實(shí)驗(yàn)123.1設(shè)計(jì)方案123.2整流器的工作原理研究及實(shí)驗(yàn)123.2.1整流器的基本工作原理123.2.2整流器部分的實(shí)驗(yàn)研究與分析143.3逆變器的工作原理研究及其實(shí)驗(yàn)分析213.3.1逆變器的基本

8、工作原理213.3.2逆變器實(shí)驗(yàn)研究分析233.4交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究分析303.4.1交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)研究303.4.2交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行仿真與分析363.5變頻器輸出諧波的影響383.5.1變頻器輸出諧波對(duì)負(fù)載的影響384 / 543.5.2諧波實(shí)驗(yàn)研究與分析逆變器部分）415 / 544結(jié)論45致謝46參考文獻(xiàn)47附錄一：整流模塊仿真模型48附錄二：交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真模型491引言1.1交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展隨著電機(jī)制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，電動(dòng)機(jī)作為風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、機(jī)床等各種 設(shè)備的動(dòng)力，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)、公用設(shè)施和家用電器等各個(gè)領(lǐng)域，其中異 步電動(dòng)機(jī)是各

9、類(lèi)電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用最廣、需要量最大的一種。在我國(guó)，異步電動(dòng)機(jī)的用 電量約占總負(fù)荷的80%以上，其中風(fēng)機(jī)、 泵類(lèi)、 壓縮機(jī)和空調(diào)制冷機(jī)的用電量分別 占全國(guó)用電量的10.4%, 20.9%, 9.4%和6%。從全球范圍看，電動(dòng)機(jī)的用電量平均 占世界各國(guó)社會(huì)總用電量的一半以上，占工業(yè)用電量的70%左右。因此，提高電機(jī) 系統(tǒng)的效率，對(duì)節(jié)約電能意義十分重大。異步電動(dòng)機(jī)的基本特點(diǎn)是，轉(zhuǎn)子繞組不需與其他電源相連，其定子電流直接取 自交流電力系統(tǒng)。與其它電機(jī)相比，異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、使用、維護(hù)方 便，運(yùn)行可靠性高，重量輕，成本低。以三相異步電動(dòng)機(jī)為例，與同功率、同轉(zhuǎn)速 的直流電動(dòng)機(jī)相比，前者重量只及后者的

10、二分之一，成本僅為三分之一。異步電動(dòng) 機(jī)還容易按不同環(huán)境條件的要求，派生出各種系列產(chǎn)品。它還具有接近恒速的負(fù)載 特性，能滿(mǎn)足大多數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械拖動(dòng)的要求。其局限性是，它的轉(zhuǎn)速與其旋轉(zhuǎn) 磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速有固定的轉(zhuǎn)差率，因而調(diào)速性能較差，在要求有較寬廣的平滑調(diào)速 范圍的使用場(chǎng)合(如傳動(dòng)軋機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、大型機(jī)床、風(fēng)機(jī)、水泵等，不如直流電動(dòng) 機(jī)經(jīng)濟(jì)、方便。但是，直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上存在機(jī)械換向器和電刷，使它具有一些難 以克服的固有缺點(diǎn)，如維修工作量大，事故率高，容量受換向條件的制約，使用環(huán) 境受限(特別在易燃、易爆、粉塵等場(chǎng)合難以應(yīng)用。20世紀(jì)70年代初，席卷世界先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的石油危機(jī)迫使他們投入大量人力

11、和財(cái)力去研究高效節(jié)能的交流傳動(dòng)系統(tǒng)。到了二十世紀(jì)90年代，隨著電力電子技 術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)得到了迅速發(fā)展， 其技術(shù)和性能勝過(guò)其它任何一種調(diào)速方式(如:降壓調(diào)速、變極調(diào)速、滑差調(diào)速、 內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速和液力偶合調(diào)速。所謂變頻調(diào)速就是利用變頻調(diào)速器從電網(wǎng)接收工頻50HZ的交流電，經(jīng)過(guò)恰當(dāng) 的強(qiáng)制變換方法，將輸入的給定頻率交流電變換成為頻率和幅值都可調(diào)節(jié)的交流電 輸出到交流電動(dòng)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)的變速運(yùn)行。2 / 541.2 交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)研究的目的與意義電動(dòng)機(jī)調(diào)速的節(jié)能效果交流異步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速由下式確定I（1-1式中一電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。I輸入的電源

12、頻率。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率：電機(jī)的極對(duì)數(shù)。由公式（1-1可知，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速與輸入的電源頻率、轉(zhuǎn)差率、電機(jī)的極對(duì)數(shù)有關(guān)系，因而交流電動(dòng)機(jī)的直接調(diào)速方式主要有變極調(diào)速（調(diào)整P、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速或串級(jí)調(diào)速或內(nèi)反饋電機(jī)（調(diào)整s和變頻調(diào)速（調(diào)整f等.通過(guò)流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機(jī)（或水泵類(lèi)設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn) 速n與流量Q、壓力（揚(yáng)程H以及軸功率P具有如下關(guān)系1 1-2）I1-3）I1-4）由公式（1-4可知，在其它運(yùn)行條件不變的情況下，通過(guò)下調(diào)電機(jī)的運(yùn)行速 度，其節(jié)電效果是與轉(zhuǎn)速降落成立方的關(guān)系，因此，節(jié)電效果非常明顯。例如在工 況只需要50%勺風(fēng)量或水量時(shí)，則可以將電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為額定的一半，而

13、此時(shí)電 機(jī)消耗的功率僅為額定的2.5%，即理論上節(jié)能可達(dá)87.5%.目前交流傳動(dòng)己經(jīng)上升為電氣調(diào)速傳動(dòng)的主流，直流傳動(dòng)系統(tǒng)占統(tǒng)治地位的局 面已經(jīng)受到強(qiáng)烈的沖擊。推廣使用可調(diào)速電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的節(jié)能具有廣闊的前 景，在不久的將來(lái)，交流電氣傳動(dòng)將會(huì)完全取代直流電氣傳動(dòng)。電動(dòng)機(jī)作為風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、機(jī)床等各種設(shè)備的動(dòng)力，已廣泛應(yīng)用于工 業(yè)、商業(yè)、公用設(shè)施和家用電器等各個(gè)領(lǐng)域，其中異步電動(dòng)機(jī)是各類(lèi)電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用 最廣、需要量最大的一種。使之成為國(guó)內(nèi)外企業(yè)采用電機(jī)節(jié)能方式的首選。因此， 提高電機(jī)系統(tǒng)的效率，對(duì)節(jié)約電能意義十分重大。隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交流變頻調(diào)速技 術(shù)

14、得到了迅速發(fā)展，其顯著的節(jié)能效益，高精確的調(diào)速精度，寬泛的調(diào)速范圍，完 善的保護(hù)功能，以及易于實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)通信功能，得到了廣大用戶(hù)的認(rèn)可，在運(yùn)行的 安全可靠、安裝使用、維修維護(hù)等3 / 54方面，也給使用者帶來(lái)了極大的便利。因此，研究交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)將有利于提高系統(tǒng)的可靠性和工作效率。為了分析變頻器對(duì) 電動(dòng)機(jī)的影響，利用Matlab仿真工具，搭建交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模 型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。1.3 研究現(xiàn)狀分析(1)采用新型功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件的不斷進(jìn)步，尤其是新型可關(guān)斷器件，如BIT(雙極型晶體 管、MOSFET(金屬氧化硅場(chǎng)效應(yīng)管、IGBT(絕緣柵雙極型晶體管的實(shí)用化，使 得

15、開(kāi)關(guān)高頻化的PWM技術(shù)成為可能。目前功率半導(dǎo)體器件正向高壓、大功率、高 頻化、集成化和智能化方向發(fā)展。典型的電力電子變頻裝置有電壓型交直交變 頻器、電流型交直交變頻器和交交變頻器三種。電流型交直交變頻器的 中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作儲(chǔ)能元件，無(wú)功功率將由大電感來(lái)緩沖，它的一個(gè)突出 優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)(發(fā)電狀態(tài)時(shí)，只需改變網(wǎng)側(cè)可控整流器的輸出電壓極 性即可使回饋到直流側(cè)的再生電能方便地回饋到交流電網(wǎng)，構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)具有四 象限運(yùn)行能力， 可用于頻繁加減速等對(duì)動(dòng)態(tài)性能有要求的單機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合， 在大容量 風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)節(jié)能調(diào)速中也有應(yīng)用。電壓型交直交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電容 作儲(chǔ)能元件，無(wú)功功率將

16、由大電容來(lái)緩沖。對(duì)于負(fù)載電動(dòng)機(jī)而言，電壓型變頻器相 當(dāng)于一個(gè)交流電壓源，在不超過(guò)容量限度的情況下，可以驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)運(yùn) 行。電壓型PWM變頻器在中小功率電力傳動(dòng)系統(tǒng)中占有主導(dǎo)地位。但電壓型變 頻器的缺點(diǎn)在于電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)(發(fā)電狀態(tài)時(shí)，回饋到直流側(cè)的再生電能難以回饋 給交流電網(wǎng)，要實(shí)現(xiàn)這部分能量的回饋，網(wǎng)側(cè)不能采用不可控的二極管整流器或一 般的可控整流器，必須采用可逆變頻器，這種再生能量回饋式高性能變頻器具有直 流輸出電壓連續(xù)可調(diào)，輸入電流(網(wǎng)側(cè)電流波形基本為正弦，功率因數(shù)保持為1并且能量可以雙向流動(dòng)的特點(diǎn)，代表一個(gè)新的技術(shù)發(fā)展動(dòng)向，但成本問(wèn)題限制了它 的發(fā)展速度。通常的交一交變頻器都有輸入

17、諧波電流大、輸入功率因數(shù)低的缺點(diǎn)， 只能用于低速(低頻大容量調(diào)速傳動(dòng)。為此，矩陣式交一交變頻器應(yīng)運(yùn)而生。矩 陣式交一交變頻器功率密度大，而且沒(méi)有中間直流環(huán)節(jié)，省去了笨重而昂貴的儲(chǔ)能 元件，它為實(shí)現(xiàn)輸入功率因數(shù)為1,輸入電流為正弦和四象限運(yùn)行開(kāi)辟了新的途 徑。(2)用脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM技術(shù)隨著電壓型PWM變頻器在高性能的交流傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用日趨廣泛，PWM技 術(shù)的研究越來(lái)越深入。PWM利用功率半導(dǎo)體器件的高頻開(kāi)通和關(guān)斷，把直流電壓 變成按一定寬度規(guī)律變化的電壓脈沖序列，以實(shí)現(xiàn)變頻、變壓并有效地控制和消除 諧波。PWM技術(shù)可分為三大4 / 54類(lèi):正弦P

18、WM、優(yōu)化PWM及隨機(jī)PWM。正弦PWM包括以電壓、電流和磁通的正弦為目標(biāo)的各種PWM方案.正弦PWM一般 隨著功率器件開(kāi)關(guān)頻率的提高會(huì)得到很好的性能，因此在中小功率交流傳動(dòng)系統(tǒng)中 被廣泛采用。但對(duì)于大容量的電力變換裝置來(lái)說(shuō)，太高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致大的開(kāi)關(guān) 損耗，而且大功率器件如GTO的開(kāi)關(guān)頻率目前還不能做得很高，在這種情況下， 優(yōu)化PWM技術(shù)正好符合裝置的需要。特定諧波消除法( Selected Harmonic Mi-inationPWM,SHE PWM 、效率最優(yōu)PWM和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小PWM都屬于優(yōu)化PWM技術(shù)的范疇。普通PWM變頻器的輸出電流中往往含有較大的和功率器件開(kāi)關(guān)頻率 相關(guān)的諧波成

19、分，諧波電流引起的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩作用在電動(dòng)機(jī)上，會(huì)使電動(dòng)機(jī)定子產(chǎn)生 振動(dòng)而發(fā)出電磁噪聲，其強(qiáng)度和頻率范圍取決于脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小和交變頻率。如果 電磁噪聲處于人耳的敏感頻率范圍，將會(huì)使人的聽(tīng)覺(jué)受到損害。一些幅度較大的中 頻諧波電流還容易引起電動(dòng)機(jī)的機(jī)械共振，導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。為了解決以上 問(wèn)題，一種方法是提高功率器件的開(kāi)關(guān)頻率，但這種方法會(huì)使得開(kāi)關(guān)損耗增加。另 一種方法就是隨機(jī)地改變功率器件的導(dǎo)通位置和開(kāi)關(guān)頻率，使變頻器輸出電壓的諧 波成分均勻地分布在較寬的頻帶范圍內(nèi)，從而抑制某些幅值較大的諧波成分，以達(dá) 到抑制電磁噪聲和機(jī)械共振的目的，這就是隨機(jī)PWM技術(shù)。(3)應(yīng)用矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)

20、及現(xiàn)代控制理論 交流傳動(dòng)系統(tǒng)中的交流電動(dòng)機(jī)是一個(gè)多變量、非線(xiàn)性、強(qiáng)禍合、時(shí)變的被控對(duì)象，VVVF(Variable Voltage Variable Frequency才空制是從電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)方程出發(fā)研究 其控制特性，動(dòng)態(tài)控制效果很不理想。20世紀(jì)70年代初提出用矢量變換的方法來(lái) 研究交流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)控制過(guò)程，不但要控制各變量的幅值，同時(shí)還要控制其相 位，以實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的解禍，促使了高性能交流傳動(dòng)系統(tǒng)逐步走向?qū)?用化。目前高動(dòng)態(tài)性能的矢量控制變頻器已經(jīng)成功地應(yīng)用在軋機(jī)主傳動(dòng)、電力機(jī)車(chē) 牽引系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床中。此外，為了解決系統(tǒng)復(fù)雜性和控制精度之間的矛盾，又提 出了一些新的控制方法，如直接

21、轉(zhuǎn)矩控制、電壓定向控制等。另外，智能控制技術(shù) 如模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制等也開(kāi)始應(yīng)用于交流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中，以提高控制的 精度。(4)廣泛應(yīng)用微電子技術(shù) 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式控制處理芯片的運(yùn)算能力和可靠性得到很大提 高，這使得全數(shù)字化控制系統(tǒng)取代以前的模擬器件控制系統(tǒng)成為可能。目前適于交 流傳動(dòng)系統(tǒng)的微處理器有單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Sig nal Processor, DSP 、專(zhuān)用集成電路(Application Specific IntegratedCircuit, ASIC等。其中，高性 能的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)形式采用超高速緩沖儲(chǔ)存器、多總線(xiàn)結(jié)構(gòu)、流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)和多處理器 結(jié)

22、構(gòu)等。核心控制算法的實(shí)時(shí)完成、功率器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生以及系統(tǒng)的監(jiān)控、保 護(hù)功能都可以通過(guò)微處理器實(shí)現(xiàn)，為交流傳動(dòng)系統(tǒng)的控制提供很大的靈活性，且控 制器的硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高，成本低，使得微處理器組成全數(shù)字化控制系統(tǒng)達(dá)到 了較高的性能價(jià)格比。5 / 54(5)開(kāi)發(fā)新型電動(dòng)機(jī)和無(wú)機(jī)械傳感器技術(shù) 交流傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)電動(dòng)機(jī)本體也提出了更高的要求。電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和建模有 了新的研究?jī)?nèi)容，如三維渦流場(chǎng)的計(jì)算、考慮轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)及外部變頻供電系統(tǒng)方程的 聯(lián)解、電動(dòng)機(jī)阻尼繞組的合理設(shè)計(jì)及籠條的故障檢測(cè)等。為了更詳細(xì)地分析電動(dòng)機(jī) 內(nèi)部過(guò)程，如繞組短路或轉(zhuǎn)子斷條等問(wèn)題，多回路理論應(yīng)運(yùn)而生。隨著20世紀(jì)80年代永磁材料特別

23、是欽鐵硼永磁的發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)( Permanent-MagnetSynchronous Motor, PMSM 的研究逐漸熱門(mén)和深入，由于這類(lèi)電動(dòng)機(jī)無(wú)需勵(lì)磁電 流，運(yùn)行效率、功率因數(shù)和功率密度都很高，因而在交流傳動(dòng)系統(tǒng)中獲得了日益廣 泛的應(yīng)用。在高性能的交流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子速度(位置閉環(huán)控制往往是必需的。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速(位置反饋控制，須用光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器等與電動(dòng)機(jī) 同軸安裝的機(jī)械速度(位置傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子速度和位置的檢測(cè)。但機(jī)械式的傳感 器有安裝、電纜連接和維護(hù)等問(wèn)題，降低了系統(tǒng)的可靠性。對(duì)此，許多學(xué)者開(kāi)展了 無(wú)速度(位置傳感器控制技術(shù)的研究，即利用檢測(cè)到的電動(dòng)機(jī)出線(xiàn)端電量(如電

24、機(jī)電壓、電流，估測(cè)出轉(zhuǎn)子的速度、位置，還可以觀測(cè)到電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的磁通、轉(zhuǎn) 矩等，進(jìn)而構(gòu)成無(wú)速度(位置傳感器高性能交流傳動(dòng)系統(tǒng)。該技術(shù)無(wú)需在電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)子和機(jī)座上安裝機(jī)械式的傳感器，具有降低成本和維護(hù)費(fèi)用、不受使用環(huán)境限制 等優(yōu)點(diǎn)，將成為今后交流電氣傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。(6)變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波對(duì)交流電機(jī)負(fù)載運(yùn)行的影響 眾所周知，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電源的頻率是線(xiàn)性關(guān)系，變頻器就是利用這一原理將50Hz的工頻電通過(guò)整流和逆變轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的交流電源。從結(jié)構(gòu)來(lái)看，變頻器 可分為間接變頻和直接變頻兩大類(lèi)。間接變頻將工頻電流通過(guò)整流器變成直流，然 后再經(jīng)過(guò)逆變器將直流變換成頻率和電壓可控的交流。直接變頻器則

25、將工頻交流直 接變換成頻率和電壓可控的交流，沒(méi)有中間的直流環(huán)節(jié)。目前變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用較 多的還是間接變頻器，即交直交變頻器.由于變頻器供電側(cè)電流中會(huì)含有諧波，這些諧波電流注入電網(wǎng)后將對(duì)電網(wǎng)的電 能質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，而其逆變電路輸出側(cè)產(chǎn)生的高次諧波也會(huì)給電動(dòng)機(jī)帶來(lái)諸如 發(fā)熱加劇、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及噪聲等問(wèn)題，甚至造成電機(jī)損壞，另外，諧波還對(duì)通信以及 電子設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，影響周?chē)O(shè)備的正常運(yùn)行。因此，研究變頻器的諧波特性 將有利于提高交流傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和工作效率。6 / 542 交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本原理及特性研究圖 2-1 變頻器調(diào)速系統(tǒng)的原理接線(xiàn)圖變頻器原理是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電

26、源變換為另一頻率的電 能控制裝置。交一直一交變頻器則是先把交流電經(jīng)整流器先整流成直流電，直流中 間電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，再經(jīng)過(guò)逆變器把這個(gè)直流電流變成頻率和 電壓都可變的交流電。交一直一交變頻器又可以分為電壓型和電流型兩種，由于控制方法和硬件 設(shè)計(jì)等各種因素，電壓型逆變器應(yīng)用比較廣泛。傳統(tǒng)的電流型交直交變頻器采用自 然換流的晶閘管作為功率開(kāi)關(guān)，其直流側(cè)電感比較昂貴，而且應(yīng)用于雙饋調(diào)速中， 在過(guò)同步速時(shí)需要換流電路，在低轉(zhuǎn)差頻率的條件下性能也比較差，在雙饋異步風(fēng) 力發(fā)電中應(yīng)用的不多。采用電壓型交直交變頻器這種整流變頻裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 諧波含量少、定轉(zhuǎn)子功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)異特點(diǎn)，可以明

27、顯地改善雙饋發(fā)電機(jī)的運(yùn)行 狀態(tài)和輸出電能質(zhì)量，并且該結(jié)構(gòu)通過(guò)直流母線(xiàn)側(cè)電容完全實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的 分離。變頻器的整流部分通常采用三相6脈動(dòng)橋式整流電路，因此，交流供電側(cè)電流 中所包含的諧波主要是亠（k為正整數(shù)次諧波，這些諧波電流注入電網(wǎng)后將對(duì) 電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。在變頻器的逆變側(cè)，通過(guò)控制裝置產(chǎn)生6組脈寬可調(diào)的PWM波控制三相的6組功率元件的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而形成電壓、頻率可調(diào)的 三相輸出電壓。變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖7 / 542.1 系統(tǒng)的構(gòu)成交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本構(gòu)成如原理圖2-1所示，它由整流、濾波、逆變等 部分組成。交流電源經(jīng)整流、濾波、逆變后變成直流電源，再通過(guò)逆變器的有規(guī)

28、則 的導(dǎo)通和截止使之輸出頻率可變的電源。其主回路主要有三部分構(gòu)成：將工頻電源 變換為直流電源的“整流器”；吸收由整流器和逆變器回路產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的“濾 波回路”，也是儲(chǔ)能回路；將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。(1)整流器 近來(lái)大量使用的就是二極管整流器，它把工頻電源變換為直流電源，電功率的 傳送是不可逆的。(2)濾波回路 在整流器整流后的直流電壓中，含有六倍電源頻率的脈動(dòng)電壓，此外，逆變器 回路產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓波動(dòng)。為了抑制這些電壓波動(dòng)，采用直流電抗器 和電容器吸收脈動(dòng)電壓電流)。裝置容量較小時(shí)，如果電源輸出阻抗和整流器容 量足夠時(shí)，可以省去直流電抗器而采用簡(jiǎn)單的阻容濾波回路。

29、(3)逆變器 同整流器相反，逆變器的作用是在所確定的時(shí)間里有規(guī)則地使六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器 件導(dǎo)通、關(guān)斷，從而將直流功率變換為所需電壓和頻率的交流輸出功率。2.2交直交變頻的基本工作特性調(diào)速時(shí)平滑性好，效率高。低速時(shí)，特性靜關(guān)率較高，相對(duì)穩(wěn)定性好。 調(diào)速范圍較大，精度高。起動(dòng)電流低，對(duì)系統(tǒng)及電網(wǎng)無(wú)沖擊，節(jié)電效果明顯。變頻器體積小，便于安裝、調(diào)試、維修簡(jiǎn)便。易于實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化。必須有專(zhuān)用的變頻電源，目前造價(jià)較高。在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，低速段電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力大為降低。2.3交直交變頻調(diào)速的優(yōu)越性交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種：變極調(diào)速、改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變頻調(diào)速。其 中，變頻調(diào)速最具優(yōu)勢(shì)。這里僅就交流變頻調(diào)速系統(tǒng)與直

30、流調(diào)速系統(tǒng)做一比較。在直流調(diào)速系統(tǒng)中，由于直流電動(dòng)機(jī)具有電刷和整流子，因而必須對(duì)其進(jìn)行檢 查，電機(jī)安裝環(huán)境受到限制。例如：不能在有易爆氣體及塵埃多的場(chǎng)合使用。此 外，也限制了電機(jī)向高轉(zhuǎn)速、大容量發(fā)展。而交流電機(jī)就不存在這些問(wèn)題，主要表 現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：第一，直流電機(jī)的單機(jī)容量一般為12 - 14MW，還常制成雙電樞形式，而交流 電機(jī)單機(jī)容量卻可以數(shù)倍于它。第二，直流電機(jī)由于受換向限制，其電樞電壓最高 只能做到一千多伏，8 / 54而交流電機(jī)可做到6 - 10kV。第三，直流電機(jī)受換向器部分機(jī) 械強(qiáng)度的約束，其額定轉(zhuǎn)速隨電機(jī)額定功率而減小，一般僅為每分鐘數(shù)百轉(zhuǎn)到一千 多轉(zhuǎn)，而交流電機(jī)的達(dá)到每分鐘數(shù)

31、千轉(zhuǎn)。第四，直流電機(jī)的體積、重量、價(jià)格要比 同等容量的交流電機(jī)大。最后，特別要指出的是交流調(diào)速系統(tǒng)在節(jié)約能源方面有著 很大的優(yōu)勢(shì)。一方面，交流拖動(dòng)的負(fù)荷在總用電量中占一半或一半以上的比重，這 類(lèi)負(fù)荷實(shí)現(xiàn)節(jié)能，可以獲得十分可觀的節(jié)電效益。另一方面，交流拖動(dòng)本身存在可 以挖掘的節(jié)電潛力。在交流調(diào)速系統(tǒng)中，選用電機(jī)時(shí)往往留有一定余量，電機(jī)又不 總是在最大負(fù)荷情況下運(yùn)行；如果利用變頻調(diào)速技術(shù)，輕載時(shí)，通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn) 行控制，就能達(dá)到節(jié)電的目的。工業(yè)上大量使用風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等，其用電量 約占工業(yè)用電量的50%；如果采用變頻調(diào)速技術(shù)，既可大大提高其效率，又可減 少10%的電能消耗。2.4 交直交變頻

32、調(diào)速合理應(yīng)用交流變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)已得到廣泛應(yīng)用。美國(guó)有60% - 65%的發(fā)電量 用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于有效地利用了變頻調(diào)速技術(shù)，僅工業(yè)傳動(dòng)用電就節(jié)約了15% - 20%的電量。采用變頻調(diào)速，一是根據(jù)要求調(diào)速用，二是節(jié)能。它主要基于下面幾個(gè)因素：(1)變頻調(diào)速系統(tǒng)自身?yè)p耗小，工作效率高。(2)電機(jī)總是保持在低轉(zhuǎn)差率運(yùn)行狀態(tài)，減小轉(zhuǎn)子損耗。(3)可實(shí)現(xiàn)軟啟、制動(dòng)功能，減小啟動(dòng)電流沖擊。在采用變頻調(diào)速時(shí)，需從工藝要求、節(jié)約效益、投資回收期等各方面考慮。如 果僅從工藝要求、節(jié)約效益考慮，下面幾種情況選用變頻調(diào)速較有利：(1)根據(jù)工藝要求，生產(chǎn)線(xiàn)或單臺(tái)設(shè)備需要按程序或按要求調(diào)整電機(jī)速度的。如： 包

33、裝機(jī)傳送系統(tǒng)，根據(jù)不同品種的產(chǎn)品，需要改變系統(tǒng)傳送速度，使用變頻調(diào)速可 使調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制準(zhǔn)確，并易于實(shí)現(xiàn)程序控制。(2)用變頻調(diào)速代替機(jī)械變速。如：機(jī)床，不僅可以省去復(fù)雜的齒輪變速箱，還能 提高精度、滿(mǎn)足程序控制要求。(3)用變頻調(diào)速代替用閘門(mén)或擋板調(diào)整流量適于風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等。例如：鍋 爐上水泵、鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)實(shí)行了變頻調(diào)速控制，不僅省去了伺服放大器、電動(dòng)操 作器、電動(dòng)執(zhí)行器和給水閥門(mén)或擋風(fēng)板)，而且使得整個(gè)鍋爐鍋爐控制系統(tǒng)得到 了快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高的控制精度和穩(wěn)定性。2.5 變頻器容量的確定變頻調(diào)速是通過(guò)變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于變頻器的容量確定至關(guān)重要。合理的容 量選擇本9 /

34、 54身就是一種節(jié)能降耗措施。根據(jù)現(xiàn)有資料和經(jīng)驗(yàn)，比較簡(jiǎn)便的方法有三 種：(1電機(jī)實(shí)際功率確定發(fā) 首先測(cè)定電機(jī)的實(shí)際功率，以此來(lái)選用變頻器的容量(2公式法設(shè)安全系數(shù)取1.05,則變頻器的容量為2-1)式中，匚I為電機(jī)負(fù)載；為電機(jī)功率計(jì)算出Pb后，按變頻器產(chǎn)品目錄可選出具體規(guī)格。為第n臺(tái)電動(dòng)機(jī)的額定電流，n為電機(jī)的臺(tái)數(shù)。在任何情況下，都不能在連續(xù)使用時(shí)超過(guò)額定電流I，當(dāng)一臺(tái)變頻器用于多臺(tái)電機(jī)時(shí)，應(yīng)滿(mǎn)足電機(jī)額定電流法變頻器 變頻器容量選定過(guò)程，實(shí)際上是一個(gè)變頻器與電機(jī)的最佳匹配過(guò)程，最常見(jiàn)、也較安全的是使變頻器 的容量大于或等于電機(jī)的額定功率，但實(shí)際匹配中要考慮電機(jī)的實(shí)際功率與額定功 率相差多少，

35、通常都是設(shè)備所選能力偏大，而實(shí)際需要的能力小，因此按電機(jī)的實(shí) 際功率選擇變頻器是合理的，避免選用的變頻器過(guò)大，使投資增大。雖然變頻調(diào)速有諸多優(yōu)點(diǎn)，但也有其不利因素，主要問(wèn)題是電流中含高次諧波 較多，除對(duì)電網(wǎng)有污染外，也使電機(jī)自身增加損耗，弓I起電機(jī)發(fā)熱。再有，變頻器 價(jià)格貴、投資回收器長(zhǎng)、技術(shù)復(fù)雜、尤其在實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)控制時(shí)，還需進(jìn)行技術(shù)處 理。此外，不是任何情況下變頻器都節(jié)電，如果電機(jī)負(fù)載變化不大，或深井泵配有 水塔，節(jié)電、節(jié)水效果都不大，就不宜使用變頻調(diào)速。2.6 熟悉 Matlab 的原理及應(yīng)用及 Simulink 仿真Matlab（ Matrix Laboratory的縮寫(xiě)是Mathwo

36、rks公司開(kāi)發(fā)的一種集計(jì)算、圖形 可視化和編輯功能于一體的功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)便、易于擴(kuò)充的語(yǔ)言，是目前國(guó)際上 公認(rèn)的優(yōu)秀的數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件之一。Matlab系統(tǒng)的強(qiáng)大功能是由其核心內(nèi)容語(yǔ)言系統(tǒng)、開(kāi)發(fā)環(huán)境、圖形系統(tǒng)、數(shù) 學(xué)函數(shù)庫(kù)、應(yīng)用程序接口等）和輔助工具箱符號(hào)計(jì)算、圖象處理、優(yōu)化、統(tǒng)計(jì)和控制等工具箱）兩大部分構(gòu)成。Simulink是一個(gè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。它可以處 理的系統(tǒng)包括：線(xiàn)性、非線(xiàn)性系統(tǒng)；離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)；單任務(wù)、多任務(wù)離散 事件系統(tǒng)。在Simulink提供的圖形用戶(hù)界面GUI上，只要進(jìn)行鼠標(biāo)的簡(jiǎn)單拖拉操作就可 構(gòu)造出復(fù)雜的仿真模型。它外表以方塊圖形式呈現(xiàn)，且采

37、用分層結(jié)構(gòu)。從建模角度 講，這既適于自上而下vTop-down）的設(shè)計(jì)流程概念、功能、系統(tǒng)、子系統(tǒng)、直 至器件），又適于自下而上Bottum-up） 逆程設(shè)計(jì)。從分析研究角度講，這種Simulink模型不僅能讓用戶(hù)知道具體環(huán)節(jié)10 / 54的動(dòng)態(tài)細(xì)節(jié)，而且能讓用戶(hù)清晰地了解各 器件、各子系統(tǒng)、各系統(tǒng)間的信息交換，掌握各部分之間的交互影響。在Simulink環(huán)境中，用戶(hù)將觀察到現(xiàn)實(shí)世界中摩擦、風(fēng)阻、齒隙、飽和、死 區(qū)等非線(xiàn)性因素和各種隨機(jī)因素對(duì)系統(tǒng)行為的影響。在Simulink環(huán)境中，用戶(hù)可 以在仿真進(jìn)程中改變感興趣的參數(shù)，實(shí)時(shí)地觀察系統(tǒng)行為的變化。Simulink環(huán)境使 用戶(hù)擺脫了深?yuàn)W數(shù)學(xué)推演

38、的壓力和煩瑣編程的困擾。11 / 543工作原理研究及仿真實(shí)驗(yàn)3.1 設(shè)計(jì)方案在此次設(shè)計(jì)中是交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究，主要是通過(guò)一個(gè)具體的交直 交變頻方案或者自己搭建一個(gè)交直交變頻的方案來(lái)研究交直交變頻的基本原理、工 作特性、各部分的基本作用及變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波對(duì)負(fù)載運(yùn)行的影響。對(duì)交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究需要從幾個(gè)模塊分別進(jìn)行研究， 例如有降 壓模塊、整流模塊、逆變模塊、負(fù)載模塊及測(cè)量模塊幾個(gè)部分。其主回路主要有三 部分構(gòu)成：將工頻電源變換為直流電源的“整流器”；吸收由整流器和逆變器回路 產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的“濾波回路”，也是儲(chǔ)能回路；將直流功率變換為交流功率的 “逆變器”。之后利用

39、Matlab/Simulink搭建模型對(duì)其輸出的波形進(jìn)行仿真研究， 并進(jìn)行諧波分析，并分析輸出諧波對(duì)交流電機(jī)負(fù)載運(yùn)行的影響。對(duì)交直交變頻器的基本原理和基本組成部分進(jìn)行研究。然后選定合適的電壓 源，再進(jìn)行降壓，然后通過(guò)對(duì)整流器的分析研究選定合適的整流方案并進(jìn)行研究分 析，通過(guò)對(duì)逆變器的研究和分析選定合適的逆變器并選定合適的逆變器搭建方案。 其中這些部分的研究要根據(jù)負(fù)載模塊的相關(guān)要求來(lái)確定，例如：負(fù)載的電壓、頻率 等的要求。接下來(lái)要對(duì)交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本特性進(jìn)行研究，并與其他的調(diào)速方法作 比較說(shuō)明其優(yōu)越性，確定其基本的參數(shù)。并在前面的理論基礎(chǔ)上熟悉和學(xué)會(huì)在Matlab/ Simulink中搭建

40、模型的方法。為后面成功搭建交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的模型 和仿真作準(zhǔn)備。在前面的基礎(chǔ)上搭建交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)其中的參數(shù)進(jìn)行設(shè) 置進(jìn)行仿真，對(duì)整流后的波形，逆變后的波形進(jìn)行結(jié)果分析。3.2 整流器的工作原理研究及實(shí)驗(yàn)3.2.1整流器的基本工作原理在電容濾波器的三相不可控整流電路中，最常用的就是三相橋式結(jié)構(gòu)。考慮電 感時(shí)電容濾波的三相橋式整流電路原理圖如下圖所示：12 / 54EVD圖 3-1 a）考慮電感時(shí)電容濾波的三相橋式整流電路idla五VDIVD兀VDlcIRII R圖 3-1b）考慮電感時(shí)電容濾波的波形13 / 54該電路中，當(dāng)某一對(duì)二極管導(dǎo)通時(shí)，輸出直流電壓等于交流側(cè)線(xiàn)電壓中

41、最大 的一個(gè)，該線(xiàn)電壓既向電容供電，也向負(fù)載供電。當(dāng)沒(méi)有二極管導(dǎo)通時(shí)，由電容向 負(fù)載供電， 按指數(shù)規(guī)律下降。設(shè)二極管在距線(xiàn)電壓過(guò)零點(diǎn) 角處開(kāi)始導(dǎo)通，并以二極管丨和開(kāi)始同時(shí) 導(dǎo)通的時(shí)刻為時(shí)間零點(diǎn)，則線(xiàn)電壓為3-1)而相電壓為3-2)在12時(shí)，二極管 |和 開(kāi)始同時(shí)導(dǎo)通，直流側(cè)電壓等于 ；下一次同 時(shí)導(dǎo)通的一對(duì)管子是和I,直流側(cè)電壓等于回。這兩段導(dǎo)通過(guò)程之間的交替 有兩種情況，一種是在 和勺同時(shí)導(dǎo)通之前 和 丨是關(guān)斷的，交流側(cè)向直 流側(cè)的充電電流 是斷續(xù)的，另一種是 一直導(dǎo)通，交替時(shí)由 丨導(dǎo)通換相至I導(dǎo)通， 是連續(xù)的。介于二者之間的臨界情況是，丨和冋 同時(shí)導(dǎo)通的階段與 和勺同時(shí)導(dǎo)通的階段在處恰好銜

42、接了起來(lái)，恰好連續(xù)。由“電壓下降速度相等”的原則，可以確定臨界條件。假設(shè)在的時(shí)刻“速度相等”恰好發(fā)生，則有可得壬,這就是臨界條件。三三和三三分別是電流斷續(xù)和連續(xù)的條件。對(duì)一個(gè)確定的裝置來(lái)說(shuō)，通常只有是可變的，它的大小反映了負(fù)載的輕重。因此可以說(shuō)，在輕載時(shí)直流側(cè)獲得的充電電流是斷續(xù)的，重載時(shí)是連續(xù)的，分界點(diǎn)就是 -1322整流器部分的實(shí)驗(yàn)研究與分析以上分析的是理想的情況，未考慮實(shí)際電路中存在的交流側(cè)電感以及為抑制沖 擊電流而串聯(lián)的電感。當(dāng)考慮上述電感時(shí)，電路的工作情況發(fā)生變化，其仿真過(guò)程 如下：在實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行階段，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真，本軟件采用自動(dòng)化領(lǐng)域廣泛使建模和設(shè)置參數(shù)：根據(jù)三相橋式全控整流電

43、路的原理圖和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要求觀測(cè)的波形，在模型窗口中引入模塊并設(shè)置參數(shù)如下：1）從Electrical Sources模塊庫(kù)中復(fù)制運(yùn)行仿真打開(kāi)仿真/參數(shù)窗口，打開(kāi)菜單，Simlatio nCon figuration ParametersSolver選 擇ode23tb算法電容電流平均值為零，因此I（3-5在一個(gè)電流周期中，有六個(gè)波頭，流過(guò)每一個(gè)二極管的是其中的兩個(gè)波頭，因此二極管電流的平均值為的1/3，即(3-63）二極管承受的電壓二極管承受的最大反向電壓為線(xiàn)電壓的峰值，為二圖 3-5 整流濾波后電壓波形 有效值）20 / 544）橋式整流電路電容量的確定電容濾波的計(jì)算比較麻煩，因?yàn)闆Q定輸出電

44、壓的因素較多。工程上有詳細(xì)的曲線(xiàn)可供查閱。一般常采用以下近似估算法：一種是在 _I的條件下，近似認(rèn)為 _ 。橋式整流電路的 電容量一般幾百到幾萬(wàn)uF.3.3逆變器的工作原理研究及其實(shí)驗(yàn)分析3.3.1逆變器的基本工作原理逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱(chēng)為電壓 型逆變電路；直流側(cè)是電流源的稱(chēng)為電流型逆變電路。這里采用的電壓型逆變電 路，下面構(gòu)成、原理和特性進(jìn)行介紹：其基本原理圖如下：N圖 3-6 設(shè)負(fù)載中點(diǎn) 與直流電源假想中點(diǎn)之間的電壓為I,則負(fù)載各相的相電壓分別為(3-8把上面各式相加并整理求得設(shè)負(fù)載為三相對(duì)稱(chēng)負(fù)載，則有I，故可得由此可以得出：1也是矩形波，但其頻率

45、為丨頻率的3倍，幅值為其1/3，即一。下面對(duì)三相橋式逆變電路的輸出電壓進(jìn)行定量分析。把輸出電壓I展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)得(3-11式中， - 為自然數(shù)。輸出線(xiàn)電壓有效值I為其中基波幅值 一1和基波有效值I分別為30 / 54(3-1331 / 54在上述的180導(dǎo)電方式的逆變器中， 為了防止同一相上下兩橋臂的開(kāi)關(guān)器件 同時(shí)導(dǎo)通而引起直流側(cè)電源的短路，要采取“先斷后通”的方法。即先給應(yīng)關(guān)斷的 器件關(guān)斷信號(hào)，待其關(guān)斷后留一定的時(shí)間裕量，然后再給應(yīng)導(dǎo)通的器件發(fā)出開(kāi)通信 號(hào)，即在兩者之間留一個(gè)短暫的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短要視器件的開(kāi)關(guān)速度而 定，器件的開(kāi)關(guān)速度越快，所留的死區(qū)時(shí)間就可以越短。3.4 交直交

46、變頻調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究分析3.4.1交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)研究根據(jù)以上整流部分和逆變部分的仿真模型連接起來(lái)再加上濾波和反饋環(huán)節(jié)搭建 交直交變頻調(diào)速的整體仿真模型。其中為了使仿真模型的運(yùn)行速度加快，反饋環(huán)節(jié) 的傳遞函數(shù)采用一階延遲環(huán)節(jié)旦。搭建過(guò)程如下：5）從Electrical Sources模塊庫(kù)中復(fù)制F面再來(lái)對(duì)負(fù)載的相電壓I進(jìn)行分析。把其展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)得式中， _為自然數(shù)。負(fù)載相電壓的有效值 為其中的基波幅值和_1分別為(3-15(3-16(3-17(3-1832 / 54相位設(shè)置為0，連接方式Internalconnection設(shè)為Yg連接方式，33 / 54其它值采用默認(rèn)值。屋B

47、lock FarameterE 25 k嘰60 Hi 10 MVAThr*-fiFhaLfi； SouTca - ask) JlinkThree-phase voltage source in series with RL branch.ParaseterEFhais*tEhasc ras voltags：:鄭 | Jjy.生“二-6)從Tran sformer模塊庫(kù)中復(fù)制一個(gè)Three-Phase Tran sformer。設(shè)置Win di ng1connection (ABC term in als為Yg,Win di ng 2 connection (abc term in als為De

48、lta (D1。WElock Faranstsrs 5kV / 600V 50 kVAST34 / 54Three-Phase Transfoiaer 7:- Windines aak : irtk7hi七：Guk i益衛(wèi)：云=丘匸亡a七=云nmf*:二丘r ty thi=& anjtra nmforiSEi立一Set the *indin connset ion tc Yn-cu rant to actes theneutral p-int of the Wye.Click the App：r or tht OK tut ton after a charge to the Units

49、 popup tc c:nfLIEthe c jnftTsicn of par sisters.r_” -h|_ _ Sonf i guratiDEfar i=st=r AivajiL=dS3 IhitPhase TranifcrEr 7icc ind:nj xaik linkThis blcck i.51=nts直thie=-itiaifi trarsEi cr*=r t： us Ing tiir= iinE-e-_Dnai=traEif2rs*ra. S=t the indmg ccnnectiDn tc Yn直hwnTQUFant tcthe neutrac4n.t nf th=Clic

50、k thw Applr cr 1E:吭tuttsn Sifto-r a han 0. 02 1P-*APP-T7）從Power Electronics模塊庫(kù)中復(fù)制一個(gè)通用三相電橋模塊。參數(shù)設(shè)置為晉Block Fsi用說(shuō)燈：2SkV / 600V 50 kVANosinaL pc fn ?EEAindinj 2 paja3*tfiiE V2 Fh*Ph (VTSS3RI (pu.rLX tpu.35 / 54tjjBlock Parameters: Rectifier一耳.Universal Eridgs二飯呂k (1ink；This blcsek isaplesent a tridee of

51、selected pwer electronies devices. Series RC KHLitter circuits ar* cpnneeted in pirallel irf.theach switch device. Fress Help for s.LigEti TiL：tb*r vilLi壘雪 fit電且the nEdl EdiKrstized. Far工雪t aEplisaticnsth intsTnal in du ct且n亡曇Lan cf diadsE且nd thyrl stsrs shcald; t* set to z&re8）從Elements模塊庫(kù)中復(fù)制2個(gè)

52、串聯(lián)RLC模塊，電容參數(shù)設(shè)置為 ,I；電感亠，36 / 549）從Power Electronics模塊庫(kù)中復(fù)制一個(gè)通用 三相電橋模塊。 設(shè)置Power electronic device為IGBT-Diode bridge，參數(shù)設(shè)置為。tilBlck FsrafltslerE：FWI I5BT Inverter冰 丨Vnivsrsal ErLdgs-r 耳s；klinkThis block inpleasnt z. brdj:* of saZtctsd poTTfir *lectronicE davieeE. Series EC snubt er eircui tsSJI* r crma亡t

53、壘丘in par al1*1 with arh switch dvies. Frss.f crEUfEEtd. snubter values when the ncd&l is dis亡壬總七三二世EL rET3CE* applications the intsmal induetansze Lon cf diod=Eand thyristers should cs12 zroFarazj=t&T510）從Elements模塊庫(kù)中復(fù)制一個(gè)串聯(lián)RLCvIoad）模塊，電容參數(shù)設(shè)置為Elock Par airieters: 50 kW 3S0 V rms 50 Hz_7 tu e

54、e Ph aEe Paral lE!KLC Load ziask （liiik 二口舁a thr_Eha paTBLIV!LC lendFax arseter mCancelHelp1 537 / 547)Measurements模塊庫(kù)中復(fù)制2個(gè)電壓測(cè)量模塊和一個(gè)Multimeter模塊。通過(guò)此模塊可以任意選擇其中幾個(gè)元件的電流量測(cè)量8)從Sinks模塊庫(kù)中復(fù)制2個(gè)示波器模塊Scope,通道數(shù)設(shè)置為4其中的濾波部分的內(nèi)部搭建如下:圖 3-12 LC 濾波電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)其參數(shù)設(shè)置如下:38 / 54將Three-PhaseSeries RLC Branch的bran ch type設(shè)為L(zhǎng),設(shè)定值

55、為2mH，將Three-PhaseSeries RLC Load的Con figuration設(shè)為Y(grou nded，電壓為380V，頻 率為50HZ。搭建的交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)模型見(jiàn)附錄。按附錄二搭建仿真電路模型，選用的主要模塊的名稱(chēng)及提取路徑見(jiàn)表3-3:表3-3仿真電路模塊的名稱(chēng)和提取路徑通用橋式電路模塊 Un iversal BridgeSimPowerSystems/Electrical Source三相電壓源SimPowerSystems/Power Electricnics串聯(lián) RLC 支路 R、CSimPowerSystems/Eleme ntsPWM脈沖發(fā)生器PWMSimPo

56、werSystems/Extra Library/C on trol Blocks三相雙繞組變壓器模塊SimPowerSystems/Power Electricnics三相RLC負(fù)載LoadSimPowerSystems/Eleme nts電壓測(cè)量模塊和電流測(cè)量模塊SimPowerSystems/Eleme nts一階延遲1/Z模塊SimPowerSystems/ Extra Library/Co ntrol Blocks穩(wěn)壓器模塊SimPowerSystems/ Extra Library/Co ntrol Blocks示波器 ScopeSimuli nk/Si nks3.4.2交直交變頻

57、調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行仿真與分析(1運(yùn)行仿真打開(kāi)仿真/參數(shù)窗口，選擇ode23tb算法，將相對(duì)誤差設(shè)置為1e-3,停止時(shí)間設(shè)置為0.1s，單擊工具欄中的“開(kāi)始”按鈕開(kāi)始仿真。仿真結(jié)束后雙擊示波器模39 / 54塊可觀測(cè)被測(cè)量的波形，改變模塊參數(shù)可得到隨之變化的仿真波形 其仿真波形如下：)3.Q1!赳卜 7” 1. 1 .!-1P111圖 3-13 交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真波形40 / 5441 / 54圖 3-14 變頻前后電壓波形 取一相)(2仿真波形分析：通過(guò)搭建的交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果分析可知，三相的交流電在經(jīng)過(guò)整 流之后變成電壓恒定的直流電壓源，電壓波形基本趨于恒定的直線(xiàn)。在經(jīng)過(guò)逆變部

58、分之后的波形是脈寬可調(diào)的方波。而經(jīng)過(guò)反饋和LC濾波之后變成頻率可變的正弦波。而通過(guò)變頻前后的波形可以看出變頻之后的正弦波雖然頻率變了，但是其波形 當(dāng)中還有波動(dòng)。說(shuō)明該系統(tǒng)中還有諧波的影響，接下來(lái)我也將對(duì)該系統(tǒng)的諧波影響 進(jìn)行一定的分析。3.5 變頻器輸出諧波的影響3.5.1變頻器輸出諧波對(duì)負(fù)載的影響眾所周知，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電源的頻率是線(xiàn)性關(guān)系，變頻器就是利用這一原理將50HZ的工頻電 通過(guò)整流和逆變轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的交流電源。從結(jié)構(gòu)來(lái)看，變頻器 可分為間接變頻和直接變頻兩大類(lèi)。間接變頻將工頻電流通過(guò)整流器變成直流，然 后再經(jīng)過(guò)逆變器將直流變換成頻率和電壓可控的交流。直接變頻器則將工頻交流直 接變換

59、成頻率和電 壓可控的交流，沒(méi)有中間的直流環(huán)節(jié)。目前變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用 較多的還是間接變頻器，即交一直一交變頻器本節(jié)將討42 / 54論變頻調(diào)速系統(tǒng)變頻器輸 出端的諧波及其對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)的影響。變頻器的整流部分通常采用三相6脈動(dòng)橋式整流電路，因此，交流供電側(cè)流 中所包含的諧波主要是E ( k為正整數(shù)次諧波，這些諧波電流注入電網(wǎng)后將對(duì) 電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。在變頻器的逆變側(cè)，通過(guò)控制裝置產(chǎn)生6組脈寬可調(diào)的PWM波控制三相的6組功率元件的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而形成電壓、頻率可調(diào)的 三相輸出電壓。由于輸出的電壓由PWM波和三角載波的交點(diǎn)產(chǎn)生的，不是標(biāo)準(zhǔn)的 正弦波，其中也含有一系列高次諧波，這些諧波將會(huì)對(duì)

60、電機(jī)和系統(tǒng)的性能帶來(lái)一些 不利的影響。隨著變頻器的應(yīng)用日益廣泛，變頻器的高次諧波對(duì)電網(wǎng)和負(fù)載產(chǎn)生的危害不容 忽視其中包括：(1對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)(發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)戶(hù)生附加功率損耗和發(fā)熱、產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和噪聲。此外，由整流器供電的電動(dòng)機(jī)可引起明顯的電壓畸變。(2對(duì)無(wú)功補(bǔ)償電容組引起諧振或諧波電流的放大，從而導(dǎo)致電容器因過(guò)負(fù)荷或過(guò)電壓而損壞。為了補(bǔ)償負(fù)載的無(wú)功功率，提高功率因數(shù)，常在負(fù)載處裝有并聯(lián)電容器。為了 提高系統(tǒng)的電壓水平，常在變電所安裝并聯(lián)電容器。此外，為了濾除諧波，也會(huì)裝 設(shè)由電容器和電抗器組成的濾波器。在工頻頻率下，這些電容器的容抗比系統(tǒng)的感 抗大得多，不會(huì)產(chǎn)生諧振。但對(duì)諧波頻率而言，系統(tǒng)感抗大大增加而容抗大大減 少，就可能產(chǎn)