(完整版)SPWM变频调速系统的MATLAB仿真

SPWM变频调速系统的MATLAB仿真1.1系统仿真综述在采用电力半导体器件对电动机进行交流调速的分析研究中，计算机仿真技术已经显示出了它的巨大优越性。MATLAB/SIMULINK环境是一种优秀的系统仿真软件，使用它可以大大提高系统仿真和CAD的效率和可靠性。本设计的特点是用MATLAB对基于SPWM控制的交流异步电动机变频调速系统进行仿真分析。系统仿真模型主要由整流器、滤波器、逆变器、电动机模型以及SPWM控制器几部分组成，对实际系统的分析与研究十分有帮助。本文根据电力电子器件的开关原理、PWM调制方式的动作过程和自动控制理论，结合具体的电路拓扑结构并基于多信息融合思想，构建计算机仿真方案，在通过分析比较仿真波形、仪表的显示结果和存储示波器的记录，检验数学模型、电路拓扑结构、调节器方式和主要元器件参数是否正确，修改设计方案，逐步达到预期的目的。本文用仿真调速系统控制一台三相异步电动机。系统工作过程是：首先通过电网中获得三相对称交流电，然后经过三相不可控整流和SPWM控制方式下的逆变器为电动机提供电源。电动机在三相逆变电源的控制下产生电磁转矩带动负载工作。在本系统中，三相桥式逆变电路的基本工作方式采用的是导电方式，同一相(即同一半桥)上下两个臂交替导电，这样，在任意瞬间，将有3个桥臂同时导通。在控制电路中，采用的是正弦波脉宽调制法(SPWM)，即三角形载波信号和三相对称的正弦波参考信号相比较，在交点处发出三相脉冲调制信号，去驱动逆变器主回路的各IGBT的基极，当改变参考信号的幅值时，相电位脉冲的脉宽随之改变，从而改变了主回路基波相电压的大小。当改变参考信号的频率时，输出电压的频率随之改变。如果同时改变参考电压的幅值和频率，就可以实现变频调速系统u/f＝常数的要求。这种调制方式的特点是在半个周期内，脉冲间中心线等距，脉冲等幅、调宽，各脉冲面积之和与正弦波下的面积成正比。在SPWM方式中，经常要用到调制系数M(M＝调制波幅值/载波幅值)。调制系数M是有条件限制的。因为M1时，在调制波形的中间部分因为参考正弦波和载波三角波形无交点，使其槽宽消失，实际上处于非线性控制，所以，为了实现精确的线性控制要求，正弦波参考信号的最大幅值不能大于三角波幅值，即M≤1。经过分析研究证明，当M≤1时，逆变器输出线电压中的基波分量的最大幅值只有逆变器输入电网线电压幅值0.866倍[19]。1.2SIMULINK中电力系统工具箱和仿真元件简介Matlab对电路进行仿真是基于图形仿真软件Simulink环境下，操作只需鼠标的拖放和设定元件的参数，然后连线进行仿真。下面对本系统的五个模块，即PWM模块、三相异步电动机模块、测量模块和输出模块、多功能桥式模块逐个介绍其组成与仿真。1.PWM模块的组成与仿真变频器的调制方式可分为PAM(脉幅调制)和PWM(脉宽调制)两种，中小型电机大都采用PWM方式，脉宽调制时，变频器输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比进行调制，目前普遍应用的是占空比按正弦规律安排的正弦波脉宽调制方式。PWM模块是由一个PWM信号发生模块和一个三臂逆变桥组成的。打开电力系统工具箱(PowerSystemBlockset)，打开特殊元件库(extralibrary)，双击discretecontrolblocks，将出现一些离散控制模块，通过对话框来选择相关的模式和电子器件，为PWM系统提供了基于载波的脉冲。这个模块可以用来触发单相、两相、三相或者是三相桥相连接的电子器件，如(FET，GTO，或者是IGBT)。通过在“发生器模式”参数中选择桥臂个数，这个模块可以用于控制单相和三相的PWM电路。2.电机的仿真通常对电机的仿真是非常困难的，因为电机本身是一个多变量、强耦合、非线性系统，仿真需建立多维方程组，对其编程来实现。而Matlab对电机仿真则非常容易，只需设定一些电机参数即可实现。双击Machines模块，弹出一个包含几种电机模型的子窗口，其中有同步电机、异步电机、永磁同步电机等，还有电机的测量环节。现以三相异步电机为例说明其仿真过程。用鼠标拖放异步电机模型(AsynchronousMachineSIUnits)至工作窗口，注意有两种异步电机模型，此时拖放的是标准形式的电机；另一种是以标幺值形式(puUnits)表示的。然后在工作窗口中双击电机模型，将弹出电机参数设定窗口，需设定的参数有：[电机额定功率、线电压、频率]，[定子电阻、漏感]，[转子电阻、漏感]，[定转子互感]，[转动惯量、摩擦系数、电机极对数]，[电机初始条件：转差率、电位角、定子相电流和相角]。通常最后一项除转差率设为1，其他各项则根据仿真所用的电机实际参数设定。图7.1是一个三相异步电机模型。图7.1三相异步电机模型图中异步电机模型的A、B、C端口是三相定子电源输入端口，Tm端口是电机轴上的机械转矩，电机作电动运行时Tm应为正值，作发电运行时Tm应为负值。电机转子侧的a、b、c三个端口一般通过总线短接在一起。电机模型的m_SI端口是各种测量值的输出端口，电机的可测量值有20个，如定、转子三相电流，d-q坐标上的定、转子电压和磁链，电机转速及电磁转矩。但这些量不能直接从m_SI端口输出，必须由电机测量环节(ASMMeasurementDemux)输出，即把m_SI端口和测量环节的m端口相连，测量环节的输出端口就可输出各测量值。这样可以用仿真示波器直接观测电机各个量的波形，也便于把电机一些输出量，如电流、电压、转速，接回输入端，形成各种闭环控制。需注意的是：Matlab的电机模型是基于转子旋转坐标系(d-q坐标系)，因此凡是输出量下标为_qd的都是d-q坐标上的量，如与静止坐标系或同步旋转坐标系上的量进行反馈比较时，需对输出量进行坐标变换。其它电气元件用法与此类同，只需设定元件参数和实际值相符，然后在工作窗口中进行输入和输出的连线，形成完整的电路就可开始仿真。3.测量模块的仿真交流电机测量单元用于观测交流电机的工作情况。在交流电机的模型图标上都有一个测量端M，通过该端可以输出交流电机模型的各变量，如电压、电流、转速、磁链等的数据，这些数据以多维矢量的形式表示，在使用中，需要将需观测的变量数据从多维矢量中分列出来，交流电机测量单元的作用就是用于分列需观测的变量数据。交流电机测量单元是一个通用单元，它可以用于测量交流同步电机也可以用于测量异步电机。在使用时，只要将电机模块的测量输出端M与测量单元的输入端M连接起来即可。双击测量单元模块，则弹出对话框，在对话框的电机类型栏中选择需要观测的电机后，在该栏下方即会出现这种电机可观测的各种变量，可以根据需要点击各项变量前的空白栏，则完成了需观测量的选择。观测变量一般可以使用示波器。如果电机模型使用的是国际单位制，则输出变量也是使用国际单位制，如果电机模型使用的是标幺值，则输出变量使用的也是标幺值。4.输出观察模块的仿真本系统中使用Scope来显示输出。本系统中要观察的是整流输出波形，逆变器输出波形，PWM波形、定子电流、电磁转矩和电机转速。Scope来自于Simulink中的sinks库。将它由sinks库中拖至工作空间，分别连到需要观察的模块上即可。5.多功能桥式电路模型多功能桥式电路模型是一个即可以用作整流也可以用作逆变的模型，并且可以通过设置来改变它的相数和采用的电力电子开关模型。点击多功能桥模型图标，弹出模块的对话框。在对话框中，第一栏是选择模型桥臂的相数，有1、2、3三种相数可供选择；第二栏用于选择模型是交流输入还是交流输出，如果是选择交流输入，则输出就是直流，模型用于整流；如果选择是交流输出，则输入端就需要连接直流，模型用于逆变。对话框的第五栏选择变流器使用的电力电子开关种类，这里有MATLAB模型库的六种开关可以选择，即二极管、普通晶闸管、GTO、MOSFET、IGBT和理想开关。其他缓冲电路和开关器件的参数设定与单个电力电子器件开关的参数设定相同，不过变流器模型中可设置的参数较少，也就是说，变流器模型使用的开关模型较简单。1.3变流电路的仿真1.3.1整流电路仿真在交-直-交电压源型变频器中，一般其AC-DC变换部分采用不可控整流器，并且中间直流环节采用大电容滤波，这是三相不可控桥带电容性负载的电路。这类电路的仿真即可以在可控整流的基础上设控制角为0，也可以使用不控的整流模块来仿真。在本设计中用的是不可控器件进行整流，其在阻容负载时其仿真模型如下：图7.2三相不控桥阻容性负载的仿真模型模型由三相电源，三相电压主电流测量模块（V-I），三相二极管和阻容性负载组成。模型中设电源相电压为220V，阻容负载是R的值为2欧姆，C的值为0.1F，电阻近似表示了AC-DC-AC变换的逆变器及负载，仿真算法采用ode23。仿真波形如下所示：图7.3三相电源电压波形图7.4电源A相电流波形图7.5整流输出电压波形图7.6整流输出电流波形1.3.2三相电压源型SPWM逆变器仿真三相电压源型SPWM逆变器是在通用变频器中使用的最多的，用SIMULINK模块仿真三相电压源型SPWM逆变器是很方便的，使用模型库的多功能模块和PWM脉冲发生器就能实现。三相电压源型SPWM逆变器仿真模型如下所示：图7.7三相SPWM逆变器仿真模型在SPWM逆变器的参数设置中，多功能桥设为三相桥臂，三相在输出端，开关器件选择IGBT。IGBT的驱动信号由PWM信号发生器产生，在发生器对话框中，选择了内调制信号方式，当然也可以采用外调制信号输入方式，这时需要外加三相正信号。选择三角波频率为600HZ，这样观擦电压波形比较清楚，实用频率要高的多。仿真波形如下所示：图7.8SPWM波形图7.9逆变器输出A相电压波形图7.10逆变器输出B相电压波形图7.11逆变器输出C相电压波图7.12逆变器输出线电压波形1.4转速开环变频调速系统的仿真下图是异步电动机的PWM变频调速系统的仿真结构图，主要设计环节有整流器，PWM信号发生器，逆变器及异步电动机模型。PWM信号发生器是一个封装的子系统，内含有离散三角波发身器，其三角波信号与输入信号进行比较，通过选择器，产生PWM脉冲信号；逆变器也是一个封装的子系统，由六个功率器模块组成，PWM信号发生单元的输出作为控制脉冲，控制六个功率器件的通断。电机模型选用电气系统模块中的异步电机模型，只需设置相应的参数和负载转矩[21]。设定电机参数如下：[额定功率：1.2kw；线电压：380V；频率：50Hz]，[定子电阻：0.435欧姆；漏感：2mH]，[转子电阻：0.816欧姆；漏感：2mH]，[定转子互感：69.31mH]，[转动惯量：0.089；摩擦系数：0；电机极对数：2]。图7.13变频调速系统仿真模型空载时仿真波形如下所示：图7.14定子电流波形图7.15转速波形图7.16转矩波形负载转矩为11.8N.m时的波形如下：图7.17定子电流波形图7.18转速波形图7.19转矩波形从电动机的转速波形可以看到，转速从0转上升到1400转后稳定。电动机的电磁转矩波形，在图中可以看出由零速到微速的过程中，转矩的脉动幅值较大。在加速过程中，转矩脉动幅值减小，但是其值高于负载转矩。在转速达到稳定值时，电磁转矩值最终下降到与给定的负载转矩值相等，且基本稳定。0.3s左右时，转速基本恒定时，转矩也基本恒定。从定子电流波形可以看到，电动机在起动时电流很大，随着速度的升高，电流逐渐减小，在转速稳定时达到最小且基本稳定。这是因为在起动时，转差率很大，电动机的等效阻抗很小，所以起动电流很大，而在电动机正常运行时，其转差率很小，电动机的等效阻抗很大，从而限制了定子电流。1.5小结MATLAB/SIMULINK环境是一种优秀的系统仿真工具软件，这个工具的使用对研制交流异步电动机SPWM调速系统起到了巨大的帮助作用。本文构造的电动机调速系统的特点是：1)系统模型全部由基本的SIMULINK模块实现，与实际系统相对应，结构简单明了。2)仿真系统采用模块化设计，对控制系统稍微改进，就可以实现各种PWM控制，如准正弦波脉宽调制法、单元调制PWM法、谐波消除法和