1、 太原科技大学电子信息工程学院毕业论文 (设计 ) 第 1 页 共 71 页 摘 要 首先对变频器进行了简单介绍，并对变频器的谐波产生机理、谐波干扰途径、谐波干扰的危害等进行了分析。接着说明了脉冲宽度调制型方法的一系列性质，并由负载性质下的无差拍控制方程推导出了感性负载下的无差拍控制方程，由控制方程进行了计算机模拟仿真研究，并给出了一系列模拟结果。仿真结果表明，所得的输出波形已与正弦波相当接近，证明了无差拍控制是一种有效的谐波抑制技术，同时也是一种性能优良的 PWM 方法，采用此种控制算法能够有效的抑制变频器工作过程中产生的谐波干扰，并使输出电压很好的跟踪参考电压，控制响应快 。而且只有根据负
2、载的性质来确定控制方程及其系数，这种优良性能才能得以充分的发挥。 关键词： 变频器 脉宽调制 无差拍控制 太原科技大学电子信息工程学院毕业论文 (设计 ) 第 2 页 共 71 页 ABSTRACT Carry on simple introduction to frequency converter at first, and in harmony wave in frequency converter produce mechanism, in harmony wave interfere way , in harmony danger that wave interfered ,etc.
3、 analyse. Then has stated a series of nature of the modulating type method of width of pulse, and by load having difference is it control equation derive appear to have difference make the equation of controlling perceptual load to make under the nature, carry on the artificial research of computer
4、simulation from the equation of controlling, provide a series of simulation results. Artificial result indicate output waveform of income with sinusoidal wave to close quite already, is it have difference is it control it is one effective in harmony wave that suppress technology is one of good perfo
5、rmance PWM method at the same time to make to prove, can adopt the control algorithm effective restrain frequency converter working course the wave in harmony emerging is interfered, enable outputting the voltage and well follow the reference voltage, control and respond it fast. Fix and control the
6、 equation and his coefficient according to the nature of load only, its coefficients are determined according to the property of load. KEY WORDS: transducer PWM dead-beat control 太原科技大学电子信息工程学院毕业论文 (设计 ) 第 3 页 共 71 页 目 录 前言 1 第 1 章 变频器 3 1.1 变频器简介 3 1.2 变频器构造与控制方式 4 1.2.1 变频器的构造 4 1.2.2 变频器的控制方式 5 1
7、.3 变频器的谐波 7 1.3.1 谐波产生机理及干扰途径 8 1.3.2 谐波 干扰的危害 8 1.3.3 抑制谐波干扰的对策 10 第 2章 无差拍控制法 11 2.1 脉冲宽度调制型（ PWM）方法 11 2.1.1 PWM 控制的基本原理 12 2.1.2 PWM 型逆变电路的控制方式 13 2.2 无差拍控制的涵义 14 2.3 不同性质下无差拍控制方程及其推导 15 第 3章 优秀的仿真软件 MATLAB 21 3.1 MATLAB 简介 21 3.2 MATLAB 的特色 24 3.3 M 函数的编写 27 3.4 Simulink 仿真 28 3.4.1 Simulink 基础
8、常识 28 太原科技大学电子信息工程学院毕业论文 (设计 ) 第 4 页 共 71 页 3.4.2 Power sys 工具箱 30 第 4 章 模拟仿真研究 31 4.1 仿真图形实现 31 4.2 计算机模拟研究 35 结论 41 致谢 42 参考文献 43 附录 英文及其翻译 太原科技大学电子信息工程学院毕业论文 (设计 ) 第 5 页 共 71 页 前 言 电力电子技术 (Power Electronics Technology)是电工技术的分支之一，也是未来科学技术发展的重要支柱。应用电力电子器件和以计算机为代表的控制技术，对电能特别是大的电 功率进行处理和转换，是电力电子技术的主要
9、内容。有人预言：电力电子技术连同运动控制将和计算机技术一起成为 21世纪最重要的两大技术。随着计算机以及各种精密自动化设备、电子设备被广泛应用于通信、工业自动化控制、办公自动化等领域，变频器作为电力电子技术的重要组成部分，近年来得到了迅速发展。 于是对变频器中逆变器的控制成了研究重点，即要求其输出波形稳态精度高、总谐波畸变率低和动态响应快。 PWM 方法有使逆变器调频调压方便、低次谐波小、主电路结构简单、重量轻、造价低等优点，因而在交流电机调速和不间断电源中得到了广泛应用。 三角波交截法 1或称次谐波控制法以及通过计算机离线确定 PWM 开关点位置 2， 3来产生 PWM 脉冲都是开环控制，未
10、给出负载变化对电路工作状态产生影响的反馈信息，因而不可避免的会有负载突变引起的逆变器输出变化过度时间过长，当为非线性负载时输出谐波失真大等缺点。采用滞环比较器带非线性反馈的 PWM 方法 4， 5，虽从原理上克服了开环控制的缺点，但要求输出谐波畸变较小时开关频率会急剧上升 5，增加了逆变器开关损耗。 K P Gokhale 等在 1987 年首先提出了逆变器无差拍控制方法 6，可克服上述不足之处。其实 验指出，当采样频率为 1.8kHz时，输出 60Hz 的正弦交流电压的谐波失真为 1.34%。负载为非线性且条件最恶劣的情况下，谐波失真为 11.1%，而普通 PWM 方法为 20.5%，表明了
11、该方法的优越性。 太原科技大学电子信息工程学院毕业论文 (设计 ) 第 6 页 共 71 页 但文献 8仅仅研究了纯电阻负载的情形，而实际应用中常有感性负载或容性负载的存在。本文首先介绍了一下变频器的原理与构成部分等，同时对变频器谐波产生的机理进行了分析。然后就无差拍控制法的特点等进行了总结，先导出了感性负载时的无差拍控制方程，并对其进行了 MATLAB 仿真，同时也对不同性质负载时无差拍控制方法 PWM 型逆变器的 性能进行了计算机模拟仿真研究。在仿真前我们对当前国际控制界最流行的面向工程与科学计算的高级语言 MATLAB 进行了简单的介绍。研究过程中我们发现：通过模拟仿真选择最佳滤波参数使
12、开关频率最低，谐波输出最小，直流电压利用率最高，额定功率输出时流过开关器件的电流最小，从而为该方法的实施探索了一条可行的道路。 太原科技大学电子信息工程学院毕业论文 (设计 ) 第 7 页 共 71 页 第 1章 变频器 变频器由于其优良的调速性能和显着的节能效果，近年来在矿井提升、机械建筑、石油化工和造纸等行业得到了广泛的应用。但逆变电路输出侧产生的高次谐波会给电动机带来诸如 发热加剧、低频脉动及噪声等问题，甚至造成电机损坏；另外，谐波还对通信以及电子设备产生严重干扰，影响周围设备的正常运行。因此，本章首先对变频器其构造与控制方式进行了简单的介绍，接着就变频器谐波产生的机理与危害的进行了分析
13、。 1.1 变频器简介 交流变频调速技术是现代电力传动技术重要发展方向，随着电力电子技术，微电子技术和现代控制理论在交流调速系统中的应用，变频交流调速已逐渐取代了过去的滑差调速，变极调速，直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于工业生产和日常生活的许多领域。 变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生 的。 20 世纪 60 年代后半期开始，电力电子器件从 SCR（晶闸管）、 GTO（门极可关断晶闸管）、 BJT（双极型功率晶体管）、 MOSFET（金属氧化物场效应管）、 SIT（静电感应晶体管）、SITH（静电感应晶闸管）、 MGT（ MOS 控制晶体管）、 MCT（ MOS 控制品闸管）发展到
14、今天的 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、 HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶闸管），器件的更新促使电力变换技术的不断发展。 20 世纪 70 年代开始，脉宽调制变压变频（ PWMVVVF）调速研究引起了人们的高度重视。20 世纪 80 年代，作为变频技术核心的 PWM 模式优化问题吸引着人们的浓厚太原科技大学电子信息工程学院毕业论文 (设计 ) 第 8 页 共 71 页 兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波 PWM 模式效果最佳。 20 世纪 80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的 VVVF 变频器已投入市场并广泛应用。 对交流电动机实现变频调速的变频电源装置叫变频器。其功能是将电网
15、提供的恒压恒频 CVCF（ Constant Voltage Constant Frequency）交流电变换为变压变频 VVVF（ Variable Voltage Variable Frequency）交流电，变频伴随变压，对交流电动机实现无级调速。为了使输出电压和输出 频率都得到控制，变频器通常由一个可控整流电路和一个逆变电路组成，控制整流电路以改变输出电压，控制逆变电路以改变输出频率。 变频器通常划分为：交 -交变频器，脉冲宽度调制型变频器（ PWM），交 -直 -交变频器等。其中交 -交变频器又可按相数划分为单相变频器与三相变频器，按输出波形可划分为正弦波变频器与方波变频器；而交 -
16、直 -交变频器也可划分为电压源型变频器与电流源型变频器。 1.2 变频器的构造与控制方式 1.2.1 变频器的构造 变频器通常由一个可控整流电路和一个逆变电路组成，控制整流电路以改变输出电压，控制逆变电路以改变输出频率 。其中逆变器的结构框图如下： 图 1-1 逆变器框图 太原科技大学电子信息工程学院毕业论文 (设计 ) 第 9 页 共 71 页 随着变频调速器的广泛应用，许多工程技术人员对它也有了相当的了解，一般通用型变频器大致包括以下几个部分： 1 整流电路， 2 直流中间电路， 3逆变电路， 4 控制电路。而产生可调电压和可调频率的逆变电路，又应该是变频器各组成部分的核心技术。逆变电路主
17、要包括：逆变模块和驱动电路。由于受到加工工艺，封装技术，大功率晶体管元器件等因数的影响，目前逆变模块主要由日本 (东芝，三菱，三社，富士，三肯 )及欧美 (西门子，西门康，摩托罗拉， IR)等少数厂家能够生产。 1.2.2 变频器的控制 方式 变频器的控制方式经历以下四代，我们可以在不同的情况下选择合适的控制方式，以使变频器运转最佳，获得最好的控制效果。 (一 ) 以 U/f=C，正弦脉宽调制（ SPWM）控制方式 其特点是：控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。这种控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影
18、响比较显着，故造成输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，但系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转 矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。 (二 ) 以电压空间矢量（磁通轨迹法），又称 SVPWM 控制方式 它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形。以内切多边形逼近圆的方式而进行控制的。经实践使用后又有所改进：引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电
19、阻的影响；将输出电压、电流成闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引 入转矩的调节，太原科技大学电子信息工程学院毕业论文 (设计 ) 第 10 页 共 71 页 所以系统性能没有得到根本改善。 (三 ) 以矢量控制（磁场定向法）又称 VC 控制 矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流 Ia、 Ib、 Ic、通过三相 -二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流 Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流 Im1、It1（ Im1 相当于直流电动机的励磁电流； It1 相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电
20、动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。 其实质是将交流电动机等 效直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。然而转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，实际效果不如理想的好。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。 (四 ) 以直接转矩控制，又称 DTC 控制 1985 年，德国鲁尔大学的 DePenbrock 教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。 (五 ) 矩阵式交 -交方式
