基于SIMULINK的變頻器電機(jī)調(diào)速原理仿真

洪延武 譚偉超 黃國星

摘要：simulink是一種可視化仿真工具，功能強大。在文中就利用simulink對變頻器內(nèi)部的主電路以及控制電路進(jìn)行模擬仿真，以更好的明確變頻器電機(jī)調(diào)速原理

關(guān)鍵詞：變頻器；電機(jī)調(diào)速；simulink

變頻器本質(zhì)是一種電源變換裝置，將輸入的正弦波交流電經(jīng)內(nèi)部控制電路和功率開關(guān)，輸出電壓和頻率可變的、與正弦交流電等效的三相方波，從而實現(xiàn)對電機(jī)的變頻調(diào)速。本文利用simulink中的SimPower systems模塊對變頻器內(nèi)部的主電路和控制電路進(jìn)行模擬仿真，選用三相三橋臂二極管作為變頻器主電路整流模塊，選用三相三橋臂IGBT Inverter作為變頻器主電路的逆變模塊，控制電路主要通過矢量運算獲得三相控制電壓，再經(jīng)過SPWM得到逆變電路的脈沖控制信號，最終實現(xiàn)變頻效果。

1、Simulink工具箱的功能是在MATLAB環(huán)境下，把一系列模塊連接起來，構(gòu)成復(fù)雜的系統(tǒng)模型；電力系統(tǒng)System） （Power仿真工具箱是在Simulink環(huán)境下使用的仿真工具箱，其功能非常強大，可用于電路、電力電子系統(tǒng)、電動機(jī)系統(tǒng)、電力傳輸?shù)阮I(lǐng)域的仿真，它提供了一種類似電路搭建的方法，用于系統(tǒng)的建模。

2、變頻器主電路

變頻器主電路為電壓型“交-直-交”電路，由功率晶體管和大容量電容等組成。整流和濾波電路通常由二極管整流模塊和大容量電容電解電容組成，其作用就是把輸入的正弦波交流電轉(zhuǎn)化成直流電源，該直流電壓被稱作直流母線電壓UPN。

逆變電路是基于SPWM技術(shù)的大功率晶體開關(guān)的導(dǎo)通和截止控制，將整流、濾波得到的直流母線電壓轉(zhuǎn)換成電壓和頻率均可變化的、與三相正弦波等效的三相方波電壓輸出。

當(dāng)電機(jī)在降頻降速或者制動過程中，電動機(jī)處于發(fā)點狀態(tài)，電動機(jī)輸出的電壓引起直流母線電壓升高，當(dāng)電壓超過限定值時，變頻器控制電路檢測到直流母線電壓，使制動電路電路導(dǎo)通，電動機(jī)進(jìn)行能耗制動。變頻器的主電路如下圖1所示。

在變頻器接入電源的瞬間，有一個很大的沖擊電流經(jīng)過整流向電容充電，為了限制充電電流，在整流后設(shè)置一個限流電阻Rs。當(dāng)變頻器上直流母線電壓上升到一定值時，控制電路使限流電阻Rs短接，

3、simulink仿真主電路

利用simulink中的SimPower systems模塊對變頻器的主電路進(jìn)行仿真，三相交流電利用交流電源模塊Vs，整流模塊采用三橋臂的二極管VD，濾波模塊采用電容C1，三相交流電經(jīng)過整流濾波后得到電壓相對穩(wěn)定的直流母線電壓：仿真模型如下圖2所示：

仿真結(jié)果可以看到，三相正弦交流電經(jīng)過整流以后得到相對平緩的的波形圖，后端有波動，再經(jīng)過濾波電路處理消除電壓的波動最終得到直流母線電壓，通過上述仿真結(jié)果我們能夠直觀看到變頻器‘交-直的工作原理過程。

4變頻器的控制電路

控制電路根據(jù)頻率給定信號，通過U/f或矢量運算，獲得三相控制電壓，再經(jīng)過正弦脈沖寬度調(diào)制（SPWM），得到控制主電路中的六個IGBT的通、斷觸發(fā)脈沖，經(jīng)過功率放大輸出和正弦波等效的、即變頻又變壓的高頻方波電壓。根據(jù)載波信號和控制電壓進(jìn)行調(diào)制，當(dāng)控制電壓大于載波信號時候，IGBT的上橋臂導(dǎo)通，此時電壓 ；當(dāng)控制電壓小于載波信號，IGBT的下橋臂導(dǎo)通，此時電壓- ，最終獲得高頻的方波電壓。

經(jīng)過矢量控制模塊得到控制電壓，然后驅(qū)動SPWM模塊得到驅(qū)動脈沖信號，驅(qū)動脈沖信號作為IGBT晶體開關(guān)的通斷控制信號。當(dāng)脈沖信號的1時，逆變模塊的IGBT方波電壓值即為800V，當(dāng)脈沖信號為0時，逆變模塊的IGBT方波電壓值為0。通過控制脈沖信號的寬度，最終實現(xiàn)方波電壓的頻率變化。

逆變后的三相方波電壓可等效為正弦交流電壓，將三相等效正弦的方波電壓接入三相交流電機(jī)后既可以實現(xiàn)變速控制，通過改變方波電壓的頻率實現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制，仿真結(jié)果如下圖3所示。其中圖3上為逆變后的三等方波電壓，圖3下為交流電機(jī)的速度變化波形

參考文獻(xiàn)

[1]李佳宣，李鵬宇，陳庚，等.基于MATLAB/Simulink的變頻電機(jī)系統(tǒng)能耗實用模型[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2017，44（05）：84-89+120.

[2]陳鵬程. 隔爆型變頻調(diào)速一體機(jī)變頻器輸出側(cè)濾波研究[D].沈陽工程學(xué)院，2017.

（作者單位：江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院）