基于MATLAB交流电机变频调速系统仿真
基于MATLAB的交流电机电机系统仿真
学院：电气与控制工程学院 班级：自动化1101 姓名：袁文超
MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算 法开发数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和 交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB的 基本数据单位是矩阵， MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和 数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主 要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号 检测、金融建模设计与分析等领域。 在交流电机传动系统中，应用直接转矩控制(direct torque control简称dtc)技术是一种高性能变频调速技术。通过直接定子坐 标系下计算，完成对电机定子磁链和转矩的控制，以获得电机调速 高性能运转，其中最关键的是如何对电机磁链、转矩实施砰－砰调 节，尽可能减小它们的脉动所产生的不利影响。本文重点研究 bang-bang调节产生的输出pwm信号构成的查表信息，对电压矢量 控制表进行优化，达到逆变器的开关状态最佳控制的目的。通过在 matlab/simulink软件建立直接转矩控制系统仿真模型进行仿真研究 ，仿真结果显示系统动静态性能良好，实施性强。CNKຫໍສະໝຸດ -----标准检索高级检索
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交流调速系统的Matlab仿真
主电路模型的建立与仿真参数设置。
主电路主要由电动机本体模块、电机测量单元模块、逆变器和电源组成。电机测量模块参数根据仿真需要进行设置，本次仿真是为了观测定子磁链波形，故只选择了定子磁链物理量。电源模块参数设置为780V，电机本体参数设置有一些特点。在第六章对于电压空间矢量控制分析中已经指出，当忽略定子电阻时，定子三相绕组合成电压方向就与磁链方向正交。为了说明电压空间矢量调速系统的意义，故把交流异步电动机定子绕组的电阻取为零，其它参数如图8-17所示。逆变器也是选用Universal bridge ，在参数设置的对话框中桥臂数Number of bridge arms取3，电力电子器件取理想开关器件Ideal Switches。其它为参数默认值；交流电动机的负载取1。
电流跟踪滞环调速系统仿真模型
主电路模型建立与参数设置
主电路模型是由异步电动机本体模块、电机测量模块、逆变器模块、直流电源等组成。电动机模块和负载模块与上节相同。直流电源参数改为780V。在电机测量单元模块定子电流输出上，采用Demux模块把三相定子合成信号分解，目的是为了检测一相电流波形。然后再用Mux模块把三个定子电流信号合成输入到电流滞环控制器；逆变器是选用Universal bridge ，在参数设置的对话框中桥臂数Number of bridge arms取3，电力电子器件取IGBT/Diodes。其它为参数默认值；负载转矩取5。
交流电机参数对话框
控制电路模型的建立与仿真参数设置
控制电路中由Clock模块、Matlab Fcn模块组成。Clock路径为：Simulink/Sources/Clock。参数设置Decimation为100。此模块表示输出时间。在控制电路中，本次仿真采用Matlab Fcn模块，其路径为Simulink/User-Defined Functions/Matlab Fcn。此模块参数设置如图8-18所示，即在Matlab function编辑框中写入一个函数名chenzhong37。
基于MATLABSIMULINK的交流电机调速系统建模仿真综述
控制系统仿真姓名：班级：学号：成绩：2012年11月02日越优势被应用于各个行业。
随着电力电第一章引言1.1研究背景直流调速系统的主要优点在于调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能。
在相当长时期内展。
交流电动机自1985年出现后领域。
20世纪70年代后步取代大部分直流调速系统。
目前、动态特性均可以与直流调速系统相媲美。
与直流调速系统相比1容量大2转速高且耐高压3交流电动机的体积、重量、价格比同等容量的直流电动机小且简单、经济可靠、4交流电动机环境使用性强5高性能、高精度的新型交流拖动系统已达同直流拖动系统一样的性能指标6交流调速系统能显著的节能从各方面看系统。
1.2MATLAB/SIMULINK软件的优势：计算机仿真技术在交流调速系统的应用系统的实时仿真可以较容易地实现[1]。
如matlab软件已经能够在计算机中全过程地仿真交流调速系统的整个过程。
matlab语言非常适合于交流调速领域内的仿真及研究能够为某些问题的解决带来极大的方便并能显著提高工作效率。
随着新型计算机仿真软件的出现交流调速技术必将在成本控制、工作效率、实时监控等方面得到长足进步[2][3]。
第二章交流调速系统：2.1交流调速系统原理与特性交流电机包括异步电动机和同步电动机两大类。
对交流异步电动机而言n=60f（1-s）/p (r/min) 2-1从转速公式可知改变电动机的极对数p f以及改变转率s都可达到调速的目的。
对同步电动机而言,同步电动机转速为: n=60f/p (r/min) 2-2由于实际使用中同步电动机的极对数p是固定的,VVVF (即通常说的变频调速)。
运用到实际中的交流调速系统主要有变级调速系统、串级调速系统、调压调速系统、变频调速系统[4]。
(1)变极调速系统调旋转磁场同步速度的最简单办法是变极调速。
通过电动机绕组的改接使电机从一种极数变到另一种极数从而实现异步电动机的有级调速。
变极调速系统所需设备简单价格低廉工作也比较可靠但它是有级调速一般为两种速度,三速以上的变极电机绕组结构复杂应用较少。
利用MATLAB软件仿真变频调速系统
在MATLAB6.X及以上版本中，可直接在Simulnk环境中运 作的工具包很多，已覆盖通信、控制、信号处理、DSP、电 力系统等诸多领域，所涉内容专业性极强。
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休息一下
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14A15源自A16【任务实施】
一、任务准备 准备本次任务所需的实训设备及工具材料。
二、变频器的基本操作训练 1、系统接线 2、参数设置 3、变频器运行操作
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【任务测评】
对任务实施的完成情况进行检查，并将结 果填入任务测评表内。
利用MATLAB软件 仿真变频调速系统
【任务引入】
【相关知识】
【任务实施】
【任务测评】
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1
【任务引入】
目前，变频调速系统的仿真在工程设计、调试运行 等工作中中发挥着越来越重要的作用。用仿真来代替实 际系统的试验，在计算机上研究和设计系统，不仅省时、 省力，降低成本和缩短研发周期，并且还可以获得更丰 富、详细的数据资料。同时，仿真也是教学和学习的重 要手段和工具。
在欧美各高等院校，MATLAB已经成为线性代数、自动控 制理论、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真、图 像处理等课程的基本教学工具，成为大学生、硕士生以及博 士生必须掌握的基本技能。
第7章基于MATLAB的交流电机仿真全篇
7.1电力系统模块集
Simulink中可以使用电力系统仿真模块集 （SimPowerSystems）。其功能非常强大，可 以用于电路、电力电子系统、电机系统、电力 传输等过程的仿真，它提供了一种类似电路建 模的方式进行模型绘制，在仿真前将自动将其 变化成状态方程描述的系统形式，然后才能在 Simulink下进行仿真分析。 该模块集下有许多子模块集，双击每一个图标 都将打开下一级子模块集。
选择该菜单项后将得到下图所示的对话框，可以从中 填写相应的数据，控制仿真过程。
1、仿真区间设置。仿真起始、终了时间设置。 2、类型设置。步长选择：定步长、变步长。 3、仿真算法选择。
定步长算法
变步长算法
1、ode45
它是一种一步算法，对大多数仿真模型来说， 首先使用ode45来解算模型是最佳的选择，所 以在SIMULINK的算法选择中将ode45设为默认 的算法。
例1考虑如图所示的感应电机的等效电路，输入的交流 电L1=压L源2=为1.922260mVH，，50RH2=z1，.5其51它Ω，参R数3=值1为.80R31Ω=0，.4L238=Ω31，.2mH。
步骤：
1、将所需的各电路元件复制到模型编辑窗口中。（对 各元件点击左键并按住拖入即可，对重复的元件可在 编辑窗口中按右键拖动）。
>> [a,b,c,d]=power2sys('ch7ex1')%获得系统的状态方程 a= -128.8763 -844.6462 -121.3833 -896.7868 b= 267.3783 251.8325 c= 0 1.8030 d= 0
Magnitude (dB)
>> G=ss(a,b,c,d);bode(G)%绘制系统的Bode图
基于MATLABSIMULINK交流变频调速系统的仿真研究
在本研究中，我们提出了一种基于MATLAB SIMULINK平台的交流电机调速系统 建模与仿真方法。该方法主要基于矢量控制原理，通过控制电机的定子电流和 转子磁场夹角来实现电机的速度控制和转矩控制。具体来说，我们首先根据交 流电机的物理模型，建立其数学模型。然后，使用MATLAB SIMULINK软件进行 仿真实验，并通过对仿真结果的分析和优化，最终实现了一个高性能的交流电 机调速系统。
总之，基于MATLABSimulink的变频调速系统建模与仿真是一种非常有效的研 究方法，对于深入理解变频调速技术、优化系统设计和提升系统性能具有重要 意义。随着科学技术的发展，相信未来变频调速技术将在更多领域得到应用和 发展。
随着电力电子技术和控制理论的不断发展，交流调速系统已经成为工业领域中 非常重要的组成部分。其中，双闭环SPWM变频调速系统因其具有优良的调速性 能和节能效果而得到了广泛的应用。本次演示旨在通过MATLABSimulink软件 对双闭环SPWM变频调速系统进行仿真研究，以期为相关领域的研究和应用提供 有益的参考。
总之，通过对变频调速系统的建模与仿真，我们可以更加深入地理解其工作原 理和性能表现。利用MATLABSimulink强大的仿真功能，我们可以方便地研究 各部分模型对系统性能的影响，并优化整体系统设计。这种方法为变频调速系 统的研究、设计和应用提供了有力的支持，有助于推动电力电子技术的发展和 工业控制领域的进步。
在仿真过程中，我们可以通过调整给定信号、系统参数和负载等条件，对双闭 环SPWM变频调速系统的稳态性能和动态性能进行全面的分析。其中，稳态性能 主要包括调速范围、静差率、调节精度等指标，而动态性能则包括响应时间、 超调量、振荡次数等指标。通过仿真结果，我们可以清楚地了解系统的性能表 现，并为实际应用提供有力的依据。
SPWM变频调速系统的MATLAB仿真设计
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)。
基于MATLAB逆变器-交流电动机变频调速系统的仿真汇编
基于MATLAB环境下逆变器-交流电机变频调速系统的仿真摘要本文以交流电动机变频调速系统为研究对象，以MATLAB为仿真工具，介绍了Simulink仿真模块，分析了变频器的工作原理，并在此基础上进行了多种逆变电路的仿真设计。
文章首先对MATLAB/Simulink模块中电力电子仿真所需要的电力系统模块集做了简要的说明，介绍了变频器中实现变频的主要环节——逆变器的工作原理，并且分析了目前几种最常见的逆变器（单向全桥逆变器、三相桥式逆变器和SPWM控制的单相逆变器）的工作原理，在此基础上运用MATLAB软件分别对这几种电路的仿真进行了设计；并进一步设计出了交-直-交变频器的仿真模型，实现了对交流电动机变频调速系统的仿真。
关键词：Simulink，电压型逆变电路，变频调速，仿真设计目录第一节绪论————————————————————————4 一交流调速技术发展概况——————————————————-4 二全数字控制技术—————————————————————-6 三系统仿真————————————————————————-7 四论文的意义及任务————————————————————-8第二节电力电子器件仿真模型及逆变电路仿真设计———————8 一绝缘栅双极性晶体管的仿真模型及参数设定—————————-8 二逆变电路仿真设计————————————————————-11第三节基于MATLAB的变频调速系统的仿真设计————————16 一变频器的基本概念————————————————————16 二交一直一交变频电路的仿真设计——————————————18 第四节小结——————————————————————-20第一节绪论一交流调速技术发展概况直流电气传动和交流电气传动在19世纪先后诞生。
由于直流传动具有较好的调速性能，而交流传动调速性能难以满足生产要求，因此，在20世纪大部分年代里，直流传动在调速领域中一直占据主导地位。
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摘要异步电动机采用变频调速技术，具有调速范围广，调速时因转差功率不变而无附加能量损失的优点，因此，变频调速是一种性能优良的高效调速方式。
本文以MATLAB为仿真工具，介绍了Simulink中的仿真模块，研究了交流电机变频调速系统，分析了变频器的构成和工作原理，并据此对逆变电路进行了仿真设计。
首先对调速系统仿真所需要的各种电力系统模块做了简要的介绍，说明了逆变器的工作原理，在此基础上用MATLAB/Simulink软件分别对各种电路模块进行了仿真设计，进而设计出了实际中广泛应用的交-直-交变频器的仿真模型，实现了对交流电机变频调速系统的仿真研究，在此基础上建立电机模型，进行矢量控制设计，以带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制的方法对异步电动机变频调速系统进行建模和仿真，并对仿真结果进行了分析,由仿真结果可以看出系统转速的动态响应快，稳态跟踪精度高，表明此建模方法是可行和有效的。
关键词：MATLAB/Simulink变频调速逆变器仿真ABSTRACTWith the application of frequency and speed conversion technology to synchro nous motor, its speed can be wide-ranged adjusted. When it comes to adjusting speed, because of slip power unchanged, there is no additional energy lost. Thus it makes this technology a high-equality and efficient way to exchange the speed.This thesis, aiming at MATLAB as simulation tool, introduces Simulink simulation module and the AC motor speed control system as the subject of the research and analyzes the structure of the inverter and how it works. On this basis,a variety of inverter circuit simulation designs are conducted. First of all, this thesis makes a brief introduction about power system module power which needs power electronic simulation, the working principle of the inverter included. Based on the theory above, then MATLAB / Simulink software are used in the simulation designs about different kinds of circuit modules. Moreover the designs of the simulation model of widely-used cross - DC - AC inverter are conducted to achieve the goal of the simulation study of AC motor speed control system, carries the modelling and the simulation on asynchronous motor adjusting-speed system based on vector control with torque inner rim and flux linkage of closed loop，gives out the simulation and makes analyse to it．The simulation result of the model shows the speed of dynamic response and the accuracy of steady-state tracking，also confirmes that the modelling is feasible andeffective．Key words：MATLAB/Simulink Frequency Control Inverter Simulation绪论随着社会的发展，能源需求快速增长，如何有效地节能也成为了一个亟待解决的问题。
变频调速技术除了可以改善生产工艺等优越性外，其最大的特点就是节能。
近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，各种大功率半导体器件的相继出现，促使交流调速技术飞跃进步，变频调速已成为发展趋势。
早期的交流电动机调速方法，如采用绕线式异步电动机转子串电阻调速、笼型异步电动机变极调速，在定子绕组串电抗器调速等都存在效率低，不经济等缺点。
交流变频调速的优越性早在上世纪20年代就已被人们认识，但受到元器件的限制，当时只能用闸流管构成逆变器，由于技资大，效率低，体积大而未能推广。
20世纪50年代中期，晶闸管的研制成功，开创了电力电子技术发展的新时代。
由于晶闸管具有体积小、重量轻、响应快、管压低等一系列优点，交流电动机调速技术有了飞跃发展，出现了交流异步电动机调压调速、串级调速等系统。
20世纪70年代发展起来的变频调速，比上述两种调速方式效率更高，性能更好，在过去的几十年里变频调速技术发展非常快，从主回路拓扑结构、功率开关器件及驱动到数字信号处理器、控制策略均获得长足的进步；控制对象从异步电机到无刷直流、正弦同步电机、磁阻同步电机到伺服同步电机，变频调速技术的控制性能不断提升，在工业自动化领域起着越来越重要的作用，已渗透到国民经济的各个角落。
能源的有效利用关系到国家经济的可持续性发展，具有非常重要的战略意义。
中国经济目前处在高速增长的阶段，对能源的需求量非常大;但另一方面，能源利用率很低。
根据有关调查研究，我国2003年的电能消耗中，60~70%为动力电；而在总容量高达5.8亿kw的电动机总容量中，却只有不到2000万kw的电动机是采用变频调速控制的。
国家目前大力提倡推广变频调速技术，改造现有落后设备，提高生产、加工过程的效率，降低能源消耗；在过去的几年内中国变频器的市场保持着12％~15％的增长率，这个速度已经远远超过了近几年的gdp增长水平，而且至少在未来的5年内保持着10％以上的增长率。
是与PLC、组态以及控制方法结合产身的效果研究及应用，变频技术必将会随着其他软硬件和控制技术的发展带来更功能和更加广阔前景。
1交流调速技术发展概况电气传动可分为调速和不调速两大类。
按照电动机的类型不同，电气传动又分为直流和交流传动两大类。
直流电气传动和交流电气传动在19世纪就已诞生，但当时的电气传动系统是不调速系统。
由于直流电动机具有良好的起、制动性能，适宜在大范围内平滑调速，所以它在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用，但与此同时，由于直流电机换向困难，还会产生火花，寿命短，要经常维护，价格昂贵等缺点，结构简单、维护方便、运行可靠、价格便宜的交流电机获得人们的青睐，并对交流电机的调速技术进行了深入的研究，随着电力电子技术和控制技术的迅猛发展，高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统有逐步取代直流调速系统的趋势。
1.1电力电子器件现代交流调速技术的发展是和电力电子技术的发展分不开的，以电力为对象的电子技术称为电力电子技术。
它是一门利用电力电子器件对电能进行转换、传输的学科，是现代电子学的一个重要分支。
电力电子电路由电力电子器件、变流电路和控制电路组成，其中电力电子器件是基础。
最初的电力电子技术是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。
后来，随着科学技术的发展，电力电子技术又与现代控制理论、材料力学、电机工程、计算机科学等许多领域密切相关。
目前，电力电子技术成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。
20世纪50年代，电力电子器件主要是汞弧闸流管和大功率电子管。
60年代发展起来的晶闸管，因其工作可靠、寿命长、体积小、开关速度快，而在电力电子电路中得到广泛应用。
70年代初期，已逐步取代了汞弧闸流管。
80年代，普通晶闸管的开关电流已达数千安，能承受的正、反向工作电压达数千伏。
在此基础上，为适应电力电子技术发展的需要，又开发出门极可关断晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管等一系列派生器件，以及单极型MOS 功率场效应晶体管、双极型功率晶体管、静电感应晶闸管、功能组合模块和功率集成电路等新型电力电子器件。
目前，电力电子器件正在向大功率化、高频化、小体积、集成化、智能化、低损耗、易触发、好保护等方向发展。
]3[1.2变流技术电力电子电路以电力电子器件为核心，通过不同的电路拓扑结构和控制方式来实现对电能的变换和控制。
电力变换通常可分为四大类，即交流变直流（AC-DC ）、直流变交流（DC-AC ）、直流变直流（DC-DC ）和交流变交流（AC-AC ），变流电路的基本转换形式如图1-1所示。
在实际生活中的交流调速系统里，应用最广泛的是交-直-交变频器，它是由AC-DC 、DC-AC]4[。
目前最常用的、发展最快的变频器是脉宽调制（ 整流斩波） （1.3变频调速的控制方式变频调速的控制方式经历了V/F 控制、转差频率控制、矢量控制的发展, 前者属于开环控制, 后两者属于闭环控制, 正在发展的是直接转矩控制.1.V/F 控制异步电动机的转速与定子电源频率、极对数有关, 改变频率就可平滑地调节同步转速. 但频率上升或下降可能会引起磁路饱和转矩不足现象，所以在改变频率的同时， 需调节定子电压，使气隙磁通维持不变、电机效率不下降, 这就是V/F 控制. V/F 控制简单, 通用性优良, 但因是开环控制, 调速精度低、范围小，只能用在调速精度和动态响应要求不高的场合。
2.转差频率控制由电机基础知识知, 异步电动机转矩M 与气隙磁通φ、转差频率2f 的关系为： 22f M φ∝只要保持气隙磁通φ一定，控制转差频率2f 就能控制电机转矩，这就是转差频率控制。
转差频率控制利用速度检测器检出电机的转速，然后以电机速度与转差频率的和给定逆变器的输出频率，其控制精度和过电流的抑制等特性较V/ F 控制都有所提高，但没有考虑电机电磁惯性的影响，动态转矩仍没得到控制, 动态响应效果仍不理想。