交-直-交变频调速系统仿真研究修改版V

郑州大学毕业（设计）论文 摘要

随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流变频调速技术得到了迅速发展，其显著的节能效益，高精确的调速精度，宽泛的调速范围，完善的保护功能，以及易于实现的自动通信功能，得到了广大用户的认可，在运行的安全可靠、安装使用、维修维护等方面，也给使用者带来了极大的便利。因此，研究交—直—交变频调速系统的基本工作原理和作用特性意义十分重大。

本文研究了变频调速系统的基本组成部分，主回路主要有三部分组成：将工频电源变换为直流电源的“整流器”；吸收由整流器和逆变器回路产生的电压脉动的“滤波回路”，也是储能回路；将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。使用Matlab/Simulink搭建交—直—交变频调速系统的仿真模型，通过试验对该交—直—交变频调速系统的基本工作原理、工作特性及作用有更深的认识，也对谐波对于交—直—交变频调速系统的影响有了一定的了解。

关键词 ：交—直—交变频，整流，逆变，谐波，仿真。

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Abstract

With power electronic technology, computer technology, automatic control tech-nology is developing rapidly, AC variable-frequency system technology has been de-veloping rapidly. Significant energy efficiency and precision and broad scope of spe-ed control, perfect protection and easy to implement automatic communications, all which have win the many users acceptance . Therefore, studying the AC-DC-AC variablefrequency systerm for the role of the basic working principle and characteristics of great significance.

In this paper we studied the basic component of the variable frequency speed regulation system. There are three main components: the \AC power into DC power; the \rectifier and inverter circuit generated by,it is also energy storage circuit; the “inverter” converts the DC power into the AC power. Then we used the Matlab / Simulink to build an AC-DC-AC Frequency Control System Simulation Model. Through the test of the AC-DC Frequency Control System to pay the basic working principle and working characteristics, we not only had a deeper understanding of the role,but also had a certain degree of understanding about the harmonic AC-DC-DC Frequency Control System.

Key Words ：AC-DC-AC variable requency systerm, rectifier，inverter，harmonics, simulation

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目录

摘要 ................................................................ I Abstract ........................................................... II 1 引言 ............................................................ 1 1.1 交流调速技术的发展 ........................................... 1 1.2 交直交变频调速系统研究的目的与意义 ........................... 2 1.3 研究现状分析 ................................................. 3 2 交直交变频调速系统的基本原理及特性研究 ........................... 7 2.1 系统的构成 ................................................... 8 2.2 交直交变频的基本工作特性 ..................................... 8 2.3 交直交变频调速的优越性 ....................................... 8 2.4 交直交变频调速合理应用 ....................................... 9 2.5 变频器容量的确定 ............................................ 10 2.6 熟悉MATLAB的原理及应用及SIMULINK仿真 ......................... 11 3 工作原理研究及仿真实验 ......................................... 12 3.1 设计方案 .................................................... 12 3.2 整流器的工作原理研究及实验 .................................. 12 3.2.1 整流器的基本工作原理 .................................... 12 3.2.2 整流器部分的实验研究与分析 .............................. 14 3.3 逆变器的工作原理研究及其实验分析 ............................ 21 3.3.1 逆变器的基本工作原理 .................................... 21 3.3.2 逆变器实验研究分析 ...................................... 23 3.4 交直交变频调速系统的实验研究分析 ............................ 30 3.4.1 交直交变频调速系统模型的实验研究 ........................ 30 3.4.2 交直交变频调速系统的运行仿真与分析 ...................... 36 3.5 变频器输出谐波的影响 ........................................ 38 3.5.1 变频器输出谐波对负载的影响 .............................. 38

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3.5.2 谐波实验研究与分析（逆变器部分） ........................ 41 4

结论 ........................................................... 45

致谢 ............................................................... 46 参考文献 ........................................................... 47 附录一： 整流模块仿真模型 ......................................... 48 附录二：

交直交变频调速系统仿真模型 ............................... 49

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郑州大学毕业（设计）论文

1 引言

1.1 交流调速技术的发展

随着电机制造技术的不断进步，电动机作为风机、水泵、压缩机、机床等各种设备的动力，已广泛应用于工业、商业、公用设施和家用电器等各个领域，其中异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。在我国，异步电动机的用电量约占总负荷的80%以上，其中风机、泵类、压缩机和空调制冷机的用电量分别占全国用电量的10.4%, 20.9%, 9.4%和 6%。从全球范围看，电动机的用电量平均占世界各国社会总用电量的一半以上，占工业用电量的70%左右。因此，提高电机系统的效率，对节约电能意义十分重大。

异步电动机的基本特点是，转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统。与其它电机相比，异步电动机的结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低。以三相异步电动机为例，与同功率、同转速的直流电动机相比，前者重量只及后者的二分之一，成本仅为三分之一。异步电动机还容易按不同环境条件的要求，派生出各种系列产品。它还具有接近恒速的负载特性，能满足大多数工农业生产机械拖动的要求。其局限性是，它的转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率，因而调速性能较差，在要求有较宽广的平滑调速范围的使用场合(如传动轧机、卷扬机、大型机床、风机、水泵等)，不如直流电动机经济、方便。但是，直流电动机结构上存在机械换向器和电刷，使它具有一些难以克服的固有缺点，如维修工作量大，事故率高，容量受换向条件的制约，使用环境受限 (特别在易燃、易爆、粉尘等场合难以应用)。

20世纪70年代初，席卷世界先进工业国家的石油危机迫使他们投入大量人力和财力去研究高效节能的交流传动系统。到了二十世纪90年代，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流变频调速技术得到了迅速发展，其技术和性能胜过其它任何一种调速方式 (如:降压调速、变极调速、滑差调速、内反馈串级调速和液力偶合调速)。

所谓变频调速就是利用变频调速器从电网接收工频 50HZ的交流电，经过恰当的强制变换方法，将输入的给定频率交流电变换成为频率和幅值都可调节的交流电输出到交流电动机，从而实现交流电动机的变速运行。

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1.2 交直交变频调速系统研究的目的与意义

电动机调速的节能效果交流异步电动机的输出转速由下式确定:

n?60f(1?s)/P (1-1) 式中 n— 电动机的输出转速; f— 输入的电源频率; s— 电动机的转差率: P— 电机的极对数。

由公式(1-1)可知，电动机的输出转速与输入的电源频率、转差率、电机的极对数有关系，因而交流电动机的直接调速方式主要有变极调速(调整P)、转子串电阻调速或串级调速或内反馈电机(调整s)和变频调速(调整f)等.

通过流体力学的基本定律可知:风机 (或水泵)类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q、压力(扬程)H以及轴功率P具有如下关系

Q1/Q2?n1/n2 （1-2） H1/H2?(n1/n2)2 （1-3）

3 P1/P2?(n1/n2) （1-4）

由公式(1-4)可知，在其它运行条件不变的情况下，通过下调电机的运行速度，其节电效果是与转速降落成立方的关系，因此，节电效果非常明显。例如在工况只需要50%的风量或水量时，则可以将电机的转速调节为额定的一半，而此时电机消耗的功率仅为额定的2.5%，即理论上节能可达87.5%.

目前交流传动己经上升为电气调速传动的主流，直流传动系统占统治地位的局面已经受到强烈的冲击。推广使用可调速电动机及其控制系统的节能具有广阔的前景，在不久的将来，交流电气传动将会完全取代直流电气传动。

电动机作为风机、水泵、压缩机、机床等各种设备的动力，已广泛应用于工业、商业、公用设施和家用电器等各个领域，其中异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。使之成为国内外企业采用电机节能方式的首选。因此，提高电机系统的效率，对节约电能意义十分重大。

随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流变频调速技术得到了迅速发展，其显著的节能效益，高精确的调速精度，宽泛的调速范围，完善的保护功能，以及易于实现的自动通信功能，得到了广大用户的认可，在运行的安全可靠、安装使用、维修维护等方面，也给使用者带来了极大的便利。因此，研

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究交直交变频调速系统将有利于提高系统的可靠性和工作效率。为了分析变频器对电动机的影响，利用Matlab仿真工具，搭建交—直—交变频调速系统的仿真模型，对系统进行仿真研究。

1.3 研究现状分析

(1) 采用新型功率半导体器件

功率半导体器件的不断进步，尤其是新型可关断器件，如BIT(双极型晶体管)、MOSFET(金属氧化硅场效应管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的实用化，使得开关高频化的PWM 技术成为可能。目前功率半导体器件正向高压、大功率、高频化、集成化和智能化方向发展。典型的电力电子变频装置有电压型交—直—交变频器、电流型交—直—交变频器和交—交变频器三种。电流型交—直—交变频器的中间直流环节采用大电感作储能元件，无功功率将由大电感来缓冲，它的一个突出优点是当电动机处于制动 (发电)状态时，只需改变网侧可控整流器的输出电压极性即可使回馈到直流侧的再生电能方便地回馈到交流电网，构成的调速系统具有四象限运行能力，可用于频繁加减速等对动态性能有要求的单机应用场合，在大容量风机、泵类节能调速中也有应用。电压型交直交变频器的中间直流环节采用大电容作储能元件，无功功率将由大电容来缓冲。对于负载电动机而言，电压型变频器相当于一个交流电压源，在不超过容量限度的情况下，可以驱动多台电动机并联运行。电压型PWM 变频器在中小功率电力传动系统中占有主导地位。但电压型变频器的缺点在于电动机处于制动(发电)状态时，回馈到直流侧的再生电能难以回馈给交流电网，要实现这部分能量的回馈，网侧不能采用不可控的二极管整流器或一般的可控整流器，必须采用可逆变频器，这种再生能量回馈式高性能变频器具有直流输出电压连续可调，输入电流 (网侧电流)波形基本为正弦，功率因数保持为1并且能量可以双向流动的特点，代表一个新的技术发展动向，但成本问题限制了它的发展速度。通常的交一交变频器都有输入谐波电流大、输入功率因数低的缺点，只能用于低速 (低频)大容量调速传动。为此，矩阵式交一交变频器应运而生。矩阵式交一交变频器功率密度大，而且没有中间直流环节，省去了笨重而昂贵的储能元件，它为实现输入功率因数为1,输入电流为正弦和四象限运行开辟了新的途径。

(2) 用脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)技术

随着电压型PWM变频器在高性能的交流传动系统中应用日趋广泛，PWM

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技术的研究越来越深入。PWM 利用功率半导体器件的高频开通和关断，把直流电压变成按一定宽度规律变化的电压脉冲序列，以实现变频、变压并有效地控制和消除谐波。PWM技术可分为三大类:正弦PWM、优化PWM 及随机PWM。正弦PWM 包括以电压、电流和磁通的正弦为目标的各种PWM 方案.正弦PWM一般随着功率器件开关频率的提高会得到很好的性能，因此在中小功率交流传动系统中被广泛采用。但对于大容量的电力变换装置来说，太高的开关频率会导致大的开关损耗，而且大功率器件如GTO的开关频率目前还不能做得很高，在这种情况下，优化PWM 技术正好符合装置的需要。特定谐波消除法 (Selected Harmonic Mi-inationPWM,SHE PWM)、效率最优PWM和转矩脉动最小PWM都属于优化PWM技术的范畴。普通PWM变频器的输出电流中往往含有较大的和功率器件开关频率相关的谐波成分，谐波电流引起的脉动转矩作用在电动机上，会使电动机定子产生振动而发出电磁噪声，其强度和频率范围取决于脉动转矩的大小和交变频率。如果电磁噪声处于人耳的敏感频率范围，将会使人的听觉受到损害。一些幅度较大的中频谐波电流还容易引起电动机的机械共振，导致系统的稳定性降低。为了解决以上问题，一种方法是提高功率器件的开关频率，但这种方法会使得开关损耗增加;另一种方法就是随机地改变功率器件的导通位置和开关频率，使变频器输出电压的谐波成分均匀地分布在较宽的频带范围内，从而抑制某些幅值较大的谐波成分，以达到抑制电磁噪声和机械共振的目的，这就是随机PWM 技术。 (3) 应用矢量控制技术、直接转矩控制技术及现代控制理论

交流传动系统中的交流电动机是一个多变量、非线性、强祸合、时变的被控对象，VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)控制是从电动机稳态方程出发研究其控制特性，动态控制效果很不理想。20世纪70年代初提出用矢量变换的方法来研究交流电动机的动态控制过程，不但要控制各变量的幅值，同时还要控制其相位，以实现交流电动机磁通和转矩的解祸，促使了高性能交流传动系统逐步走向实用化。目前高动态性能的矢量控制变频器已经成功地应用在轧机主传动、电力机车牵引系统和数控机床中。此外，为了解决系统复杂性和控制精度之间的矛盾，又提出了一些新的控制方法，如直接转矩控制、电压定向控制等。另外，智能控制技术如模糊控制、神经元网络控制等也开始应用于交流调速传动系统中，以提高控制的精度。

(4) 广泛应用微电子技术

随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大提高，这使得全数字化控制系统取代以前的模拟器件控制系统成为可能。目前适于交流传动系统的微处理器有单片机、数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP )、

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专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit, ASIC)等。其中，高性能的计算机结构形式采用超高速缓冲储存器、多总线结构、流水线结构和多处理器结构等。核心控制算法的实时完成、功率器件驱动信号的产生以及系统的监控、保护功能都可以通过微处理器实现，为交流传动系统的控制提供很大的灵活性，且控制器的硬件电路标准化程度高，成本低，使得微处理器组成全数字化控制系统达到了较高的性能价格比。

(5) 开发新型电动机和无机械传感器技术

交流传动系统的发展对电动机本体也提出了更高的要求。电动机设计和建模有了新的研究内容，如三维涡流场的计算、考虑转子运动及外部变频供电系统方程的联解、电动机阻尼绕组的合理设计及笼条的故障检测等。为了更详细地分析电动机内部过程，如绕组短路或转子断条等问题，多回路理论应运而生。随着20世纪80年代永磁材料特别是钦铁硼永磁的发展，永磁同步电动机(Permanent-Magnet Synchronous Motor, PMSM)的研究逐渐热门和深入，由于这类电动机无需励磁电流，运行效率、功率因数和功率密度都很高，因而在交流传动系统中获得了日益广泛的应用。在高性能的交流调速传动系统中，转子速度 (位置)闭环控制往往是必需的。为了实现转速 (位置)反馈控制，须用光电编码器或旋转变压器等与电动机同轴安装的机械速度(位置)传感器来实现转子速度和位置的检测。但机械式的传感器有安装、电缆连接和维护等问题，降低了系统的可靠性。对此，许多学者开展了无速度 (位置)传感器控制技术的研究，即利用检测到的电动机出线端电量 (如电机电压、电流)，估测出转子的速度、位置，还可以观测到电动机内部的磁通、转矩等，进而构成无速度 (位置)传感器高性能交流传动系统。该技术无需在电动机转子和机座上安装机械式的传感器，具有降低成本和维护费用、不受使用环境限制等优点，将成为今后交流电气传动技术发展的必然趋势。 (6) 变频调速系统产生的谐波对交流电机负载运行的影响

众所周知，电机的转速和电源的频率是线性关系，变频器就是利用这一原理将50Hz的工频电通过整流和逆变转换为频率可调的交流电源。从结构来看，变频器可分为间接变频和直接变频两大类。间接变频将工频电流通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换成频率和电压可控的交流。直接变频器则将工频交流直接变换成频率和电压可控的交流，没有中间的直流环节。目前变频调速系统应用较多的还是间接变频器，即交—直—交变频器.

由于变频器供电侧电流中会含有谐波，这些谐波电流注入电网后将对电网的电能质量产生不利影响，而其逆变电路输出侧产生的高次谐波也会给电动机带来诸如

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发热加剧、转矩脉动及噪声等问题，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，研究变频器的谐波特性将有利于提高交流传动系统的可靠性和工作效率。

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2 交直交变频调速系统的基本原理及特性研究

变频调速系统的结构框图:

L+IGBT2AIGBT6IGBT4BVdCCVdMIGBT5IGBT3IGBT1-图2-1变频器调速系统的原理接线图

变频器原理是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。交—直—交变频器则是先把交流电经整流器先整流成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，再经过逆变器把这个直流电流变成频率和电压都可变的交流电。

交—直—交变频器又可以分为电压型和电流型两种，由于控制方法和硬件设计等各种因素，电压型逆变器应用比较广泛。传统的电流型交直交变频器采用自然换流的晶闸管作为功率开关，其直流侧电感比较昂贵，而且应用于双馈调速中，在过同步速时需要换流电路，在低转差频率的条件下性能也比较差，在双馈异步风力发电中应用的不多。采用电压型交直交变频器这种整流变频装置具有结构简单、谐波含量少、定转子功率因数可调等优异特点，可以明显地改善双馈发电机的运行状态和输出电能质量，并且该结构通过直流母线侧电容完全实现了网侧和转子侧的分离。

变频器的整流部分通常采用三相6脉动桥式整流电路，因此，交流供电侧电流中所包含的谐波主要是6k?1(k为正整数)次谐波，这些谐波电流注入电网后将对电网的电能质量产生不利影响。在变频器的逆变侧，通过控制装置产生6组脉宽可调的PWM波控制三相的6组功率元件的导通和关断，从而形成电压、频率可调的三相输出电压。

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2.1 系统的构成

交直交变频调速系统的基本构成如原理图2-1所示，它由整流、滤波、逆变等部分组成。交流电源经整流、滤波、逆变后变成直流电源，再通过逆变器的有规则的导通和截止使之输出频率可变的电源。其主回路主要有三部分构成：将工频电源变换为直流电源的“整流器”；吸收由整流器和逆变器回路产生的电压脉动的“滤波回路”，也是储能回路；将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。 (1) 整流器

近来大量使用的就是二极管整流器，它把工频电源变换为直流电源，电功率的传送是不可逆的。 (2) 滤波回路

在整流器整流后的直流电压中，含有六倍电源频率的脉动电压，此外，逆变器回路产生的脉动电流也使直流电压波动。为了抑制这些电压波动，采用直流电抗器和电容器吸收脉动电压（电流）。装置容量较小时，如果电源输出阻抗和整流器容量足够时，可以省去直流电抗器而采用简单的阻容滤波回路。 (3) 逆变器

同整流器相反，逆变器的作用是在所确定的时间里有规则地使六个功率开关器件导通、关断，从而将直流功率变换为所需电压和频率的交流输出功率。

2.2 交直交变频的基本工作特性

? 调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。 ? 调速范围较大，精度高。

? 起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。 ? 变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。 ? 易于实现过程自动化。

? 必须有专用的变频电源，目前造价较高。

? 在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。

2.3 交直交变频调速的优越性

交流电动机的调速方法有三种：变极调速、改变转差率调速和变频调速。其中，变频调速最具优势。这里仅就交流变频调速系统与直流调速系统做一比较。

在直流调速系统中，由于直流电动机具有电刷和整流子，因而必须对其进行检

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查，电机安装环境受到限制。例如：不能在有易爆气体及尘埃多的场合使用。此外，也限制了电机向高转速、大容量发展。而交流电机就不存在这些问题，主要表现为以下几点：

第一，直流电机的单机容量一般为12 - 14MW，还常制成双电枢形式，而交流电机单机容量却可以数倍于它。第二，直流电机由于受换向限制，其电枢电压最高只能做到一千多伏，而交流电机可做到6 - 10kV。第三，直流电机受换向器部分机械强度的约束，其额定转速随电机额定功率而减小，一般仅为每分钟数百转到一千多转，而交流电机的达到每分钟数千转。第四，直流电机的体积、重量、价格要比同等容量的交流电机大。最后，特别要指出的是交流调速系统在节约能源方面有着很大的优势。一方面，交流拖动的负荷在总用电量中占一半或一半以上的比重，这类负荷实现节能，可以获得十分可观的节电效益。另一方面，交流拖动本身存在可以挖掘的节电潜力。在交流调速系统中，选用电机时往往留有一定余量，电机又不总是在最大负荷情况下运行；如果利用变频调速技术，轻载时，通过对电机转速进行控制，就能达到节电的目的。工业上大量使用风机、水泵、压缩机等，其用电量约占工业用电量的50%；如果采用变频调速技术，既可大大提高其效率，又可减少10%的电能消耗。

2.4 交直交变频调速合理应用

交流变频调速技术在工业发达国已得到广泛应用。美国有60% - 65%的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了变频调速技术，仅工业传动用电就节约了15% - 20%的电量。

采用变频调速，一是根据要求调速用，二是节能。它主要基于下面几个因素：

(1) 变频调速系统自身损耗小，工作效率高。

(2) 电机总是保持在低转差率运行状态，减小转子损耗。 (3) 可实现软启、制动功能，减小启动电流冲击。

在采用变频调速时，需从工艺要求、节约效益、投资回收期等各方面考虑。如果仅从工艺要求、节约效益考虑，下面几种情况选用变频调速较有利：

(1) 根据工艺要求，生产线或单台设备需要按程序或按要求调整电机速度的。如： 包装机传送系统，根据不同品种的产品，需要改变系统传送速度，使用变频调速可使调速控制系统结构简单，控制准确，并易于实现程序控制。

(2) 用变频调速代替机械变速。如：机床，不仅可以省去复杂的齿轮变速箱，还能 提高精度、满足程序控制要求。

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(3) 用变频调速代替用闸门或挡板调整流量适于风机、水泵、压缩机等。例如：锅 炉上水泵、鼓风机、引风机实行了变频调速控制，不仅省去了伺服放大器、电动操作器、电动执行器和给水阀门（或挡风板），而且使得整个锅炉锅炉控制系统得到了快速的动态响应、高的控制精度和稳定性。

2.5 变频器容量的确定

变频调速是通过变频器来实现的，对于变频器的容量确定至关重要。合理的容量选择本身就是一种节能降耗措施。根据现有资料和经验，比较简便的方法有三种：

(1)电机实际功率确定发 首先测定电机的实际功率，以此来选用变频器的容量。 (2)公式法 设安全系数取1.05，则变频器的容量Pb为

Pb?1.05Pm/hm?cosy(kw) （2-1）

式中，Pm为电机负载；hm为电机功率。

计算出Pb后，按变频器产品目录可选出具体规格。 In为第n台电动机的额定电流，n为电机的台数。在任何情况下，都不能在连续使用时超过额定电流I，当一台变频器用于多台电机时，应满足 电机额定电流法变频器 变频器容量选定过程，实际上是一个变频器与电机的最佳匹配过程，最常见、也较安全的是使变频器的容量大于或等于电机的额定功率，但实际匹配中要考虑电机的实际功率与额定功率相差多少，通常都是设备所选能力偏大，而实际需要的能力小，因此按电机的实际功率选择变频器是合理的，避免选用的变频器过大，使投资增大。

虽然变频调速有诸多优点，但也有其不利因素，主要问题是电流中含高次谐波较多，除对电网有污染外，也使电机自身增加损耗，引起电机发热。再有，变频器价格贵、投资回收器长、技术复杂、尤其在实现闭环自动控制时，还需进行技术处理。

此外，不是任何情况下变频器都节电，如果电机负载变化不大，或深井泵配有水塔，节电、节水效果都不大，就不宜使用变频调速。

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2.6 熟悉Matlab的原理及应用及Simulink仿真

Matlab(Matrix Laboratory的缩写)是Mathworks公司开发的一种集计算、图形可视化和编辑功能于一体的功能强大、操作简便、易于扩充的语言，是目前国际上公认的优秀的数学应用软件之一。

Matlab系统的强大功能是由其核心内容（语言系统、开发环境、图形系统、数学函数库、应用程序接口等）和辅助工具箱（符号计算、图象处理、优化、统计和控制等工具箱）两大部分构成。

Simulink是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它可以处理的系统包括：线性、非线性系统；离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散事件系统。

在Simulink 提供的图形用户界面GUI上，只要进行鼠标的简单拖拉操作就可构造出复杂的仿真模型。它外表以方块图形式呈现，且采用分层结构。从建模角度讲，这既适于自上而下（Top-down）的设计流程（概念、功能、系统、子系统、直至器件），又适于自下而上（Bottum-up） 逆程设计。从分析研究角度讲，这种Simulink模型不仅能让用户知道具体环节的动态细节，而且能让用户清晰地了解各器件、各子系统、各系统间的信息交换，掌握各部分之间的交互影响。

在Simulink环境中，用户将观察到现实世界中摩擦、风阻、齿隙、饱和、死区等非线性因素和各种随机因素对系统行为的影响。在Simulink环境中，用户可以在仿真进程中改变感兴趣的参数，实时地观察系统行为的变化。Simulink环境使用户摆脱了深奥数学推演的压力和烦琐编程的困扰。

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3工作原理研究及仿真实验

3.1 设计方案

在此次设计中是交直交变频调速系统的仿真研究，主要是通过一个具体的交直交变频方案或者自己搭建一个交直交变频的方案来研究交直交变频的基本原理、工作特性、各部分的基本作用及变频调速系统产生的谐波对负载运行的影响。

对交直交变频调速系统进行仿真研究需要从几个模块分别进行研究，例如有降压模块、整流模块、逆变模块、负载模块及测量模块几个部分。其主回路主要有三部分构成：将工频电源变换为直流电源的“整流器”；吸收由整流器和逆变器回路产生的电压脉动的“滤波回路”，也是储能回路；将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。之后利用Matlab/Simulink搭建模型对其输出的波形进行仿真研究，并进行谐波分析，并分析输出谐波对交流电机负载运行的影响。

对交直交变频器的基本原理和基本组成部分进行研究。然后选定合适的电压源，再进行降压，然后通过对整流器的分析研究选定合适的整流方案并进行研究分析，通过对逆变器的研究和分析选定合适的逆变器并选定合适的逆变器搭建方案。其中这些部分的研究要根据负载模块的相关要求来确定，例如：负载的电压、频率等的要求。

接下来要对交直交变频调速系统的基本特性进行研究，并与其他的调速方法作比较说明其优越性，确定其基本的参数。并在前面的理论基础上熟悉和学会在Matlab/Simulink中搭建模型的方法。为后面成功搭建交直交变频调速系统的模型和仿真作准备。

在前面的基础上搭建交直交变频调速系统的仿真模型，并对其中的参数进行设置进行仿真，对整流后的波形，逆变后的波形进行结果分析。

3.2 整流器的工作原理研究及实验

3.2.1 整流器的基本工作原理

在电容滤波器的三相不可控整流电路中，最常用的就是三相桥式结构。考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路原理图如下图所示：

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idTiaVD1VD3VD5ic+iRabcVD4UdRCVD6VD2图3-1（a）考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路

UdY 轴UabUacidoX 轴?t??idoX 轴?t图3-1（b）考虑电感时电容滤波的波形

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该电路中，当某一对二极管导通时，输出直流电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载供电，ud按指数规律下降。

设二极管在距线电压过零点?角处开始导通，并以二极管VD6和VD1开始同时导通的时刻为时间零点，则线电压为

u而相电压为

ab?6U2sin(?t??) （3-1）

ua?2U2sin(?t????6) （3-2）

在?t?0时，二极管VD6和VD1开始同时导通，直流侧电压等于uab；下一次同时导通的一对管子是VD1和VD2，直流侧电压等于uac。这两段导通过程之间的交替有两种情况，一种是在VD1和VD2同时导通之前VD1和VD6是关断的，交流侧向直流侧的充电电流id是断续的，另一种是VD1一直导通，交替时由VD6导通换相至

VD2导通，id是连续的。介于二者之间的临界情况是，VD6和VD1同时导通的阶段与VD1和VD2同时导通的阶段在?t???2?/3处恰好衔接了起来，id恰好连续。由“电压下降速度相等”的原则，可以确定临界条件。假设在?t???2?/3的时刻“速度相等”恰好发生，则有

12???)]3}d[6U2sin(?t??)]d(?t)2?wt???32??wRC[?t?(d{6U2sine3?d(?t)（3-3）

?t???2?3可得?RC?3,这就是临界条件。?RC?3和?RC?3分别是电流id断续和连续的条件。对一个确定的装置来说，通常只有R是可变的，它的大小反映了负载的轻重。因此可以说，在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的，重载时是连续的，分界点就是R?3/(?C)。

3.2.2 整流器部分的实验研究与分析

以上分析的是理想的情况，未考虑实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感。当考虑上述电感时，电路的工作情况发生变化，其仿真过程如下：

14

在实验的运行阶段， 需要对实验进行仿真， 本软件采用自动化领域广泛使用的应用软件 Matlab中的一个软件包 Simulink 作为仿真工具对各种电力电子电路进行仿真。Simulink 是一个结合了框图界面和交互仿真能力的系统级设计和仿真工具， 它拥有非常丰富的模块库，使系统建模像搭建实际电路一样方便。自 MATLAB6.5 版本以后， Simulink 的模块库中又增加了一个电力系统模块集 Power System Blockset， 可用于电力电子系统、 电机系统、 电力传动等领域的仿真和分析，功能十分强大。本软件主要用到的是Simulink 基本模块库和 Power System Blockset 模块集中的模块。

对一个电路的仿真需要分两步完成： 建模和设置参数， 运行仿真。下面以三相桥式不可控整流电路实验为例来介绍仿真的具体实现。 (1) 建模和设置参数：

根据三相桥式全控整流电路的原理图和实验过程中要求观测的波形， 在模型窗口中引入模块并设置参数如下：

1) 从 Electrical Sources 模块库中复制 （用鼠标拖拉）三个交流电压源模块到模 型窗口中。电压设置值为1202V，频率 Frequency值都设置为 60， 相位设置为 0，其它值采用默认值。 具体参数设置如下：

15

2) 从Power Electronics模块库中复制一个通用6个diode模块。参数设置为

Ron?0.01,Vf?0.8。

3) 从Elements模块库中复制一个串联 RLC模块，电感参数设置为L?5e?6 。

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4）从Elements模块库中复制一个串联 RLC模块，电感参数设置为R?10。

5）从Sinks 模块库中复制1个示波器模块 Scope，通道数设置为 3。 仿真模型见附录一和图3-2。

+i-Current MeasurementRectifierABCABCabcABC+Vdc+v-Series RLC Branch-25 kV, 60 Hz10 MVA25kV / 600V50 kVAsignalrmsRMSScope2 图3-2三相桥式不可控整流电路仿真模型

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按图3-2和附录一搭建仿真电路模型，选用的主要模块的名称及提取路径见表3-1:

表3-1 仿真电路模块的名称及提取路径

模块名 提取路径 通用桥式电路模块Universal Bridge SimPowerSystems/Electrical Source 三相电压源 SimPowerSystems/Power Electricnics 串联RLC支路R SimPowerSystems/Elements 电压表模块 SimPowerSystems/Measurements 电流表模块 SimPowerSystems/Measurements 有效值测量模块RMS SimPowerSystems/Extra Library/ Measurements 示波器Scope Simulink/Sinks (2) 运行仿真

打开仿真/参数窗口，打开菜单，Simlation>Configuration Parameters>Solver,选择 ode23tb 算法（此系统里面用到了电感，电容等非线性元件。然后我又接了电压表测量电路的输出电压。这时，系统提示：Your model contains nonlinear element,to get a proper simulating performance ,you have to use stiff solver .The recommended solver is ode23tb or ode15s.如果没接电压表就没有这种提示），将相对误差设置为1e?3， 停止时间设置为 0.1s， 单击工具栏中的“开始”按钮开始仿真。仿真结束后双击示波器模块可观测被测量的波形，改变模块参数可得到随之变化的仿真波形。

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经分析可知，有电感时电流波形的前沿平缓了许多，有利于电路的正常工作。 经过整流之后得到如下仿真波形：

图3-3整流滤波后电流（D1和D3粗线所示）波形

图3-4整流滤波后电流波形

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图3-5整流滤波后电压波形（有效值）

主要数量关系: 1) 输出电压平均值

空载时，输出电压平均值最大，为Ud?6U2?2.45U2。随着负载的加重，输出电压的平均值减小，至?RC?3进入id连续情况后，输出电压波形的平均值为

Ud?2.34U2。可见，Ud 在2.34U2~2.45U2。

与电容滤波的单相桥式不可控整流电路相比，Ud的变化范围要小得多。 2) 电流平均值 输出电流平均值IR为 IR?Ud/R (3-4)

电容电流iC平均值为零，因此

Id?IR (3-5)

在一个电流周期中，id有六个波头，流过每一个二极管的是其中的两个波头，因此二极管电流的平均值为Id的1/3，即

IVD?Id/3?IR/3 (3-6)

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3) 二极管承受的电压

二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值，为6U2。 4) 桥式整流电路电容量的确定

电容滤波的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。工程上有详细的曲线可供查阅。一般常采用以下近似估算法：

一种是在RLC?(3~5)T/2的条件下，近似认为VL?V0?1.2V2。桥式整流电路的电容量一般几百到几万uF.

3.3 逆变器的工作原理研究及其实验分析

3.3.1 逆变器的基本工作原理

逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。这里采用的电压型逆变电路，下面构成、原理和特性进行介绍：其基本原理图如下：

+V1Ud/2IGBTV3IGBTV5IGBTUN'IGBTVIGBTNWIGBTUd/2V4V6V2-图3-6 （a）三相电压型桥式逆变电路

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uUN'Y 轴oUd X 轴2tuVN'Y 轴 X 轴otuWN'Y 轴o X 轴tuUVUd X 轴oUd6Y 轴tuNN'Y 轴o X 轴Ud3tuUNY 轴o X 轴tiUY 轴o X 轴tidY 轴o X 轴t图3-6（b）电压型三相桥式逆变电路的工作波形

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电压型逆变电路主要有以下特点：

(1) 直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，

直流回路呈现低阻抗。

(2) 由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗

角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗的情况的不同而不同。

(3) 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用

为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管，也就是IGBT。

在三相逆变电路中，应用最广的是三相桥式逆变电路。采用IGBT作为作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路如图3-6（a）所示可以看成由三个半桥逆变电路组成。

图3-4电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了，但为了分析方便，画作串联的两个电容器并标出了假象中点N'。和单相半桥、全桥逆变电路相同，电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式也是180°导电方式，即每个桥臂的导电角度为180°，同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120°。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行的，因此也被称为纵向换流。

3.3.2 逆变器实验研究分析 (1)建模和设置参数：

根据三相电压型桥式逆变电路的原理图和实验过程中要求观测的波形，在模型窗口中引入模块并设置参数如下：

1)从 Electrical Sources 模块库中复制（用鼠标拖拉）直流电压源模块到模型窗口中。电压Phase-to-phase rms voltage设置值为600V，其它值采用默认值。

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2) 从Power Electronics模块库中复制一个通用三相电桥模块。参数设置为

Ron?0.0001，其他采用默认值，设置Power electronic device为IGBT-Diode bridge。

3) 从Elements模块库中选择一个异步电机，参数设置如下：感应电机模块的参数为：Pn?2KW，Vn?380V，fn?50HZ，Rs?0.435ohm，L1s?2.0?10?3H，

24

'?3?3Rr'?0.816ohm，L1kg?m2，极对数r?2.0?10H，Lm?69.3?10H，J?0.089P?2。

4）从 Sinks 模块库中复制4个示波器模块 Scope，通道数设置为 2和1。 5）其中的调制脉冲发生模块可在Power System工具箱直接选取。 其逆变的仿真电路和波形如下所示(uUV)：

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DiscretePWM Generator6 pulsesg+AB-CPulsesTmAmBC10ir,is (A)Vdc -K-rpmIGBT inverter4KW - 38050 Hz - 1430 rpmvab (V)N (rpm)Te (N.m)vab+v- 图3-7 利用异步电机负载的仿真模型 按图3-7搭建仿真电路模型，选用的主要模块的名称及提取路径见表3-2: 表3-2 仿真电路模块名称及提取路径 模块名 提取路径 1. 6脉冲发生器6-Pulse Generator SimPowerSystems/ExtraLibrary/ControlBlocks 通用桥式电路模块Universal Bridge SimPowerSystems/Electrical Source 三相电压源 SimPowerSystems/Power Electricnics 串联RLC支路R SimPowerSystems/Elements 电压表模块 SimPowerSystems/Measurements 电流表模块 SimPowerSystems/Measurements 异步电机模块 SimPowerSystems/ Electrical Source 示波器Scope Simulink/Sinks

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(2) 运行仿真：

打开仿真/参数窗口， 选择 ode23tb 算法， 将相对误差设置为 1e- 3， 停止时间设置为 0.1s， 单击工具栏中的 “开始” 按钮开始仿真。仿真结束后双击示波器模块可观测被测量的波形， 改变模块参数可得到随之变化的仿真波形。

图3-8 电压型三相桥式逆变电路的Vab工作波形

图3-9 负载的转子、定子电流

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图3-10 负载转子转速

图3-11 异步电机的电磁转矩

下面对其进行分析：对于U相来说，当桥臂1导通时，uUN'?Ud/2，当桥臂4导通时，uUN'??Ud/2。因此，uUN'的波形是幅值为Ud/2的矩形波。V、W两相的情况和U相类似，uVN'、uWN'的波形形状和uUN'相同，只是相位依次相差120°。

负载线电压uUV、uVW、uWU可由下式求出

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uUV?uUN'VN'?u?uVN'WN'UN'uVW?uuWU?u压分别为

WN'?u???? (3-7) ?????设负载中点N与直流电源假想中点N'之间的电压为uNN'，则负载各相的相电

uUN?uuVN?uUN'?u?uNN'VN'NN'NN'uWN?u把上面各式相加并整理求得

WN'?u???? (3-8) ?????u11 （3-9）

?(u?u?u)?(u?u?u)'UNVNWNNN'VN'WN'3UN3设负载为三相对称负载，则有uUN?uVN?uWN?0，故可得

uNN'1 (3-10)

?(u'?u'?u')VNWN3UN由此可以得出：uNN'也是矩形波，但其频率为uUN'频率的3倍，幅值为其1/3，即为Ud/6。

下面对三相桥式逆变电路的输出电压进行定量分析。把输出电压uUV展开成傅里叶级数得

uUV??23Ud?1111(sin?t?sin5?t?sin7?t?sin11?t?sin13?t?......) 57111323Ud?1[sin?t??(?1)ksinn?t]nn(3-11)

式中，n?6k?1;k为自然数。 输出线电压有效值uUV为

UUV?12?2??0uUVd?t?0.816Ud2 (3-12)

其中基波幅值UUV1m和基波有效值UUV1分别为

UUV1m?23Ud?29

?1.1Ud (3-13)

(3-14) UUV1m6UUV1??Ud?0.78Ud?2下面再来对负载的相电压uUN进行分析。把其展开成傅里叶级数得

uUN??2Ud2Ud1111sin5?t?sin7?t?sin11?t?sin13?t?...) 571113?(sin?t??(sin?t??n1sinn?t)n(3-15)

式中，n?6k?1;k为自然数。 负载相电压的有效值UUN为

UUN?12?2??02uUNd?t?0.471Ud (3-16)

其中的基波幅值UUN1m和UUN1分别为

UUN1m?

2Ud??0.637Ud (3-17)

UUN1?UUN1m (3-18)

?0.45Ud2在上述的180°导电方式的逆变器中，为了防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源的短路，要采取“先断后通”的方法。即先给应关断的器件关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，然后再给应导通的器件发出开通信号，即在两者之间留一个短暂的死区时间。死区时间的长短要视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快，所留的死区时间就可以越短。

3.4 交直交变频调速系统的实验研究分析

3.4.1 交直交变频调速系统模型的实验研究

根据以上整流部分和逆变部分的仿真模型连接起来再加上滤波和反馈环节搭建交直交变频调速的整体仿真模型。其中为了使仿真模型的运行速度加快，反馈环节的传递函数采用一阶延迟环节1/Z。搭建过程如下：

1) 从 Electrical Sources 模块库中复制 （用鼠标拖拉）三相交流电压源模块到模型窗口中。电压Phase-to-phase rms voltage设置值为25kv，频率 Fre-quency值都设置为 60， 相位设置为 0，连接方式Internal connection设为Yg连接方

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式，其它值采用默认值。

2) 从Transformer模块库中复制一个Three-Phase Transformer。设置Winding 1 connection (ABC terminals)为Yg，Winding 2 connection (abc terminals)为Delta (D1) 。

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3) 从Power Electronics模块库中复制一个通用三相电桥模块。参数设置为

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Ron?0.001,Vf?0.8。

4) 从 Elements模块库中复制2个串联 RLC模块，电容参数设置为R?0，

L?0，C?5000e?6； 电感R?0，L?200e?6。

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5) 从Power Electronics模块库中复制一个通用三相电桥模块。设置Power electronic device为IGBT-Diode bridge，参数设置为Ron?0.001。

6) 从 Elements模块库中复制一个串联 RLC（load）模块，电容参数设置为

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7）Measurements模块库中复制2个电压测量模块和一个 Multimeter 模块。

通过此模块可以任意选择其中几个元件的电流量测量。

8）从 Sinks 模块库中复制2个示波器模块 Scope，通道数设置为 4。 其中的滤波部分的内部搭建如下：

1AA2B3CBC2 mH ABC4A 5B 6C C3 kvarAB 图3-12 LC滤波电路的内部结构

其参数设置如下：

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将Three-Phase Series RLC Branch的branch type设为L，设定值为2mH，将Three-Phase Series RLC Load的Configuration设为Y(grounded)，电压为380V，频率为50HZ。

搭建的交直交变频调速系统模型见附录。

按附录二搭建仿真电路模型，选用的主要模块的名称及提取路径见表3-3:

表3-3 仿真电路模块的名称和提取路径 通用桥式电路模块Universal Bridge SimPowerSystems/Electrical Source 三相电压源 SimPowerSystems/Power Electricnics 串联RLC支路R、C SimPowerSystems/Elements PWM脉冲发生器PWM 三相双绕组变压器模块 三相RLC负载Load 电压测量模块和电流测量模块 一阶延迟1/Z模块 稳压器模块 示波器Scope SimPowerSystems/Extra Library/Control Blocks SimPowerSystems/Power Electricnics SimPowerSystems/Elements SimPowerSystems/Elements SimPowerSystems/ Extra Library/Control Blocks SimPowerSystems/ Extra Library/Control Blocks Simulink/Sinks

3.4.2 交直交变频调速系统的运行仿真与分析 (1) 运行仿真

打开仿真/参数窗口，选择 ode23tb 算法，将相对误差设置为 1e-3，停止时间设置为 0.1s，单击工具栏中的“开始”按钮开始仿真。仿真结束后双击示波器模

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块可观测被测量的波形，改变模块参数可得到随之变化的仿真波形。 其仿真波形如下：

图3-13 交直交变频调速系统的仿真波形

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图3-14 变频前后电压波形（取一相）

(2) 仿真波形分析：

通过搭建的交直交变频调速系统的仿真结果分析可知，三相的交流电在经过整流之后变成电压恒定的直流电压源，电压波形基本趋于恒定的直线。在经过逆变部分之后的波形是脉宽可调的方波。而经过反馈和LC滤波之后变成频率可变的正弦波。

而通过变频前后的波形可以看出变频之后的正弦波虽然频率变了，但是其波形当中还有波动。说明该系统中还有谐波的影响，接下来我也将对该系统的谐波影响进行一定的分析。

3.5 变频器输出谐波的影响

3.5.1 变频器输出谐波对负载的影响

众所周知，电机的转速和电源的频率是线性关系，变频器就是利用这一原理将50HZ的工频电 通过整流和逆变转换为频率可调的交流电源。从结构来看，变频器可分为间接变频和直接变频两大类。间接变频将工频电流通过整流器变成直

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流，然后再经过逆变器将直流变换成频率和电压可控的交流。直接变频器则将工频交流直接变换成频率和电 压可控的交流，没有中间的直流环节。目前变频调速系统应用较多的还是间接变频器，即交—直—交变频器.本节将讨论变频调速系统变频器输出端的谐波及其对交流调速系统的影响。

变频器的整流部分通常采用三相6 脉动桥式整流电路，因此，交流供电侧流中所包含的谐波主要是6k?1( k为正整数) 次谐波， 这些谐波电流注入电网后将对电网的电能质量产生不利影响。在变频器的逆变侧，通过控制装置产生6 组脉宽可调的PWM波控制三相的6 组功率元件的导通和关断，从而形成电压、频率可调的三相输出电压。由于输出的电压由PWM波和三角载波的交点产生的，不是标准的正弦波，其中也含有一系列高次谐波，这些谐波将会对电机和系统的性能带来一些不利的影响。

随着变频器的应用日益广泛，变频器的高次谐波对电网和负载产生的危害不容忽视.其中包括：

(1) 对旋转电机( 发电机和电动机户生附加功率损耗和发热、 产生脉动转矩和噪声。此外，由整流器供电的电动机可引起明显的电压畸变。

(2) 对无功补偿电容组引起谐振或谐波电流的放大， 从而导致电容器因过负荷或过电压而损坏。

为了补偿负载的无功功率，提高功率因数，常在负载处装有并联电容器。为了提高系统的电压水平，常在变电所安装并联电容器。此外，为了滤除谐波，也会装设由电容器和电抗器组成的滤波器。在工频频率下，这些电容器的容抗比系统的感抗大得多，不会产生谐振。但对谐波频率而言，系统感抗大大增加而容抗大大减少，就可能产生并联谐振或串联谐振。这种谐振会使谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统，特别对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁，常常使电容器和电抗器烧毁。在由谐波引起的事故中，这类事故占有很高的比例。

实际电路中，为了限制电容支路中的谐波电流和防止电容器投入时的冲击电流，在电容支路中都串入一定容量的电抗器，从而使谐振频率下降，谐波放大频段的宽度变窄，这对减小谐波电流的放大作用还是很有效的。

(3) 对供电网和导线，增加供电网的损耗。当发生谐振或放大现象时，电网的损耗更加严重。

谐波电流在电网中的流动会在线路上产生有功功率损耗，它是电网线路损耗的一部分。一般来说，谐波电流与基波电流相比所占的比例不大，但谐波频率高，导线的集肤效应使谐波电阻比基波电阻大， 因此谐波引起的附加线路损耗也增大。

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谐波源在一些谐波频率上吸收有功功率，在另一些频率上向外发送有功功率，这些谐波有功功率通常都是由从电网吸收的基波有功功率转化来的。谐波源吸收的谐波有功功率常常对产生谐波的装置本身是有害无益的，谐波源发出的谐波有功功率也给接在电网上的其他用电设备带来危害，并增加功率损耗。

对于采用电缆的输电系统，谐波除了引起附加损耗外，还可能使电压波形出现尖峰，从而加速电缆绝缘的老化，引起浸渍绝缘的局部放电，也使介质损耗增加和温升增高，缩短了电缆的使用寿命。通常，电缆的额定电压越高，谐波对电缆的危害也越大。电缆的分布电容对谐波电流有放大作用，会使上述危害更为严重。对于架空线路来说，电晕的产生和电压峰值有关，虽然电压基波未超过规定值，但由于谐波的存在，其电压峰值可能超过允许值而产生电晕， 引起电晕损耗。 在民用建筑中，常常大量使用荧光灯和其他产生大量3次谐波的灯具及各种电器。这些3次谐波都从中性线流过，甚至使其电流超过各相电流。因正常情况下中性线电流比各相电流小得多，因而设计时中性线的导线较细。在大量3 次谐波电流流过中性线时，就会使导线过载过热、绝缘损坏，进而发生短路，引起火灾。 (4)对断路器和熔断器的影响

电流波形的畸变影响断路器断路容量。流过电网中断路器的电流里含有较大的谐波时，在电流过零点处的电流可能要比正常时大，从而使断路器的开断能力降低。有的断路器的磁吹线圈在谐波电流严重的情况下将不能正常工作，从而使断路器无法开断以至损坏。

熔断器是由于发热而熔断的，因而本质上是均方根值过电流器件，一般使用的熔断器由几个带状熔片组成，它们对谐波电流集肤效应引起的发热效应很敏感。 (5)对变压器的影响

负荷电流中的谐波在变压器中造成的损耗产生附加发热，降低了其带负荷能力。其它如变压器电感与系统电容之间，可能在谐波频率时发生谐振和温度周期变化，引起机械绝缘应力及铁芯振动，产生附加损耗，降低了变压器带负荷能力。 (6)对一些电子设备的影响

波形畸变的结果产生多个过零问题，这种多个过零会破坏电子设备的运行，最明显的是数字时钟，任何应用过零原理的同步元件都应考虑这种影响。 电力电子电源使用波形的峰值以维持滤波电容器的全充电，而波形畸变会提高或削平波峰的峰值，因此，即便是在输入电压的均方根值是正常的条件下，也可能使电力电源中某些元件的实际工作电压偏高或偏低，从而影响设备的正常运行。 (7)对白炽灯的影响

电压畸变对白炽灯寿命有一定影响，如运行电压的均方根值由于谐波畸变而

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高于额定值时，灯丝温度升高而降低灯泡寿命。 (8)对继电保护装置的影响

电力系统中的谐波会改变保护继电器的性能，引起误动作或拒绝动作。不同类型的继电器工作原理和设计性能不同，因此谐波对其影响也有较大的差别。谐波对大多数继电器的影响并不太大，但对部分晶体管型继电器可能会有很大的影响。 一些衰减时间较长的暂态过程，如变压器合闸涌流中的谐波分量，由于其幅值大、谐波含量高，容易引起继电保护的误动作。 (9)对电能计量的影响

现代指示均方根的电压表和电流表相对地不受波形畸变的影响。受谐波影响较大的计量电能的感应型电能表，其误差与由于频率特性和非线性度造成的误差有关。

(10)对通信系统的影响

电力网中的平衡电流一般对通信系统影响不大，而不平衡电流，特别是不平衡谐波电流对通信系统可能产生严重的干扰。在有多个中性点接地的电网中，如有较大的零序分量谐波电流通过中性点流入大地，就会严重千扰附近的通信系统。 鉴于以上情况，变频器的谐波问题应当引起足够的重视。分析变频调速系统的谐波特性，将有助于优化传动系统设计，减少交流牵引电机的附加损耗，提高交流传动系统的可靠性和工作效率。

3.5.2 谐波实验研究与分析（逆变器部分）

为了研究逆变器对异步电动机变频调速系统的影响，利用Matlab仿真软件， 构建逆变电路的仿真模型如图3-13所示，其中包括直流电源、调制脉冲发生模块、IGBT逆变器、感应电机以及观测模块。

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DiscretePWM Generator6 pulsesg+AB-CPulsesTmAmBC10ir,is (A)Vdc -K-rpmIGBT inverter4KW - 38050 Hz - 1430 rpmvab (V)N (rpm)Te (N.m)vab+v- 图3-15 SPWM调制方式仿真电路模型 逆变电路采用IGBT作为功率器件，负载为三相感应电动机。为分析逆变电路本身谐波特性，直流部分选用电压恒定的直流源形式。在电机模型中设有测量端，可对电动机的转速、定子电流、转子电流等参量加以观测。逆变电路输出侧频谱的主要信息包括:基波和谐波分量的分布及其幅值变化情况，这些频谱主要受逆变电路参数的影响，其中包括载波频率、调制深度以及调制信号频率等。SPWM和调制脉冲发生模块可在Power Systerm工具箱直接选取。

逆变电路中直流侧电压从设为恒定值，正弦波调制频率为50HZ，三角载波频率为f，调制比为M，全控功率器件选用IGBT。

感应电机模块的参数为：Pn?2KW，Vn?380V，fn?50HZ，Rs?0.435ohm，

'?3?3L1s?2.0?10?3H，Rr'?0.816ohm，L1r?2.0?10H，Lm?69.3?10H，

J?0.089kg?m2，极对数P?2。

将仿真参数三角载波频率固定为fS?2KHZ, 调制比取0.8，得到仿真结果如图所示：

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图3-16 M=0.8时输出线电压波形

图3-17 M=0.8时输出线电流波形

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图3-18 M=0.8时输出电磁转矩波形

在直流电 压Ud恒定的情况下，调制比M的变化直接影响 基波电压幅值的大小。逆变器输出的基波电压幅值V1与调制比和直流电压Udc有关， 它们的关系是：

V1?3MUd （3-19）

为保证基波电压幅值V1保持不变，直流电压Udc根据公式（3-19）进行调节。

电压谐波总畸变率是表征逆变器输出谐波频谱分布和含量的重要参数，评价变频调速控制方式性能的重要指标。电压谐波总畸变率定义为：

?VTHDV?n?2?2nV1 （3-20）

式中：Vn为n次谐波电压的有效值；V1为基波电压有效值。

由以上的仿真结果可以看出：逆变器输出线电压THDv的变化和输出波形的变化可看出波形有所畸变，说明其中含有一定的谐波。

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4 结论

本文分析了三相交—直—交变频调速系统的基本原理、工作特性、基本作用。 经分析可知，一般的交—直—交变频调速系统主要有两大模块组成：整流模块和逆变模块。因此，将该系统的两大主要模块分开来研究之后，再进行交—直—交变频调速系统的实验研究就会简单的多。

通过以上的分析、仿真实验及研究，已经完成了三相交—直—交变频调速系统的仿真研究，达到了预期的效果。

整个毕业设计中，原理的研究和模型的实验与调试最为重要，在此方面花费的时间和精力最多。在整流模块的设计中，采用的利用6个Diode组成的三相不可控整流电路，应用此种方式的整流电路主要是考虑到其目前的应用比较普遍、成本较低等因素。在此部分的设计中串联一个电感是为了抑制冲击电流。通过在Matlab/Simulink中从已有的模块中拖拽并按照原理连接，对基本的参数进行设定后进行仿真调试。得到的结果应该是电压逐渐趋于某个稳定值，将固定频率的交流电转成电压恒定的直流电。而在逆变模块的设计中，采用的是用IGBT作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路，利用IGBT作为开关器件的电压型桥式逆变电路是目前发展最为成熟也是应用最为广泛的逆变电路，在此部分的设计中其直流侧通常只需要一个电容就可以了，但为了分析方便，画作串联的两个电容，并标出中点。其工作方式采用的是180°导电方式。通过在Simulink中拖拽已有模块搭建实验模型并进行调试直至调制出正确的实验结果为止，在此次试验中采用的是软件中自带的触发脉冲模块，得到的结果是有规律的方波波形进一步验证了设计的结论。在前面实验的基础上搭建交—直—交变频调速系统的实验模型就比较简单了，其控制方法采用的是跟踪比较法，因为此调制方法电路简单、电流响应快、只需将实际的电流波形作为反馈信号和希望输出的电流波形作比较来决定开关器件的通断即可，使实际的输出跟踪指令信号变化。通过实验进一步验证了该系统的作用。结果表明，通过该系统实现固定频率的变换是可行的。但同时也存在着缺点：输出的波形中还是有一定的毛刺，这主要是电流跟踪调制方式输出电流中含有更多高次谐波的原因。

本次设计中，通过对交直交变频调速系统各部分的研究分析，通过Matlab/Simulink搭建仿真模型，通过运行仿真理解了该系统的基本原理、工作特性和基本作用，也实现了变频的目的。并通过对该系统产生的谐波分析了解到治理谐波的重要性。

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5 致谢

本论文是在导师董燕老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。在作者完成本科毕业论文期间，无论是在学习、科研，还是生活等各方面，都得到了董老师无微不致的关怀和帮助。董老师深厚的理论知识、活跃的学术思想、敏锐的思维、丰富的实践经验、严谨的治学态度，忘我的工作精神，无不给我留下了深远的影响，使我终生受益。

衷心感谢我的各位老师在我的成长过程中给予我的极大的鼓励和支持，让我一直保持着上进心。

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