毕业设计异步电机电压空间矢量系统的仿真研究.doc

1、摘要摘要由于直流电动机结构复杂，制造费时以及需要经常性维护等缺点，使得人们一直努力寻找能替代直流电动机调速的交流电动机调速。随着电力电子技术、PWM调制技术、计算机控制技术、交流电动机的控制技术的发展，交流调速系统由于其坚固耐用、运行可靠等众多优点，正在逐步取代以前直流调速系统，在传动领域占据主导地位。直到20世纪80年代中期，德国学者们在交流电机调速中提出了磁链轨迹控制的思想，在此基础上进一步发展产生了电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)的概念。SVPWM又称磁链追踪型PWM法，它是从电动机的角度出发，着眼于如何使电机获得圆磁场。本文首先介绍了种种交流调速技术，并逐一的分析其优缺点，然后重点详细的介绍了电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术，就其如何使电机获得圆磁场进行了具体的分析和推导。并且推导出在MATLAB/SIMULINK环境下SVPWM控制信号的数学模型，并得到SVPWM控制下的电动机输出电流、电压、转速、转矩、磁链等信号的波形，经分析证实了异步电机在SVPWM控制下，具有启动电流小、转速稳定快、直流利用率高、能量损耗少、谐波少、控制简单等优点。I 燕山大学本科生毕业设计（论

2、文）AbstractAs the DC motor complex, manufacturing time and the need for regular maintenance shortcomings, so people have been looking for an alternative to DC motor speed control of AC motor speed control. With the power electronics, PWM modulation technology, computer control technology, communication technology, the development of motor control, AC drive system because of its rugged, reliable operation of the many advantages, is gradually replacing the previous DC drive system, in drive occupy

3、dominance.Until the mid-1980s, the German scholars proposed in the alternating current machine velocity modulation the flux linkage trajectory controls thought that based on this further developed has had the voltage space vector pulse-duration modulation (SVPWM) concept. SVPWM said that the flux linkage tracing PWM law, it is from electric motors angle embarking, how focuses to cause the electrical machinery to obtain the circular field.This paper introduces the various AC variable speed, and t

4、he analysis of their advantages and disadvantages of each, and then focus on a detailed description of the voltage space vector pulse width modulation (SVPWM) technique, on how they get round the motor magnetic field analysis and derivation of specific . And derived in the MATLAB / SIMULINK environment, the mathematical model of SVPWM control signal, and get SVPWM under the control of motor output current, voltage, speed, torque, flux and other waveform, confirmed by the analysis of induction mo

5、tor under the control of the SVPWM with a start current, speed stability and quick, DC high efficiency, low energy loss, less harmonic control and simple.III 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 引言11.2 交流调速的发展历程21.2.1 三大核心技术的突破21.2.2 三个发展阶段4第2章SVPWM调制原理和主电路设计102.1 SVPWM调制技术概述102.2 SVPWM调制原理102.3 主电路拓扑152.4 主电路参数计算16第3章 基于MATLAB/SIMULINK的仿真183.1 MATLAB/SIMULINK简介183.2 SVPWM的算法及仿真193.3 异步电机模块的介绍273.4 SVPWM控制下的异步电机仿真27第4章 仿真结果与波形分析304.1 SVPWM控制下电机的输出波形304.2波形分析35结论36参考文献38III第1章绪论 第1章 绪论1.1 引言调速分为直流调速和交流调速两大

6、类。上世纪80年代以前要求调速的系统设备多用直流电动机调速。这是因为直流调速极其方便，只要调节电枢端电压或励磁电流就可在宽广的范围内实现无级调速。而在励磁一定的情况下，有转矩和电枢电流成正比的关系成立，使得转矩易于控制，在双闭环调速(分别对转速与转矩闭环)情况下可以达到很高的调速性能指标。所以在90年代以前直流调速系统一直在调速领域内占主导地位。但是直流电动机本身有如下一些固有缺陷：1.直流电动机的机械式换相器在运行中易产生火花，电刷易磨损，在运行中需要经常性的维护；2.由于存在换相问题，使单机容量和转速受到限制，直流电动机很难做成高速大容量的机组，限制了直流调速系统的发展；3.直流电动机由于其结构复杂，制造费时，故其价格远远高于交流电动机。而与直流电动机相比，交流电动机则具有以下优点：1.结构坚固，工作可靠，易于维修保养；2.不存在换向火花，可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境；3.容易制造出大容量、高转速和高电压的交流电动机。交流电动机，尤其是鼠笼型异步电动机，则因其结构简单，制造方便，价格低廉，且坚固耐用，运行可靠，在各行业中得到了极广泛的应用。但是在早期，交流电动机调速性能无论

7、调速的静态性能还是调速的动态性能都远远不能和直流电动机相媲美。虽然早在20世纪20年代人们就已经认识到变频调速是交流电动机的一种好调速方法，它能在宽广的范围内实现无级调速，具有优良的静态性能指标。然而由于开关器件的原因，一直到20世纪80年代交流调速没能获得广泛应用。因此，很久以来，人们希望在许多场合下能够用可调速的交流电动机来代替直流电动机，并在交流电动机的调速控制方面进行了大量的研究开发工作。但是，直至20世纪70年代，交流调速系统的研究开发方面一直未能得到真正能够令人满意的成果，也因此限制了交流调速系统的推广应用。也正是因为这个原因，在工业生产中大量使用的诸如风机、水泵等需要进行调速控制的电力拖动系统中不得不采用挡板和阀门来调节风速和流量。这种做法不但增加了系统的复杂性，也造成了能源的浪费。经历了20世纪70年代中期的第2次石油危机之后，人们充分认识到了节能工作的重要性，并进一步重视和加强了对交流调速技术的研究开发工作。随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，电力半导体器件和微处理器的性能的不断提高，交流调速技术也得到了显著的发展。目前交流调速系统不但在传统的电力拖动系统中

8、得到了广泛的应用，而且几乎已经扩展到了工业生产的所有领域，并且在空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中也得到了广泛应用。1.2 交流调速的发展历程交流高性能调速的实现有赖于几个核心技术的突破:1、电力电子技术的突破；2、PWM技术发展；3、微处理器和数字控制技术的产生；从而使交流调速有了巨大的改变。其经历了三个阶段：1、VVVF控制阶段；2、VC和DTC控制阶段；3无速度传感器控制阶段。1.2.1 三大核心技术的突破1、电力电子技术自美国GE公司1957年生产出第一个晶闸管以来，功率器件的发展突飞猛进。经过了第一代半控型器件(以晶闸管为代表)、第二代全控型器件(GTO、GTR等)，目前已进入第三代和第四代阶段。第三代功率器件以复合型为标志，如绝缘栅极晶体管(IGBT)、MOS控制晶闸管(MCT)等，IGBT兼具MOSFET高速、驱动简单的开关特性和GTR容量大的通态特性。目前IGBT己发展到了第四代，这使得IGBT在1MW以下的功率变换装置中成为首选器件。微电子工艺和电力电子技术的结合使得新一代的功率器件(第四代)正朝着模块化、智能化的方向发展(如智能功率模块护IPM)，功率器件与驱动、检测

9、、保护电路、甚至连整流电路都集成在一起，不仅降低了器件的成本，减小了体积，而且安全可靠性得到了大幅度地更高。在功率器件更新换代的同时，功率变换电路的结构和控制性能也得到改善与提高。晶闸管的诞生奠定了静止变换器的基础，全控型器件的出现使得人们有可能抛开以往复杂的辅助环流设施，而专注于电路拓扑结构和电动机控制算法的改进。随着开关器件速度的提高，桥式PWM逆变器(主要是电压型)已成为功率变换的主要形式。PWM逆变器具有结构简单、控制方便、功率转换效率高等优点，得到越来越广泛的应用。随着PWM逆变器的功率器件在高电压、强电流状态下开关频率的提高，器件承受越来越大的开关应力和开关损耗，制约了逆变器性能的进一步改善。如何提高功率变换电路的性能也进入人们研究的视野，随之出现了多种新型的电路拓扑结构，如三点式PWM逆变器，其输出电压空间矢量多达27种，可以在开关频率比常规两点式低的情况下获得较好的谐波抑制效果，而且功率元件在通断过程中端电压的跳变值仅为两点式的一半，从而降低了开关损耗，低频时性能得到提高;此外软开关技术的发展，出现了对谐振式逆变器的研究(目前还多处于实验研究阶段)，使得功率器件在零电压或零电流下开关，大大减小了器件的开关应力和开关损耗，开关频率得以大幅度提高。2、PWM技术1964年，德国的A.shonung把通信中的调制技术应用到交流传动中，产生了正弦脉宽调制(SPWM)变压变频的思想。脉宽调制技术较相控技术能有效抑制高次谐波，适用于各类电动机，能够满足高性能交流调速的要求，目前已成为逆变的最主要控制方式。目前主要应用的SPWM可分为三大类:电压SPWM、电流SPWM、电压空间矢量PWM(即SVPWM，也称为磁链SPWM)具体实现的技术上则有:

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