基于IGBT逆變器的異步電機變頻調(diào)速Matlab仿真*

謝 維

(1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100176；2.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124)

近年來隨著電力電子器件的迅猛發(fā)展，交流調(diào)速控制技術(shù)也得到迅速的發(fā)展。它經(jīng)歷了相位控制技術(shù)、VVVF控制技術(shù)、轉(zhuǎn)差頻率控制技術(shù)、矢量控制技術(shù)、VVVF控制技術(shù)及脈寬調(diào)制技術(shù)，其中PWM是一種很有發(fā)展前途的變頻調(diào)速方法。在直流-交流變換中，開關(guān)器件由于在承受正電壓時關(guān)斷，因此如果采用晶閘管(SCR)作為開關(guān)器件，則必須加入強迫換流回路，使SCR在關(guān)斷時陽極-陰極間承受反壓，這增加了控制的復(fù)雜性，增大了裝置的體積、重量，而且SCR的開關(guān)頻率較慢。因此，在直流-交流變換中一般采用全控型器件，在全控型電力電子器件中，IGBT是MOSFET和GTR的復(fù)合型器件，兼有MOSFET的快速響應(yīng)、高輸入阻抗特性和電力雙極型晶體管(BJT)的低通態(tài)壓降、高電流密度的特性，在變頻器、開關(guān)電源、中頻電源及要求快速、低損耗的領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。所以，本文的設(shè)計中采用IGBT作為逆變電路仿真中的主要開關(guān)器件。

1 電力電子開關(guān)技術(shù)發(fā)展

電力電子開關(guān)器件也稱功率半導(dǎo)體器件(Power Semiconductor Device)，是電力電子技術(shù)中用來進行功率控制與處理、高效電能形式變換，實現(xiàn)能量調(diào)節(jié)的新技術(shù)核心器件。電力電子開關(guān)器件正在向著全控化、高頻化、集成化和多功能化的方向發(fā)展。目前，逆變電路中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用的電力電子開關(guān)器件主要有SCR，TRIS，GTO，GTR，VMOSFET和IGBT。由于它們的開關(guān)速度和電流容量各不相同，因此在逆變電路中的應(yīng)用范圍也不相同。根據(jù)電力電子開關(guān)器件的發(fā)展，以及各種開關(guān)器件的性能比較，主電路開關(guān)器件的選擇遵循以下幾個原則：

(1) 在幾kW以下的逆變電源中，開關(guān)器件將以VMOSFET為主。這類電源的容量密度高，噪聲很小。如照明、醫(yī)用電源、汽車和家用電器等。在幾百kVA以上的大容量及超大容量的逆變電路中，開關(guān)器件的選擇仍以GTO為主。如大型電機驅(qū)動、高壓直流輸電和大型化學(xué)電源，其容量都在幾百kVA以上。但是在某些工頻場合下有時也用TRIS和SCR，其中SCR主要還用于整流式電源設(shè)備。

(2) 在從幾kVA到幾百kVA直至上MW的中大容量的逆變器中，開關(guān)器件將以IGBT為主。GTR由于其驅(qū)動功耗大和開關(guān)速度慢等原因，將逐步被IGBT和其他新型開關(guān)器件所取代。這個容量等級的逆變器應(yīng)用在交流電動機變頻調(diào)速、UPS、逆變式弧焊電源、通信開關(guān)電源和有源濾波裝置等場合中。

2 異步電機變頻調(diào)速解決方案

根據(jù)異步電機的轉(zhuǎn)速式(1)可見，可以通過改變異步電機的轉(zhuǎn)差率、定子頻率和極對數(shù)來實現(xiàn)異步電機調(diào)速。異步電機的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡稱為變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于在調(diào)速時，轉(zhuǎn)差功率不隨轉(zhuǎn)速而變化，調(diào)速范圍寬，無論是高速還是低速時效率均較高。

(1)

在對電機進行調(diào)速時，常須考慮的一個重要因素：希望保持電機中每極磁通量Φm為額定值不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵心，是一種浪費；但是如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴(yán)重時會因繞組過熱而損壞電機。為了控制協(xié)調(diào)好電壓和頻率，以便達到控制好Φm的目的，因此，需考慮基頻以下和基頻以上兩種情況。

(1) 基頻以下調(diào)速。根據(jù)式(2)

Eg=4.44f1SskNsφm

(2)

Eg是在定子每相中氣隙磁通感應(yīng)電動勢的有效值，單位為V；f1是定子頻率，單位為Hz；Ns是每相定子繞組串聯(lián)匝數(shù)；kNs是繞組基波系數(shù)；Φm是每極氣隙磁通量，單位為Wb。因此，只要控制好Eg和f1，便可達到控制磁通Φm的目的。要保持Φm不變，當(dāng)頻率f1從額定值f1N向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低Eg，使Eg/f1=常數(shù)，即采用恒值電動勢頻率比的控制方式。然而繞組中的感應(yīng)電動勢是難以直接控制的，所以當(dāng)電動勢值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓Us≈Eg，則得Us/f1=常數(shù)。但是在低頻時Us和Eg都較小，定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不再能忽略。此時，需要人為地把電壓Us抬高一些，以便近似地補償定子壓降。無補償?shù)目刂铺匦詾閍線，帶定子壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性則示于圖1中的b線。

圖1 基頻下調(diào)速的控制特性

圖2 基頻上下調(diào)速的控制特性

(2) 基頻以上調(diào)速。在基頻以上調(diào)速時，頻率應(yīng)該從f1N向上升高，但是定子電壓Us卻不可能超過額定電壓UsN，最多只能保持Us=UsN。這將迫使磁通與頻率成反比例地降低，相當(dāng)于直流電機弱磁升速的情況。將基頻以下和基頻以上兩種情況的控制特性畫在一起，如圖2所示。如果電機在不同轉(zhuǎn)速時所帶的負(fù)載都能使電流達到額定值，即都能在允許溫升下長期運行，則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。按照電力拖動的原理，在基頻以下，磁通恒定時轉(zhuǎn)矩也恒定，則屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”性質(zhì)；而在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時轉(zhuǎn)矩降低，則基本上屬于“恒功率調(diào)速”。

圖3 恒壓頻比控制系統(tǒng)仿真框圖

3 異步電機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真

基于以上的恒壓頻比控制，下面將對基于IGBT逆變電路的異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)進行Matlab仿真。異步電機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的恒壓頻比控制系統(tǒng)仿真框圖，如圖3所示。

其中，f1為系統(tǒng)最終要輸出的頻率指令，經(jīng)過加、減速時間給定環(huán)節(jié)得到逆變器實際輸出的頻率f1。以電機從零開始加速為例，如果設(shè)定f1從0加速到f1所需的時間為T，則在0

異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)電路仿真模型，如圖4所示。其中，直流電壓為24 V，逆變器為IGBT的三相半橋逆變器，而電機為異步電機模塊，其主電路由直流電壓源、逆變器和電機依次相連。

圖4 異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)電路仿真框圖

4 IGBT逆變器仿真模型及運行結(jié)果

4.1 用Matlab建立IGBT逆變器仿真模型

變頻調(diào)速系統(tǒng)控制部分，利用Step模塊設(shè)定頻率指令f1*，而加減速模塊用Rate Limiter模塊來實現(xiàn)。此仿真系統(tǒng)中加減速的斜率分別設(shè)置為200和-200，表示0～50 Hz的加速時間為0.25 s。恒壓頻比曲線可以用Simulink中的Lookup Table模塊完成，此系統(tǒng)設(shè)置表中的頻率點為[0，5，25，50，100]，相對應(yīng)的調(diào)制度為[0.1，0.1，0.5，1，1]。表示5 Hz以下時調(diào)制度為0.1，而在5～50 Hz時調(diào)制度隨頻率線性增長，在50 Hz時則調(diào)制度達到1，最后在50～100 Hz時調(diào)制度保持為1。得到的頻率和調(diào)制度送入PWM模塊，該模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖5所示。其中，PWM模塊的輸出連接到三相逆變器的驅(qū)動信號輸入端，從而實現(xiàn)對變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制。

圖5 PWM模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

從系統(tǒng)仿真圖4中，可以看出選用了Machines Measurement Demux模塊測量電機狀態(tài)，采用Selector模塊對三相信號進行分離，這里只觀察其中的一相。

4.2 IGBT逆變器Matlab仿真運行結(jié)果

仿真結(jié)果如圖6所示。其中，兩幅運行結(jié)果圖符合一般PWM三相逆變器交流側(cè)的電壓與電流?？梢钥闯?，這些仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果一致，證明本文使用的SVPWM控制算法是正確的。

圖6 IGBT逆變器Matlab

由仿真結(jié)果知在0～0.25 s時，電機處于加速過程，而在0.25 s之后進入穩(wěn)態(tài)。由于空載時，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在同步轉(zhuǎn)速1 500 r/min的附近，所以定子電流為空載電流，頻率為50 Hz，而轉(zhuǎn)子電流基本為0。在0.5 s時突加負(fù)載，則定轉(zhuǎn)子電流迅速增加，輸出轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)地增加，而電機轉(zhuǎn)速振蕩下降，最后穩(wěn)定在1 420 r/min附近，即轉(zhuǎn)速降落為80 r/min左右。在1 s時電機頻率指令變?yōu)?0 Hz，電機開始減速并最終穩(wěn)定于820 r/min附近，因此相對于30 Hz下的同步轉(zhuǎn)速900 r/min，其轉(zhuǎn)速降落同樣為80 r/min。仿真結(jié)果與前面對變頻調(diào)速特性的分析一致。

由于轉(zhuǎn)子電流頻率即轉(zhuǎn)差頻率，因此在同一負(fù)載下，無論定子頻率是否變化，轉(zhuǎn)子電流頻率都基本不變。同時，還可以看出啟動電流相對較小，這也是采用變頻器的優(yōu)勢之一。此外，只要改變定子的頻率就可得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

5 結(jié)束語

基于以上的理論分析及Matlab仿真結(jié)果，可以看出，異步電機的變頻調(diào)速是通過改變電動機定子電源的頻率，從而改變同步轉(zhuǎn)速的方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器，而變頻器可分成交流-直流-交流變頻器和交流-交流變頻器兩大類，目前國內(nèi)則大都使用交-直-交變頻器。其特點是應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動機；特性硬，調(diào)速范圍大；效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗。造價高，技術(shù)復(fù)雜，維護檢修困難。因此，本方法適用于要求調(diào)速性能較好、精度高的場合。

目前，MATLAB軟件在電力電子中的仿真有以下幾個方面的發(fā)展：結(jié)合工程應(yīng)用實際，按照各種理論體系進行仿真過程的設(shè)計，使所有工程的內(nèi)容都有其理論根源，以給讀者各種理論背景的查詢；采用更有效的硬件和MATLAB軟件，可以開發(fā)出功能更完善用于實驗教學(xué)的實時仿真系統(tǒng)和教學(xué)仿真系統(tǒng)；隨著電力電子技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛，MATLAB軟件必將涉及與各類電力電子器件、系統(tǒng)、裝置等有關(guān)的電力電子技術(shù)仿真。

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