基于SIMULINK的變頻器電機調速原理仿真

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對變頻器內部的主電路以及控制電路進行模擬仿真，以更好的明確變頻器電機調速原理

關鍵詞：變頻器；電機調速；simulink

變頻器本質是一種電源變換裝置，將輸入的正弦波交流電經內部控制電路和功率開關，輸出電壓和頻率可變的、與正弦交流電等效的三相方波，從而實現對電機的變頻調速。本文利用simulink中的SimPower systems模塊對變頻器內部的主電路和控制電路進行模擬仿真，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，再經過SPWM得到逆變電路的脈沖控制信號，最終實現變頻效果。

1、Simulink工具箱的功能是在MATLAB環境下，把一系列模塊連接起來，構成復雜的系統模型；電力系統System） （Power仿真工具箱是在Simulink環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、電動機系統、電力傳輸等領域的仿真，它提供了一種類似電路搭建的方法，用于系統的建模。

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技術的大功率晶體開關的導通和截止控制，將整流、濾波得到的直流母線電壓轉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。

當電機在降頻降速或者制動過程中，電動機處于發點狀態，電動機輸出的電壓引起直流母線電壓升高，當電壓超過限定值時，變頻器控制電路檢測到直流母線電壓，使制動電路電路導通，電動機進行能耗制動。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過整流向電容充電，為了限制充電電流，在整流后設置一個限流電阻Rs。當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C1，三相交流電經過整流濾波后得到電壓相對穩定的直流母線電壓：仿真模型如下圖2所示：

仿真結果可以看到，三相正弦交流電經過整流以后得到相對平緩的的波形圖，后端有波動，再經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，再經過正弦脈沖寬度調制（SPWM），得到控制主電路中的六個IGBT的通、斷觸發脈沖，經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。根據載波信號和控制電壓進行調制，當控制電壓大于載波信號時候，IGBT的上橋臂導通，此時電壓 ；當控制電壓小于載波信號，IGBT的下橋臂導通，此時電壓- ，最終獲得高頻的方波電壓。

經過矢量控制模塊得到控制電壓，然后驅動SPWM模塊得到驅動脈沖信號，驅動脈沖信號作為IGBT晶體開關的通斷控制信號。當脈沖信號的1時，逆變模塊的IGBT方波電壓值即為800V，當脈沖信號為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后既可以實現變速控制，通過改變方波電壓的頻率實現電機的調速控制，仿真結果如下圖3所示。其中圖3上為逆變后的三等方波電壓，圖3下為交流電機的速度變化波形

參考文獻

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

[2]陳鵬程. 隔爆型變頻調速一體機變頻器輸出側濾波研究[D].沈陽工程學院，2017.

（作者單位：江門職業技術學院）