MATLAB仿真在變頻器課程教學(xué)中的應(yīng)用

孫靜

摘? 要：隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，變頻器的應(yīng)用越來越廣泛。由于學(xué)校設(shè)備資源有限，達(dá)不到教學(xué)多樣性、實用性要求，而通過MATLAB軟件中的SIMULINK工具，可以仿真不同的應(yīng)用情況，使學(xué)生能夠更好的掌握變頻器知識及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：變頻器;MATLAB;SIMULINK

變頻器是一種應(yīng)用變頻技術(shù)和微電子技術(shù)，通過改變交流電機工作電源頻率來進(jìn)行控制電機運行的電力控制設(shè)備。變頻器能夠有效提高電力和能源行業(yè)電機設(shè)備的效率，調(diào)節(jié)功率因數(shù)，起到節(jié)能作用;也能夠通過提高控制精度，在加工制造行業(yè)中提高生產(chǎn)工藝水平。自20世紀(jì)90年代起，變頻器大量進(jìn)入中國市場應(yīng)用，到2015年5月19日國務(wù)院正式印發(fā)《中國制造2025》，推動工業(yè)化和現(xiàn)代化進(jìn)展，在工業(yè)自動化中變頻器的應(yīng)用廣泛，尤其在冶金、機械加工、風(fēng)機、水泵、電梯、造紙印刷、家電等行業(yè)，同時也涌現(xiàn)出很多中國自主品牌變頻器，用來替代進(jìn)口。在此背景下，越來越多的職業(yè)技術(shù)學(xué)校，開設(shè)變頻器相關(guān)課程，以更好的為社會培養(yǎng)職業(yè)人才。

通常，在職業(yè)技術(shù)學(xué)校變頻器課程教學(xué)中，教師先介紹實驗用到變頻器的品牌、型號和功能，比如變頻器的輸入電源電壓、功率、控制方式等，然后給定調(diào)試步驟和參數(shù)，學(xué)生按照步驟，進(jìn)行交流電機正反轉(zhuǎn)、點動、面板控制和端子輸入控制等調(diào)試，負(fù)載情況往往是空載。這樣的教學(xué)方式只能讓學(xué)生了解變頻器這種電力控制設(shè)備，但不能培養(yǎng)學(xué)生對變頻器的興趣和提高解決實際問題的能力。實際情況下，變頻器是在具體工作制和負(fù)載特性下運行的，偶爾還有可能超出額定工作條件，需要評估是否能夠運行。比如變頻器的輸入電壓，由于全球電網(wǎng)系統(tǒng)不統(tǒng)一，美國使用三相220V/單相120V電網(wǎng)電壓，而我們中國使用的是三相380V/單相220V電網(wǎng)電壓，如表1所示，世界主要地區(qū)常用電網(wǎng)情況，因此使用中會遇到需要把三相220V/200V變頻器，用在單相220V輸入的情況。在這種情況下，就需要知道在單相220V輸入情況下，變頻器還能夠輸出多大電流和功率，還會有其他什么影響？如果用實際變頻器和電機去模擬，費時費力，而且存在一定的安全風(fēng)險和損壞風(fēng)險，使用MATLAB軟件進(jìn)行仿真，能夠在較短時間內(nèi)模擬出結(jié)果，以模擬結(jié)果為依據(jù)，再用實際變頻器和電機搭實驗臺進(jìn)行確認(rèn)，能夠提高效率和降低風(fēng)險。

一、搭建MATLAB仿真模型

變頻器主要由整流單元、電容濾波單元、逆變制動單元、檢測單元以及控制單元組成，如圖1變頻器拓?fù)涫疽鈭D所示，通過半導(dǎo)體電力電子功率器件和微電子處理芯片，實現(xiàn)交流（電網(wǎng)頻率）-直流-交流（控制頻率）的轉(zhuǎn)換。

首先我們要用MATLAB中的SIMULINK工具，搭建變頻器系統(tǒng)模型，如圖2所示，使用三相可編程電源系統(tǒng)，其中一相不連接來模擬單相輸入情況;使用PWM控制模塊模擬控制單元，給逆變單元控制信號;使用三相RLC串聯(lián)負(fù)載來模擬電機，同時添加電流檢測單元、電壓檢測單元，示波器來察看波形結(jié)果。

二、仿真參數(shù)設(shè)置

需要按照變頻器和電機配置，來設(shè)置仿真中各模塊的參數(shù)。仿真過程中主要需要設(shè)置的是電容容量、PWM調(diào)制參數(shù)和電機負(fù)載。假設(shè)選用三相200V級7.5KW變頻器，使用了6個1200uF電容，考慮到常規(guī)電容容量在標(biāo)稱值的90%左右，因此設(shè)置電容C容量為6480uF;設(shè)置PWM控制模塊的調(diào)制比M=0.9;按照電機參數(shù)表，如表2所示，計算負(fù)載參數(shù)：

設(shè)置負(fù)載參數(shù)如圖3所示：

三、仿真結(jié)果

用SIMULINK中的示波器，監(jiān)測輸出電流波形和電容C兩端電壓波形。可以看到電容C兩端電壓波動范圍是274V～311V，波形頻率為100KHz;對應(yīng)的電流輸出頻率為40Hz，在電容C兩端電壓較低時，變頻器輸出電流有輕微的畸變，但是總體電流波形呈正弦波形式，曲線光滑，電機能夠正常運行。

四、結(jié)論

通過MATLAB仿真，可以看到三相200V級7.5KW變頻器，在單相輸入情況下，能夠支持給定電機輸出4.5KW功率。使用不同的仿真模型，以及設(shè)置不同的仿真參數(shù)，我們就可以模擬更多實際應(yīng)用情況，條件允許時，再在仿真結(jié)果的指導(dǎo)下，進(jìn)行實際變頻系統(tǒng)搭建，驗證運行情況，能夠有效的提高效率、降低風(fēng)險。在搭建變頻器系統(tǒng)仿真模型的同時，能夠使增進(jìn)學(xué)生對變頻器的主要模塊功能和參數(shù)的了解，豐富教學(xué)內(nèi)容，增加學(xué)習(xí)趣味，有助于學(xué)生更好掌握知識，以及畢業(yè)后工作崗位中的實際選型評估。

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