基于Matlab的通用變頻器仿真教學系統開發

馮興田， 胡慧慧， 陳 榮

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東 青島 266580)

0 引 言

通用變頻器一般通過內部絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)的通斷來調整輸出電源的電壓和頻率，根據電動機的實際需要來提供其所需要的電源電壓、頻率達到節能、調速等目的[1-3]，同時，變頻器具有過流、過壓、過載等完善的保護功能，另外，通用變頻器高度集成化，使得其操作簡單、應用便捷，是當今生產、生活中非常重要的設備[4-6]。

通用變頻器的理論基礎融合了電動機、電力電子、交流調速以及自動控制原理等，而交流調速系統是電力拖動自動控制系統的核心內容之一[7-9]。在交流調速系統的實踐教學過程中，通用變頻器作為關鍵環節，因其高度集成化，難以對其內部結構、信號處理等環節進行測試，只是設置一些基本的功能進行簡單操作，難以配合基礎理論進行相關的問題分析。本文基于Matlab仿真軟件，搭建變頻器模型和仿真平臺[10-13]，實現基于異步電動機穩態模型下的交流調速系統分析，讓學生通過仿真分析掌握相應的理論知識。

1 仿真系統模型

圖1所示為搭建的通用變頻器-異步電動機仿真系統結構圖，通用變頻器選擇常規的交-直-交結構[14-15]，主要包括二極管構成的三相不可控整流橋、濾波電路、IGBT構成的逆變器(Universal bridge1)，其門極g的驅動信號由圖1上半部分的控制電路產生脈沖寬度調制(Pulse width modulation,PWM)波(PWM generator)進行控制。逆變器的輸出為三相異步電動機提供電源，異步電動機的參數設置如圖2所示。通過控制電路調節變頻器的變壓、變頻輸出，即可實現異步電動機的速度調節。

圖1 通用變頻器-異步電動機仿真系統結構

圖2 異步電動機仿真參數設置

2 仿真內容設計與分析

采用圖1搭建的通用變頻器的主電路及控制系統，可以進行相關的仿真分析。設定輸入電壓為三相50 Hz、380 V，直流母線電容為2.2 mF，其他各環節參數學生可以自行選擇與設定。本仿真平臺可以完成以下的仿真設計與分析，并可在此基礎上進行功能的拓展。

2.1 軟起電路設計與分析

直流母線電壓直接起動會造成直流濾波電容的電壓突變，產生非常大的沖擊電流，會損壞大量元器件。選取合適的軟起動電阻及軟起動電路，實現直流母線電壓的軟起動，能夠有效避免此問題的出現。學生可以根據起動時間及電路參數的要求，首先計算所需起動電阻的阻值和功率，再設置起動電阻的切除控制，觀察和比較有無軟起動時電容的充電電壓和電流的變化情況。

例如，要求直流母線電壓1 s后升到穩定電壓的95%，根據電容充、放電公式:

即可得到電阻的阻值為150 Ω，式中，t=1 s，C=2.2 mF。

圖3所示為軟起動仿真的主電路;圖4所示為直流母線電容電壓仿真波形，從中可以看出電壓的變化情況。

圖3 軟起動仿真主電路

圖4 直流母線電容電壓仿真波形

2.2 變頻器基本控制仿真

(1) 取開關頻率為10 kHz，實現常規正弦脈寬調制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)逆變器的變壓變頻輸出。學生可自行給定一個輸出頻率，在三相異步電動機空載和帶額定負載的情況下，仿真分析電動機是否能夠按預定的轉速運行，并觀察電動機定子電流的波形是否是正弦波。

(2) 在逆變橋的上、下橋臂的驅動信號中加入死區(4 μs左右)，設計正確的死區邏輯，仿真比較加入死區后，變頻器的輸出波形變換情況，以及對三相異步電動機運行的影響，包括高速、中速、低速下的轉速、轉矩、電流的比較。

(3) 模擬升速較快時(即頻率給定上升較快)定子電流發生沖擊的情況，并根據所學知識解釋。設計思路如下：為限制起動電流，0～2 s在直流母線設置一個限流電阻，2 s之后通過斷路器將其短路。然后在Matlab中的Control box中設置PWM發生器，設置最初頻率為40 Hz，在4 s時頻率突然跳變到50 Hz，電壓跟頻率之間的關系按照恒壓頻比控制設計，觀察電流波形變化情況。

(4) 模擬降速較快時，電動機處于回饋制動，所發生的一些典型的現象，通過典型物理量的仿真波形圖進行分析(包括轉速、電磁轉矩、直流母線電壓等)，并嘗試采用泵升限制環節來限制直流母線電壓。模擬降速的設置類似于模擬升速的設置。泵生限制部分可采用制動回路完成，即選擇合適電阻與一個開關器件串聯后，連接到直流母線兩端，通過設置泵生電壓的閾值來實現回饋能量的釋放，從而降低直流母線電壓在回饋制動時的過電壓；為了避免開關器件的頻繁動作，可采用滯環比較器來實現開關器件的驅動。

(5) 比較沒有進線電抗器和直流電抗器的不可控整流器與分別加上進線電抗器和直流電抗器的輸入特性，通過觀察輸入電流的波形、諧波的頻譜分析以及功率因數的變化來完成。兩類電抗器可均取3 mH。圖5所示即為變頻器在是否增設進線電抗器情況下的輸入電流波形，從波形可以直觀的看出兩者的區別。

(a) 不帶進線電抗器

(b) 帶進線電抗器

圖5 變頻器輸入側電流波形

2.3 變頻器控制策略仿真與分析

(1) 轉速開環恒壓頻比控制。根據理論分析的恒壓頻比控制的實現過程，搭建相應的仿真模型，輸出PWM波，控制逆變橋部分。采用恒壓頻比控制時，主要觀察三相異步電動機的起動電流是否比較大，如果較大，應予以限制。可通過對頻率給定做出改進，一般使其在起動過程中電流不超過額定電流的1.5倍。

三相異步電動機帶滿載運行，觀察采用恒壓頻比控制時的運行性能，嘗試加入低頻定子壓降的補償，對比補償/不補償的區別與聯系，從中體會恒氣隙磁通控制的優勢。

對輸出線電壓、相對于直流母線中點的輸出相電壓進行低通濾波，選取合適的截止頻率，觀察它們與對應的調制波(即期望輸出的電壓)有何不同。可以選擇分別比較多種情況，比如在30 Hz/228 V和50 Hz/380 V兩種狀況。

(2) 三次諧波注入控制。對于三相變頻調速系統來講，通用變頻器的輸出取決于直流母線電壓和PWM的控制方式。在相同的直流母線電壓和輸出頻率下，常規的SPWM難以獲得較高的輸出電壓，而三次諧波注入式PWM能夠有效利用直流母線電壓，提高輸出電壓水平。嘗試通過三次諧波注入法使逆變器輸出50 Hz/380 V的正弦線電壓。設計思路為：在control box中完成對三次諧波的設置，首先設置互差120°的且幅值為1.15(調制波與載波的比值)的基頻調制正弦波，然后與三次諧波相減，得到含三次諧波的調制波，再通過三角載波比較之后產生6組PWM波提供逆變單元的6個開關器件。圖6所示為三次諧波注入時變頻器輸出的相電壓和線電壓波形。

(3) 轉速閉環轉差頻率控制。轉速閉環的轉差頻率控制，能夠實現電動機始終以允許的最大電磁轉矩加速，且運行于每一條機械特性的線性段，不會出現過流。該控制具有良好的動態特性，抗負載干擾性能也較好，轉速控制精度高。為保證轉差頻率與電磁轉矩的線性關系，需通過轉差頻率指令限幅和電壓補償來滿足條件。搭建基于轉速閉環轉差頻率控制的仿真控制模型進行分析，用實際波形的對比說明其具有比恒壓頻比開環控制更優良的動靜態特性。

(a) 相電壓

(b) 線電壓

圖6 三次諧波注入時變頻器輸出電壓波形

3 結 語

本文基于Matlab仿真軟件，搭建了通用變頻器-三相異步電動機的仿真教學平臺。該平臺讓學生通過仿真分析驗證理論知識，主要服務于電氣工程專業本科生課程“電力拖動自動控制系統”和研究生課程“交流變頻調速”的教學。通過一系列的仿真訓練，該平臺有助于提高學生的電路設計、仿真分析以及解決問題的能力。