MATLAB仿真在變頻器課程教學中的應用

孫靜

摘? 要：隨著工業自動化的發展，變頻器的應用越來越廣泛。由于學校設備資源有限，達不到教學多樣性、實用性要求，而通過MATLAB軟件中的SIMULINK工具，可以仿真不同的應用情況，使學生能夠更好的掌握變頻器知識及應用。

關鍵詞：變頻器;MATLAB;SIMULINK

變頻器是一種應用變頻技術和微電子技術，通過改變交流電機工作電源頻率來進行控制電機運行的電力控制設備。變頻器能夠有效提高電力和能源行業電機設備的效率，調節功率因數，起到節能作用;也能夠通過提高控制精度，在加工制造行業中提高生產工藝水平。自20世紀90年代起，變頻器大量進入中國市場應用，到2015年5月19日國務院正式印發《中國制造2025》，推動工業化和現代化進展，在工業自動化中變頻器的應用廣泛，尤其在冶金、機械加工、風機、水泵、電梯、造紙印刷、家電等行業，同時也涌現出很多中國自主品牌變頻器，用來替代進口。在此背景下，越來越多的職業技術學校，開設變頻器相關課程，以更好的為社會培養職業人才。

通常，在職業技術學校變頻器課程教學中，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，然后給定調試步驟和參數，學生按照步驟，進行交流電機正反轉、點動、面板控制和端子輸入控制等調試，負載情況往往是空載。這樣的教學方式只能讓學生了解變頻器這種電力控制設備，但不能培養學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，由于全球電網系統不統一，美國使用三相220V/單相120V電網電壓，而我們中國使用的是三相380V/單相220V電網電壓，如表1所示，世界主要地區常用電網情況，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險和損壞風險，使用MATLAB軟件進行仿真，能夠在較短時間內模擬出結果，以模擬結果為依據，再用實際變頻器和電機搭實驗臺進行確認，能夠提高效率和降低風險。

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變頻器拓撲示意圖所示，通過半導體電力電子功率器件和微電子處理芯片，實現交流（電網頻率）-直流-交流（控制頻率）的轉換。

首先我們要用MATLAB中的SIMULINK工具，搭建變頻器系統模型，如圖2所示，使用三相可編程電源系統，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串聯負載來模擬電機，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果。

二、仿真參數設置

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

設置負載參數如圖3所示：

三、仿真結果

用SIMULINK中的示波器，監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，以及設置不同的仿真參數，我們就可以模擬更多實際應用情況，條件允許時，再在仿真結果的指導下，進行實際變頻系統搭建，驗證運行情況，能夠有效的提高效率、降低風險。在搭建變頻器系統仿真模型的同時，能夠使增進學生對變頻器的主要模塊功能和參數的了解，豐富教學內容，增加學習趣味，有助于學生更好掌握知識，以及畢業后工作崗位中的實際選型評估。

參考文獻

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