基于IGBT逆变器的异步电机变频调速Matlab仿真*

谢 维

(1.北京电子科技职业学院，北京 100176；2.北京工业大学，北京 100124)

近年来随着电力电子器件的迅猛发展，交流调速控制技术也得到迅速的发展。它经历了相位控制技术、VVVF控制技术、转差频率控制技术、矢量控制技术、VVVF控制技术及脉宽调制技术，其中PWM是一种很有发展前途的变频调速方法。在直流-交流变换中，开关器件由于在承受正电压时关断，因此如果采用晶闸管(SCR)作为开关器件，则必须加入强迫换流回路，使SCR在关断时阳极-阴极间承受反压，这增加了控制的复杂性，增大了装置的体积、重量，而且SCR的开关频率较慢。因此，在直流-交流变换中一般采用全控型器件，在全控型电力电子器件中，IGBT是MOSFET和GTR的复合型器件，兼有MOSFET的快速响应、高输入阻抗特性和电力双极型晶体管(BJT)的低通态压降、高电流密度的特性，在变频器、开关电源、中频电源及要求快速、低损耗的领域广泛应用。所以，本文的设计中采用IGBT作为逆变电路仿真中的主要开关器件。

1 电力电子开关技术发展

电力电子开关器件也称功率半导体器件(Power Semiconductor Device)，是电力电子技术中用来进行功率控制与处理、高效电能形式变换，实现能量调节的新技术核心器件。电力电子开关器件正在向着全控化、高频化、集成化和多功能化的方向发展。目前，逆变电路中已经被广泛应用的电力电子开关器件主要有SCR，TRIS，GTO，GTR，VMOSFET和IGBT。由于它们的开关速度和电流容量各不相同，因此在逆变电路中的应用范围也不相同。根据电力电子开关器件的发展，以及各种开关器件的性能比较，主电路开关器件的选择遵循以下几个原则：

(1) 在几kW以下的逆变电源中，开关器件将以VMOSFET为主。这类电源的容量密度高，噪声很小。如照明、医用电源、汽车和家用电器等。在几百kVA以上的大容量及超大容量的逆变电路中，开关器件的选择仍以GTO为主。如大型电机驱动、高压直流输电和大型化学电源，其容量都在几百kVA以上。但是在某些工频场合下有时也用TRIS和SCR，其中SCR主要还用于整流式电源设备。

(2) 在从几kVA到几百kVA直至上MW的中大容量的逆变器中，开关器件将以IGBT为主。GTR由于其驱动功耗大和开关速度慢等原因，将逐步被IGBT和其他新型开关器件所取代。这个容量等级的逆变器应用在交流电动机变频调速、UPS、逆变式弧焊电源、通信开关电源和有源滤波装置等场合中。

2 异步电机变频调速解决方案

根据异步电机的转速式(1)可见，可以通过改变异步电机的转差率、定子频率和极对数来实现异步电机调速。异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速时，转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率均较高。

(1)

在对电机进行调速时，常须考虑的一个重要因素：希望保持电机中每极磁通量Φm为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；但是如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。为了控制协调好电压和频率，以便达到控制好Φm的目的，因此，需考虑基频以下和基频以上两种情况。

(1) 基频以下调速。根据式(2)

Eg=4.44f1SskNsφm

(2)

Eg是在定子每相中气隙磁通感应电动势的有效值，单位为V；f1是定子频率，单位为Hz；Ns是每相定子绕组串联匝数；kNs是绕组基波系数；Φm是每极气隙磁通量，单位为Wb。因此，只要控制好Eg和f1，便可达到控制磁通Φm的目的。要保持Φm不变，当频率f1从额定值f1N向下调节时，必须同时降低Eg，使Eg/f1=常数，即采用恒值电动势频率比的控制方式。然而绕组中的感应电动势是难以直接控制的，所以当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压Us≈Eg，则得Us/f1=常数。但是在低频时Us和Eg都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。此时，需要人为地把电压Us抬高一些，以便近似地补偿定子压降。无补偿的控制特性为a线，带定子压降补偿的恒压频比控制特性则示于图1中的b线。

图1 基频下调速的控制特性

图2 基频上下调速的控制特性

(2) 基频以上调速。在基频以上调速时，频率应该从f1N向上升高，但是定子电压Us却不可能超过额定电压UsN，最多只能保持Us=UsN。这将迫使磁通与频率成反比例地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。将基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如图2所示。如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化。按照电力拖动的原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，则属于“恒转矩调速”性质；而在基频以上，转速升高时转矩降低，则基本上属于“恒功率调速”。

图3 恒压频比控制系统仿真框图

3 异步电机变频调速控制系统的仿真

基于以上的恒压频比控制，下面将对基于IGBT逆变电路的异步电机变频调速系统进行Matlab仿真。异步电机变频调速控制系统的恒压频比控制系统仿真框图，如图3所示。

其中，f1为系统最终要输出的频率指令，经过加、减速时间给定环节得到逆变器实际输出的频率f1。以电机从零开始加速为例，如果设定f1从0加速到f1所需的时间为T，则在0

异步电机变频调速系统电路仿真模型，如图4所示。其中，直流电压为24 V，逆变器为IGBT的三相半桥逆变器，而电机为异步电机模块，其主电路由直流电压源、逆变器和电机依次相连。

图4 异步电机变频调速系统电路仿真框图

4 IGBT逆变器仿真模型及运行结果

4.1 用Matlab建立IGBT逆变器仿真模型

变频调速系统控制部分，利用Step模块设定频率指令f1*，而加减速模块用Rate Limiter模块来实现。此仿真系统中加减速的斜率分别设置为200和-200，表示0～50 Hz的加速时间为0.25 s。恒压频比曲线可以用Simulink中的Lookup Table模块完成，此系统设置表中的频率点为[0，5，25，50，100]，相对应的调制度为[0.1，0.1，0.5，1，1]。表示5 Hz以下时调制度为0.1，而在5～50 Hz时调制度随频率线性增长，在50 Hz时则调制度达到1，最后在50～100 Hz时调制度保持为1。得到的频率和调制度送入PWM模块，该模块内部结构，如图5所示。其中，PWM模块的输出连接到三相逆变器的驱动信号输入端，从而实现对变频调速系统的控制。

图5 PWM模块内部结构图

从系统仿真图4中，可以看出选用了Machines Measurement Demux模块测量电机状态，采用Selector模块对三相信号进行分离，这里只观察其中的一相。

4.2 IGBT逆变器Matlab仿真运行结果

仿真结果如图6所示。其中，两幅运行结果图符合一般PWM三相逆变器交流侧的电压与电流。可以看出，这些仿真结果与理论分析结果一致，证明本文使用的SVPWM控制算法是正确的。

图6 IGBT逆变器Matlab

由仿真结果知在0～0.25 s时，电机处于加速过程，而在0.25 s之后进入稳态。由于空载时，转速稳定在同步转速1 500 r/min的附近，所以定子电流为空载电流，频率为50 Hz，而转子电流基本为0。在0.5 s时突加负载，则定转子电流迅速增加，输出转矩也相应地增加，而电机转速振荡下降，最后稳定在1 420 r/min附近，即转速降落为80 r/min左右。在1 s时电机频率指令变为30 Hz，电机开始减速并最终稳定于820 r/min附近，因此相对于30 Hz下的同步转速900 r/min，其转速降落同样为80 r/min。仿真结果与前面对变频调速特性的分析一致。

由于转子电流频率即转差频率，因此在同一负载下，无论定子频率是否变化，转子电流频率都基本不变。同时，还可以看出启动电流相对较小，这也是采用变频器的优势之一。此外，只要改变定子的频率就可得到相应的转速。

5 结束语

基于以上的理论分析及Matlab仿真结果，可以看出，异步电机的变频调速是通过改变电动机定子电源的频率，从而改变同步转速的方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，而变频器可分成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类，目前国内则大都使用交-直-交变频器。其特点是应用范围广，可用于笼型异步电动机；特性硬，调速范围大；效率高，调速过程中没有附加损耗。造价高，技术复杂，维护检修困难。因此，本方法适用于要求调速性能较好、精度高的场合。

目前，MATLAB软件在电力电子中的仿真有以下几个方面的发展：结合工程应用实际，按照各种理论体系进行仿真过程的设计，使所有工程的内容都有其理论根源，以给读者各种理论背景的查询；采用更有效的硬件和MATLAB软件，可以开发出功能更完善用于实验教学的实时仿真系统和教学仿真系统；随着电力电子技术应用的日益广泛，MATLAB软件必将涉及与各类电力电子器件、系统、装置等有关的电力电子技术仿真。

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