基于Matlab的通用变频器仿真教学系统开发

冯兴田， 胡慧慧， 陈 荣

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院，山东 青岛 266580)

0 引 言

通用变频器一般通过内部绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)的通断来调整输出电源的电压和频率，根据电动机的实际需要来提供其所需要的电源电压、频率达到节能、调速等目的[1-3]，同时，变频器具有过流、过压、过载等完善的保护功能，另外，通用变频器高度集成化，使得其操作简单、应用便捷，是当今生产、生活中非常重要的设备[4-6]。

通用变频器的理论基础融合了电动机、电力电子、交流调速以及自动控制原理等，而交流调速系统是电力拖动自动控制系统的核心内容之一[7-9]。在交流调速系统的实践教学过程中，通用变频器作为关键环节，因其高度集成化，难以对其内部结构、信号处理等环节进行测试，只是设置一些基本的功能进行简单操作，难以配合基础理论进行相关的问题分析。本文基于Matlab仿真软件，搭建变频器模型和仿真平台[10-13]，实现基于异步电动机稳态模型下的交流调速系统分析，让学生通过仿真分析掌握相应的理论知识。

1 仿真系统模型

图1所示为搭建的通用变频器-异步电动机仿真系统结构图，通用变频器选择常规的交-直-交结构[14-15]，主要包括二极管构成的三相不可控整流桥、滤波电路、IGBT构成的逆变器(Universal bridge1)，其门极g的驱动信号由图1上半部分的控制电路产生脉冲宽度调制(Pulse width modulation,PWM)波(PWM generator)进行控制。逆变器的输出为三相异步电动机提供电源，异步电动机的参数设置如图2所示。通过控制电路调节变频器的变压、变频输出，即可实现异步电动机的速度调节。

图1 通用变频器-异步电动机仿真系统结构

图2 异步电动机仿真参数设置

2 仿真内容设计与分析

采用图1搭建的通用变频器的主电路及控制系统，可以进行相关的仿真分析。设定输入电压为三相50 Hz、380 V，直流母线电容为2.2 mF，其他各环节参数学生可以自行选择与设定。本仿真平台可以完成以下的仿真设计与分析，并可在此基础上进行功能的拓展。

2.1 软起电路设计与分析

直流母线电压直接起动会造成直流滤波电容的电压突变，产生非常大的冲击电流，会损坏大量元器件。选取合适的软起动电阻及软起动电路，实现直流母线电压的软起动，能够有效避免此问题的出现。学生可以根据起动时间及电路参数的要求，首先计算所需起动电阻的阻值和功率，再设置起动电阻的切除控制，观察和比较有无软起动时电容的充电电压和电流的变化情况。

例如，要求直流母线电压1 s后升到稳定电压的95%，根据电容充、放电公式:

即可得到电阻的阻值为150 Ω，式中，t=1 s，C=2.2 mF。

图3所示为软起动仿真的主电路;图4所示为直流母线电容电压仿真波形，从中可以看出电压的变化情况。

图3 软起动仿真主电路

图4 直流母线电容电压仿真波形

2.2 变频器基本控制仿真

(1) 取开关频率为10 kHz，实现常规正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)逆变器的变压变频输出。学生可自行给定一个输出频率，在三相异步电动机空载和带额定负载的情况下，仿真分析电动机是否能够按预定的转速运行，并观察电动机定子电流的波形是否是正弦波。

(2) 在逆变桥的上、下桥臂的驱动信号中加入死区(4 μs左右)，设计正确的死区逻辑，仿真比较加入死区后，变频器的输出波形变换情况，以及对三相异步电动机运行的影响，包括高速、中速、低速下的转速、转矩、电流的比较。

(3) 模拟升速较快时(即频率给定上升较快)定子电流发生冲击的情况，并根据所学知识解释。设计思路如下：为限制起动电流，0～2 s在直流母线设置一个限流电阻，2 s之后通过断路器将其短路。然后在Matlab中的Control box中设置PWM发生器，设置最初频率为40 Hz，在4 s时频率突然跳变到50 Hz，电压跟频率之间的关系按照恒压频比控制设计，观察电流波形变化情况。

(4) 模拟降速较快时，电动机处于回馈制动，所发生的一些典型的现象，通过典型物理量的仿真波形图进行分析(包括转速、电磁转矩、直流母线电压等)，并尝试采用泵升限制环节来限制直流母线电压。模拟降速的设置类似于模拟升速的设置。泵生限制部分可采用制动回路完成，即选择合适电阻与一个开关器件串联后，连接到直流母线两端，通过设置泵生电压的阈值来实现回馈能量的释放，从而降低直流母线电压在回馈制动时的过电压；为了避免开关器件的频繁动作，可采用滞环比较器来实现开关器件的驱动。

(5) 比较没有进线电抗器和直流电抗器的不可控整流器与分别加上进线电抗器和直流电抗器的输入特性，通过观察输入电流的波形、谐波的频谱分析以及功率因数的变化来完成。两类电抗器可均取3 mH。图5所示即为变频器在是否增设进线电抗器情况下的输入电流波形，从波形可以直观的看出两者的区别。

(a) 不带进线电抗器

(b) 带进线电抗器

图5 变频器输入侧电流波形

2.3 变频器控制策略仿真与分析

(1) 转速开环恒压频比控制。根据理论分析的恒压频比控制的实现过程，搭建相应的仿真模型，输出PWM波，控制逆变桥部分。采用恒压频比控制时，主要观察三相异步电动机的起动电流是否比较大，如果较大，应予以限制。可通过对频率给定做出改进，一般使其在起动过程中电流不超过额定电流的1.5倍。

三相异步电动机带满载运行，观察采用恒压频比控制时的运行性能，尝试加入低频定子压降的补偿，对比补偿/不补偿的区别与联系，从中体会恒气隙磁通控制的优势。

对输出线电压、相对于直流母线中点的输出相电压进行低通滤波，选取合适的截止频率，观察它们与对应的调制波(即期望输出的电压)有何不同。可以选择分别比较多种情况，比如在30 Hz/228 V和50 Hz/380 V两种状况。

(2) 三次谐波注入控制。对于三相变频调速系统来讲，通用变频器的输出取决于直流母线电压和PWM的控制方式。在相同的直流母线电压和输出频率下，常规的SPWM难以获得较高的输出电压，而三次谐波注入式PWM能够有效利用直流母线电压，提高输出电压水平。尝试通过三次谐波注入法使逆变器输出50 Hz/380 V的正弦线电压。设计思路为：在control box中完成对三次谐波的设置，首先设置互差120°的且幅值为1.15(调制波与载波的比值)的基频调制正弦波，然后与三次谐波相减，得到含三次谐波的调制波，再通过三角载波比较之后产生6组PWM波提供逆变单元的6个开关器件。图6所示为三次谐波注入时变频器输出的相电压和线电压波形。

(3) 转速闭环转差频率控制。转速闭环的转差频率控制，能够实现电动机始终以允许的最大电磁转矩加速，且运行于每一条机械特性的线性段，不会出现过流。该控制具有良好的动态特性，抗负载干扰性能也较好，转速控制精度高。为保证转差频率与电磁转矩的线性关系，需通过转差频率指令限幅和电压补偿来满足条件。搭建基于转速闭环转差频率控制的仿真控制模型进行分析，用实际波形的对比说明其具有比恒压频比开环控制更优良的动静态特性。

(a) 相电压

(b) 线电压

图6 三次谐波注入时变频器输出电压波形

3 结 语

本文基于Matlab仿真软件，搭建了通用变频器-三相异步电动机的仿真教学平台。该平台让学生通过仿真分析验证理论知识，主要服务于电气工程专业本科生课程“电力拖动自动控制系统”和研究生课程“交流变频调速”的教学。通过一系列的仿真训练，该平台有助于提高学生的电路设计、仿真分析以及解决问题的能力。