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交流调速系统仿真分析1 课题来源 本课题来源于三峡大学电气与新能源学院毕业论文自选课题。2 研究的目的和意义 电动机(尤其是交流电动机)在工业.农业.交通运输.国防军事设施以及日常生活中被广泛的应用。其中许多的场合有着调速的要求从节能的角度出发。开发研究与风机，泵类负载相适应的配套调速装置，市场是非常广阔的，与我国的经济能源状况相适应，对交流系统进行建模仿真，可以熟悉交流调速系统的结构，掌握各种调速系统的优缺点，选择合理的方案，解决实际中的问题。3 国内外的研究现状和发展趋势 目前，交流调速已进入逐步替代直流调速的时代。电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。50年代末出现了晶闸管，由晶闸管构成的静止变频电源输出方波和阶梯波的交变电压，取代旋转变频机组实现了变频调速，然而晶闸管属于半控型器件，可以控制导通，但不能由门极控制关断，因此由普通晶闸管组成的逆变器用于交流调速必须附加强迫换相电路。70年代以后，功率晶体管(GTR).门极关断晶闸管(GTO晶闸管).功率场效应晶闸管(Power MOSFET).绝缘栅双极晶体管(IGBT)。 MOS控制晶闸管(MCT)等已经先后问世，这些器件都是既能控制导通又能控制关断的自关断器件，又称全控型器件。它不再需要强迫换相电路，使得逆变器构成简单.结构紧凑。IGBT由于兼有MOSFET和GTR的优点，是用于中小功率目前最为流行的器件，MCT则综合了晶闸管的高电压.大电流的特性和MOSFET的快速开关特性，是极有发展前景的大功率.高频率开关器件。电力电子器件正在向大功率化.高频化.模块化.智能化的方向发展。80年代以后出现的功率集成电路(Power IC)，集功率开关器件，驱动电路，保护电路，接口电路于一体，目前已应用于交流调速的智能功率模块(Intelligent Power Module IPM)采用IGBT作为功率开关，含有电流传感器.驱动电路及过载.短路.超温.欠电压保护电路，实现了信号处理.故障诊断.自我保护等多种智能功能，既减少了体积.减轻了重量，又提高了可靠性，使用.维护都更加方便，是功率器件的重要发展方向。 随着新型电力电子器件的不断涌现，变频技术获得飞速发展。以普通晶闸管构成的方波型逆变器被全控型高频率开关器件组成的脉宽调制(PWM)逆变器取代后，SPWM逆变器及其专用芯片得到了普遍应用。磁通跟踪型PWM逆变器以不同的开关模式在电机中产生的实际磁通去逼近定子磁链的给定轨迹理想磁通圆，即用空间电压矢量方法决定逆变器的开关状态，形成PWM波型，由于控制简单.数字化方便，有取代传统SPWM 的趋势，电流跟踪型PWM逆变器为电流控制型的电压源逆变器，兼有电压和电流控制型逆变器的优点，只是电流跟踪型PWM逆变起更因其电流动态响应快.实现方便，受到重视。目前，随着器件开关频率的提高，并借助于控制模式的优化消除指定谐波，已使PWM逆变器的输出波形非常逼近正弦波。但在电网侧，尽管以数控整流器取代了相控整流器，使基波功率因数接近于1，然而电流谐波分量大，总的功率因数仍很低，消除对电网的谐波污染并提高功率因数已构成变频技术不可回避的问题。为此，PWM整流技术的研究.新型单位功率因数变流器的开发，在国外已引起广泛关注。PWM逆变器工作频率的进一步提高将受到开关损耗的限制，特别是大功率逆变器，工作频率不取决于器件开关速度而受限于开关损耗。近年研究出的谐振型逆变器是一种新型开关逆变器，由于应用谐振技术使功率开关在零电压下或零电流下进行开关状态转换，开关损耗几乎为零，使效率提高.体积减小.重量减轻.成本降低，是很有发展前景的变频器。在变频技术日新月异发展的同时，交流电动机控制技术取得了突破性的进展。由于交流电动机是多变量.强耦合的非线性系统，与直流电动机相比，转矩控制要困难的多。70年代提出的矢量控制理论解决了交流电动机的转矩控制问题，应用坐标变换将三相系统等效为两相系统，在经过按转子磁场定向的同步旋转变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的。这样就可以将一台三相异步电动机等效为直流电动机来控制，因而获得了与直流调速系统同样优良的静.动态性能，开创了交流调速与直流调速相竞争的时代。直接转矩控制是80年代中期提出的又一转矩控制方法，其思路是把电机与逆变器看作一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通.转矩计算，通过磁通跟踪型PWM逆变器的开关状态直接控制转距。因此，无需对定子电流进行解耦，免去了矢量变换的复杂计算，控制结构简单，便于实现全数字化，目前正受到各国学者的重视。近10多年来，各国学者致力于无速度传感器控制系统的研究，利用检测定子电压.电流等容易测量的物理量进行速度估算以取代速度传感器。其关键在于在线获取速度信息，在保证较高控制精度的同时，满足实时控制的要求。速度估算的方法，除了根据数学模型计算电动机转速外，目前应用较多的有模型参考自适应法和扩展卡尔曼滤波法。无传感器控制技术不需要检测硬件，也免去了传感器带来的环境适应性.安装维护等麻烦，提高了系统的可*性，降低了成本，因而引起了广泛兴趣。微处理机引入控制系统，促进了模拟控制系统向数字控制系统的转化。数字化技术使得复杂的矢量控制得以实现，大大简化了硬件，降低了成本，提高了控制精度，而自诊断功能和自调试功能的实现又进，一步提高了系统可*性，节约了大量人力和实践，操作.维修都更加方便。微机运算速度的提高.存储器的大容量化，将进一步促进数字控制系统取代模拟控制系统，数字化己成为控制技术的方向。随着现代控制理论的发展，交流电动机控制技术的发展方兴未艾，非线性解耦控制.人工神经网络自适应控制.模糊控制等各种新的控制策略正在不断涌现，展现出更为广阔的前景，必将进一步推动交流调速技术的发展。4 研究的主要内容及设计成果的应用价值4.1研究的主要内容本课题的任务是在对交流调速系统进行设计的基础上进行参数整定、系统建模。而后使用MATLAB软件进行仿真。通过仿真调试对参数进行修正，以期获得较好的运行结果。这种仿真可以为真实系统的搭建提供数据指导。在此课题的完成过程中要求设计者对交流调速理论和计算机仿真手段要有较深刻的认识和掌握。4.2 应用价值通过课题的研究与实践，熟悉了MATLAB的仿真功能。通过课题的研究与实践，掌握了交流调速的原理和系统的设计。5工作的主要阶段、进度（1）2010年秋季学期第10周前接受毕业设计任务书，学习毕业设计（论文）要求及有关规定。（2）2010年秋季学期第1120周阅读指定的参考资料及文献(包括5-10万个印刷符号与课题或本专业相关的外文资料)，完成开题报告、外文翻译任务。（3）2010年秋季学期第21周 上交开题报告、外文翻译，指导教师批阅。（4）2011年春季学期第2周前 总体方案设计。（5）2011年春季学期第311周 完成毕业设计要求的全部内容。（6）2011年春季学期第1213周 完成毕业论文，全部成果交指导教师批阅。（7）2011年春季学期第15周 毕业答辩。6最终目标及完成时间 完成毕业论文，达到熟练掌握交流调速系统仿真与分析的目标。 完成时间：2011年春季学期第15周以前。7现有条件及必须采取的措施现有MATLAB软件，可以完成交流调速系统仿真与分析的研究目的，在设计中必须严格按照操作步骤要求完成。8协助单位及要解决的主要问题 本课题完成应解决交流系统的仿真与分析的问题，同时需要指导教师的大力支持，在这里表示感谢。参考文献1薛定宇.控制系统计算机辅助设计.清华大学出版社.2007年6月2 陈伯时.交流调速系统.机械工业出版社.2005年4月3陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社.2006年9月4 魏克新，王云亮等.MATLAB语言与自动控制系统设计.机械工业出版社.2004年9月5 吴旭光，杨慧珍，王新民.计算机仿真技术.化学工业出版社.2005年8月6 曾繁玲. Matlab/ Simul ink 在“电机拖动与控制”中的应用. 电气电子教学学报. 2008 年6 月7 张武.MATLAB 优化工具箱及其应用.农业网络信息.2008 年第8 期8 薛俊伟. 基于Matlab/Simulink的异步电机直接转矩控制系统仿真. 计算机应用. 2008年5月9 马举,刘齐宏,冷静.基于MATLAB/SIMULINK 交流变频调速系统的仿真研究. 中国测试技术.2008年3月10 胡乃平,马海菊,王红. 基于MA TLAB 的感应电机驱动系统建模与仿真. 机械工程与自动化. 2008年8月11 刘俊. 三相交交变频电源的仿真设计.湖南工程学院学报. 2008年3月12高志宏直流调速数字控制系统的仿真设计与参数优化. 机电工程. 2008年8月13张波. 直流调速系统的SIMULINK仿真.电子测试.2008年6月14 晁盛远，王凯.直流无刷直流电机的建模与仿真.计算机术与自动化.2008年6月15 杨华丽，赵辉.滞环SVPWM整流器的SIMULINK仿真.天津理工大学学报.2008年4月16 邵玫.基于SIMULINK 环境建立变流电路的仿真. 绿色质量工程 2008年第7期
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