矢量控制交流变频调速系统设计-毕业论文.doc

毕业设计（论文）题 目：矢量控制交流变频调速系统设计 姓 名： 学 号： 0904150109 指导教师（职称）： 文小玲（教授） 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 2009自动化01 所 在 学 院： 电气信息学院 2013年5月武汉工程大学 毕业设计目 录摘 要IIAbstractIII第一章 绪论11.1 变频调速技术的发展11.2 变频调速系统的类型及其主电路结构21.3 变频调速系统的控制方法61.4 设计任务与要求8第二章 系统主电路设计92.1 主电路结构设计92.2 主电路参数计算及元器件选型分析10第三章 三相异步电动机的矢量控制数学模型153.1 异步电动机在三相坐标系上的数学模型和性质153.2 坐标变换203.3 异步电动机在两相dq同步旋转坐标系上的数学模型233.4 按转子磁链（磁通）定向的数学模型25第四章 异步电动机的矢量控制策略274.1 矢量控制的基本思想274.2 按转子磁场定向的矢量控制方法的实现28第五章 系统仿真建模与分析335.1 MATLAB/SIMULINK简介335.2 仿真模型的建立335.3 系统仿真分析36总结与展望39致 谢41参考文献43- -武汉工程大学 毕业设计摘 要变频调速是交流电动机各种调速方式中效率最高、性能最好的调速方法,在整个交流调速中占有重要的地位。采用MATLAB软件包中的SIMULINK对基于数学模型基础上的电气传动控制系统进行仿真建模，具有建模简便、结构直观、操作灵活等优点，并且仿真结果具有较高的精度。 本文介绍了现代交流调速系统的发展概况、小容量矢量控制的变频调速系统的主电路设计方法、三相异步电动机在三相坐标系和两相坐标系下的动态数学模型及其矢量控制方法。并在此基础上应用MATLAB/SIMULINK仿真工具建立了按转子磁场定向的异步电动机矢量控制变频调速系统的仿真模型，并对其性能进行了仿真分析。仿真结果证明了所设计的系统主电路及其控制算法的可行性和有效性。关键词：MATLAB/SIMULINK；矢量控制；异步电动机；仿真- -武汉工程大学 毕业设计AbstractVariable-frequency speed regulation is the most efficient way and the best performance and plays an important role in the whole motor speed control. The electric transmission control system simulation models are based on mathematical models used the SIMULINK which belongs to the MATLAB software package to simulate, it provides with modeling a simple, intuitive structure, operational flexibility and other advantages, and the simulation results with high accuracy.This article describes the development of modern AC drive system overview, small-capacity vector control inverter main circuit system design, three-phase three-phase asynchronous motor in the coordinate system and the two-phase coordinate system dynamic mathematical model and its vector control methods. And on this basis the application of MATLAB / SIMULINK simulation tool created by the rotor field oriented vector control of induction motor variable speed system simulation model, and its performance is simulated. Simulation results show that the designed system main circuit and control method is feasible and effective.Key words: MATLAB/SIMULINK；Vector control；Asynchronous motor；Simulation- -武汉工程大学 毕业设计第一章 绪论1.1 变频调速技术的发展电动机作为主要的动力设备被广泛应用于工农业生产、国防、科技、日常生活等各个方面，其负荷约占总发电量的60- 70，成为用电量最多的电气设备。根据采用的电流制式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类，其中交流电动机形式多样、用途各异、拥有量最多，交流电动机又分为同步电动机和异步(感应)电动机两大类。根据统计，交流电动机用电量占电机总用电量的85左右，可见交流电动机应用的广泛性及其在国民经济中的重要地位1。现代变频技术是交流电动机控制技术的核心,而变频技术的核心是功率变换器件和微电子控制技术。电力电子和微电子技术的发展,推动了变频技术的发展,反过来变频技术的发展又对电力电子变换器件提出了新的要求。20世纪是电力电子变频技术从诞生到发展的一个全盛时代。20世纪30年代应用机械旋转式变频机组,将工频电源变换成低于工频以下的电源,功率变换器件是原动机发电机组,存在效率低、损耗大、噪声大、体积大等问题。60年代SCR(晶闸管)问世,70年代晶闸管变频器开始逐步取代变频机组,进入了电力电子变频技术时代,使变频技术有了新的发展。但是，由于晶闸管换向是靠外界电源直接控制关断,因此需要复杂的换向电路和电压,且电流保护回路控制复杂,开关频率低,目前主要用于交交变频器。80年代GTR(自关断器件大功率双极性晶闸管)的问世,出现了高性能GTR变频器,其性能大大优于晶闸管变频器,很快就在工业领域得到广泛应用,并盛行一时。然而，由于GTR、GTO(可关断晶闸管)为电流控制器件,存在驱动功率大、开关频率低、并联困难等问题,难以实现大容量化及高频低损耗。用户的高频化要求推动了功率器件栅极的MOS化,90年代MOS场效应型IGBT(绝缘栅极晶闸管Insulated Gate Bipolar Transistor)广泛用作变频器的功率变换器件。因为IGBT具有开关频率高、并联容易、易实现高压大容量化、控制方便的特点,所以一登场就体现了强大的生命力,很快取代了GTR,其应用从通用变频器（INV)、不间断电源(UPS)、伺服(SV)、机器人,以至扩大到家用电器、办公自动化、医疗器械、太阳能发电等众多领域。IGBT变频器己成为当代变频调速技术的主流,而且在相当长的一段时间内仍将是电气传动领域的主导变频器。同时,IGBT智能化模块(IGBT一IPM)及智能化变频器将会有很大的发展。功率器件及变频器的智能化是将功率变换、驱动、检测、控制、保护等功能集成化,实现高效节能、功能全面、高附加值化。而且，不断研制出各种新型电力电子器件IGCT(集成门极强驱动晶闸管Integrated Gate Commutated Thyristor)、MCT(MOS控制晶闸管MOS Controlled Thyristor)、IEGT(集成发射式门极晶闸管Integrated Emit Gate Thyristor)、GaAs(砷化镓)、SIC(碳化硅复合器件)、SITH(静电感应晶闸管Static Induct Thyristor)、光控IGBT及超导功率器件等新功能功率变换器2。在国民经济建设和国防科技事业的进程当中，交流调速的应用极为广泛和重要。20世纪60年代以后，由于生产发展的需要和节省电能的要求，促使世界各国重视交流调速技术的研究与开发。尤其是20世纪70年代以后，由于科学技术的迅速发展为交流调速的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础。随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术己成为必然的发展趋势。交流电机变频调速技术是当今节能、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，以及其它许多优点而成为目前广泛应用的最有发展前途的调速方式3。 1.2 变频调速系统的类型及其主电路结构 变频器最早的形式是用旋转发电机组作为可变频率电源，供给交流电动机。随着电力半导体器件的发展，静止式的变频电源成为了变频器的主要形式。静止式变频器从变换环节分为两大类：交-直-交变频器和交-交变频器。1.交-交型变频器：它的功能是把一种频率的交流电直接变换成另一种频率可调电压的交流电（转换前后的相数相同），又称直接式变频器。由于中间不经过直流环节，不需换流，故效率很高。因而多用于低速大功率系统中，如回转窑、轧钢机等。但这种控制方式决定了最高输出频率只能达到电源频率的1/31/2,所以不能高速运行。2.交-直-交型变频器：交-直-交变频器是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再直流变换成频率电压可调的交流，又称间接变频器，交-直-交变频器是目前广泛应用的通用变频器。它根据直流部分电流、电压的不同形式，又可分为电压型和电流型两种：（1）电流型变频器电流型变频器的特点是中间直流环节采用大电感器作为储能环节来缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压波形接近正弦波，由于该直流环节内阻较大，故称电流源型变频器。（2）电压型变频器电压型变频器的特点是中间直流环节的储能元件采用大电容器作为储能环节来缓冲无功功率，直流环节电压比较平稳，直流环节内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器。由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率，因此其主要优点是运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响，它主要适用于中、小容量的交流传动系统。与之相比，电流型变频器施加于负载上的电流值稳定不变，其特性类似于电流源，它主要应用在大容量的电机传动系统以及大容量风机、泵类节能调速中4。目前，按电压等级来分，又可将变频器分为低压变频器和中、高压变频器。低压变频器是指输出电压500V 的变频器。所有国内外品牌的低压变频器,其主电路均为电压源型的交-直-交结构,形式上几乎都是两电平6脉冲,用IGBT作逆变开关,电路如图1.1所示。它具有运行稳定、调速范围宽、输出波形好、输入电流谐波含量低、功率因数高、效率高、电路简单的特点, 因而应用十分广泛。使用时应该明确: 当电动机的功率200kW 时,380500V的低压电源可以直接进入主电路的整流环节；当电动机的功率200kW 时,为减少输电线路上的损耗,我国设计规范规定:宜采用高压供电,此时应在高压电源与低压变频器之间装设降压变压器5。图1.1 低压变频器主电路结构中压变频器是指输出电压6kV的变频器。其主电路一般为电压源型的交-直-交结构, 形式上多采用中心点钳位型三电平逆变电路（从图1.2电路结构看是电流源型变频器，用的是两电平逆变器,只是上下桥臂各有3个器件串联）以避免整流及逆变器件串联引起的动态均压问题,主电路如图1.2所示。其整流电路一般是12脉冲,整流变压器初级接成三角形,次级需要两个绕组,一个接成三角形,另一个接成星型。由于两个次级绕组线电压相同, 则它们各相之间相位差为30,这样5次、7次谐波会在初级抵消, 17次、19次谐波也会互相抵消。当经过两个整流桥的串联叠加后,可得到12个波头的整流输出波形,比图1.1中的6个波头更平滑。如果要求更高, 整流电路还可以采用24脉冲, 此时整流变压器次级需4个绕组, 整流桥需4个串联。三电平逆变的变频器,输出波形中会不可避免地产生较大的谐波分量,因此在变频器的输出侧必须配置输出LC滤波器才能用于普通的笼型电机。经LC滤波后,总谐波畸变率THD98%)；采用直接矢量控制,电机转矩可快速变化而不影响磁通,其运行效果接近于直流传动装置。另外,由于是直接变频,电网电压与电机电压相同,容易实现旁路控制。使用中考虑到电流的谐波成分较大,需要专门设计输出滤波器,才能够供电机使用。如果输入端用可控器件实现PWM 整流,会使电网侧的谐波增大,需加进线电抗器滤波6。 图1.2 中压变频器主电路结构高压变频器是指输出电压为610kV 的变频器。其主电路一般采用单元串联多重化技术,即每相由几个低压PWM 变频功率单元串联来实现直接高压输出,如图1.3所示。图中左边的隔离变压器次级绕组的个数与三相功率单元个数相等, 每个绕组给各自的功率单元供电。中间一套3个绕组采用三角形接法,上下各有两套分别超前(12、24)与滞后(12、24)的4个绕组。由5对依次相移12的三角载波对基波电压进行调制,A、B、C各相基波调制所得的5个信号,分别控制该相的5个功率单元,每相经叠加后可得到具有11级阶梯电平的相电压、21级阶梯电平的线电压,相当于30脉冲变频。每个功率单元都是由低压IGBT构成的三相输入、单相输出的低压PWM电压型逆变器组成。这类变频器的特点是:输出谐波很小(有完美无谐波的美称),消除了谐波引起的转矩脉动,电机的发热与噪声大大减少。同时，无须采用均压电路、吸收电路与输入、输出滤波器；输入功率因数0.95,总效率(包括隔离变压器)96%。其中，功率单元电路如图1.4所示，每个功率单元输出电压为1、0、1三种状态电平，每相5个单元叠加，就可产生11种不同的电平等级，分别为5、4、3、2、1和07。 图1.3 高压变频器主电路结构 图1.4 功率单元电路1.3 变频调速系统的控制方法随着交流电机控制等各种技术的发展，矢量控制和直接转矩控制等高性能调速系统相继出现，其中矢量控制以其优良的性能成为目前实际应用最为广泛的调速方法8。根据生产的要求，变频器的型式和电动机的种类，会出现多种多样的变频调速控制方案。目前，交-直-交变频器常用的三种控制方法是转速开环控制、转速闭环矢量控制及直接转矩控制方法。（1）开环控制通用变频器常用转速开环、恒压频比加定子电压低频补偿的控制方式，其基本结构原理框图如图1.5所示，主要由斜坡函数模块、恒压频比模块、PWM信号生成模块组成。这种控制方案结构简单，可靠性高。可以消除动态过程中转矩电流的波动,从而提高了通用变频器的动态性能。但是，由于是转速开环控制方式，其调速精度和动态响应特性并不是十分理想。尤其是在低速区域电压调整比较困难，不可能得到较大的调速范围和较高的调速精度。异步电动机存在转差率，转速随负荷力矩变化而变动，即使目前有些变频器具有转差补偿功能及转矩提升功能，也难以达到0.5%的精度，因此，采用这种控制方法只适用于一般调速要求不高的场合9。图1.5 开环控制系统结构原理框图（2）矢量控制1971年德国的F.Blaschke提出了矢量控制理论，这是一种新的控制理论和控制技术，它解决了交流电机的瞬时转矩控制问题。矢量控制技术根据磁动势等效原则，通过坐标变换将交流异步电机模型等效为直流电动机模型，实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，对交流电机的磁链和电流进行分别控制，从而达到控制瞬时电磁转矩的目的。因而获得了与直流调速系统相同的静、动态性能。矢量控制系统基本结构原理框图如图1.6所示。首先，在按转子磁链定向的MT坐标系中计算出定子电流励磁分量和转矩分量给定值和，经过反旋转变换2r/2s得到和，再经过2/3变换得到，和。然后，通过电流闭环的跟随控制，输出异步电动机所需的三相定子电流。转子磁场定向控制有两种实现方法：转子磁链直接反馈型（称之为直接矢量控制）和磁链前馈型（称之为间接矢量控制，也称作转差频率矢量控制）。目前，实用中较多采用后者，由于其没有实现直接磁链的闭环控制，无需检测出转子磁链，因而容易实现。但是，其控制器的设计在某种程度上依赖于电机的参数，为了减少控制上对电机参数的敏感性，已经提出了许多参数辨识、参数补偿和参数自适应方案，取得了良好的效果10。图1.6 矢量控制系统基本结构原理框图（3）直接转矩控制直接转矩控制技术,是利用空间矢量、定子磁场定向的方法,在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型,计算与控制异步电动机的磁链和转矩,采用离散的两点式调节器(Band-Band控制),把转矩检测值与转矩给定值作比较,使转矩波动限制在一定的容差范围内,容差的大小由频率调节器来控制,并产生PWM脉宽调制信号,直接对逆变器的开关状态进行控制,以获得高动态性能的转矩输出，其控制原理如图1.7所示。它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化,而是取决于转矩的实际状况,它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化,即不需要模仿直流电动机的控制。由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦而简化异步电动机数学模型,没有通常的PWM脉宽调制信号发生器,因此它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调,是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。直接转矩控制在克服了矢量控制弊端的同时，这种粗况式控制方式也暴露出固有的缺陷。一方面控制器采用Bang-Bang控制，实际转矩必然在上下限内脉动；另一方面调速范围受限，低速时，转矩脉动会增加，而且定子磁链观测值会不准。另外，电机参数的时变对直接转矩控制也有影响11。图1.7 直接转矩控制系统原理结构图1.4 设计任务与要求 本设计主要是完成380V/5KVA矢量控制交流变频调速系统的主电路结构及参数设计、控制器结构和参数设计，并用MATLAB/SIMULINK软件平台建立系统仿真模型，进行系统稳态和动态性能分析。 第二章 系统主电路设计变频调速系统组成原理框图如图2.1所示，分为主电路和控制电路两大部分。主电路主要由三相整流桥、直流侧滤波电路、PWM逆变器、输出滤波器组成；控制电路是以DSP控制器为核心，由PWM波形发生器、隔离电路、保护电路、信号采样电路、液晶显示与键盘电路等组成。其基本原理是：将380V/50Hz的三相交流电压经二极管不控整流电路与直流侧电容滤波后变为直流电压，以DSP为核心的控制电路实时采样电压、电流、转速的瞬时值，按照矢量控制算法产生PWM脉冲信号去控制PWM逆变器开关器件的通断，再经输出LC滤波器获得幅值、频率可调的三相正弦交流电压。图2.1 变频电源硬件结构框图2.1 主电路结构设计380V/5KVA矢量控制交流变频调速系统的主电路结构如图2.2所示，主要由三相整流桥、软启动电路、直流滤波电路、指示灯电路、制动电路、PWM逆变器、输出滤波器等组成。各部分的主要作用如下：（1）三相整流电路：将电网输入的三相380VAC进行整流滤波，为变换器提供波纹较小的530VDC直流电压。（2）三相逆变电路：将DC530V电压逆变为频率、幅值可调的三相交流电，提供给负载。（3）输出滤波电路：滤除干扰和谐波，使输出为标准正弦波。（4）直流滤波电路：整流部分和逆变部分的中间环节，起到稳定电压的作用。（5）软启动电路：限制启动电流，保护功率器件。（6）制动电路：实现能耗制动，避免产生泵升电压，损坏功率器件。图2.2 主电路结构图2.2 主电路参数计算及元器件选型分析2.2.1 整流电路及其参数计算通常有三种整流方式:二极管不控整流，晶闸管半控整流和晶闸管全控整流。采用晶闸管半控、全控整流既可以在开机上电后使整流电压逐渐上升到最大值,实现软启动；又可以在电源出现故障时,关断晶闸管,从而关闭直流环节。但由于可控整流的控制比较复杂,目前在大功率变频器等应用领域,整流部分多采用不控整流,跟可控整流相比,这种方式可以提高网侧电压功率因数,而且控制简单,较为经济。本设计中采用了三相桥式不控整流电路，主要优点是电路简单，功率因数接近于1。选用整流管组成三相整流桥，对三相交流电进行全波整流。滤波电容滤除整流后的电压波纹，并在负载变化时保持电压平稳。因为受电容量和耐压的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成。如图2.2中的C1和C2。由于两组电容特性不可能完全相同，在每组电容组上并联一个阻值相等的分压电阻R1和R2。当变频器通电时，滤波电容的充电电流很大，过大的冲击电流可能会损坏三相整流桥中的二极管，为了保护二极管，在电路中串入限流电阻R5，从而使电容的充电电流限制在允许的范围内。当电容充电到一定程度时，使S5闭合，将限流电阻短路。电源指示灯DS除了指示电源通电外，还作为滤波电容放电通路和指示。1、整流二极管的选择整个电源容量为5KVA,输入电压为三相市电,线电压有效值为,输出电压为三相三线制,相电压有效值为，根据系统容量和输入电压值可计算出直流侧最大电压和电流。(1)直流电压Ud 输入为三相交流电压,其峰值电压为,公式（2.1）是三相桥式可控整流电路的公式, Ud是整流出来的直流电压值,U是输入整流桥的交流相电压有效值,是触发角。当把整流桥的可控器件换为二极管时,即不控整流时,=0,则三相不控整流的输出直流电压为 (2.1) 实际应用中,由于直流侧电解电容的稳压作用,当变频电源空载时,直流侧电压的值基本维持在左右。(2)额定状态下直流侧的平均功率 本电源的额定容量为,功率因素此处计算取0.9，考虑到实际中功率开关管等会有损耗，功率因数按设计标准取0.85。 (2.2)(3) 直流电流平均值 (2.3) 整流电路元件选取需要从电流定额和电压耐量两个方面考虑。电流定额： (2.4)电压耐量： (2.5)其中、分别为电流、电压安全裕量系数。为交流输入线电压有效值。2、 储能电容的设计 储能电容的参数通常按如下公式计算： （2.6） 式中T为输入侧直流电压的脉动周期,为直流侧等效负载电阻,装置的额定容量为,考虑阻性负载,直流母线电压为,则： (2.7)直流侧为交流电压(50Hz)经三相全桥整流后的电压,其输出电压一周期内有6个脉波,则,代入式(2.6)可得： (2.8) 考虑到为了提供更稳定的直流母线电压,实际设计中取F/的电解电容两个串联,相当于一个F/的电容。3、充电限流电阻为了在上电时限制电容的充电电流,需要设置充电限流电阻,如图2-1中的电阻R5,设计时希望充电电流最大值在10A左右,而上电瞬间电位差为,那么限流电阻R1的值为： (2.9)考虑到瞬时电流很大,要求电阻可以承受,所以选用大功率的水泥电阻,水泥电阻放热面积大,温度上升率较小,水泥型卷线电阻器耐脉冲特性良好,能面对很大的瞬间电流经过,大约可以承受10倍于额定功率的瞬时功率达5秒钟,即使电阻上功率大了也不容易燃烧,有非常好的阻燃性。而且水泥电阻比较便宜,因此经常被选作为电源上的充电限流电阻。功率的选取,是由电阻上消耗的平均功率来决定的,计算方法如式(2.10)所示： (2.10) 其中P为平均功率,时间T为5秒钟,整流后的直流电压E为530V。又有：，则： (2.11) 实际设计中选用两个100,的水泥电阻并联。2.2.2 逆变电路及其参数计算 作为逆变的一种重要形式,三相逆变器广泛应用于用大电量或三相四线制供电负载场合，其电路拓扑主要有三相全桥式、三相半桥式、三相四桥臂式和组合式等结构。 三相全桥逆变器具有电路拓扑简洁，所用功率器件数少，功率开关电压应力低等优点，但为了提高带不平衡负载的能力，必须在其输出端增加中点形成变压器,从而在一定程度上增加了逆变器的体积和重量。三相半桥逆变器虽然也有上述优点,但其输入直流电源电压利用率较低,而且相同输出电压时功率开关的电压应力较大，为了获得强的带不平衡负载的能力,两个串联的电解电容必须足够大,从而使逆变器体积和重量增加。三相四桥臂逆变器虽然带不平衡负载的能力较强,但其电路拓扑较复杂，所用功率器件数较多，控制也复杂。组合式三相逆变器由3个单相逆变器星形联结构成,能同时实现单相和三相四线制供电。由于每相可分别独立控制,易实现模块化结构，模块冗余技术,因此系统的可靠性高,具有极强的带不平衡负载能力。但是这种电结构的元器件数多，成本高13。PWM逆变器的PWM输出电压会产生很高的dv/dt，损坏电机绝缘。为此，可在逆变器的输出端设置LC滤波电路，以减小dv/dt，滤除高次谐波，改善输出电压波形。 逆变部分主要元件为IGBT。IGBT的选择应考虑以下几个方面的因素：（1） 开关器件额定值(主要为额定电压和电流)的选择。正确选用IGBT有两个关键环节:一是开关器件关断时,在任何被要求的过载条件下,集电极峰值电流都必须处于开关安全工作区的规定之内(即小于额定电流的两倍)；二是IGBT工作时的内部结点温度必须始终保持在150以下(包括过载情况)。（2）开关器件安全工作区的选择。实质上是防止因过电压或过电流引起IGBT损坏或工作不稳定。（3）降额因素的考虑。开关器件的工作环境与测试条件是不同的,通常实际应用中指标会有所下降。基于以上因素,对IGBT的电压电流进行如下计算：电路额定输出容量为5KVA,功率因数0.9,则额定输出功率： (2.12)考虑最大输出功率为额定值的1.2倍,输出相电压有效值为220V,则通过每个IGBT电流的有效值为: (2.13) 则通过IGBT的电流峰值为: (2.14)当上(下)桥臂开通,下(上)桥臂关断时,下管(上管)IGBT两端承受DC53OV电压。为了使电路工作更加安全可靠,这里取两倍电流电压安全裕量,综合考虑元器件性价比等因素，本课题选取Infineon公司生产的SGW25N12O型IGBT,该器件具有封装小、功耗低、功率寿命周期高等优点,规格为1200V/25A。2.2.3 输出滤波器 为保证变频电源输出波形正弦度好、失真度小,必须在逆变电路输出端安装滤波器。输出滤波电路常用的是L型或型滤波器。如图2.3所示： （A）L型 （B)型 图2.3 滤波器结构 其中L型滤波器形式简单,应用也较广,故本系统采用此种设计。 滤波器参数选择时,应考虑以下几点要求: 1、在满足输出电压波形失真度要求的前提下,尽量提高滤波器的谐振频率,以减小其体积和重量。2、滤波电路应具有较低的输出阻抗,以减小负载变化时对滤波器滤波效果的影响。3、尽量低的损耗。一般按照低通滤波器的计算方法进行设计,使滤波器基波频率落在通带之内,从而达到抑制谐波，保留基波的目的14。忽略电感线圈内阻和电容漏电阻,带纯阻性负载R的L型滤波器传递函数为: （2.15）式中表示无阻尼震荡频率，；为阻尼比，；由式（2.15）得： (2.16)由式（2.16）可知高频信号通过滤波器的衰减倍数为，低频信号则不衰减，由此可见L型滤波器是低通滤波器,其截至频率： (2.17) 逆变输出电压基波频率f0 fc时,滤波器对基波信号阻力小,允许其通过；最低次谐波频率丘时,滤波器对最低次谐波阻力大,不允许其以及高于其频率的信号通过。如果滤波器截止频率选得过高,谐波衰减减小,必然导致滤波效果下降,系统中的高频分量得不到很好的抑制,输出电压不能满足波形失真度的要求；反之若频率选得过低,L、C值增大,滤波电感和电容的体积和重量也会增加,而且滤波电路引起的相位滞后变大,影响整个闭环控制系统的稳定性。因此,应当在保证滤波效果的前提条件下,尽量提高滤波器的截止频率。本课题中输出电压基波频率为50Hz,其谐波分量集中在开关频率10KHz附近,故设截止频率为2KHz可有效滤除高次谐波。由式（2.17）可得： (2.18)式中为特性阻抗，。三相输出功率为5KVA,输出相电压为220V,可以得到: (2.19)综合式（2.18)和式（2.19）可得：L=l.35mH，C=4.7F。第三章 三相异步电动机的矢量控制数学模型 一般来说，交流变速传动系统，特别是变频传动系统的控制是比较复杂的，要设计研制一个品质优良的系统，要确定最佳的控制方式，都必须对系统的静态和动态特性进行充分的研究。交流电机是交流变速传动系统中的一个主要环节，其静态和动态特性以及控制技术远比直流电机复杂，而建立一个适当的异步电机数学模型则是研究交流变速传动系统静态和动态特性及其控制技术的理论基础15。3.1 异步电动机在三相坐标系上的数学模型和性质3.1.1 异步电动机在三相坐标系上的数学模型 异步电动机是一个高阶、非线性和强耦合的多变量系统。这是因为首先异步电动机在进行变频调速时，电压和频率之间必须进行协调控制，故输入变量有电压和频率。而在输出变量中，除转速以外，由于在调速过程中必须保持磁通为恒定，所以磁通也是一个控制量，而且是一个独立的输出量。再考虑异步电动机是三相的，所以异步电动机的动态数学模型是一个多输入、多输出(多变量)的系统，而电压(电流)、频率、磁通、转速之间又相互影响，所以它是一个强耦合的多变量系统。其次，异步电动机的电磁转矩是磁通和电流相互作用产生的，旋转感应电动势是转速和磁通相互作用产生的，因此，在数学模型中会含有两个变量的乘积项，再考虑磁饱和的因素，所以异步电动机的数学模型是一个非线性的系统。最后，由于异步电动机定、转子三相绕组中的电流产生的磁通存在电磁惯性，转速的变化存在机械惯性等因素，所以异步电动机的数学模型是一个高阶系统16。在研究异步电动机的多变量数学模型时，常做如下假设：1、 忽略空间谐波，设三相绕组对称(在空间互差120电角度)，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布;定子、及三相转子绕组、在空间对称分布2、 忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的3、 忽略铁心损耗4、 不考虑温度和频率的变化对电机参数的影响无论电动机转子是绕线型的还是鼠笼型的，都将它等效成绕线转子，并折算到定子侧，折算后的每相绕组匝数都相等。这样，实际电动机就被等效为图3.1所示的三相异步电动机的物理模型。图中，定子三相绕组轴线、在空间是固定的，故定义为三相静止坐标系。设轴为参考坐标轴，转子以速度旋转，转子绕组轴线为、随转子旋转。转子轴和定子轴间的电角度差为空间角位移变量。规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则17。这时，异步电动机的数学模型由下述的电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。 图3.1 三相异步电动机的物理模型1、电压方程式三相定子绕组电压平衡方程式为 （3.1） （3.2） （3.3）与此相应，三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程式为 （3.4） （3.5） (3.6）式中， ，定子和转子相电压的瞬时值；， 定子和转子相电流的瞬时值；， 各相绕组的全磁链；， 定子和转子绕组的电阻；上述各量都已折算到定子侧，为了简单起见，表示折算的上角标“ ”均省略将电压方程用矩阵形式，并用微分算子代替微分符号 (3.7)或写成 (3.8)2、磁链方程式每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和，因此，六个绕组磁链可表达为 (3.9)或写成