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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(PowerMOSFET).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(PowerIC)，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(IntelligentPowerModuleIPM)
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