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变频器

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基于Matlab/Simulink的变频系统仿真

导读: 在Simulink(7.04)工具箱中有电力系统SimPowerSystem的工具箱,为变频器仿真提供了几乎所需的全部元器件,所以使用它们很容易进行仿真。

0 引言
                       
  节能减排对于保护环境和国民经济的可持续发展有着巨大作用,己得到世界各国政府和人民的重视,为节省工业用户中使用电动机时消耗的大量的电能,交流变频器调速用得愈来愈多,特别是在风机,泵类的调速中。
                       
  不仅如此,在一些可再生能源的装置中也要大量采用变频装置。例如在风力发电利用永磁发电机发电的直驱发电系统中,其产生的低频电压须经变频后向工频电网送电;又如风力发电中目前广泛采用双馈感应发电机(DFIG),允许转子异步运行,但又要和电网联接,稳定运行,这时必须要向转子输入滑差频率的电流,因滑差可正可负,要求变频器既能送出电能到转子,又能将转子能量反馈到电网。
                       
  众所周知,变频器最主要的部件是逆变器,早期的逆变器,比如三相桥式逆变器常采用6脉冲运行方式,其输出电压为方波或阶梯波,谐波含量很大。
                       
  近年来,随着开关频率允许很高的全控型电力电子器件,如IGBT,GTR,IGCT等的问世,逆变器的控制大多被脉宽调制PWM代替,其中以正弦波脉宽调制SPWM 用得最多。PWM的优点是可以同时完成调频、调压的任务,使输出电压中谐波含量极大地减少,此外由于开关频率高,所以有利于快速电流控制。在设计和研究变频器时,最方便的方法,无疑是利用仿真工具,应该说经过近三十年发展起来的MATHWORKS公司的Matlab软件,特别是它提供的Simulink仿真工具,应是最佳选择之一,它是功能十分强大而齐全的仿真软件,有许多工具箱,用户可以从工具箱中取出所需的元器件,通过联接等操作,建立与实物相对应的数学模型,从而对它进行测试,所得仿真结果可供设计研究参考。
                       
  在Simulink(7.04)工具箱中有电力系统SimPowerSystem的工具箱,为变频器仿真提供了几乎所需的全部元器件,所以使用它们很容易进行仿真。文献[1]是这类仿真的一个范例,它对一个双PWM 交-直- 交逆变系统进行了仿真,即将1 000 Hz,500 V的三相交流电压转换为50 Hz,400V的三相交流电压,仿真时全部应用工具箱内的元器件,包括PWM发生器。
                       
  应该指出在实际变频器的应用中,要求变频器输出的不是某个固定频率,而是频率、幅值能变化的输出电压。例如双馈感应发电机(DFIG)转子侧的变频系统,随着风速及转子转速的变化,向转子侧供电的电流的大小和滑差频率也都要相应变化,这样从工具箱中取出的、具有固定输出频率和恒定电压的SPWM发生器就不能胜任,必须要由外部控制的SPWM发生器来实现,本文采用设计的PWM 发生器的外控单元,来实现变频器可变的输出电压频率和幅值的实时仿真。
                       
1 交-直-交变频器的结构类型
                       
  图1为典型的交-直-交变频器原理图,主要由整流器Rectifier(可控或不可控),及直流侧电容器C,电压源逆变器VSI,以及用于控制的PWM发生器组成。实际中还可能有输入、输出侧滤波器(图1中未画出),此外图1上还表示出了三相电源及负荷电动机,这是一种比较典型的用法。


                       
  图2 表示了风力发电DFIG 用的向转子供电的变频系统原理图,除了电网(Ac Power Grid)和DFIG外,它主要由电网侧逆变器(Inverter on Grid Side)和转子侧逆变器(Inverter on Rotor Side)及各自连接的PWM发生器,和直流侧电容器C组成。当转子速度小于定子磁场的同步转速时,网侧逆变器工作于整流状态,转子侧逆变器工作于逆变状态,反之,当转子速度大于同步转速时,转子侧逆变器工作于整流状态,网侧逆变器工作于逆变状态,这种变频器工作时能量是双向流动的。因此图1类型的变频器己不适用。为维持直流电压稳定,通常给两台逆变器直流侧并接电容器C,构成电压源逆变器,图2中还备有滤波器(Filter),以保证进入转子电流波形为正弦波。
                       
  对向DFIG转子供电的变频器的要求是,所供电流的频率和幅值都是可变和可控的。

 

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责任编辑:siliver
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