变频器的工作原理
从整体的结构上看，电力电子变压变频器可分为交直交和交交两大类。
1.交-直-交变压变频器
交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，在通过逆变器变换成可控频率和电压的交流。

普通交-直-交变压变频器的基本结构

2. 交-交变压变频器
交-交变压变频器的基本结构如下图所示，它只有一个变换环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成VVVF输出，因此又称直接式变压变频器。有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器（Cycloconveter）。
工作方式分为180o导电型和120o导电型。
交-直-交变压变频器中的逆变器一般接成三相桥式电路，以便输出三相交流变频电源，下图为6个电力电子开关器件VT1 ~ VT6 组成的三相逆变器主电路，图中用开关符号代表任何一种电力电子开关器件。

1. 180o导电型
   同一桥臂上、下两管之间互相换流的逆变器称作180°导通型逆变器。
   例如，当VT1关断后，使VT4导通，而当VT4关断后，又使VT1导通。这时，每个开关器件在一个周期内导通的区间是180°，其他各相亦均如此。由于每隔60°有一个器件开关，在180°导通型逆变器中，除换流期间外，每一时刻总有3个开关器件同时导通。
2. 120°导通控制方式
   120°导通型逆变器的换流是在不同桥臂中同一排左、右两管之间进行的。
   例如，VT1关断后使VT3导通，VT3关断后使VT5导通，VT4关断后使VT6导通等等。这时，每个开关器件一次连续导通120°，在同一时刻只有两个器件导通，如果负载电机绕组是Y联结，则只有两相导电，另一相悬空。
   交-直交电流型变频调速系统
   1.结构
   可控整流—用电压控制环节控制其输出电流电压
   电流源逆变器－－用频率控制环节控制其输出电压。
   差别在于滤波环节。
   绝对值比较器
   绝对值运算器是将正、负极性的输入信号变为单一极性，但大小和原始信号相同的输出信号。
   逻辑开关
   逻辑开关是根据给定信号，决定系统正向或者反向封锁。要求实现双封、反向封锁和正向封锁三种状态。
   PWM变频调速系统
   早期的交-直-交变压变频器所输出的交流波形都是六拍阶梯波（对于电压型逆变器）或矩形波（对于电流型逆变器），这是因为当时逆变器只能采用半控式的晶闸管，其关断的不可控性和较低的开关频率导致逆变器的输出波形不可能近似按正弦波变化，从而会有较大的低次谐波，使电机输出转矩存在脉动分量，影响其稳态工作性能，在低速运行时更为明显。
   为了改善交流电动机变压变频调速系统的性能，在出现了全控式电力电子开关器件之后，科技工作者在20世纪80年代开发了应用PWM技术的逆变器。
   由于它的优良技术性能，当今国内外各厂商生产的变压变频器都已采用这种技术，只有在全控器件尚未能及的特大容量时才属例外
   正弦波脉宽调制(SPWM)技术
   1）. SPWM调制原理
   以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。
   按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation，简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。
   2）. SPWM控制方式
   如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。
   如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。
   3）. PWM调制方法
   载波比——载波频率 fc与调制信号频率 fr 之比N，既 N = fc / fr
   根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。
   （1）异步调制
   异步调制——载波信号和调制信号不同步的调制方式。
   通常保持 fc 固定不变，当 fr 变化时，载波比 N 是变化的；
   在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称；
   当 fr 较低时，N 较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小；
   当 fr 增高时，N 减小，一周期内的脉冲数减少，PWM 脉冲不对称的影响就变大。
   （2）同步调制
   同步调制——N 等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。
   基本同步调制方式，fr 变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定；
   三相电路中公用一个三角波载波，且取 N 为3的整数倍，使三相输出对称；
   为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数；
   fr 很低时，fc 也很低，由调制带来的谐波不易滤除；
   fr 很高时，fc 会过高，使开关器件难以承受。
   （3）分段同步调制
   把 fr 范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同；
   在 fr 高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；
   在 fr 低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低。
   （4）混合调制
   可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。
   3 准正弦波脉宽调制法
   1）. 调制原理
   在SPWM法中，逆变器的输出幅值与调制系数M成正比是有一定限制条件的。为了实现线性控制的要求，正弦调制信号的最大幅值必须小于三角波幅值。在调制系数M=1时，输出的相电压的基波幅值为Ud/2，线电压的基波幅值为0.866Ud，直流电压利用率仅为0.866。为了提高直流电压利用率，可以在相电压正弦调制信号中叠加适当大小的3次谐波，使之成为鞍形波。
   4 单元脉宽调制法
   1）. 调制原理
   单元调制PWM法是基于使逆变器输出线电压接近正弦的一种脉宽调制方法。根据在三相对称和输出线电压的情况下，有uab+ ubc+ uca=0的关系，即任何时刻某一线电压等于另外两个线电压之和的反相，如uab=ucb+ uac。此外，将uab、 ubc、 uca在60º的单元区间线性化，用两个等腰三角形调制波代替正弦调制波
   **5 消除指定次数谐波的PWM(SHEPWM)控制技术 **
   脉宽调制（PWM）的目的是使变压变频器输出的电压波形尽量接近正弦波，减少谐波，以满足交流电机的需要。要达到这一目的，除了上述采用正弦波调制三角波的方法以外，还可以采用直接计算的下图中各脉冲起始与终了相位1, 2,…, 2m的方法，以消除指定次数的谐波，构成近似正弦的PWM波形（Selected Harmonics Elimination PWM―SHEPWM）。
   6 电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术
   应用PWM控制技术的变压变频器一般都是电压源型的，它可以按需要方便地控制其输出电压，为此前面两小节所述的PWM控制技术都是以输出电压近似正弦波为目标的。
   但是，在电流电机中，实际需要保证的应该是正弦波电流，因为在交流电机绕组中只有通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不含脉动分量。因此，若能对电流实行闭环控制，以保证其正弦波形，显然将比电压开环控制能够获得更好的性能。
   常用的一种电流闭环控制方法是电流滞环跟踪 PWM（Current Hysteresis Band PWM ——CHBPWM）控制，具有电流滞环跟踪 PWM 控制的 PWM 变压变频器的A相控制。
   小 结
   电流滞环跟踪控制方法的精度高，响应快，且易于实现。但受功率开关器件允许开关频率的限制，仅在电机堵转且在给定电流峰值处才发挥出最高开关频率，在其他情况下，器件的允许开关频率都未得到充分利用。为了克服这个缺点，可以采用具有恒定开关频率的电流控制器，或者在局部范围内限制开关频率，但这样对电流波形都会产生影响。
   
   QY-BC04集可编程逻辑控制器、通信编辑器、编程软件、工控组态软件、仿真教学软件、模拟控制实验挂箱、实物等于一体，可进行PLC的基本指令训练，多个应用广泛的PLC实际应用模拟实验和实物控制实验，配备三相鼠笼异步电机、继电器、变频器能完成多个电气控制实验。
   实验项目
   1．与、或、非逻辑功能实验
   2．定时器、计数器功能实验
   3．跳转、分支功能实验
   4．移位寄存器实验
   5．数据处理功能实验
   6．微分、位操作实验
   7．交通信号灯PLC自动控制实验
   8．搅拌器的PLC自动控制实验
   9．LED数码官显示PLC自动控制实验（实物）
   10．四层电梯的PLC自动控制实验（实物）
   11．加工中心刀具库选择控制实验（实物）
   12．艺术彩灯造型的PLC控制实验
   13．电机的自动控制实验 （实物）
   14．步进电机的PLC控制（实物）
   15．模拟电视发射塔实验实验
   16．自动送料装车系统控制实验
   17．自动售货机实验
   18．自动成型实验
   19．水塔自动供水控制系统实验
   20．邮件自动分拣实验
   21．自动洗衣机控制系统模拟实验
   22．电镀过程控制实验
   23．三相鼠笼式异步电动机点动和自锁PLC控制(实物)
   24．三相鼠笼式异步电动机联动正反转PLC控制(实物)
   25．三相鼠笼式异步电动机带延时正反转PLC控制(实物)
   26．三相鼠笼式异步电动机Y/△转换起动PLC控制(实物)
   27．变频器功能参数设置与操作实验
   28．基于PLC通信方式的变频器开环调速
   29．变频器速度闭环反馈系统实验
   30．变频器开环运行实验
   31．变频器多段速度运转实验
   32．变频器外部操作实验
   33．MCGS组态棒图实验教学,利用已编辑好组态棒图,对以上任何实验进行动态跟踪教学实验
   34．针对实验项目的具体要求，学生自行编辑组态棒图进行实验。

1 绪论

1. 1.  课题研究背景及目的

1.1.1 研究背景

直流调速系统的主要优点在于调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能。在相当长时期内，高性能的调速系统几乎都是直流调速系统。尽管如此，直流调速系统却解决不了直流电动机本身的换向和在恶劣环境下的不适应问题，同时制造大容量、高转速及高电压直流电动机也十分困难，这就限制了直流拖动系统的进一步发展。

交流电动机自1985年出现后，由于没有理想的调速方案，因而长期用于恒速拖动领域。20世纪70年代后，国际上解决了交流电动机调速方案中的关键问题，使得交流调速系统得到了迅速的发展，现在交流调速系统已逐步取代大部分直流调速系统。目前，交流调速已具备了宽调速范围、高稳态精度、快动态响应、高工作效率以及可以四象限运行等优异特性，其稳、动态特性均可以与直流调速系统相媲美。

与直流调速系统相比，交流调速系统具有以下特点：

1. 容量大；
2. 转速高且耐高压；
3. 交流电动机的体积、重量、价格比同等容量的直流电动机小，且结构简单、经济可靠、惯性小；
4. 交流电动机环境使用性强，坚固耐用，可以在十分恶劣的环境下使用；
5. 高性能、高精度的新型交流拖动系统已达同直流拖动系统一样的性能指标；
6. 交流调速系统能显著的节能；

从各方面看，交流调速系统最终将取代直流调速系统。

1. 1. 1. 研究目的

本课题主要运用MATLAB-SIMULINK软件中的交流电机库对交流电动机调速系统进行仿真，由仿真结果图直接认识交流系统的机械特性。本文重点对三相交流调压调速系统进行仿真研究，认识PID调节器参数的改变对系统性能的影响，认识该系统动态及静态性能的优劣及适用环境。

1.2 文献综述

在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此，调速技术一直是研究的热点[1][2]。而交流调速系统凭着其绝对的优势，最终必将取代直流调速系统[3]。
    近几年来，科学技术的迅速发展为交流调速技术的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础。交流电动机的调速系统不但性能同直流电动机的性能一样，而且成本和维护费用比直流电动机系统更低，可靠性更高[4]。目前，国外先进的工业国家生产直流传动的装置基本呈下降趋势，交流变频调速装置的生产大幅度上升。在日本，1975年在调速领域，直流占80%，交流占20%；1985年交流占80%,直流占20％[5]。到目前为止，日本除了个别的地方还继续采用直流电机外，几乎所有的调速系统都采用变频装置[6][7]。

计算机仿真技术在交流调速系统的应用，使得对交流调速的性能分析和研究变的更为方便。传统的计算机仿真软件包用微分方程和差分方程建模，其直观性、灵活性差，编程量大，操作不便。随着一些大型的高性能的计算机仿真软件的出现，实现交流调速系统的实时仿真可以较容易地实现[8]。如：matlab软件已经能够在计算机中全过程地仿真交流调速系统的整个过程。matlab语言非常适合于交流调速领域内的仿真及研究，能够为某些问题的解决带来极大的方便并能显著提高工作效率。随着新型计算机仿真软件的出现，交流调速技术必将在成本控制、工作效率、实时监控等方面得到长足进步[9][10]。

交流调速技术发展到今天，相对而言已经比较成熟，在工业中得到了广泛的应用，但是随着一些新的电力电子器件和一些新的控制策略的出现，工业应用对交流调速系统又提了新的要求，现代交流电机调速技术的研究和应用前景十分广阔。

20世纪80年代中期研制开发出一种新型交流调速系统——开关磁阻电动机调速系统，它将新型的电机、现代电力电子技术与控制技术融为一体，形成一个典型的机电一体化的调速系统。由于它在效率、调速性能和成本方面都具有一定的优势，已成为当代电力拖动的一个热门课题，将会在调速领域占有一席之地。

交流调速的控制策略近年来发展非常迅速，诸如转差矢量控制，自适应控制（磁通自适应、断续电流自适应、参数自适应等模型参考自适应控制），状态观测器（磁通观测器、力矩观测器等），为补偿速度降以提高精度的前馈控制，以节能、平稳、快速等为目标函数的优化控制，线性二次型积分控制，滑模变结构控制，直接转矩控制及模糊控制等已见诸国内外有关文献及杂志中[11][12][1]。

1.3 论文主要工作

1.分析各种调速系统在实际运用中的优缺点，分析各种调速方式适用的场合。

2.重点分析掌握三相交流调压调速原理，机械特性等，然后对其进行MATLAB的仿真实现，通过修改系统各部分的参数，可以输出稳定的波形。根据示波器输出结果，对系统的性能进行分析。

1.4 论文章节安排

第一章 绪论：主要介绍本课题的研究背景和研究内容，以及交流调速系统在国内外的发展和前景展望；介绍了文章的主要工作安排以及论文章节安排。

第二章 交流调速系统：比较交流调速系统的各种调速方案，重点分析了交流调压调速系统的原理及机械特性，及对交流调压调速电路以及闭环调压调速系统进行了重点的研究分析。

第三章 交流调压调速系统的MATLAB仿真：运用MATLAB的SIMULINK工具箱分别对异步电动机调压调速系统的主电路与控制电路进行建模和参数设置，最终建立了异步电动机调压调速系统电路的仿真模型，并对其进行了仿真分析和研究，给出仿真结果，通过对仿真结果的分析验证了交流调压电路的工作原理和所建模型的正确性。

    第四章 结论：对全文进行总结，指明异步电动机调压调速系统的发展方向。