1、1 緒論課題研究背景及目的研究背景 直流調速系統(tǒng)的主要優(yōu)點在于調速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動 態(tài)性能。在相當長時期內，高性能的調速系統(tǒng)幾乎都是直流調速系統(tǒng)。盡管如此，直流調速系統(tǒng)卻解決不了直流電動機本身的換向和在惡劣環(huán)境下的不適應問題， 同時制造大容量、高轉速及高電壓直流電動機也十分困難， 這就限制了直流拖動系統(tǒng)的進一步發(fā)展。交流電動機自 1985 年出現(xiàn)后，由于沒有理想的調速方案，因而長期用于恒速拖動 領域。 20 世紀70 年代后，國際上解決了交流電動機調速方案中的關鍵問題，使得交流 調速系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展，現(xiàn)在交流調速系統(tǒng)已逐步取代大部分直流調速系統(tǒng)。 目前， 交流調速

2、已具備了寬調速范圍、高穩(wěn)態(tài)精度、快動態(tài)響應、高工作效率以及可以四象限運行等優(yōu)異特性，其穩(wěn)、動態(tài)特性均可以與直流調速系統(tǒng)相媲美。與直流調速系統(tǒng)相比，交流調速系統(tǒng)具有以下特點：1 ）容量大；2 ）轉速高且耐高壓；3 ）交流電動機的體積、重量、價格比同等容量的直流電動機小，且結構簡單、 經(jīng)濟可靠、慣性?。? ）交流電動機環(huán)境使用性強，堅固耐用，可以在十分惡劣的環(huán)境下使用；5 ）高性能、高精度的新型交流拖動系統(tǒng)已達同直流拖動系統(tǒng)一樣的性能指標；6 ）交流調速系統(tǒng)能顯著的節(jié)能；從各方面看，交流調速系統(tǒng)最終將取代直流調速系統(tǒng)。研究目的本課題主要運用 MATLAB-SIMULIN 軟件中的交流電機庫對交流電

3、動機調速系統(tǒng)進行仿真，由仿真結果圖直接認識交流系統(tǒng)的機械特性。本文重點對三相交流調壓調速 系統(tǒng)進行仿真研究，認識 PID 調節(jié)器參數(shù)的改變對系統(tǒng)性能的影響，認識該系統(tǒng)動態(tài) 及靜態(tài)性能的優(yōu)劣及適用環(huán)境。文獻綜述在實際應用中，電動機作為把電能轉換為機械能的主要設備，一是要具有較高的機 電能量轉換效率；二是應能根據(jù)生產(chǎn)機械的工藝要求控制和調節(jié)電動機的旋轉速度。電 動機的調速性能如何對提高產(chǎn)品質量、 提高勞動生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影 響。因此，調速技術一直是研究的熱點 12 。而交流調速系統(tǒng)憑著其絕對的優(yōu)勢，最終 必將取代直流調速系統(tǒng)3 。近幾年來， 科學技術的迅速發(fā)展為交流調速技術的發(fā)展創(chuàng)

4、造了極為有利的技術條件和物質基礎。交流電動機的調速系統(tǒng)不但性能同直流電動機的性能一樣，而且成本和維 護費用比直流電動機系統(tǒng)更低，可靠性更高 4 。目前，國外先進的工業(yè)國家生產(chǎn)直流傳 動的裝置基本呈下降趨勢， 交流變頻調速裝置的生產(chǎn)大幅度上升。 在日本， 1975 年在調 速領域，直流占 80% ，交流占 20% ； 1985 年交流占80%, 直流占 20 5 。到目前為止，日 本除了個別的地方還繼續(xù)采用直流電機外，幾乎所有的調速系統(tǒng)都采用變頻裝置67 。計算機仿真技術在交流調速系統(tǒng)的應用， 使得對交流調速的性能分析和研究變的更 為方便。傳統(tǒng)的計算機仿真軟件包用微分方程和差分方程建模，其直觀性

5、、靈活性差， 編程量大，操作不便。隨著一些大型的高性能的計算機仿真軟件的由現(xiàn)，實現(xiàn)交流調速系統(tǒng)的實時仿真可以較容易地實現(xiàn)。如：matlab 軟件已經(jīng)能夠在計算機中全過程地仿真交流調速系統(tǒng)的整個過程。 matlab 語言非常適合于交流調速領域內的仿真及研究， 能 夠為某些問題的解決帶來極大的方便并能顯著提高工作效率。 隨著新型計算機仿真軟件910的由現(xiàn)，交流調速技術必將在成本控制、工作效率、實時監(jiān)控等方面得到長足進步交流調速技術發(fā)展到今天，相對而言已經(jīng)比較成熟，在工業(yè)中得到了廣泛的應用， 但是隨著一些新的電力電子器件和一些新的控制策略的出現(xiàn)， 工業(yè)應用對交流調速系統(tǒng) 又提了新的要求，現(xiàn)代交流電機

6、調速技術的研究和應用前景十分廣闊。20 世紀 80 年代中期研制開發(fā)出一種新型交流調速系統(tǒng)開關磁阻電動機調速系 統(tǒng)，它將新型體化的調速系統(tǒng)。由于它在效率、調速性能和成本方面都具有一定的優(yōu)勢，已成為當代 電力拖動的一個熱門課題，將會在調速領域占有一席之地。交流調速的控制策略近年來發(fā)展非常迅速，諸如轉差矢量控制，自適應控制（磁通 自適應、斷續(xù)電流自適應、參數(shù)自適應等模型參考自適應控制） ，狀態(tài)觀測器（磁通觀 測器、力矩觀測器等），為補償速度降以提高精度的前饋控制，以節(jié)能、平穩(wěn)、快速等 為目標函數(shù)的優(yōu)化控制，線性二次型積分控制，滑模變結構控制，直接轉矩控制及模糊 控制等已見諸國內外有關文獻及雜志中

7、11121 。論文主要工作分析各種調速系統(tǒng)在實際運用中的優(yōu)缺點，分析各種調速方式適用的場合。重點分析掌握三相交流調壓調速原理，機械特性等，然后對其進行MATLAB 的仿真實現(xiàn)，通過修改系統(tǒng)各部分的參數(shù)，可以輸出穩(wěn)定的波形。根據(jù)示波器輸出結果，對 系統(tǒng)的性能進行分析。論文章節(jié)安排第一章緒論：主要介紹本課題的研究背景和研究內容，以及交流調速系統(tǒng)在國內外的發(fā)展和前景展望；介紹了文章的主要工作安排以及論文章節(jié)安排。第二章交流調速系統(tǒng)：比較交流調速系統(tǒng)的各種調速方案，重點分析了交流調壓調速系統(tǒng)的原理的研究分析及機械特性， 及對交流調壓調速電路以及閉環(huán)調壓調速系統(tǒng)進行了重點第三章 交流調壓調速系統(tǒng)的 MA

8、TLA 仿真：運用 MATLAB 勺 SIMULINK 工具箱分別對異步電動機調壓調速系統(tǒng)的主電路與控制電路進行建模和參數(shù)設置， 最終建立了異步電 動機調壓調速系統(tǒng)電路的仿真模型，并對其進行了仿真分析和研究，給出仿真結果，通過對仿真結果的分析驗證了交流調壓電路的工作原理和所建模型的正確性。第四章 結論：對全文進行總結，指明異步電動機調壓調速系統(tǒng)的發(fā)展方向。2.1 交流調速系統(tǒng)交流電機包括異步電動機和同步電動機兩大類。從轉速公式可知改變電動機的極對數(shù)都可達到調速的目的。對同步電動機而言，同步電動機轉速為2 交流調速系統(tǒng)原理與特性對交流異步電動機而言，其轉速為60 f (1 s) / r / mi

9、n(2-1)p,改變定子供電功率f 以及改變轉率ni 空 r/minP(2-2)由于實際使用中同步電動機的極對數(shù)P 是固定的，因此只有采用變壓變頻(VVVF 調速，即通常說的變頻調速。運用到實際中的交流調速系統(tǒng)主要有：變級調速系統(tǒng)、串級調速系統(tǒng)、調壓調速系統(tǒng)統(tǒng)、變頻調速系從一種極數(shù)變到另一種極數(shù)，從而實現(xiàn)異步電動機的有級調速。速以上的變極電機繞組結構復雜，應用較少。變極調速電動機的關鍵在和引出頭以達到最好的電機技術性能指標。方法。改變轉差率的傳統(tǒng)方法是在轉子回路中串入不同電阻以獲得不同變極調速系統(tǒng)：調旋轉磁場同步速度的最簡單辦法是變極調速。通過電動機繞組的改接使電機變極調速系統(tǒng)所需設備簡單，價

10、格低廉，工作也比較可靠，但它是有級調速，一般為兩種速度，三于繞組設計，以最少的線圈改接以最少的線圈改接串級調速系統(tǒng)：繞線轉子異步電動機串級調速是將轉差功率加以利用的一種經(jīng)濟、高效的調速斜率的機械特性，從而實現(xiàn)速度, 并且轉差功率消耗在電阻發(fā)熱上，效率低。自大功率電力電子器件問世后，采用在轉子這就構成了由繞線異步電動回路中串聯(lián)晶閘管功率變換器來完成饋送轉差功率的任務,機與晶閘管變換器共同組成的晶閘管串級調速系統(tǒng)。 轉子回路中引入附加電勢不但可以 改變轉子回路的有功功率轉差功率的大小，而且還可以調節(jié)轉子電流的無功分量， 即調節(jié)異步電動機的功率因數(shù)。調壓調速系統(tǒng)：異步電動機電機轉矩與輸入電壓基波的平

11、方成正比，所以改變 電機端電壓( 基波 )可以改變異步電動機的機械特性以及它和負載特性的交點， 來實現(xiàn)調 速。異步電動機調壓調速是一種比較簡單的調速方法。 在 20 世紀 50 年代以前一般采用 串飽和電抗器來進行調速。近年來隨著電力電子技術的發(fā)展，多采用雙向晶閘管來實現(xiàn) 交流調壓。用雙向晶閘管調壓的方法有兩種：一是相控技術，二是斬波調壓。采用斬波控制方法可能調速不夠平滑，所以在異步電機的調壓控制中多用相控技術。但是采用相 控技術在輸出電壓波形中含有較大的諧波，會引起附加損耗，產(chǎn)生轉矩脈動 15 。變頻調速系統(tǒng)：在各種異步電機調速系統(tǒng)中，效率最高、性能最好的系統(tǒng)是變壓變頻調速系統(tǒng)。變壓變頻調速

12、系統(tǒng)在調速時，須同時調節(jié)定子電源的電壓和頻率，在這種情況下，機械特性基本上平行移動，轉差功率不變，它是當前交流調速的主要方向 16 。調壓調速系統(tǒng)的優(yōu)點是線路簡單，價格便宜，使用維修方便，本文主要針對交流調壓調速系統(tǒng)進行MATLA 仿真。下面對交流調壓調速系統(tǒng)的原理及機械特性進行介紹。2.2 交流異步電動機調壓調速系統(tǒng)三相交流調壓電路交流調壓調速需要三相交流調壓電路，晶閘管三相交流調壓電路的接線方式很多， 工業(yè)上常用的是三相全波星形連接的調壓電路。如圖 2.1 所示。這種電路的接法特點是負載輸出諧波分量低，適用于低電壓大電流的場合11R1 i-圖2.1三相全波星形連接的調壓電路要使得該電路正常

13、工作，必須滿足下列條件:(1)在三相電路中至少有一相的正向晶閘管與另一相得反相晶閘管同時導通。(2)要求采用脈沖或者窄脈沖觸發(fā)電路。(3)為了保證輸由電壓三相對稱并且有一定的調節(jié)范圍，要求晶閘管的觸發(fā)信號除了必須與相應的交流電源有一致的相序外，各個觸發(fā)信號之間還必須嚴格的保持一定的相位關系。即要求U V、W三相電路中正向晶閘管(即在交流電源為正半周時工作的晶閘管)的觸發(fā)信號相位互差120 ,三相電路中的反向晶閘管的觸發(fā)信號相位互差120;在同一相中反并聯(lián)的兩個正、反向晶閘管的觸發(fā)脈沖相位應互差180。由上面結論，可 得三相調壓電路中各晶閘管觸發(fā)的次序為VT、VT2、VT3、VT4、VT5、VT

14、6、VT以此類推。相鄰兩個晶閘管的觸發(fā)信號相位差60 o o在晶閘管交流調壓中，晶閘管可借助于負載電流過零而自行關斷，不需要另加換流 裝置，故線路簡單、調試容易、維修方便、成本低廉，從而得到廣泛的應用。調壓調速原理根據(jù)異步電動機的機械特性方程式2 (2-3)PM3P 可3pU R2 /s2211 S1 R1R2 /sL11 L|22其中P電動機的極對數(shù)Ui、電動機定子相電壓和供電角頻率轉差率Ri、R2 定子每相電阻和折算到定子側的轉子每相電阻Ln、L； 2 定子每漏感和折算到定子側的轉子每相漏感可見，當轉差率 s 一定時，電磁轉矩 T與定子電壓Ui的平方成正比。改變定子電壓可得到一組不同的人為

15、機械特性，如圖2.2所示。在帶恒轉矩負載 Tl時，可以得到不同的穩(wěn)定轉速，如圖中的 A, B, C點，其調速范圍較小，而帶風機泵類負載時，可得到較大的調速范圍，如圖 2.2中的D, E , F點圖2.2異步電動機在不同定子電壓時的機械特性所謂調壓調速，就是通過改變定子外加電壓來改變電磁轉矩T,可得到較大的調速 范圍，從而在一定的輸生轉矩下達到改變電動機轉速的目的13O為了能在恒轉矩負載下擴大調壓調速范圍，使電機在較低速下穩(wěn)定運行又不致過熱，可采用電動機轉子繞組有較高電阻值時的機械特性。在恒轉矩負載下的交流力矩電動機的機械特性。圖 2.3顯示此類電動機的調速范圍增大了，而且在堵轉轉矩下工作也不致

16、燒毀電動機14圖2.3交流力矩電機在不同定子電壓時的機械特性2.2.3閉環(huán)控制的調壓調速系統(tǒng)系統(tǒng)的組成及其靜特性異步電動機調壓調速時，采用普通電機的調速范圍很窄；并且在低速運行時候穩(wěn)定性很差，在電網(wǎng)電壓、負載有擾動時候會引起較大的轉速變化。解決這些矛盾的根本方法是采用帶轉速負反饋的閉環(huán)控制，以達到自動調節(jié)轉速的目的。在調速要求不高的情況下，也可采用定子電壓負反饋閉環(huán)控制。圖2.4 (a)是帶轉速負反饋的閉環(huán)調壓調速系統(tǒng)原理圖，圖2.4 (b)是相應的調速系統(tǒng)靜特性。如果系統(tǒng)帶負載 Tl在A點穩(wěn)定運行，當負載增大導致轉速下降時，通過轉速反饋控制作用提高定子電壓，使得轉速恢復，即在新的一條機械特性

17、上找到了工作點A。同理，當負載減小使Ao將工作點A、AA連起來就是閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性1得轉速升高時，也可以得到新的工作點(b)wcGTUimin時的機械特性靜特性原理圖圖2.4轉速負反饋閉環(huán)控制的交流調壓調速系統(tǒng)在額定電壓U in下的機械特性和最小電壓Uimin下的機械特性是閉環(huán)系統(tǒng)靜特性左右兩邊的14O極限，當負載變化達到兩側的極限時，閉環(huán)系統(tǒng)便失去控制能力，回到開環(huán)機械特性上工作2.5所示:對圖2.4 (a)所示的系統(tǒng)，可畫由系統(tǒng)靜態(tài)結構圖，見圖圖2.5異步電動機調壓調速系統(tǒng)的靜態(tài)結構圖ASR圖中：Ks幻一 晶閘管交流調壓器 VVC和觸發(fā)裝置 GT的放大系數(shù)；U ctU ct -觸發(fā)裝置的控

18、制電壓；U n / n-為轉速反饋系數(shù)；Un-測速發(fā)電機TG輸由的反饋電壓。轉速調節(jié)器 ASR采用PI調節(jié)器；n f UAT是由式(2-3 )描述的異步電動機械特 性方程，它是一個非線性函數(shù)。223.2近似的動態(tài)結構圖 TOC o 1-5 h z 異步電動機調壓調速的近似動態(tài)結構圖如下所示：Un WASn S _ WGT V(S)MA4|Un(s)Wfbs s圖2.6異步電動機調壓調速系統(tǒng)的近似動態(tài)結構圖圖中各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：(1)轉速調節(jié)器ASR常用PI調節(jié)器消除靜差并改善動特性，其傳遞函數(shù)為 ：WASR Sk 。KnTnS(2-4)(2)晶閘管交流調壓器和觸發(fā)裝置GT-V假定該環(huán)節(jié)輸入輸

19、由關系是線性的，在動態(tài)中可近似為一階慣性環(huán)節(jié)，具近似條件與晶閘管觸發(fā)與整流裝置一樣。本環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可表示為Wgt v SKsTsS 1(2-5)(3) 測速反饋環(huán)節(jié)FBS考慮到反饋濾波的作用傳遞函數(shù)為 ：WFBS S( 2-6 )TonS 1異步電動機MA由于描述異步電動機動態(tài)過程是一組非線性微分方程，只用一個傳遞函數(shù)來準確的 表示異步電動機在整個調速范圍內的輸入輸出關系式不可能的。只有做出一定的假設， 并用穩(wěn)態(tài)工作點附近微偏線性化的方法才能得到近似的傳遞函數(shù)。3交流調壓調速系統(tǒng)的 MATLA仿真系統(tǒng)的建模和模型參數(shù)設置主電路的建模和參數(shù)設置主電路主要由三相對稱交流電壓源、晶閘管、晶閘管三相交

20、流調壓器、交流異步電動機、電機信號分配器等部分組成。下面分別討論三相交流電源、三相交流調壓器、同步脈沖觸發(fā)器、交流異步電動機、電機測試信號分配器的建模和參數(shù)設置問題16 0三相交流電源的建模和參數(shù)設置首先從圖3.1中的電源模塊組中選取一個交流電壓源模塊，再用復制的方法得到三相電源的另兩個電壓源模塊，并把模塊名稱分別修改成A相、B相、C相。然后從圖3.2中的鏈接器模塊組中選取“ ground ”元件也復制成三份，按圖3.3所示連接即可LJtrarc3Simulinlc Library BrowserI. Q回Search Res-uiis -卜 SimPowerSystemsAppli&atia

21、n LibrariesEhactricaC Sources.Elenrierits- Extra Library Chinesj- Measurementan j= *二乞.圖3.1 Simulink 中的電源模塊匚 j =! Enter se Arch term Lie ranea SimtventsS imPDW erSyAstcmsFF- Application Libraries : EtectncaiB SoErceso-nts.十-Extra Library j? 1 Machin a a 卜 “ MeasurementsLib rary. SamPowerSysterro/Elc

22、nrcni&Breaker iiAib-utfrdpA r4rrwht ak LinGroundingT ransfoffmerSear ch Rcsu Its. (non ejConnection Port1GrouriFdLinearTran sfoonEJ圖3.2 Simulink中的連接模塊圖3.3三相交流電源的模型為了得到三相對稱交流電壓源，對其參數(shù)設置：雙擊A相交流電壓源圖標打開參數(shù)設置對話框，A相得參數(shù)設置分別是：幅值 (peak amplitude )取220V、初相位(Phase)設置成0、頻率(Frequency)設置為50HZ其他為 默認值。B C的參數(shù)設置 方法與A相相

23、同，除了將初相位設置成互差120以外，其它參 數(shù)都與A相相同。由此可得到三相對稱交流電源彳。晶閘管三相交流調壓器的建模與參數(shù)設置晶閘管三相交流調壓器通常是采用三對反并聯(lián)的晶閘管元件組成，單個晶閘管元件采用“相位控制”方式，利用電網(wǎng)自然換流。圖3.4中所示為晶閘管三相交流調壓器的仿真模型VT1 V74VT3 VT6VT5VTZ圖3.4晶閘管三相交流調壓器仿真模型子系統(tǒng)觸發(fā)脈沖的順序為 V1 V2-V3-V4- V5-V6,其中V1 V3 V5之間和 V4-V6-V2之間互差120度，V1 V4之間、V3 V6之間、V5 V2之間互差180度。雙擊晶閘管對話框得到晶閘管參數(shù)設置圖，根據(jù)圖中要求及系

24、統(tǒng)要求對其進行參數(shù)設置如下：電阻(Resista nee Ron ): 40;電感(Induetanee Lon ): OH ;正向電壓(Forward voltage Vf ): 0.8V;初始電流(Initial eurrent Ic): 0A;緩沖器電阻(Subber resista nee Rs ): 1200；緩沖器電容(Subber eapaeitanee Cs ): 250 F。上圖是用單個晶閘管元件按三相交流調壓器的接線要求搭建成仿真模型的，單個晶的變流裝置進行閘管的參數(shù)設置仍然遵循品閘管整流橋的參數(shù)設置原則，具體如下：如果針對某個具體參數(shù)設置，對話框中的參數(shù)應取默認值進行仿真

25、，若仿真結果理想，就可認可這些設置的參數(shù)，若仿真結果不理想，則通過仿真實驗，不斷進行參數(shù)優(yōu)化，最后確定其參數(shù)。這一參數(shù)設置原則對其它環(huán)節(jié)的參數(shù)設置也是適用的18在使用 Simulink 進行系統(tǒng)仿真分析時，首先需要進行模塊參數(shù)設置，因此需要對 系統(tǒng)中所有模塊進行正確的參數(shù)設置。如果逐一的對各個系統(tǒng)進行參數(shù)設置時很繁瑣 的，因為子系統(tǒng)一般均為具有一定功能的模塊組的集合，在系統(tǒng)中相當于一個單獨的模塊，具有特定的輸入和輸出關系。對于已經(jīng)設計好的子系統(tǒng)而言，能夠像Simulink 模 塊庫中的模塊一樣進行參數(shù)設置，則會給用戶帶來很大的方便，這時用戶只需要對子系 統(tǒng)參數(shù)選項中的參數(shù)進行設置， 無需關心子

26、系統(tǒng)的內部模塊的實現(xiàn)。 具體封裝步驟如下： 選擇需要封裝的子系統(tǒng)( Subsystem ) , 然后單擊鼠標右鍵， 在彈出的菜單中選擇MaskSubsystem 項，或者單擊Edit-Mask Subsystem 項問。這時將出現(xiàn)圖中所示的圭寸裝編輯器。使用封裝編輯器子系統(tǒng)中的圖標、參數(shù)初始化設置對話框以及幫助文檔，從而可使使用戶設計出非常友好的模塊界面，以充分發(fā)揮Simulink 的強大功能。打開 Maskeditor:Subsystem 對話框，如圖 3.5 所示。使用此編輯器可以對圭裝后 的子系統(tǒng)進行各種編輯。在默認情況下，圭裝子系統(tǒng)不使用圖標。但友好的子系統(tǒng)圖標可使子系統(tǒng)的功能一目了然

27、。為了增強圭裝子系統(tǒng)的界面友好性，用戶可以自定義子系 統(tǒng)模塊的圖標。只需在途中編輯對話框中的“圖標和端口”選項卡中“繪制命令”欄中 使用 MATLA 中相應便可以繪制模塊圖標，并可設置不同的參數(shù)控制圖標界面的顯示20圖3.5子系統(tǒng)圭寸裝編輯器下圖為晶閘管三相交流調壓器子系統(tǒng)封裝圖如下所示圖3.6三相交流調壓器子系統(tǒng)封裝圖圖中，Ua, Ub, Uc分別連接三相交流電源的三相，P連接從脈沖觸發(fā)器由來的觸發(fā)脈沖，輸由a, b, c分別連接交流電動機的 A, B, C輸入。同步脈沖觸發(fā)器的建模和參數(shù)設置通常，工程上將觸發(fā)器和晶閘管整流橋作為一個整體來研究，所以，在此處討論同步脈沖觸發(fā)器。同步脈沖觸發(fā)器

28、包括同步電源和6脈沖觸發(fā)器兩部分。6脈沖觸發(fā)器可以從圖3.7所示的附加模塊(Extras Control Blocks )子模塊組獲得Si mu link Library Brov-fserEnter Sarch termLibrariesmiReakTime WorkshopReal-Tme Workshop EmReport Cen erat orRAbuAs-t Contra I ToolboxLibrar ; -: SimPcxv erSyslem&ExtraLibrary/Ccntro I BlDtksSignal Processing Block.SimE/entEW Sin Po

29、 we rSy stems+l- Appkcation Librariesr Etectrical Sources-Elements7- Extra Library i iI =- ControlOlocks-3-ptl S5 E 丹- mm able SeuratSl= - 3tl5Mcn-cstsbl e干f SenABtcxSynchronized : fi- Plli&e Gen Eretcr ph 強 PULEdgs DAtEGtotOnB Off DelaySample & HoldTimw圖3.7附加模塊(Extras Control Blocks)子模塊6脈沖觸發(fā)器需要三相線電

30、壓同步，所以同步電源的任務是將三相交流電源的相電壓轉換成線電壓。同步電源與 6脈沖觸發(fā)器符號圖如下所示Synchronized6-Pulse Generatori.alpha_degUs?-Ubr*JBk +-o-AB_ -r FTBCCAI I pulsesIn1eiKk0圖3.8同步脈沖觸發(fā)器子系統(tǒng)同步脈沖觸發(fā)器封裝后子系統(tǒng)符合如下圖3.9同步脈沖觸發(fā)器封裝后子系統(tǒng)符號然后根據(jù)主電路的連接關系，建立起主電路的仿真模型。圖 開關信 3.10中l(wèi)n2為脈沖器 號，當脈沖器開關信號為“0”時，開放觸發(fā)器；為“ 1”時，封鎖觸發(fā)器o交流異步電動機的建模和參數(shù)設置步電機以及在 Power Syste

31、m 工具箱中有一個電機模塊庫，它包含了直流電機、異步電機、同其他各種電機模塊。其中，模塊庫中有兩個異步電動機模型，一個是標幺值單位制 ( PI unit )下的異步電動機模型，另一個是國際單位制 ( SI unit ) 下的異步電 動機模型，本設計中采用后者。國際單位制下的異步電動機模型符號如圖所示 2 ：圖 3.10 異步電動機模塊其電氣連接和功能分別為：A, B, C: 交流電機的定子電壓輸入端子；T m ：電機負載輸入端子，一般是加到電機軸上的機械負載；a,b,c: 繞線式轉子輸出電壓端子, 一般短接 , 而在鼠籠式電機為此輸出端子；m: 電機信號輸出端子，一般接電機測試信號分配器觀測電

32、機內部信號，或引出反饋信號。異步電動機模型參數(shù)設置如下。 雙擊異步電動機的模型， 即了得到參數(shù)設置對話框。 分別對其進行參數(shù)設置如下所示 6 ：繞組類型 ( Rotor type ) :轉子類型列表框，分別可以將電機設置為繞線式 ( Wound 和鼠籠式(Squirrel - cage)兩種類型。在本文中用鼠籠式(Squirrel - cage)異步電 動機；參考坐標系 ( Reference Frame) : 參考坐標列表框，可以選擇轉子坐標系 ( Rotor ) 、 靜止坐標系( Stationary ) 、同步旋轉坐標系 ( Synchronous ) 。在本文中選擇同步旋轉坐標系( S

33、ynchronous ) ；(3)額定參數(shù)：額定功率Pn ( KW取30KV,線電壓V ( V)為380V,頻率f (赫茲)為50HZ;(4)定子電阻 Rs (Stator )( ohm)取 0.087 和漏感(H 取為 0.8mH;(5)轉子電阻 Rr (Rotor) ( ohm 為 0.028 和漏感 L. (H)取為 34.7mH ;其它設置為默認值3.1.1.5電動機測試信號分配器的建模和參數(shù)設置電動機測試信號分配器模塊的模型圖如下3.11所示:圖 3.11 Machines Measurement Demux電動機測試信號分配器模塊雙擊電動機測試信號分配模塊得圖3.12電機測試信號分

34、配器參數(shù)設置圖圖 3.123電動機測試信號分配器參數(shù)設置對話框及參數(shù)選擇圖中：ir_abc :轉子電流ira,irb,irc ir_qd :同步d-q坐標下的q軸下的轉子電流ir_q和d軸下的轉子電 流 ir_d ;phir_qd :同步d-q坐標下的q軸下的轉子磁通 phir_q和d軸下的轉子磁通 phir_dvr_qd :同步d-q坐標下的q軸下的轉子電壓 vr_q和d軸下的轉子電壓 vr_d ;is_abc :定子電流 isa,isb,isc ;is_qd :同步d-q坐標下的q軸下的定子電流is_q和d軸下的定子電流is_d ;phir_qd :同步d-q坐標下的q軸下的定子磁通 ph

35、is_q和d軸下的定子磁通 phis_d vs_qd :同步d-q坐標下的q軸下的定子電壓 vs_q和d軸下的定子電壓 vs_d ;wm電機的轉速wmTe：電機的機械轉矩 Te；Thetam :電機轉子角位移 ThetanT。3.1.2控制電路的建模和參數(shù)設置交流調壓系統(tǒng)的控制電路包括：給定環(huán)節(jié)、速度調節(jié)器、限幅器、速度反饋環(huán)節(jié)等?？刂齐娐返挠嘘P參數(shù)設置如下：速度反饋系數(shù)設為 20 ；調節(jié)器的參數(shù)設置分別是：ASR Kpn 30 ； n 300 ；上下限幅為400-0 ；其它沒做說明的為系統(tǒng)默認參數(shù)。給定環(huán)節(jié)的建模與參數(shù)設置在調壓調速的仿真模型中有幾個給定環(huán)節(jié)，它可以從圖3.13中的輸入源模塊

36、組中選取 “ constant ” 模塊，模塊路徑為Simulink/Commonly Used Blocks 圖3.13輸入源模塊組然后雙擊該模塊的圖標，打開參數(shù)設置對話框，在該系統(tǒng)中用到兩個給定模塊，分別將給定值(Constent value )設置為-20以及0兩個。其它設置為默認值。實際調速時，給定信號是在一定的范圍內變化的，我們可以通過仿真實踐，確定給定信號允許的變化范圍。3.122速度調節(jié)器的建模和參數(shù)設置速度調節(jié)器通常采用 PI控制，比例和積分參數(shù)的設置要根據(jù)系統(tǒng)的仿真結果不斷地變化改動，以得到最穩(wěn)定的輸由特性以及動態(tài)特性。限幅器、速度反饋環(huán)節(jié)也一樣。具體方法是分別設置這些參數(shù)的

37、一個較大和較小的值進行仿真，弄清它們對系統(tǒng)性能影響的趨勢，據(jù)此逐步將參數(shù)進行優(yōu)化。LttiariesLfcrary; Simulink ExtrasAdditonftl LnearFound: ptf模塊組PID Con troller 位于 Simuli nk Extras/Additio nal Lin ear中，如圖 3.14 所示：l Sh5k Delgvi Verifier 二5m廊k ExtrasjAn AdditkonaI Discrete3.14 Simuli nk Extras/Additio nal Linearj Additiona I Linear在此仿真中，經(jīng)過不斷地

38、變化改動，最終確定轉速調節(jié)器為(1) 比例常數(shù) Kp ( Proportional )為 30;積分時間常數(shù) Ki (Integral )為300；(3) 微分時間常數(shù) Kd ( Derivative )為0( PI控制)模塊庫中，如圖 3.13所示:3.1.2.3限幅器的建模和參數(shù)設置限幅器模塊位于 Simulink/Commonly Used Blocks限幅值的值設置為 400-0。具體參數(shù)設置步驟如下:通過不斷地試驗，最后設定限幅器的參數(shù)值為12雙擊限幅器圖標，得到限幅器參數(shù)設置對話框，對其進行參數(shù)設置。根據(jù)題目要求最大值(Upper limit )： 400最小值(Lower lim

39、it )： 0系統(tǒng)仿真參數(shù)的設置在MATLA的模型窗口下打開“ simulink ”菜單，進行“ simulink parameters ”設3.15置，點擊“ simulink parameters ”菜單后，得到仿真參數(shù)對話框，參數(shù)設置如圖所示:Confi guiration Parameters: urtitled!/Active圖3.15系統(tǒng)仿真參數(shù)的設置由于系統(tǒng)的多樣性，沒有一種仿真算法是萬能的。在不同的系統(tǒng)中需要采用不同的的精度等方面進仿真算法，到底采用哪一種算法更好，這需要實踐，從仿真能否進行仿真的速度、仿真 行比較選擇。在此仿真中，通過實踐我們在仿真中所選擇的算法為ode23s

40、。仿真開始實踐 Start time 一般設為0, Stop time根據(jù)實際需要而定，一般只要能夠仿真由完整的波形就可以了。在此論文中，我為 304。異步電機調壓調速系統(tǒng)仿真模型異步電動機調壓調速系統(tǒng)的仿真模型如圖Stop time們設置Stop time為默認值3.16所示:異步電動機調壓調速系統(tǒng)的仿真模型其中，轉速調節(jié)器的參數(shù)，限幅值參數(shù)，仿真參數(shù)設置都已經(jīng)在前面介紹過，這里反饋參數(shù)K選擇為20,其他都設置為默認值由上圖可得到交流調壓調速系統(tǒng)的轉速特性。如圖3.17所示修改電機測試信號分配器的輸由端子,使其輸由端分別為電磁轉矩Te、三相定子電流輸由is_abc可以得到如圖3.18、3.1

41、9的波形真結果的輸出及結果分析當建模和參數(shù)設置完成后，即可開始進行仿真。在MATLA的模型窗口打開“ Simulink ”菜單，點擊“ Start ”命令后，系統(tǒng)開始進 行仿真, 仿真結束后可輸由仿真結果。然后根據(jù)輸由結果，觀察系統(tǒng)是否穩(wěn)定，如果不穩(wěn)定，則 繼續(xù)修改系統(tǒng)中的積分參數(shù)、比例參數(shù)等參數(shù)，直到系統(tǒng)穩(wěn)定為止。系統(tǒng)有兩種輸由方式：“示波器”以及“ outl ”輸由模塊。本文采用示波器觀察輸生結果。運行結束后，只要在系統(tǒng)的模型圖上雙擊“示波器”圖標即可。通過“示波器”模塊觀察仿真輸由，則要對“示波器的 Limit data poi nts to last ”的值要設的大 一點，否則 Fig

42、ure ”數(shù)尺的圖形會不完整。一般情況下設置“ Limit data points to last ”為500000,本文也是如此。示波器數(shù)尺結果如下：圖 3.17顯示為交流調壓調速系統(tǒng)的轉速曲線，圖3.18為交流調壓調速系統(tǒng)電子轉矩輸由，圖3.19為交流調壓調速電路三相定子電流輸生。圖3.17交流調壓調速系統(tǒng)的轉速特性35000.511 52253圖3.18交流調壓調速電磁轉矩輸出圖3.19交流調壓調速電路三相定子電流輸出從上圖中系統(tǒng)的輸由，可以看由在開始啟動的瞬間，定子電流的峰值可達450A,在 恒轉矩啟動階段，定子電流基本上保持在150A。恒轉矩啟動階段的大約時間為0.7s。在恒轉矩階段

43、，轉矩保持在極限值300N ?m。速度約在0.9s時上升到最大值，在約 1.9s時達到穩(wěn)態(tài)值，穩(wěn)態(tài)時轉子角速度約為120rad/s。最終可以得到如下結論：(1)啟動階段大約時間為 0.7s,系統(tǒng)反應速度比較快，上升時間比較短利用轉速調節(jié)器的飽和特性，使得系統(tǒng)保持恒定最大允許電流，在盡可能短的時間內建立轉速，在退飽和實現(xiàn)速度的調節(jié)和實現(xiàn)系統(tǒng)的無靜差特性。由于采用 PI 調節(jié)器構成了轉速負反饋的無靜差系統(tǒng)，在負載變化和電網(wǎng)電 壓波動等擾動情況下，保持系統(tǒng)的恒定輸出。由上圖可知，這個曲線結果和實際電機運行的結果相似，系統(tǒng)的建模和仿真是成功的。4 結論交流調壓調速系統(tǒng)具有線路簡單，價格便宜，使用維修方

44、便等優(yōu)點，所以在實際的 工程中得到廣泛的應用。 詳細研究了三相交流調壓電路，并通過MATLAB 勺 SIMULINK 電 力系統(tǒng)工具箱分別對其主電路和控制電路進行了建模和參數(shù)設置， 最終建立了異步電動 機調壓調速系統(tǒng)仿真模型，根據(jù)輸出的仿真結果，簡單分析了該系統(tǒng)的轉速輸出、電磁 轉矩輸出以及三相定子電流輸出， 驗證了交流調壓電路的工作原理以及系統(tǒng)模型的正確 性，為交流調速系統(tǒng)今后的發(fā)展及應用奠定了良好的理論基礎。在系統(tǒng)中，由于非線性環(huán)節(jié)線性化處理、近似處理、調節(jié)器的飽和非線性等因素導致了工程設計與性能要求有差別，從而仿真出的波形不是很理想，抗擾性能不夠強等等缺點。所以在系統(tǒng)的仿真過程中必須經(jīng)過

45、大量的調試和參數(shù)的修改， 才能得出超調量小、 抗干擾性能較好調壓調速系統(tǒng)造成系統(tǒng)的工程設計方法與仿真實驗之間有差距的原因總結如下：1 ）工程設計方法在設計過程中做了很多近似的處理，而這些簡化處理要在一定的條件下才成立。（ 2 ）仿真實驗在建模過程中忽略了非線性因素和次要因素。（ 3）用MATLAB/SIMULIN 軟件是控制系統(tǒng)功能的完善，實現(xiàn)系統(tǒng)控制容易，構造高開發(fā)效率，同模型簡單的強大的動態(tài)仿真工具。該方法經(jīng)濟又方便，能大大縮短科研開發(fā)的速度，提時可以嘗試不同的控制方式，進行優(yōu)化設計。參考文獻張少軍，杜金城 交流調速原理及應用 M 北京：中國電力出版社， 2003 李發(fā)海，王巖 電機與拖動基礎 M 北京：清華大學出版社， 2005 阮毅，陳維鈞 運動控制系統(tǒng) M 北京：清華大學出版社， 2006 周深淵，宋永