畢業(yè)設(shè)計-基于MATLAB-SIMULINK的交流電動機調(diào)速系統(tǒng)仿真

1、 基于MATLAB-SIMULINK的交流電動機調(diào)速系統(tǒng)仿真 1 緒論1.1 課題研究背景及目的1.1.1 研究背景直流調(diào)速系統(tǒng)的主要優(yōu)點在于調(diào)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(dāng)長時期內(nèi)，高性能的調(diào)速系統(tǒng)幾乎都是直流調(diào)速系統(tǒng)。盡管如此，直流調(diào)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(yīng)問題，同時制造大容量、高轉(zhuǎn)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(jìn)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(diào)速方案，因而長期用于恒速拖動領(lǐng)域。20世紀(jì)70年代后，國際上解決了交流電動機調(diào)速方案中的關(guān)鍵問題，使得交流調(diào)速系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展，現(xiàn)在

2、交流調(diào)速系統(tǒng)已逐步取代大部分直流調(diào)速系統(tǒng)。目前，交流調(diào)速已具備了寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)態(tài)精度、快動態(tài)響應(yīng)、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(diào)速系統(tǒng)相媲美。與直流調(diào)速系統(tǒng)相比，交流調(diào)速系統(tǒng)具有以下特點：（1） 容量大；（2） 轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟可靠、慣性??；（4） 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(dá)同直流拖動系統(tǒng)一樣的性能指標(biāo)；（6） 交流調(diào)速系統(tǒng)能顯著的節(jié)能；從各方面看，交流調(diào)速系統(tǒng)最終將取代直流調(diào)速系統(tǒng)。1.1.1 研

3、究目的本課題主要運用MATLAB-SIMULINK軟件中的交流電機庫對交流電動機調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真，由仿真結(jié)果圖直接認(rèn)識交流系統(tǒng)的機械特性。本文重點對三相交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，認(rèn)識PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的改變對系統(tǒng)性能的影響，認(rèn)識該系統(tǒng)動態(tài)及靜態(tài)性能的優(yōu)劣及適用環(huán)境。1.2 文獻(xiàn)綜述在實際應(yīng)用中，電動機作為把電能轉(zhuǎn)換為機械能的主要設(shè)備，一是要具有較高的機電能量轉(zhuǎn)換效率；二是應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)機械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動機的旋轉(zhuǎn)速度。電動機的調(diào)速性能如何對提高產(chǎn)品質(zhì)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(diào)速技術(shù)一直是研究的熱點12。而交流調(diào)速系統(tǒng)憑著其絕對的優(yōu)勢，最終必將取代直流調(diào)速

4、系統(tǒng)3。 近幾年來，科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展為交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的技術(shù)條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。交流電動機的調(diào)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(jìn)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(diào)速裝置的生產(chǎn)大幅度上升。在日本，1975年在調(diào)速領(lǐng)域，直流占80%，交流占20%；1985年交流占80%,直流占205。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(diào)速系統(tǒng)都采用變頻裝置67。計算機仿真技術(shù)在交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用，使得對交流調(diào)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

5、建模，其直觀性、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出現(xiàn)，實現(xiàn)交流調(diào)速系統(tǒng)的實時仿真可以較容易地實現(xiàn)8。如：matlab軟件已經(jīng)能夠在計算機中全過程地仿真交流調(diào)速系統(tǒng)的整個過程。matlab語言非常適合于交流調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)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的出現(xiàn)，交流調(diào)速技術(shù)必將在成本控制、工作效率、實時監(jiān)控等方面得到長足進(jìn)步910。交流調(diào)速技術(shù)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(yīng)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(yīng)用對交流調(diào)速系統(tǒng)又提了新的要求，現(xiàn)代交流電機調(diào)

6、速技術(shù)的研究和應(yīng)用前景十分廣闊。20世紀(jì)80年代中期研制開發(fā)出一種新型交流調(diào)速系統(tǒng)開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)，它將新型的電機、現(xiàn)代電力電子技術(shù)與控制技術(shù)融為一體，形成一個典型的機電一體化的調(diào)速系統(tǒng)。由于它在效率、調(diào)速性能和成本方面都具有一定的優(yōu)勢，已成為當(dāng)代電力拖動的一個熱門課題，將會在調(diào)速領(lǐng)域占有一席之地。交流調(diào)速的控制策略近年來發(fā)展非常迅速，諸如轉(zhuǎn)差矢量控制，自適應(yīng)控制（磁通自適應(yīng)、斷續(xù)電流自適應(yīng)、參數(shù)自適應(yīng)等模型參考自適應(yīng)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(biāo)函數(shù)的優(yōu)化控制，線性二次型積分控制，滑模變結(jié)構(gòu)控制，直接轉(zhuǎn)矩控制

7、及模糊控制等已見諸國內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)及雜志中11121。1.3 論文主要工作1.分析各種調(diào)速系統(tǒng)在實際運用中的優(yōu)缺點，分析各種調(diào)速方式適用的場合。2.重點分析掌握三相交流調(diào)壓調(diào)速原理，機械特性等，然后對其進(jìn)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(jié)果，對系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。1.4 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(nèi)容，以及交流調(diào)速系統(tǒng)在國內(nèi)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(diào)速系統(tǒng)：比較交流調(diào)速系統(tǒng)的各種調(diào)速方案，重點分析了交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的原理及機械特性，及對交流調(diào)壓調(diào)速電路以及閉環(huán)調(diào)壓

8、調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了重點的研究分析。第三章 交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真：運用MATLAB的SIMULINK工具箱分別對異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的主電路與控制電路進(jìn)行建模和參數(shù)設(shè)置，最終建立了異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)電路的仿真模型，并對其進(jìn)行了仿真分析和研究，給出仿真結(jié)果，通過對仿真結(jié)果的分析驗證了交流調(diào)壓電路的工作原理和所建模型的正確性。 第四章 結(jié)論：對全文進(jìn)行總結(jié)，指明異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展方向。2 交流調(diào)速系統(tǒng)原理與特性2.1交流調(diào)速系統(tǒng)交流電機包括異步電動機和同步電動機兩大類。對交流異步電動機而言，其轉(zhuǎn)速為： （2-1）從轉(zhuǎn)速公式可知改變電動機的極對數(shù)，改變定子供電功率以及改變轉(zhuǎn)率

9、都可達(dá)到調(diào)速的目的。對同步電動機而言，同步電動機轉(zhuǎn)速為： （2-2）由于實際使用中同步電動機的極對數(shù)是固定的，因此只有采用變壓變頻（VVVF）調(diào)速，即通常說的變頻調(diào)速。運用到實際中的交流調(diào)速系統(tǒng)主要有：變級調(diào)速系統(tǒng)、串級調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)1。 (1)變極調(diào)速系統(tǒng)：調(diào)旋轉(zhuǎn)磁場同步速度的最簡單辦法是變極調(diào)速。通過電動機繞組的改接使電機從一種極數(shù)變到另一種極數(shù)，從而實現(xiàn)異步電動機的有級調(diào)速。變極調(diào)速系統(tǒng)所需設(shè)備簡單，價格低廉，工作也比較可靠，但它是有級調(diào)速，一般為兩種速度，三速以上的變極電機繞組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用較少。變極調(diào)速電動機的關(guān)鍵在于繞組設(shè)計，以最少的線圈改接和引出頭以達(dá)到最好

10、的電機技術(shù)性能指標(biāo)。(2)串級調(diào)速系統(tǒng)：繞線轉(zhuǎn)子異步電動機串級調(diào)速是將轉(zhuǎn)差功率加以利用的一種經(jīng)濟、高效的調(diào)速方法。改變轉(zhuǎn)差率的傳統(tǒng)方法是在轉(zhuǎn)子回路中串入不同電阻以獲得不同斜率的機械特性，從而實現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。這種方法簡單方便，但調(diào)速是有級的，不平滑，并且轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子回路中串聯(lián)晶閘管功率變換器來完成饋送轉(zhuǎn)差功率的任務(wù)，這就構(gòu)成了由繞線異步電動機與晶閘管變換器共同組成的晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子回路中引入附加電勢不但可以改變轉(zhuǎn)子回路的有功功率轉(zhuǎn)差功率的大小，而且還可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的無功分量，即調(diào)節(jié)異步電動機的功率因數(shù)。(3)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)：異步

11、電動機電機轉(zhuǎn)矩與輸入電壓基波的平方成正比，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(fù)載特性的交點，來實現(xiàn)調(diào)速。異步電動機調(diào)壓調(diào)速是一種比較簡單的調(diào)速方法。在20世紀(jì)50年代以前一般采用串飽和電抗器來進(jìn)行調(diào)速。近年來隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，多采用雙向晶閘管來實現(xiàn)交流調(diào)壓。用雙向晶閘管調(diào)壓的方法有兩種：一是相控技術(shù)，二是斬波調(diào)壓。采用斬波控制方法可能調(diào)速不夠平滑，所以在異步電機的調(diào)壓控制中多用相控技術(shù)。但是采用相控技術(shù)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(zhuǎn)矩脈動15。(4)變頻調(diào)速系統(tǒng)：在各種異步電機調(diào)速系統(tǒng)中，效率最高、性能最好的系統(tǒng)是變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。變壓

12、變頻調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)速時，須同時調(diào)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(zhuǎn)差功率不變，它是當(dāng)前交流調(diào)速的主要方向16。調(diào)壓調(diào)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(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行MATLAB仿真。下面對交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的原理及機械特性進(jìn)行介紹。2.2 交流異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng) 2.2.1 三相交流調(diào)壓電路 交流調(diào)壓調(diào)速需要三相交流調(diào)壓電路，晶閘管三相交流調(diào)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(diào)壓電路。如圖2.1所示。這種電路的接法特點是負(fù)載輸出諧波分量低，適用于低電壓大電流的場合11。圖2.1 三相全波星形連接的調(diào)壓電路要使得該

13、電路正常工作，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(dǎo)通。(2)要求采用脈沖或者窄脈沖觸發(fā)電路。(3)為了保證輸出電壓三相對稱并且有一定的調(diào)節(jié)范圍，要求晶閘管的觸發(fā)信號除了必須與相應(yīng)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(yán)格的保持一定的相位關(guān)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(yīng)互差180°。由上面結(jié)論，可得三相調(diào)壓電路中各晶閘管觸發(fā)的次序為V

14、T1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6、VT1以此類推。相鄰兩個晶閘管的觸發(fā)信號相位差60°。在晶閘管交流調(diào)壓中，晶閘管可借助于負(fù)載電流過零而自行關(guān)斷，不需要另加換流裝置，故線路簡單、調(diào)試容易、維修方便、成本低廉，從而得到廣泛的應(yīng)用。 2.2.2 調(diào)壓調(diào)速原理根據(jù)異步電動機的機械特性方程式 （2-3）其中 電動機的極對數(shù)、電動機定子相電壓和供電角頻率轉(zhuǎn)差率、定子每相電阻和折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻、定子每漏感和折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏感可見，當(dāng)轉(zhuǎn)差率一定時，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比。改變定子電壓可得到一組不同的人為機械特性，如圖2.2所示。在帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時，可以得到不同的

15、穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，如圖中的A，B，C點，其調(diào)速范圍較小，而帶風(fēng)機泵類負(fù)載時，可得到較大的調(diào)速范圍，如圖2.2中的D，E，F(xiàn)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(diào)壓調(diào)速，就是通過改變定子外加電壓來改變電磁轉(zhuǎn)矩，可得到較大的調(diào)速范圍，從而在一定的輸出轉(zhuǎn)矩下達(dá)到改變電動機轉(zhuǎn)速的目的13。為了能在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下擴大調(diào)壓調(diào)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(zhuǎn)子繞組有較高電阻值時的機械特性。在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)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(diào)速范圍增大了，而且在堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩下工作也不致燒毀電動機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)

16、控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)2.2.3.1 系統(tǒng)的組成及其靜特性異步電動機調(diào)壓調(diào)速時，采用普通電機的調(diào)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(fù)載有擾動時候會引起較大的轉(zhuǎn)速變化。解決這些矛盾的根本方法是采用帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)控制，以達(dá)到自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。在調(diào)速要求不高的情況下，也可采用定子電壓負(fù)反饋閉環(huán)控制。 圖2.4（a）是帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)原理圖，圖2.4（b）是相應(yīng)的調(diào)速系統(tǒng)靜特性。如果系統(tǒng)帶負(fù)載在A點穩(wěn)定運行，當(dāng)負(fù)載增大導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降時，通過轉(zhuǎn)速反饋控制作用提高定子電壓，使得轉(zhuǎn)速恢復(fù)，即在新的一條機械特性上找到了工作點。同理，當(dāng)負(fù)載減小使得轉(zhuǎn)速升高時，也可以得到新的工作

17、點。將工作點、A、連起來就是閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性1。（a）原理圖 (b)靜特性圖2.4 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)控制的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)在額定電壓下的機械特性和最小電壓下的機械特性是閉環(huán)系統(tǒng)靜特性左右兩邊的極限，當(dāng)負(fù)載變化達(dá)到兩側(cè)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14。對圖2.4（a）所示的系統(tǒng)，可畫出系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖，見圖2.5所示：圖2.5 異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖中：-晶閘管交流調(diào)壓器VVC和觸發(fā)裝置GT的放大系數(shù)； -觸發(fā)裝置的控制電壓；-為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；-測速發(fā)電機TG輸出的反饋電壓。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用PI調(diào)節(jié)器；是由式（2-3）描述的異步電動機械特性方程，它是一個

18、非線性函數(shù)。2.2.3.2 近似的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖異步電動機調(diào)壓調(diào)速的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下所示：圖2.6 異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖中各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為:(1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR常用PI調(diào)節(jié)器消除靜差并改善動特性，其傳遞函數(shù)為： （2-4）(2) 晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置GT-V假定該環(huán)節(jié)輸入輸出關(guān)系是線性的,在動態(tài)中可近似為一階慣性環(huán)節(jié)，其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: （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: （2-6）(4) 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(zhǔn)確的表示

19、異步電動機在整個調(diào)速范圍內(nèi)的輸入輸出關(guān)系式不可能的。只有做出一定的假設(shè)，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(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真3.1系統(tǒng)的建模和模型參數(shù)設(shè)置3.1.1主電路的建模和參數(shù)設(shè)置主電路主要由三相對稱交流電壓源、晶閘管、晶閘管三相交流調(diào)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(diào)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(shè)置問題16。3.1.1.1 三相交流電源的建模和參數(shù)設(shè)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(fù)制的方法得到三相電源的另兩個電壓源模塊，并把

20、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(fù)制成三份，按圖3.3所示連接即可圖3.1 Simulink中的電源模塊圖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(shè)置：雙擊A相交流電壓源圖標(biāo)打開參數(shù)設(shè)置對話框，A相得參數(shù)設(shè)置分別是：幅值（peak amplitude）取220V、初相位(Phase)設(shè)置成、頻率(Frequency)設(shè)置為50HZ，其他為默認(rèn)值。B、C的參數(shù)設(shè)置方法與A相相同，除了將初相位設(shè)置成互差以外，其它參數(shù)都與A相相同。由此可得到三相對稱交流電源4。3.1.1.2 晶

21、閘管三相交流調(diào)壓器的建模與參數(shù)設(shè)置晶閘管三相交流調(diào)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(diào)壓器的仿真模型。圖3.4 晶閘管三相交流調(diào)壓器仿真模型子系統(tǒng)觸發(fā)脈沖的順序為V1V2V3V4V5V6，其中V1V3V5之間和V4V6V2之間互差120度，V1V4之間、V3V6之間、V5V2之間互差180度。雙擊晶閘管對話框得到晶閘管參數(shù)設(shè)置圖，根據(jù)圖中要求及系統(tǒng)要求對其進(jìn)行參數(shù)設(shè)置如下：電阻（Resistance Ron）：40 ；電感（Inductance Lon）：0H；正向電壓（Forward voltage

22、Vf）：0.8V;初始電流（Initial current Ic）：0A；緩沖器電阻（Subber resistance Rs）：1200 ；緩沖器電容（Subber capacitance Cs）：250 。上圖是用單個晶閘管元件按三相交流調(diào)壓器的接線要求搭建成仿真模型的，單個晶閘管的參數(shù)設(shè)置仍然遵循晶閘管整流橋的參數(shù)設(shè)置原則，具體如下：如果針對某個具體的變流裝置進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，對話框中的參數(shù)應(yīng)取默認(rèn)值進(jìn)行仿真，若仿真結(jié)果理想，就可認(rèn)可這些設(shè)置的參數(shù)，若仿真結(jié)果不理想，則通過仿真實驗，不斷進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，最后確定其參數(shù)。這一參數(shù)設(shè)置原則對其它環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)置也是適用的18。在使用Simulink進(jìn)

23、行系統(tǒng)仿真分析時，首先需要進(jìn)行模塊參數(shù)設(shè)置，因此需要對系統(tǒng)中所有模塊進(jìn)行正確的參數(shù)設(shè)置。如果逐一的對各個系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)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(dāng)于一個單獨的模塊，具有特定的輸入和輸出關(guān)系。對于已經(jīng)設(shè)計好的子系統(tǒng)而言，能夠像Simulink模塊庫中的模塊一樣進(jìn)行參數(shù)設(shè)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(jìn)行設(shè)置，無需關(guān)心子系統(tǒng)的內(nèi)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(biāo)右鍵，在彈出的菜單中選擇Mask Subsystem項，或者單擊Edit-Mask Subsystem項

24、19。這時將出現(xiàn)圖中所示的封裝編輯器。使用封裝編輯器子系統(tǒng)中的圖標(biāo)、參數(shù)初始化設(shè)置對話框以及幫助文檔，從而可使使用戶設(shè)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Mask editor:Subsystem對話框，如圖3.5所示。使用此編輯器可以對封裝后的子系統(tǒng)進(jìn)行各種編輯。在默認(rèn)情況下，封裝子系統(tǒng)不使用圖標(biāo)。但友好的子系統(tǒng)圖標(biāo)可使子系統(tǒng)的功能一目了然。為了增強封裝子系統(tǒng)的界面友好性，用戶可以自定義子系統(tǒng)模塊的圖標(biāo)。只需在途中編輯對話框中的“圖標(biāo)和端口”選項卡中“繪制命令”欄中使用MATLAB中相應(yīng)便可以繪制模塊圖標(biāo)，并可設(shè)置不同的參數(shù)控制圖標(biāo)界面的顯示20。圖3.5 子系

25、統(tǒng)封裝編輯器下圖為晶閘管三相交流調(diào)壓器子系統(tǒng)封裝圖如下所示：圖3.6 三相交流調(diào)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)器出來的觸發(fā)脈沖，輸出a，b，c分別連接交流電動機的A，B，C 輸入4。3.1.1.3 同步脈沖觸發(fā)器的建模和參數(shù)設(shè)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。圖3.7 附加模塊（Extras Control Blocks）子模塊6脈沖觸發(fā)器需要

26、三相線電壓同步，所以同步電源的任務(wù)是將三相交流電源的相電壓轉(zhuǎn)換成線電壓。同步電源與6脈沖觸發(fā)器符號圖如下所示4：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(guān)系，建立起主電路的仿真模型。圖3.10中l(wèi)n2為脈沖器開關(guān)信號，當(dāng)脈沖器開關(guān)信號為“0”時，開放觸發(fā)器；為“1”時，封鎖觸發(fā)器4。3.1.1.4 交流異步電動機的建模和參數(shù)設(shè)置在Power System工具箱中有一個電機模塊庫，它包含了直流電機、異步電機、同步電機以及其他各種電機模塊。其中，模塊庫中有兩個異步電動機模型，一個是標(biāo)幺值單位制（PI unit）下

27、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(shè)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；：電機負(fù)載輸入端子，一般是加到電機軸上的機械負(fù)載；a,b,c:繞線式轉(zhuǎn)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機內(nèi)部信號，或引出反饋信號2。異步電動機模型參數(shù)設(shè)置如下。雙擊異步電動機的模型，即了得到參數(shù)設(shè)置對話框。分別對其進(jìn)行參數(shù)設(shè)置如下所示6：（1）繞組類型（Rotor type）: 轉(zhuǎn)子類型列表框，分別

28、可以將電機設(shè)置為繞線式（Wound）和鼠籠式（Squirrelcage）兩種類型。在本文中用鼠籠式（Squirrelcage）異步電動機；（2）參考坐標(biāo)系（Reference Frame）：參考坐標(biāo)列表框，可以選擇轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系（Rotor）、靜止坐標(biāo)系（Stationary）、同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（Synchronous）。在本文中選擇同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（Synchronous）；（3）額定參數(shù): 額定功率（KW）取30KW，線電壓（V）為380V，頻率（赫茲）為50HZ；（4）定子電阻（Stator）（ohm）取0.087和漏感（H）取為0.8mH；（5）轉(zhuǎn)子電阻（Rotor）（ohm）為0.028和漏

29、感（H）取為34.7mH；其它設(shè)置為默認(rèn)值3.1.1.5 電動機測試信號分配器的建模和參數(shù)設(shè)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電機測試信號分配器參數(shù)設(shè)置圖。圖3.123 電動機測試信號分配器參數(shù)設(shè)置對話框及參數(shù)選擇圖中：ir_abc：轉(zhuǎn)子電流ira,irb,irc；ir_qd：同步d-q坐標(biāo)下的q軸下的轉(zhuǎn)子電流ir_q和d軸下的轉(zhuǎn)子電流ir_d；phir_qd：同步d-q坐標(biāo)下的q軸下的轉(zhuǎn)子磁通phir_q和d軸下的轉(zhuǎn)子磁通phir_d；vr_qd：

30、同步d-q坐標(biāo)下的q軸下的轉(zhuǎn)子電壓vr_q和d軸下的轉(zhuǎn)子電壓vr_d；is_abc：定子電流isa,isb,isc；is_qd：同步d-q坐標(biāo)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(biāo)下的q軸下的定子磁通phis_q和d軸下的定子磁通phis_d；vs_qd：同步d-q坐標(biāo)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(zhuǎn)速wm；Te：電機的機械轉(zhuǎn)矩Te；Thetam：電機轉(zhuǎn)子角位移Thetam1。3.1.2 控制電路的建模和參數(shù)設(shè)置交流調(diào)壓系統(tǒng)的控制電路包括：給定環(huán)節(jié)、速度調(diào)節(jié)器、限幅器、速度反饋環(huán)節(jié)等?？刂齐娐返挠嘘P(guān)參數(shù)設(shè)置如

31、下：速度反饋系數(shù)設(shè)為20；調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置分別是：ASR：；上下限幅為400-0；其它沒做說明的為系統(tǒng)默認(rèn)參數(shù)。3.1.2.1 給定環(huán)節(jié)的建模與參數(shù)設(shè)置在調(diào)壓調(diào)速的仿真模型中有幾個給定環(huán)節(jié)，它可以從圖3.13中的輸入源模塊組中選取“constant”模塊，模塊路徑為Simulink/Commonly Used Blocks14。圖3.13 輸入源模塊組然后雙擊該模塊的圖標(biāo)，打開參數(shù)設(shè)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(shè)置為-20以及0兩個。其它設(shè)置為默認(rèn)值。實際調(diào)速時，給定信號是在一定的范圍內(nèi)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

32、圍4。3.1.2.2 速度調(diào)節(jié)器的建模和參數(shù)設(shè)置速度調(diào)節(jié)器通常采用PI控制，比例和積分參數(shù)的設(shè)置要根據(jù)系統(tǒng)的仿真結(jié)果不斷地變化改動，以得到最穩(wěn)定的輸出特性以及動態(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(shè)置這些參數(shù)的一個較大和較小的值進(jìn)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(jìn)行優(yōu)化。PID Controller位于Simulink Extras/Additional Linear中，如圖3.14所示：3.14 Simulink Extras/Additional Linear模塊組在此仿真中，經(jīng)過不斷地變化改動，最終確定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為（1）比例常數(shù)（Proportional

33、）為30；（2）積分時間常數(shù) （Integral）為300；（3）微分時間常數(shù)（Derivative）為0（PI控制）。3.1.2.3 限幅器的建模和參數(shù)設(shè)置限幅器模塊位于Simulink/Commonly Used Blocks模塊庫中，如圖3.13所示：限幅值的值設(shè)置為400-0。具體參數(shù)設(shè)置步驟如下： 雙擊限幅器圖標(biāo)，得到限幅器參數(shù)設(shè)置對話框，對其進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。根據(jù)題目要求，通過不斷地試驗，最后設(shè)定限幅器的參數(shù)值為12：最大值（Upper limit）：400最小值（Lower limit）：03.1.3 系統(tǒng)仿真參數(shù)的設(shè)置在MATLAB的模型窗口下打開“simulink”菜單，進(jìn)行“s

34、imulink parameters”設(shè)置，點擊“simulink parameters”菜單后，得到仿真參數(shù)對話框，參數(shù)設(shè)置如圖3.15所示：圖3.15 系統(tǒng)仿真參數(shù)的設(shè)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(jìn)行仿真的速度、仿真的精度等方面進(jìn)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。仿真開始實踐Start time一般設(shè)為0，Stop time根據(jù)實際需要而定，一般只要能夠仿真出完整的波形就可以了。在此論文中，我Stop time們設(shè)置Stop time為默認(rèn)值為304。

35、3.1.4 異步電機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)仿真模型異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖3.16所示：3.16 異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型其中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)，限幅值參數(shù)，仿真參數(shù)設(shè)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(shè)置為默認(rèn)值。由上圖可得到交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速特性。如圖3.17所示。修改電機測試信號分配器的輸出端子，使其輸出端分別為電磁轉(zhuǎn)矩、三相定子電流輸出is_abc可以得到如圖3.18、3.19的波形。3.2仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析當(dāng)建模和參數(shù)設(shè)置完成后，即可開始進(jìn)行仿真。在MATLAB的模型窗口打開“Simulink”菜單，點擊“Start”命令后，系統(tǒng)開始進(jìn)行仿真，

36、仿真結(jié)束后可輸出仿真結(jié)果。然后根據(jù)輸出結(jié)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)有兩種輸出方式：“示波器”以及“out1”輸出模塊。本文采用示波器觀察輸出結(jié)果。運行結(jié)束后，只要在系統(tǒng)的模型圖上雙擊“示波器”圖標(biāo)即可。通過“示波器”模塊觀察仿真輸出，則要對“示波器的“Limit data points to last”的值要設(shè)的大一點，否則”Figure”數(shù)尺的圖形會不完整。一般情況下設(shè)置“Limit data points to last”為500000，本文也是如此。示波器數(shù)尺結(jié)果如下：圖3.17顯示為交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速曲線，

37、圖3.18為交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)電子轉(zhuǎn)矩輸出，圖3.19為交流調(diào)壓調(diào)速電路三相定子電流輸出。圖3.17 交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速特性圖3.18 交流調(diào)壓調(diào)速電磁轉(zhuǎn)矩輸出圖3.19 交流調(diào)壓調(diào)速電路三相定子電流輸出從上圖中系統(tǒng)的輸出，可以看出在開始啟動的瞬間，定子電流的峰值可達(dá)450A，在恒轉(zhuǎn)矩啟動階段，定子電流基本上保持在150A。恒轉(zhuǎn)矩啟動階段的大約時間為0.7s。在恒轉(zhuǎn)矩階段，轉(zhuǎn)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(dá)到穩(wěn)態(tài)值，穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)子角速度約為120rad/s。最終可以得到如下結(jié)論：（1） 啟動階段大約時間為0.7s，系統(tǒng)反應(yīng)速度比較快，上升時間比較短。（

38、2） 利用轉(zhuǎn)速調(diào)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(nèi)建立轉(zhuǎn)速，在退飽和實現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)和實現(xiàn)系統(tǒng)的無靜差特性。（3） 由于采用PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成了轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的無靜差系統(tǒng)，在負(fù)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。（4） 由上圖可知，這個曲線結(jié)果和實際電機運行的結(jié)果相似，系統(tǒng)的建模和仿真是成功的。4 結(jié)論交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)具有線路簡單，價格便宜，使用維修方便等優(yōu)點，所以在實際的工程中得到廣泛的應(yīng)用。 詳細(xì)研究了三相交流調(diào)壓電路，并通過MATLAB的SIMULINK 電力系統(tǒng)工具箱分別對其主電路和控制電路進(jìn)行了建模和參數(shù)設(shè)置，最終建立了異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)仿真

39、模型，根據(jù)輸出的仿真結(jié)果，簡單分析了該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速輸出、電磁轉(zhuǎn)矩輸出以及三相定子電流輸出，驗證了交流調(diào)壓電路的工作原理以及系統(tǒng)模型的正確性，為交流調(diào)速系統(tǒng)今后的發(fā)展及應(yīng)用奠定了良好的理論基礎(chǔ)。在系統(tǒng)中，由于非線性環(huán)節(jié)線性化處理、近似處理、調(diào)節(jié)器的飽和非線性等因素導(dǎo)致了工程設(shè)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)過大量的調(diào)試和參數(shù)的修改，才能得出超調(diào)量小、抗干擾性能較好調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。造成系統(tǒng)的工程設(shè)計方法與仿真實驗之間有差距的原因總結(jié)如下：（1）工程設(shè)計方法在設(shè)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

40、實驗在建模過程中忽略了非線性因素和次要因素。（3）用MATLAB/SIMULINK軟件是控制系統(tǒng)功能的完善，實現(xiàn)系統(tǒng)控制容易，構(gòu)造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，提高開發(fā)效率，同時可以嘗試不同的控制方式，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。參考文獻(xiàn)1 張少軍，杜金城交流調(diào)速原理及應(yīng)用M 北京：中國電力出版社，20032 李發(fā)海，王巖電機與拖動基礎(chǔ)M 北京：清華大學(xué)出版社，20053 阮毅，陳維鈞運動控制系統(tǒng)M 北京：清華大學(xué)出版社，20064 周深淵，宋永英，朱希榮交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真M北京：中國電力出版社，20035 陳伯時電力拖動自動控制系統(tǒng)(第2版)M 北京：機械工業(yè)出版社，20006 薛定宇，陳陽泉.基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用M 北京