基于MATLAB_SIMULINK的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真

1、1.1.1 研究目的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(diǎn)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(dòng) 態(tài)性能。在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)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(dòng)機(jī)本身的換向和在惡劣環(huán)境下的不適應(yīng)問題， 同時(shí)制造大 容量、高轉(zhuǎn)速及高電壓直流電動(dòng)機(jī)也十分困難， 這就限制了直流拖動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。交流電動(dòng)機(jī)自 1985 年出現(xiàn)后，由于沒有理想的調(diào)速方案，因而長(zhǎng)期用于恒速拖動(dòng) 領(lǐng)域。20世紀(jì) 70 年代后，國際上解決了交流電動(dòng)機(jī)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)在交流調(diào)速系統(tǒng)已逐

2、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(dòng)態(tài)響應(yīng)、高工作效率以及可以四象限 運(yùn)行等優(yōu)異特性，其穩(wěn)、動(dòng)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(diǎn)：（ 1） 容量大；（ 2） 轉(zhuǎn)速高且耐高壓；（ 3） 交流電動(dòng)機(jī)的體積、重量、價(jià)格比同等容量的直流電動(dòng)機(jī)小，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 經(jīng)濟(jì)可靠、慣性小；（ 4） 交流電動(dòng)機(jī)環(huán)境使用性強(qiáng)，堅(jiān)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(dòng)系統(tǒng)已達(dá)同直流拖動(dòng)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)。本課題主要

3、運(yùn)用 MATLAB-SIMULlN軟件中的交流電機(jī)庫對(duì)交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真，由仿真結(jié)果圖直接認(rèn)識(shí)交流系統(tǒng)的機(jī)械特性。本文重點(diǎn)對(duì)三相交流調(diào)壓調(diào)速 系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，認(rèn)識(shí) PID 調(diào)節(jié)器參數(shù)的改變對(duì)系統(tǒng)性能的影響，認(rèn)識(shí)該系統(tǒng)動(dòng)態(tài) 及靜態(tài)性能的優(yōu)劣及適用環(huán)境。在實(shí)際應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，一是要具有較高的機(jī) 電能量轉(zhuǎn)換效率；二是應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。電 動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能如何對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、 提高勞動(dòng)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(diǎn) 12 。而交流調(diào)速系統(tǒng)憑著其絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，最終 必將取代直流調(diào)速系統(tǒng) 3

4、。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(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)不但性能同直流電動(dòng)機(jī)的性能一樣，而且成本和維 護(hù)費(fèi)用比直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)的裝置基本呈下降趨勢(shì)， 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(gè)別的地方還繼續(xù)采用直流電機(jī)外，幾乎所有的調(diào)速系統(tǒng)都采用變頻裝置 67 。910計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用， 使得對(duì)交流調(diào)速的性能分析和研究變的更 為方便。傳

5、統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真軟件包用微分方程和差分方程建模，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(jì)算機(jī)仿真軟件的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)交流調(diào)速 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真可以較容易地實(shí)現(xiàn) 。如：matlab軟件已經(jīng)能夠在計(jì)算機(jī)中全過程地仿 真交流調(diào)速系統(tǒng)的整個(gè)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?yàn)槟承﹩栴}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(jì)算機(jī)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(shí)時(shí)監(jiān)控等方面得到長(zhǎng)足進(jìn)步交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展到今天，相對(duì)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

6、現(xiàn)， 工業(yè)應(yīng)用對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng) 又提了新的要求，現(xiàn)代交流電機(jī)調(diào)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(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，它將新型的電機(jī)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)與控制技術(shù)融為一體，形成一個(gè)典型的機(jī)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(shì)，已成為當(dāng)代 電力拖動(dòng)的一個(gè)熱門課題，將會(huì)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(cè)器（磁通觀 測(cè)器、力矩觀測(cè)器等），為補(bǔ)償速度降以提高精度的前饋控制，以節(jié)能、平穩(wěn)、快速

7、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)矩控制及模糊 控制等已見諸國內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)及雜志中1.3 論文主要工作1. 分析各種調(diào)速系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用中的優(yōu)缺點(diǎn)，分析各種調(diào)速方式適用的場(chǎng)合。2.重點(diǎn)分析掌握三相交流調(diào)壓調(diào)速原理，機(jī)械特性等，然后對(duì)其進(jìn)行MATLAB的仿真實(shí)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(duì)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?jī)?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(diǎn)分析

8、了交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的原理及機(jī)械特性， 及對(duì)交流調(diào)壓調(diào)速電路以及閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了重點(diǎn) 的研究分析第三章 交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的 MATLA仿真：運(yùn)用MATLAB勺SlMULlNK工具箱分別對(duì) 異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)電路的仿真模型，并對(duì)其進(jìn)行了仿真分析和研究，給出仿真結(jié)果，通 過對(duì)仿真結(jié)果的分析驗(yàn)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(duì)全文進(jìn)行總結(jié)，指明異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展方向。(2-1)f以及改變轉(zhuǎn)率S(2-2)由于實(shí)際使用中同步電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)(VVVF調(diào)速，即通常說的變頻調(diào)速。P是固定的，

9、因此只有采用變壓變頻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(jī)包括異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)兩大類。 對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)而言，其轉(zhuǎn)速為:60 f (1 S) /.nrmnP從轉(zhuǎn)速公式可知改變電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)P ,改變定子供電功率都可達(dá)到調(diào)速的目的。對(duì)同步電動(dòng)機(jī)而言，同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為:n 空 r/mlnP運(yùn)用到實(shí)際中的交流調(diào)速系統(tǒng)主要有：變級(jí)調(diào)速系統(tǒng)、串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)壓調(diào)速系 統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)(1) 變極調(diào)速系統(tǒng)：調(diào)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步速度的最簡(jiǎn)單辦法是變極調(diào)速。通過電動(dòng)機(jī)繞 組的改接使電機(jī)從一種極數(shù)變到另一種極數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的有級(jí)調(diào)速。變極調(diào)速系統(tǒng)所需設(shè)備簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，工作也比較可靠，但它是

10、有級(jí)調(diào)速，一般 為兩種速度，三速以上的變極電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用較少。變極調(diào)速電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵在 于繞組設(shè)計(jì)，以最少的線圈改接和引出頭以達(dá)到最好的電機(jī)技術(shù)性能指標(biāo)。(2) 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)：繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速是將轉(zhuǎn)差功率加以利用的一種經(jīng) 濟(jì)、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(jī)械特性，從而實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。這種方法簡(jiǎn)單方便，但調(diào)速是有級(jí)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(dòng)機(jī)與晶閘管變換器共同組成的晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)。 轉(zhuǎn)子

11、回路中引入附加電勢(shì)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(dòng)機(jī)的功率因數(shù)。(3) 調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)：異步電動(dòng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)矩與輸入電壓基波的平方成正比，所以改變 電機(jī)端電壓 ( 基波)可以改變異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性以及它和負(fù)載特性的交點(diǎn)， 來實(shí)現(xiàn)調(diào) 速。異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速是一種比較簡(jiǎn)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(shí)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(jī)的調(diào)壓控制中多用相控技術(shù)。

12、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(huì)引起附加損耗，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 15 。(4) 變頻調(diào)速系統(tǒng)：在各種異步電機(jī)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)。變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)速時(shí)，須同時(shí)調(diào)節(jié)定子電源的電壓和頻率，在 這種情況下，機(jī)械特性基本上平行移動(dòng)，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(diǎn)是線路簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，使用維修方便，本文主要針對(duì)交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行MATLA仿真。下面對(duì)交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的原理及機(jī)械特性進(jìn)行介紹。2.2 交流異步電動(dòng)機(jī)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

13、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(diǎn)是負(fù)載輸出諧波分量低，適用于低電壓大電流的場(chǎng)合11-VT0 外R IDiIL TTi丘*RIiOvlR1P9圖2.1三相全波星形連接的調(diào)壓電路要使得該電路正常工作，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(shí)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(duì)稱并且有一定的調(diào)節(jié)范圍，要求晶閘管的觸發(fā)信號(hào)除了必須與相應(yīng)的交流電源有一致的相序外，各個(gè)觸發(fā)信號(hào)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

14、電源為正半周時(shí)工作的晶 閘管)的觸發(fā)信號(hào)相位互差120°，三相電路中的反向晶閘管的觸發(fā)信號(hào)相位互差120°在同一相中反并聯(lián)的兩個(gè)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?yàn)?VT、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6、VT以此類推。相鄰兩個(gè)晶閘管的觸發(fā)信號(hào)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(jiǎn)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(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式PM3P '2 21 211 S2 '

15、;3pU R2 /S1 RI'2R2 /sLIIL2(2-3)2其中P電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)U1、電動(dòng)機(jī)定子相電壓和供電角頻率轉(zhuǎn)差率Ri、R2 定子每相電阻和折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻Lii、Ll2 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S一定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)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機(jī)械特性，如圖 2.2所示。在帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載TL時(shí)，可以得到不同的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，如圖中的A，B，C點(diǎn)，其調(diào)速范圍較小，而帶風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載時(shí)，可得到較大的調(diào)速范圍，如圖2.2中的D, E，F(xiàn)點(diǎn)。圖2.2異步電動(dòng)機(jī)在不同定子電壓時(shí)的機(jī)械特性13。所謂調(diào)壓調(diào)速，就是通過改變定子外加

16、電壓來改變電磁轉(zhuǎn)矩T ,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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的為了能在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下擴(kuò)大調(diào)壓調(diào)速范圍，使電機(jī)在較低速下穩(wěn)定運(yùn)行又不致過 熱，可采用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組有較高電阻值時(shí)的機(jī)械特性。在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下的交流力矩電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。圖2.3顯示此類電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)i4圖2.3 交流力矩電機(jī)在不同定子電壓時(shí)的機(jī)械特性2.2.3閉環(huán)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(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速時(shí)，采用普通電機(jī)的調(diào)速范圍很窄；并且在低速運(yùn)行時(shí)候穩(wěn)定 性很差，在電網(wǎng)電壓、負(fù)載有擾動(dòng)時(shí)候會(huì)引起較大的轉(zhuǎn)速變化。解決這些矛盾的根本

17、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(dòng)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TL在A點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)負(fù)載增大導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降時(shí)，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(jī)械特性上找到了工作 點(diǎn)A。同理，當(dāng)負(fù)載減小使得轉(zhuǎn)速升高時(shí)，也可以得到新的工作點(diǎn)A。將工作點(diǎn)A、A A連起來就是閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性1UImin時(shí)的機(jī)械特性(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)14o在額定電壓Uin下的機(jī)械特性和最小電壓Uimin

18、下的機(jī)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(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)便失去控制能力，回到開環(huán)機(jī)械特性上工作對(duì)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:圖中：KS u-晶閘管交流調(diào)壓器VVC和觸發(fā)裝置GT的放大系數(shù);TLASRU圖2.5異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖UCtUct-觸發(fā)裝置的控制電壓；U n / n-為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；Un-測(cè)速發(fā)電機(jī)TG輸出的反饋電壓。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用Pl調(diào)節(jié)器；n f U1,T是由式(2-3)描述的異步電動(dòng)機(jī)械特 性方程，它是一個(gè)非線性函數(shù)。223.2 近似的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速的近似動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下所示:WGT

19、V(S)Ui SWMA SWFBS S圖2.6異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的近似動(dòng)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(dòng)特性，其傳遞函數(shù)為:(2-4)WASRS Knlj(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(dòng)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：KSTSS 1(2-5)(3) 測(cè)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 STonS1(2-6)(4) 異步電動(dòng)機(jī)MA由于描述異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)過程是一組非線性微分方程，只用一個(gè)傳遞函數(shù)來準(zhǔn)確的 表示異步

20、電動(dòng)機(jī)在整個(gè)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(diǎn)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 MATLA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(duì)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(dòng)機(jī)、電機(jī)信號(hào)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(dòng)機(jī)、 電機(jī)測(cè)試信號(hào)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(gè)交流電壓源模塊，再用復(fù)制的方法得到三3.3所示連接即可相電源的另兩個(gè)

21、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(fù)制成三份，按圖g SimUIilnk Library BrOiViJSe-rIt SlmPox erSystems EL- 3MiZtKJn lbrarleS i _EhactHcsJ SourcesLifcrairy. SimPoWW CrS yt emE tectrica I SlUUIrcs-Searcn Reu ItS 4：Ee-ments+ - EXtrH Library UIaCtIlnaB： MfrasurerneTitsAlC G-UITentSOUrDEBja

22、tEControl lc,dV-lLg S-3urc½AC Witafle SoUrKC-OntrC 11 e-dC-LKrTEInt SDUrieDC VltSQE. Ssjjs-圖3.1 SimUlink中的電源模塊匚j七 FnterSefirCh termLlCrarleaLIb rary. rP WerSystern¾EIcnrcniaSear c RESU Its. (non eI Simtvents iPdv erystcmaFF- APPlicatiOn LiblrarieS：Etectncai SQLIrCeSi- Em-rt÷ - Extra L

23、ibrary p, Mal hin a ia-i MeasurementsBreakeririb-utfrdP H r ITWhtAr Lin*Gr¢1LIndirT rssfoffrerCQnneetiQn POrtElIGrminFdLinearTrsn Sf QOTI EdF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(duì)稱交流電壓源，對(duì)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(duì)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O、頻率(FreqUency)設(shè)置為50HZ其他為 默認(rèn)值。

24、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120以外，其它參 數(shù)都與A相相同。由此可得到三相對(duì)稱交流電源4。3.1.1.2 晶閘管三相交流調(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(duì)反并聯(lián)的晶閘管元件組成，單個(gè)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。b<lVTI V74VT3 VT6VTSVTZ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?yàn)?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1

25、80度。雙擊晶閘管對(duì)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(duì)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 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 F。上圖是用單個(gè)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(gè)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(duì)某個(gè)具

26、體 的變流裝置進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，對(duì)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(shí)驗(yàn)，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(duì)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)行系統(tǒng)仿真分析時(shí)，首先需要進(jìn)行模塊參數(shù)設(shè)置，因此需要對(duì) 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(duì)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí)很繁瑣 的，因?yàn)樽酉到y(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(gè)單獨(dú)的模 塊，具有特定的輸入和輸出關(guān)系。對(duì)于已經(jīng)設(shè)計(jì)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(huì)給用戶帶來很

27、大的方便，這時(shí)用戶只需要對(duì)子系 統(tǒng)參數(shù)選項(xiàng)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(shí)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 MaskSubSyStem項(xiàng)，或者單擊Edit-MaSk SubSyStem 項(xiàng)何。這時(shí)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(biāo)、參數(shù)初始化設(shè)置對(duì)話框以及幫助文檔，從而可使 使用戶設(shè)計(jì)出非常友好的模塊界面，以充分發(fā)揮 Simulink 的強(qiáng)大功能。20打開 MaSkeditor:SubSyStem 對(duì)話框，如圖 3.5 所示。使用此編輯器可以對(duì)圭裝后 的子系統(tǒng)進(jìn)行各種編輯。

28、在默認(rèn)情況下，圭裝子系統(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(qiáng)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(biāo)。只需在途中編輯對(duì)話框中的“圖標(biāo)和端口”選項(xiàng)卡中“繪制命令”欄中 使用MATLA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)界面的顯示圖3.5子系統(tǒng)圭寸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(dòng)機(jī)的A，B，C輸入。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)

29、器和晶閘管整流橋作為一個(gè)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EntUrJ ach termLIkrarieS'-SReakTirTlei WOrkSlIclpReai-Tme WOrkahOP Ern.RePCirt Gen eratorRobust CcIfltrOI ¾o IbexaI Processing Block.mEets SiTlp(IWerSyStemS+- APPkCatiOn LibrarIeS Ei

30、ectriCfll SDUrCeS-EtementS7- EXtra Libraryi i=- Control Olocks-Libra r.: SimPC f, e rSyslers'xtra LIb rayCc Tltrcl I B l tks3=13tlMcn-DBtsbI E3-p 5E FTa呂- Irn nnSb I E & Li r oeSynchronized： S- PU.Ie G ErBtCr. I 3firstcxPhB» PiJLEd g >5tEGtotOn l Off DelaySamPle & HOIdTimtf）子模塊圖

31、3.7 附加模塊(EXtraS Control Blocks6脈沖觸發(fā)器需要三相線電壓同步，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(hào)圖如下所示Synchronized6-Pulse Generatort.alpha-degb<>*US<>-r-O-AB_ V=lkFT VBCCAI I PLlhe5InleckCD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:3.10中l(wèi)n2為脈沖器圖3.9同步脈沖觸發(fā)器封裝后子系統(tǒng)符號(hào)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 開關(guān)信號(hào)，當(dāng)脈沖器開關(guān)信號(hào)為“ 0”時(shí)

32、，開放觸發(fā)器；為“ 1”時(shí)，封鎖觸發(fā)器。3.1.1.4 交流異步電動(dòng)機(jī)的建模和參數(shù)設(shè)置在 Power System 工具箱中有一個(gè)電機(jī)模塊庫，它包含了直流電機(jī)、異步電機(jī)、同 步電機(jī)以及其他各種電機(jī)模塊。其中，模塊庫中有兩個(gè)異步電動(dòng)機(jī)模型，一個(gè)是標(biāo)幺值 單位制( PI unit )下的異步電動(dòng)機(jī)模型，另一個(gè)是國際單位制( SI unit )下的異步電 動(dòng)機(jī)模型，本設(shè)計(jì)中采用后者。國際單位制下的異步電動(dòng)機(jī)模型符號(hào)如圖所示 2 ：圖 3.10 異步電動(dòng)機(jī)模塊其電氣連接和功能分別為：A, B, C:交流電機(jī)的定子電壓輸入端子；Tm ：電機(jī)負(fù)載輸入端子，一般是加到電機(jī)軸上的機(jī)械負(fù)載；a,b,c: 繞線式

33、轉(zhuǎn)子輸出電壓端子,一般短接,而在鼠籠式電機(jī)為此輸出端子；m:電機(jī)信號(hào)輸出端子，一般接電機(jī)測(cè)試信號(hào)分配器觀測(cè)電機(jī)內(nèi)部信號(hào)，或引出反饋信號(hào)2。異步電動(dòng)機(jī)模型參數(shù)設(shè)置如下。 雙擊異步電動(dòng)機(jī)的模型， 即了得到參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。 分別對(duì)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，分別可以將電機(jī)設(shè)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(dòng)機(jī)；(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( StatiOnar

34、y )、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Pn ( Kvy取30Kvy線電壓Vn (V)為380V,頻率f (赫茲) 為 50HZ；(5)轉(zhuǎn)子電阻 Rr (Rotor) (Ohm 為 0.028 和漏感 Lir (H)取為 34.7mH;其它設(shè)置為默認(rèn)值3.1.1.5 電動(dòng)機(jī)測(cè)試信號(hào)分配器的建模和參數(shù)設(shè)置電動(dòng)機(jī)測(cè)試信號(hào)分配器模塊的模型圖如下3.11所示：圖 3.11 MaChines MeaSUrement DemUX電動(dòng)機(jī)測(cè)試信號(hào)分配器模塊雙擊電動(dòng)機(jī)測(cè)試信號(hào)分配模塊得圖3.12電機(jī)測(cè)試信號(hào)分配器參

35、數(shù)設(shè)置圖圖3.123電動(dòng)機(jī)測(cè)試信號(hào)分配器參數(shù)設(shè)置對(duì)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 :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

36、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(jī)的轉(zhuǎn)速WmTe:電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩Te;Thetam:電機(jī)轉(zhuǎn)子角位移ThetanT。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。控制電路的有關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：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 KPn 30 ； n 300 ;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(gè)給定環(huán)節(jié)，它可以從圖3.13中的輸入源模塊組中選取“ COn

37、Stant ”模塊，模塊路徑為 SimUIink/CommonIy USed BIaCkS "。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(duì)話框，在該系統(tǒng)中用到兩個(gè)給定模塊，分別將給定值(COnstent value )設(shè)置為-20以及0兩個(gè)。其它設(shè)置為默認(rèn)值。實(shí)際調(diào)速時(shí)，給定信號(hào)是在一定的范圍內(nèi)變化的，我們可以通過仿真實(shí)踐，確定給 定信號(hào)允許的變化范圍。3.122 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Pl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(dòng)，以得到最穩(wěn)定的輸出特性以及動(dòng)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

38、一個(gè)較大和較小的值進(jìn)行仿真，弄清它們對(duì)系統(tǒng)性能影響的趨勢(shì)，據(jù)此逐步將參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。PID COntroller 位于 SimUIink EXtraS/Additional Linear中，如圖 3.14 所示：3.14 SimUIi nk EXtraS/Additio nal Linear模塊組在此仿真中，經(jīng)過不斷地變化改動(dòng)，最終確定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為(1) 比例常數(shù) KP ( Proportional)為 30；(2) 積分時(shí)間常數(shù) Ki (Integral )為300；(3) 微分時(shí)間常數(shù)Kd ( 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

39、SimUIink/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(duì)話框，對(duì)其進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。根據(jù)題目要求,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MATLA的模型窗口下打開“ Simulink ”菜單，進(jìn)行“ Simulink ParameterS ”設(shè)置，點(diǎn)擊“ SimUIink ParameterS ”菜單后，得到仿真參數(shù)對(duì)話框，參數(shù)設(shè)置如圖3.15 所示:COniflgUlratlon Parametera

40、: UrtItIeCIl/ 匚 OrjlgU曰 tn on !ArtiveJ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(shí)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(shí)踐我們?cè)诜抡嬷兴x擇的算法為ode23s°仿真開始實(shí)踐Start time 一般設(shè)為0, StOP time根據(jù)實(shí)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?cè)O(shè)置Stop time為默認(rèn)值為 304。3.1.4異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)仿真模型異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(jī)測(cè)試信號(hào)分配器的輸出端子，使其輸出端分別為電磁轉(zhuǎn)矩Te、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MATLA的模型窗口打開“ SimUIink ”菜單，點(diǎn)擊“ Start ”命令后，系統(tǒng)開始進(jìn) 行仿真，仿真結(jié)束后可