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双馈电动机调速控制系统的设计与仿真【任务+开题+翻译】【无图】

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关键词：: 双馈电动机调速控制系统设计仿真任务开题翻译

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双馈电动机调速控制系统的设计与仿真

36页 18000字数+说明书+任务书+开题报告+外文翻译+6张CAD图纸

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电力拖动自动控制系统(第3版)(陈伯时).pdf

摘要：目前，风机、水泵是国民经济中应用广泛的生产设备，广泛地应用于电力、水处理、供水、城市供热、冶金矿产、港口机械、石油化工等工业领域，耗电量很大,几乎占工业耗电量的一半。目前，大多数风机、水泵都采用阀门或档板来调节流量以满足负荷变化的要求，或使用低效调速方法，浪费电能严重。

　　　本文在客观分析风机、泵类负载调速技术发展现状的基础上，针对传统串级调速系统功率因数低的问题，结合双馈电动机节能调速的具体实际，对斩波式串级调速系统的设计方案进行了详细讨论，分析并计算了系统各环节的参数及系统的机械特性。设计了双馈电机的斩波式串级调速系统。调速系统采用绝缘栅双极型晶体管((IGBT)作为直流斩波器，并使用了采用转速、电流双闭环控制。系统能通过控制斩波器的占空比来改变电机转子回路的附加电势，从而达到调速的目的。

关键词：双馈电机；串级调速；斩波；MATLAB仿真　　　Abstract：At present, fans, pumps are widely used in the national economy of production equipmen and the field of electricity, water treatment, water supply, urban heating, metallurgy, mineral, port machinery, petroleum chemical industry, the power consumption is large, accounting for almost half of the industrial electricity consumption. At present, the majority of fans, pumps use valve or baffle to adjust the flow to meet the requirements of the load changes, or the use of inefficient speed control, but this way has a serious waste of energy.

　　　On the basis of the objective analysis of the status of the fan or pump load speed technology ‘s development. This paper is in case of Conventional cascade speed control system with low power factor, combined with the specific reality of the double-fed motor energy saving speed control，a detailed discussion had been made about the chopping cascade speed control system design and had a analysis and calculation of the mechanical properties of the various links of the system parameters and system.. A double-fed motor chopping cascade speed control system was designed. The speed control system uses insulated gate bipolar transistor ((IGBT) as the DC chopper and the speed and current closed-loop control are used. In the system the speed can be controlled by the way to control the duty cycle of the chopper to change the additional potential of rotor circuit.

Key words：Doubly fed motor; Cascade control; Chopper;MATLAB Simulation

摘要Ⅰ

目次Ⅲ

1 引言1

1.1 双馈电动机的简介和发展状况1

1.2 串级调速系统的简介及发其展现状2

1.3 本课题研究的内容和技术要求2

2 双馈电动机调速控制系统的设计3

2.1 串级调速系统的原理3

2.1.1 传统串级调速系统4

2.1.2 传统串级调速的效率分析5

2.1.3 传统串级调速的改进方法6

2.2 斩波串级调速的原理6

2.3 两种调速系统的比较8

3 斩波串级调速系统的参数选择10

3.1 异步电动机容量的计算与选择10

3.2 逆变器容量的计算12

3.3 储能电容C 的计算12

3.4 晶闸管的选择12

3.5 平波电抗器的选取12

3.6 整流二极管的选择13

3.7 斩波器的参数计算13

4 双馈电动机调速控制系统的MATLAB仿真15

4.1 MATLAB软件简介15

4.2 Simulink简介15

4.3 SimPowerSystems18

4.4 转速和电流调节器的设计19

4.4.1 电流环和转速环的工作原理20

4.4.2 电流调节器的设计20

4.4.3 速度调节器的设计21

4.5 系统仿真建模21

5 仿真结果27

6 结论31

参考文献32

致谢33

1.1 双馈电动机的简介和发展状况

　　　双馈电机也称交流励磁电机，它包括电机本身和交流励磁自动控制系统。电机本身是绕线转子感应电机或专门设计的无刷电机。双馈电机是电机与电力电子技术和数控技术相结合的产物，是机电一体化的高新技术产品。双馈电机的定子接50 Hz工频电网，转子接自动调节频率的交流电源。随着交流励磁自动控制系统对转子励磁电流的频率、幅值大小和相位的调节，双馈电机在电动工况或发电工况下运行，转速都可以调节变化，而定子输出电压和频率可以维持不变，既可以调节电网的功率因数，又可以提高系统的稳定性[1]。

　　　双馈电机虽然属于异步机的范畴，但是由于其有独立的励磁绕组，可以像同步电机一样施加励磁，调节功率因数，所以又称为交流励磁电机（AlternatingCurrent Excitation Generator ACEG）也有称为异步化同步电机（AsynchronizedSynchronous Generator）同步电机由于是直流励磁，其可调量只有一个电流的幅值，所以同步电机一般只能对无功功率进行调节。交流励磁电机的可调量有三个：一是可调节励磁电流幅值；二是可改变励磁频率；三是可改变相位。这说明交流励磁电机比同步电机多了两个可调量，通过改变励磁频率，可改变电机的转速，达到调速的目的 [1] 。

　　　无刷双馈电机是由串级异步电机组发展而来的。串级感应电机运行是将两台绕线式异步电机同轴串级连接而获得的一种运行方式这种方法首先在1893年由美国的Steinmetz和德国的Gorges所发现。由于采用这种方法可以获得低速运行，并且可以在一定范围内调速，所以曾引起人们广泛的注意。为了降低成本和提高运行性能，曾经有几次发展单一机组串级电机的尝试。其中贡献最大的要数Hunt。Hunt发明的电机采用了比以前的电机更为先进可行的理论。这种电机具有一套转子绕组和一套具有不同极数的定子绕组，并且具有一个共同的磁路。后来Creedy对这种电机进行进一步的改进，为之设计了精巧的定转子绕组，使它可以在电阻控制的方式下获得高启动转矩和良好的速度控制，能够胜任需要可靠性和坚固性的大力矩低速运行的工作中。但是由于定转予绕组极数配合及绕组设计上的种种限制，该电机未能进入实用。而且也由于电力电子器件发展的限制，该电机的发展一度停滞。一直到了70年代，交流电机的变频调速技术获得了极大的发展，在生产生活中发挥了越来越大的作用。以Broadway为代表的研究者们在Hunt发明电机结构的基础上对其进行了较大的改进。20世纪70年代以来,无刷双馈电机已经得到了逐步完善。无刷双馈电机根据转子结构形式的不同分为磁阻式无刷双馈电机和笼式无刷双馈电机,且笼式无刷双馈电机有向大功率容量发展的趋势 [4] 。

　　　德国西门子、日本东芝和三菱、俄罗斯哈尔科夫电机制造公司己系列化生产双馈电动机，如哈尔科夫公司系列化生产315~2000KW的各种双馈电动机，并广泛用于火电站及其它部门的各种交流调速传动装置中(如送风机、吸风机、泵等)。法国Alsthom公司生产的双馈电机调速传动系统，其容量从250KW至数千千瓦，主要用于水泵与风机调速。现在许多国家在开发无刷双馈电机，该电机在美国、俄罗斯、澳大利亚已有成功经验，效果很好，并己在工业电力传动领域应用。

　　　80年代底90年代初，无刷双馈电机d—q动态数学模型和同步坐标系数学模型的建立，为无刷双馈电机的动态仿真和控制性能上的优化提供了坚买的基础。各种控制方法被应用于无刷双馈电机，如标量控制，转子磁场定向控制，直接转矩控制，模型参数自适应控制等。而电力电子器件和微处理器得发展，如IGBT、8XCl96、DSP等，又进一步促进了无刷双馈电机的发展[4]。

1.2 串级调速系统的简介及发其展现状

　　　串级调速源于英语“cascade control”，意为“级联控制”，是指当时异步机转子与外附的直流电动机两级联接所形成的调速，虽然后来改进，用静止的电力电子变流装置和变压器取代直流电动机，但串级调速的称谓被习惯地沿用下来。

　　　串级调速是基于转子的电磁功率控制调速，串级调速的功率控制原理是：从转子入手控制异步机的电磁功率，从而改变理想空载转速。当转子的部分功率被移出，总的电磁功率减小，理想空载转速降低，是一种低同步调速系统。如果转子通过电传导另外得到的部分功率，总的电磁功率增加，理想空载转速将超过同步转速，实现超同步调速。这种能够实现两个方向功率控制的系统，即可实现低同步和超同步两种调速，称为双馈调速。

　　　串级调速原理早在20世纪30年代就已被提出，到60-70年代，当可控电力电子器件出现以后，这一理论才得到更好的使用。20 世纪60年代以来，高压大电流的出现，串级调速系统获得了空前的发展。现代斩波串级调速通过将逆变器的逆变角固定下来并设定在最小值，从而产生一个恒定的最大附加直流反电势，等效电势大小的调节由高频斩波器来完成。通过调节斩波器导通时间与斩波周期的比率（即占空比或 PWM调制脉宽），来改变串入转子回路的等效反电势的大小，从而改变转子电流和转差率，达到调节电机转速的目的[11]。

1.3本课题研究的内容和技术要求

　　　本文要求针对引风机串级调速系统进行设计，探讨一种新型的调速系统——斩波式串级调速系统与传统串级调速进行比较，设计双馈电动机斩波式调速控制方案，并进行建模，利用MATLAB中的电气系统模块库(PSB)和Simulink，为此系统建立了仿真模型然后对斩波串级调速系统的设计方案进行性能指标研究和分析。

　　　主要内容如下：

　　　（1）对变速拖动方式进行选择；

　　　（2）对电动机的容量进行计算与选择；

　　　（3）对主回路与起动设备进行选择；

　　　（4）机械特性曲线的计算及极限工作点的确定；

　　　（5）闭环控制系统的理论计算及电路设计；

　　　（6）对系统进行计算机仿真研究。

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内容简介：: 常州大学毕业设计任务书信息科学与工程学院电气专业 081 班谢正东同学：现给你下达毕业设计任务如下，要求你在预定时间内，完成此项任务。一、毕业设计题目双馈电动机调速控制系统的设计与仿真二、毕业设计背景目前，风机、水泵是国民经济中应用广泛的生产设备，广泛地应用于电力、水处理、供水、城市供热、冶金矿产、港口机械、石油化工等工业领域，耗电量很大,几乎占工业耗电量的一半。目前，大多数风机、水泵都采用阀门或档板来调节流量以满足负荷变化的要求，或使用低效调速方法，浪费电能严重。双馈电动机是将绕线转子异步电动机的定子绕组和转子绕组分别与交流电网或其他含电动势的电路相连接，使它们可以进行电功率的相互传递，最适合于风机、水泵等恒负载生产机械。国外对双馈电机进行了广泛的研究，并逐步在工业领域得到应用。双馈电动机运行可以在不同负载下灵活的调节无功功率和转速，调速范围达到10%-60%，显着提高传动系统的效率，有很好的节能效果。三、毕业设计目标、研究内容和技术要求本文要求针对引风机串级调速系统进行设计，探讨一种新型的调速系统斩波式串级调速系统与传统串级调速进行比较，设计双馈电动机斩波式调速控制方案，并进行建模，利用MATLAB中的电气系统模块库(PSB)和Simulink，为此系统建立了仿真模型然后对斩波串级调速系统的设计方案进行性能指标研究和分析。主要内容如下：（1）对变速拖动方式进行选择；（2）对电动机的容量进行计算与选择；（3）对主回路与起动设备进行选择；（4）机械特性曲线的计算及极限工作点的确定；（5）闭环控制系统的理论计算及电路设计；（6）对系统进行计算机仿真研究。四、课题所涉及主要参考资料1 陈伯时.电力拖动自动控制系统运动控制系统M. 北京:机械工业出版社,2006.2 巩保峰.内反馈式串级调速系统的理论研究及系统设计D.保定:华北电力大学,2004. 3 许畅.高频斩波串级调速系统的建模与转速控制研究D.保定:华北电力大学,2006.4 厉无咎,李海东,王见.可控硅串级调速系统及其应用M.上海:上海交通大学出版社,1985.5 许雁龙.升压斩波式串级调速系统的研究D.保定:华北电力大学,2006.五、进度安排周次工作内容预定目标1-3通过调研，查阅文献资料进行文献综述的撰写；进行英文文献的翻译完成文献综述的撰写和翻译资料的翻译并上传至系统4进行电动机容量的选择与计算、机械特性的分析完成相关参量的选择与计算5-7进行双闭环控制系统的理论计算和电路设计完成双闭环控制系统的电路设计8-10利用matlab进行斩波式串级调速系统的建模与仿真完成建模与仿真，并对仿真结果进行性能指标的分析11-12撰写论文按要求完成毕业论文13-14修改毕业论文，整理前期资料按要求修改好毕业论文及前期资料15-16毕业答辩完成毕业论文答辩，提交毕业设计资料六、毕业设计时间： 2012 年 2 月 20 日 2012 年 6 月 8 日七、本毕业设计必须完成的内容1调查研究、查阅文献和搜集资料。2阅读和翻译与研究内容有关的外文资料（外文翻译不能少于2万印刷字符，约合5000汉字）。3撰写文献综述，确定设计方案或研究方案。4总体设计方案（包括主要开发工具及平台）或研究方案。5详细设计方法（包括控制流程图、功能模块、数据流图、程序框图、开发关键技术等）或研究方法。6设计或有关计算的源程序（或论点的证明或验证）。7撰写毕业设计论文。八、备注本任务书一式三份，学院、教师、学生各执一份。自动化系（教研室）指导教师王雪系（教研室）主任主管院长学号： 08463127 常州大学毕业设计（论文）（2012届）题目双馈电动机调速控制系统的设计与仿真学生学院信息科学与工程学院专业班级电气081 校内指导教师专业技术职务讲师校外指导老师专业技术职务二一二年六月双馈电动机调速控制系统的设计与仿真摘要：目前，风机、水泵是国民经济中应用广泛的生产设备，广泛地应用于电力、水处理、供水、城市供热、冶金矿产、港口机械、石油化工等工业领域，耗电量很大,几乎占工业耗电量的一半。目前，大多数风机、水泵都采用阀门或档板来调节流量以满足负荷变化的要求，或使用低效调速方法，浪费电能严重。本文在客观分析风机、泵类负载调速技术发展现状的基础上，针对传统串级调速系统功率因数低的问题，结合双馈电动机节能调速的具体实际，对斩波式串级调速系统的设计方案进行了详细讨论，分析并计算了系统各环节的参数及系统的机械特性。设计了双馈电机的斩波式串级调速系统。调速系统采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为直流斩波器，并使用了采用转速、电流双闭环控制。系统能通过控制斩波器的占空比来改变电机转子回路的附加电势，从而达到调速的目的。关键词：双馈电机；串级调速；斩波；MATLAB仿真Double fed induction motor speed control system design and simulationAbstract：At present, fans, pumps are widely used in the national economy of production equipmen and the field of electricity, water treatment, water supply, urban heating, metallurgy, mineral, port machinery, petroleum chemical industry, the power consumption is large, accounting for almost half of the industrial electricity consumption. At present, the majority of fans, pumps use valve or baffle to adjust the flow to meet the requirements of the load changes, or the use of inefficient speed control, but this way has a serious waste of energy. On the basis of the objective analysis of the status of the fan or pump load speed technology s development. This paper is in case of Conventional cascade speed control system with low power factor, combined with the specific reality of the double-fed motor energy saving speed control，a detailed discussion had been made about the chopping cascade speed control system design and had a analysis and calculation of the mechanical properties of the various links of the system parameters and system. A double-fed motor chopping cascade speed control system was designed. The speed control system uses insulated gate bipolar transistor (IGBT) as the DC chopper and the speed and current closed-loop control are used. In the system the speed can be controlled by the way to control the duty cycle of the chopper to change the additional potential of rotor circuit. Key words：Doubly fed motor; Cascade control; Chopper;MATLAB Simulation 目录摘要目次1 引言11.1 双馈电动机的简介和发展状况11.2 串级调速系统的简介及发其展现状21.3 本课题研究的内容和技术要求22 双馈电动机调速控制系统的设计32.1 串级调速系统的原理32.1.1 传统串级调速系统42.1.2 传统串级调速的效率分析52.1.3 传统串级调速的改进方法62.2 斩波串级调速的原理62.3 两种调速系统的比较83 斩波串级调速系统的参数选择103.1 异步电动机容量的计算与选择103.2 逆变器容量的计算123.3 储能电容C 的计算123.4 晶闸管的选择123.5 平波电抗器的选取123.6 整流二极管的选择133.7 斩波器的参数计算134 双馈电动机调速控制系统的MATLAB仿真154.1 MATLAB软件简介154.2 Simulink简介154.3 SimPowerSystems184.4 转速和电流调节器的设计194.4.1 电流环和转速环的工作原理204.4.2 电流调节器的设计204.4.3 速度调节器的设计214.5 系统仿真建模215 仿真结果276 结论31参考文献32致谢33V常州大学本科生毕业设计（论文）1 引言1.1 双馈电动机的简介和发展状况双馈电机也称交流励磁电机，它包括电机本身和交流励磁自动控制系统。电机本身是绕线转子感应电机或专门设计的无刷电机。双馈电机是电机与电力电子技术和数控技术相结合的产物，是机电一体化的高新技术产品。双馈电机的定子接50 Hz工频电网，转子接自动调节频率的交流电源。随着交流励磁自动控制系统对转子励磁电流的频率、幅值大小和相位的调节，双馈电机在电动工况或发电工况下运行，转速都可以调节变化，而定子输出电压和频率可以维持不变，既可以调节电网的功率因数，又可以提高系统的稳定性1。双馈电机虽然属于异步机的范畴，但是由于其有独立的励磁绕组，可以像同步电机一样施加励磁，调节功率因数，所以又称为交流励磁电机（AlternatingCurrent Excitation Generator ACEG）也有称为异步化同步电机（AsynchronizedSynchronous Generator）同步电机由于是直流励磁，其可调量只有一个电流的幅值，所以同步电机一般只能对无功功率进行调节。交流励磁电机的可调量有三个：一是可调节励磁电流幅值；二是可改变励磁频率；三是可改变相位。这说明交流励磁电机比同步电机多了两个可调量，通过改变励磁频率，可改变电机的转速，达到调速的目的 1 。无刷双馈电机是由串级异步电机组发展而来的。串级感应电机运行是将两台绕线式异步电机同轴串级连接而获得的一种运行方式这种方法首先在1893年由美国的Steinmetz和德国的Gorges所发现。由于采用这种方法可以获得低速运行，并且可以在一定范围内调速，所以曾引起人们广泛的注意。为了降低成本和提高运行性能，曾经有几次发展单一机组串级电机的尝试。其中贡献最大的要数Hunt。Hunt发明的电机采用了比以前的电机更为先进可行的理论。这种电机具有一套转子绕组和一套具有不同极数的定子绕组，并且具有一个共同的磁路。后来Creedy对这种电机进行进一步的改进，为之设计了精巧的定转子绕组，使它可以在电阻控制的方式下获得高启动转矩和良好的速度控制，能够胜任需要可靠性和坚固性的大力矩低速运行的工作中。但是由于定转予绕组极数配合及绕组设计上的种种限制，该电机未能进入实用。而且也由于电力电子器件发展的限制，该电机的发展一度停滞。一直到了70年代，交流电机的变频调速技术获得了极大的发展，在生产生活中发挥了越来越大的作用。以Broadway为代表的研究者们在Hunt发明电机结构的基础上对其进行了较大的改进。20世纪70年代以来,无刷双馈电机已经得到了逐步完善。无刷双馈电机根据转子结构形式的不同分为磁阻式无刷双馈电机和笼式无刷双馈电机,且笼式无刷双馈电机有向大功率容量发展的趋势 4 。德国西门子、日本东芝和三菱、俄罗斯哈尔科夫电机制造公司己系列化生产双馈电动机，如哈尔科夫公司系列化生产3152000KW的各种双馈电动机，并广泛用于火电站及其它部门的各种交流调速传动装置中(如送风机、吸风机、泵等)。法国Alsthom公司生产的双馈电机调速传动系统，其容量从250KW至数千千瓦，主要用于水泵与风机调速。现在许多国家在开发无刷双馈电机，该电机在美国、俄罗斯、澳大利亚已有成功经验，效果很好，并己在工业电力传动领域应用。80年代底90年代初，无刷双馈电机dq动态数学模型和同步坐标系数学模型的建立，为无刷双馈电机的动态仿真和控制性能上的优化提供了坚买的基础。各种控制方法被应用于无刷双馈电机，如标量控制，转子磁场定向控制，直接转矩控制，模型参数自适应控制等。而电力电子器件和微处理器得发展，如IGBT、8XCl96、DSP等，又进一步促进了无刷双馈电机的发展4。1.2 串级调速系统的简介及发其展现状串级调速源于英语“cascade control”，意为“级联控制”，是指当时异步机转子与外附的直流电动机两级联接所形成的调速，虽然后来改进，用静止的电力电子变流装置和变压器取代直流电动机，但串级调速的称谓被习惯地沿用下来。串级调速是基于转子的电磁功率控制调速，串级调速的功率控制原理是：从转子入手控制异步机的电磁功率，从而改变理想空载转速。当转子的部分功率被移出，总的电磁功率减小，理想空载转速降低，是一种低同步调速系统。如果转子通过电传导另外得到的部分功率，总的电磁功率增加，理想空载转速将超过同步转速，实现超同步调速。这种能够实现两个方向功率控制的系统，即可实现低同步和超同步两种调速，称为双馈调速。串级调速原理早在20世纪30年代就已被提出，到60-70年代，当可控电力电子器件出现以后，这一理论才得到更好的使用。20 世纪60年代以来，高压大电流的出现，串级调速系统获得了空前的发展。现代斩波串级调速通过将逆变器的逆变角固定下来并设定在最小值，从而产生一个恒定的最大附加直流反电势，等效电势大小的调节由高频斩波器来完成。通过调节斩波器导通时间与斩波周期的比率（即占空比或 PWM调制脉宽），来改变串入转子回路的等效反电势的大小，从而改变转子电流和转差率，达到调节电机转速的目的11。1.3本课题研究的内容和技术要求本文要求针对引风机串级调速系统进行设计，探讨一种新型的调速系统斩波式串级调速系统与传统串级调速进行比较，设计双馈电动机斩波式调速控制方案，并进行建模，利用MATLAB中的电气系统模块库(PSB)和Simulink，为此系统建立了仿真模型然后对斩波串级调速系统的设计方案进行性能指标研究和分析。主要内容如下：（1）对变速拖动方式进行选择；（2）对电动机的容量进行计算与选择；（3）对主回路与起动设备进行选择；（4）机械特性曲线的计算及极限工作点的确定；（5）闭环控制系统的理论计算及电路设计；（6）对系统进行计算机仿真研究。2 双馈电动机调速控制系统的设计本文主要针对引风机串级调速系统进行设计，探讨一种新型的调速系统斩波式串级调速系统。该系统在传统的串级的系统上增加了一个斩波器，一个电流内环和一个速度外环构成了双闭环系统。可以通过改变斩波器的占空比从而实现直接控制电机转速的目的，较之传统调速方法更加科学高效。2.1 串级调速系统的原理绕线式异步电动机的转子回路串入与转子电势同频的附加电势，通过改变附加电势幅值和相位实现电动机的调速。当电机在一个较低的速度运行时，转子中的转差功率只有很小的一部分在转子绕组上消耗掉了，大部分被转子侧串入的附加电势所吸收。如果能够把所吸收的功率回馈给电网，就能提高电机的运行效率。如图2-1所示，如果在绕线式感应电机的转子回路中串入一个与转子感应电动势E2相位相反（或相同）的附加电势Ef，当调节电动机转速时，转子的转差功率大部分被附加电势Ef吸收，若能有效的利用或者回收这部分功率，就可以节约电能，提高调速系统的效率。串级调速就是基于这种思想，把转子感应电压通过整流器变换为直流电压，然后用一个直流附加电势与之作用，以调节电机的转速。如果附加电势的相位正好和电流的相位相反，它是吸收功率的，其作用和串电阻相似，增加这个电势，可以使转差功率增加，电机转速下降。同理，如果电势和转子的电流同相，则会是转子回路中的转差功率减少，甚至变为负值，这个时候电机的转速就会提升。E2 图2-1 串级调速原理电机运行时转子的相电势为：E2=sE20 （1）式中s：异步电机的转差率；E20：转子不动时的相电势。式（1）说明转子电动势E2的值与转差率s 成正比，同时它的频率f2 也与s 成正比，f2=sf1转子按常规接线时，转子相电流为式（2）：（2） R 2为每相绕组的电阻， X 20为s=1 时每相绕组的漏抗。现在，在转子回路中引入一个可控的交流附加电动势Ead，并与转子电动势E 2串联。Ead 应与E2有相同的频率与E 2同相或反相。则：（3）当负载转矩恒定时，可以认为转子电流I2 也是恒定，设在未串入附加电势前电动机在s=s1的转差率下稳定运行，当加入反相的附加电势时，由于负载转矩恒定，式（2）中的I2 也恒定，因此电机的转差率必须加大。由于附加电势Ead的引入瞬间，转子回路的电动势减少；转子电流I2 也减少，使得电磁转矩也减少，由于负载为恒定转拒，所以，电机减速。直到s=s2时，转子的电流又恢复到原来的值，电机进入到新的稳定工作状态，则可以得到式（4）的等式关系：（4）可见，串入的反向附加电动势幅值越大，电机的转速就越小；反之，串入的正向附加电动势越大，电机的转速也就越大。但实际上，由于电动机转子回路感应电动势E2 的频率随转差率而变化，所以附加电动势的频率亦必须能跟随电机转速变化。也就是说，串级调速方法就相当于在转子侧加入了可变频、变幅、变压的调速方法，即电机定子在恒压恒频供电下的转子变频调速方法78。2.1.1 传统串级调速系统串级调速的方法在工程上有多种实现方案。其中最常用的方法是把转子交流电动势整流成直流电动势，然后与一直流附加电动势进行比较，控制直流附加电动势的幅值，便可调节电机的转速。这种调速系统的原理如图2-2所示：图2-2 串级调速系统的主电路原理图假设不考虑电机转子绕组与逆变变压器漏抗影响，则可列写出直流回路的电动势平衡方程式： U = +R S= cos+R 式中 K1，K2 是整流装置和逆变装置的电压整流系数，当都采用三相桥式电路时，K1 = K2 = 2.34；R 为直流回路的电阻。逆变器输出电压；逆变变压器的二次相电压；晶闸管逆变角； R 转子直流回路的电阻； S 转差率； E2D转子静止不动时，在转子每相绕组中感应电动势的有效值。可见，当逆变角=900 时，逆变电压Ui=0，即附加电动势为0，电机在接近于额定转速的最高速运转。当为最小逆变角min 时，逆变电压最大，电机在最低速运转。改变逆变器的逆变角，就可改变附加电动势的大小，从而使电机转速得到调节。当异步电动机拖动恒转矩负载在稳态运行时，可以近似认为Id为恒值。控制使它增大，则逆变电压U（相当于附加电动势）立即减小；但电动机转速因存在着机械惯性尚未变化，所以Ud仍维持原值，由式子（2）使转子直流回路电流Id增大，相应转子电流也增大，电机就加速；在加速过程中转子整流电压随之减小，又使电流Id减小，直至Ud与U依式（1）取得新的平衡，电机进入新的稳定状态以较高的转速运行。同理，减小值可以使电机在较低的转速下运行。2.1.2 传统串级调速的效率分析暂不考虑电机定子与转子中的种种损耗的情况下，从功率守恒的角度来分析图2-2所示的串级调速系统主电路。从定子经气隙传给转子的功率即电磁功可以分为两部分，一部分是从轴上输出的机械功率 Pm e c h = PM (1 s ) ，剩下的那部分便是经整流器、逆变器回馈给电网的回馈功率PB=Ps-P2-Pa。而这部分回馈功率受逆变器的逆变角控制，调节逆变角，也就改变了回馈功率，从而调节了轴上的机械功率，进而调节电机转速。一般传统串级调速系统的总功率因数都比较低，通常只有0.3-0.6，即使在高速满载运行时，功率因数也只能达到0.6-0.65，比正常接线时电动机的功率因数减少0.1 左右。这是传统串级调速系统的主要缺点。造成串级调速系统功率因数低的原因主要有三个方面。首先，晶闸管逆变器采用自然换流方式，逆变器的触发角在90-180之间，电流相位滞后，需从电网吸收大量的换向无功功率，再加上电动机本身和逆变变压器正常工作时也要吸收相当数量的无功电流，因此串级调速系统从电网吸收的无功功率比异步电动机单独运行时多的多，而有功功率则由于转差功率的回馈而减少，于是功率因数就变得很低。这是造成串级调速系统功率因数低的主要原因。其次，在串级调速中，由于转子整流电路存在严重的换流重叠现象，使得定子和转子电流都是非正弦的，从而导致电机本身的功率因数降低。此外，串级调速系统中电流波形发生畸变也会使串级调速系统的功率因数下降。串级调速系统总功率因数可用下式表示：（5）式中：P 为系统从电网吸收的总有功功率，S 为系统总的视在功率，P1为电动机从电网吸收的有功功率，PB 为通过逆变变压器回馈到电网的有功功率；Q1为电动机从电网吸收的无功功率，QB为逆变变压器从电网吸收的无功功率。串级调速系统从电网吸收的总有功功率是电动机吸收的有功功率与逆变器回馈至电网的有功功率之差，而从交流电网吸收的总无功功率却是电动机和逆变器吸收的无功功率之和。因此，串级调速系统的功率因数较低。随着电机转速的下降功率因数还会进一步降低7。2.1.3 传统串级调速的改进方法对于串级调速系统，提高功率因素是最主要的问题。而传统的提高功率因素的方法有以下几种：（1）采用两台逆变器串联的纵续控制。这是最常用也是最实际的方法。这中方法是将一台逆变器的触发角固定在最小安全逆变角min，一般取min30。另一台逆变器的触发角随负载变化，变化范围是min2180-min。这种线路的逆变电压平滑，谐波分量小，逆变电流更接近正弦波，功率因数也可以得到提高。但是这种方法的缺陷是对于大功率系统比较适用。（2）在串级调速装置的进线电网侧加动力电容器。由于加上电容器后系统的功率因数有所提高，但缺陷是电容器对电网谐波比较敏感，容易引起发热，与电动机电抗之间产生自激震荡现象，在负荷变化时引起电网电压变化较大。（3）第三中方法就是本文所用的斩波式串级调速系统。在串级调速系统的直流回路中，加上一个直流斩波器，斩波器工作在开关状态。当斩波器接通时，转子整流电路被短路，电机相当于在转子短路状态工作；当它断开时，电机在串级调速接线下工作。为了提高系统的功率因数，减少逆变器从电网吸收的无功功率，总是把逆变器固定在最小逆变角下工作，且不随转速变化而变化。通过改变斩波器的占空比来改变电机的理想空载转速。由于斩波控制的串级调速系统功率因数较高，通过逆变器传输的功率几乎都是有功功率，即异步机的转差功率，因此，逆变器的容量比普通串级调速系统的逆变器容量要小的多，且控制结构简单、可靠，将是一种很有发展前途的串级调速系统910。因此综上所述，比较三种方法的优缺点，在本文中将采取第三种方法，即斩波式串级调速系统。2.2 斩波串级调速的原理如下图2-3所示为斩波串级调速系统的原理图：M3T1CHTGTAACRASR 图2-3 斩波串级调速原理图带斩波器环节的串级调速系统是在传统的串级调速系统的直流回路加入一个定频调宽的直流斩波电路，利用直流斩波器的通断时间的变化来改变电动机的转速，这就是本文所用的调速原理。如图2-3所示为带斩波器的串级调速系统的主电路，中间的直流回路中接有IGBT斩波器。在本系统中，此斩波器通常以恒频调宽方式工作。电路中有源逆变器始终工作在最小逆变角一般为30度的状态，且不随转速变化，这样可减少从电网吸收的无功功率，提高系统的功率因数，因此Ui 为固定电压可由式（6）得到：Ui = 2.34U2T cos min （6）斩波器工作在开关状态，IGBT 导通时，转子整流电路被短接，电动机相当于工作在转子短路状态下，Id增加，二极管D 截止。IGBT 关断时，电动机工作在串级调速状态，Id通过D 流入逆变器，Id下降。为IGBT 的开通时间，T 为IGBT 的周期，则逆变器经斩波器送至整流器的电压为Ud为：（7）得理想空载时的电压方程: （8）又因为S=（nsyn -0）/ nsyn所以：（9） 0 为 /T 时的理想空载转速；nsyn 为电动机的同步转速令 = /T 为IGBT 的占空比，则，改变占空比就可以改变逆变电压Ui，从而改变电动机的理想空载转速。从上面的分析可以看出，内馈斩波串级调速系统的斩波器也是一个Boost 升压电路，但它又不同于传统的Boost 升压电路。它是固定后端直流电容电压Ui，通过改变占空比来改变前端电压Ud，从而调节电机转速，是一个逆向过程。而传统的Boost 升压电路是固定前端电压，通过改变占空比来调节后端电压。斩波电路和逆变器的Ui共同作用相当于普通串调系统中的逆变角可调的有源逆变器的作用。只是后者Ui的功率因数比较高，接近0.9，且恒定。斩波串级调速系统还有一个显著的优点是逆变器和整流器的容量小，仅有部分电流流入逆变器。2.3 两种调速系统的比较与斩波式串级调速系统相比，传统串级调速系统无功功率变化范围要大得多，这不利于对系统进行无功无偿。功率因数方面，斩波式串级调速系统要明显优于传统串级调速系统，传统串级调速系统的功率因数最高只能达到0.6左右，对于调速范围窄的应用场合，斩波式串级调速系统更具有优越性。由于逆变器产生的谐波会同时通过逆变变压器和电机定、转子耦合而传递到电网，整个系统的谐波比较大。传统串级调速系统转子电流除了自身与转差率有关的频率外还有来自逆变器的电网频率，定子电流也受到了转子电流谐波分量的影响，转子电流和定子电流的谐波成分均比较大，由此带来的影响是电机的转速波动也会相应较大。逆变变压器等值容量为：（10）其中：为逆变变压器的次级额定电压，为通过逆变变压器的最大电流。在传统的串级调速系统中，发生在最大转差率（或最低转速）时，其计算公式为：（11）对于风机负载来说，发生在额定转速时，当为额定负载时，电动机转子整流器的输出电流为，则的计算公式为（12）在图2-3所示的斩波式串级调速系统中，逆变变压器的最大输出直流电压同样由式（10）求出，因为在最低转速（或最大转差率）下工作时，=0，斩波器等同与不存在，此时要求的逆变电压最高，它的工作与传统串级调速一样。但对于逆变电流就与传统的串级调速系统的不一样了。风机负载逆变电流，高速时，即负载电流全被斩波器短接，不经过逆变器，因此逆变器通过的电流很小。低速时，虽然负载电流主要流经逆变器，但此时负载电流已很小。因此，对于风机负载，不论高速，还是低速，流经逆变器的电流均很小。在某一负载n时的负载功率转差功率这时逆变变压器的容量上式在s=1/3时有最大值因此在风机负载下斩波式逆变器串级调速系统的逆变变压器容量应按下式确定当1/3时（14）将和代入上式可求得逆变变压器的为当1/3时逆变器的晶闸管电流参数相应按上述电流选择。由此可见，斩波式串级调速系统虽然比传统的串级调速系统多了一个斩波环节，但前者的逆变器容量和晶闸管容量都较后者小得多，节约的成本足以抵偿斩波器的成本5。综上所述对斩波式串级调速系统和传统串级调速系统两者的系统功率因数和谐波进行了比较，总的来说，斩波式串级调速系统的优点主要有如下几点：（1）具有良好节能特性，逆变变压器和晶闸管的容量小。（2）系统的机械特性较硬，同时，调速范围宽，能够实现无级、平滑调速。（3）由于串级调速使用绕线式电机，能够有效控制电机起动电流，这对于大中型电动机来说，是非常重要的。（4）由于串级调速是在电机转子侧施加控制，其控制电压低、控制容量小，和变频调速相比，调速系统更为简单，系统较为容易满足可靠性要求，其造价也较低。对于大中型电动机，特别是超大型电动机来说，变频调速面临着许多技术困难，串级调速由于所控制的容量较小，与变频相比，造价和可靠性就更具有优势。因此，串级调速技术特别适用于大中型电动机，包括超大型电动机的节能调速系统。（5）现代电力电子技术和计算机控制技术与传统串级调速理论相结合，使串级调速技术得以更进一步的发展。如采用直流回路斩波控制技术，与传统移相控制相比，其谐波和功率因数等指标具有明显的优势。特别是新型功率器件应用于斩波控制，使得系统更为简单可靠710。本文中所设计的调速系统采用斩波式串级调速系统。3 斩波串级调速系统的参数选择3.1 异步电动机容量的计算与选择本设计所采用的电机为绕线转子异步电动机(JR1510-6型)。该系列绕线型三相异步电动机，电磁计算保险系数大，过载能力强。定子采用双玻璃丝扁铜线绕制，成型后嵌入内压装的定子铁心，绕组端部有可靠的固定和绑扎，通风性能好，转子采用裸铜排经绝缘处理串入转子铁心，绕组机械强度高。该电机的具体数据如下额定定子功率=807KW额定定子线电压=6000V额定定子上的额定电流额定定子侧功率因数0.87额定转速=985r/min效率=93%最大转矩的倍数=2.3转子开路线电压=741V转子额定电流=560A转子的飞轮转矩=3300根据电机特性对电机的参数具体计算如下：（1）同步转速：（2）额定转差率：（3）临界转差率：（4）额定相电压与额定转子折算相电流之间相位差角的正切为：（5）定子与转子的电压变比：（6）修正系数：（7）电动机的短路漏抗：（8）定子的每相电阻： =0.52（9）折算到定子侧的转子每相电阻： =0.458（10）定子电抗：（11）折算到定子侧的转子电抗：（12）转子电抗： 3.2 逆变器容量的计算串级调速系统的调速范围D与最大工作转差率Smax的关系为： D=1/(1Smax)在最大转差率Smax情况下，逆变器的最大输出直流电压Ui应与转子整流器的输出电压Ud相平衡，故有：本文设在额度负载时电动机转子整流器的输出电流为Idrat,流过逆变器的最大电流发生在额度转速时，则逆变器交流侧电流为：所以逆变器交流侧的容量为：3.3 储能电容C 的计算电容C 的作用是在IGBT 关断时，电机向逆变器传递转差功率，同时电容C 充电；当IGBT 导通时，C 向逆变器放电，以维持电流y i 的连续。电容电压uc 的波形如图5.2 所示，在高速时，IGBT 导通时间长，电容C 放电时间长，要维持电流y i 连续比较困难，所以可按高速时的参数选择电容C。在IGBT 导通时，C 向逆变器放电，uc 减小，C 释放的能量为： =0.0013.4 晶闸管的选择晶闸管的额定电压：晶闸管的额定电流：由以上各式计算可得取晶闸管的参数如下：，3.5 平波电抗器的选取（1）逆变变压器的感抗：等效电感（2）异步电动机折算到转子侧的电抗：等效电感（3）直流回路的最小电流：（4）按电流连续要求选择：（5）电抗器的额定电流：（6）电抗器的参数如下：额定电流：1000A 电感量5mH3.6 整流二极管的选择（1）整流二极管电压的选择：（2）整流二极管电流的选择：（3）选取二极管参数如下：，3.7 斩波器的参数计算最大转差率由调速范围D确定，对于非频繁起动的风机负载，此处取D=2，所以最大转差率=1-1/2=0.513（1）逆变变压器的二次侧线电压：（2）IGBT承受的反向电压：（3）IGBT的额定电压：（4）最大直流整流电流：：转矩过载倍数，取2.3：整流电路交流侧相电流计算系数（5）IGBT的额定电流：选取IGBT的参数如下：=2500V =3500A4 双馈电动机调速控制系统的MATLAB仿真4.1 MATLAB软件简介一般来说要先对控制系统进行计算机仿真首先建立系统模型，然后根据模型编制仿真程序。而在系统建模仿真过程中将采用国外在控制领域中推出的一款功能强大的仿真软件，MATLAB软件中的Simulink仿真工具箱。它具有丰富的系统模块库，能完美地模拟系统的运行条件并将其在计算机上仿真出来。MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。20世纪70年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任Cleve Moler为了减轻学生编程的负担，用FORTRAN编写了最早的MATLAB。1984年由Little、Moler、Steve Bangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市场。到20世纪90年代，MATLAB已成为国际控制界的标准计算软件。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用MATLAB 函数集）扩展了MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。4.2 Simulink简介Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。. 构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。Simulink模块库按功能进行分类，包括以下7类子库：（1）连续模块（Continuous） continuous.mdl Integrator：输入信号积分 Derivative：输入信号微分 State-Space：线性状态空间系统模型 Transfer-Fcn：线性传递函数模型 Zero-Pole：以零极点表示的传递函数模型 Memory：存储上一时刻的状态值 Transport Delay：输入信号延时一个固定时间再输出 Variable Transport Delay：输入信号延时一个可变时间再输出（2）离散模块（Discrete） discrete.mdl Discrete-time Integrator：离散时间积分器 Discrete Filter：IIR与FIR滤波器 Discrete State-Space：离散状态空间系统模型 Discrete Transfer-Fcn：离散传递函数模型 Discrete Zero-Pole：以零极点表示的离散传递函数模型 First-Order Hold：一阶采样和保持器 Zero-Order Hold：零阶采样和保持器 Unit Delay：一个采样周期的延时（3）Function&Tables（函数和平台模块） function.mdl Fcn：用自定义的函数（表达式）进行运算 MATLAB Fcn：利用matlab的现有函数进行运算 S-Function：调用自编的S函数的程序进行运算 Look-Up Table：建立输入信号的查询表（线性峰值匹配） Look-Up Table(2-D)：建立两个输入信号的查询表（线性峰值匹配）（4）Math（数学模块） math.mdl Sum：加减运算 Product：乘运算 Dot Product：点乘运算 Gain：比例运算 Math Function：包括指数函数、对数函数、求平方、开根号等常用数学函数 Trigonometric Function：三角函数，包括正弦、余弦、正切等 MinMax：最值运算 Abs：取绝对值 Sign：符号函数 Logical Operator：逻辑运算 Relational Operator：关系运算 Complex to Magnitude-Angle：由复数输入转为幅值和相角输出 Magnitude-Angle to Complex：由幅值和相角输入合成复数输出 Complex to Real-Imag：由复数输入转为实部和虚部输出 Real-Imag to Complex：由实部和虚部输入合成复数输出（5）Nonlinear（非线性模块） nonlinear.mdl Saturation：饱和输出，让输出超过某一值时能够饱和 Relay：滞环比较器，限制输出值在某一范围内变化 Switch：开关选择 Manual Switch：手动选择开关（6）Signal&Systems（信号和系统模块） sigsys.mdl In1：输入端 Out1：输出端 Mux：将多个单一输入转化为一个复合输出 Demux：将一个复合输入转化为多个单一输出 Ground：连接到没有连接到的输入端 Terminator：连接到没有连接到的输出端。 SubSystem：建立新的封装（Mask）功能模块（7）Sinks（接收器模块） sinks.mdl Scope：示波器。 XY Graph：显示二维图形 To Workspace：将输出写入MATLAB的工作空间 To File(.mat)：将输出写入数据文件 8、Sources（输入源模块） sources.mdl Constant：常数信号 Clock：时钟信号 From Workspace：来自MATLAB的工作空间 From File(.mat)：来自数据文件 Pulse Generator：脉冲发生器 Repeating Sequence：重复信号 Signal Generator：信号发生器 Sine Wave：正弦波信号 Step：阶跃波信号4.3 SimPowerSystems 在进行Simulink仿真时将会用到SimPowerSystems这一模块。SimPowerSystems 是为电力系统及电力传动而设计。它的基础是 MATLAB中的 Simulink。Simulink 支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统和连续与离散混合系统，可以根据用户的需要方便地为系统建立模型，十分直观，仿真精度高，结果准确。正是由于 Simulink 具有上述优点和电力电子电路及系统分析的需要，人们又在它的基础上开发了SimPowerSystems。在本设计中将用到Simulink中的电力系统模块库（SimPowerSystems）。电力系统模块库是专用于RLC电路，电力电子电路，电机传动控制和电力系统仿真模块库。该模块库包含了各种交/直流电源，大量电气元器件和电工测量仪表以及分析工具等。利用这些模块可以模拟电力系统运行和故障的各种状态，并进行仿真和分析。本次仿真主要用到了SimPowerSystems中的7个可用子库：（1）Electrical Sources电源子库。电源子库提供了7种电源模块，分别是单相交流电流源，单相交流电压源，单相受控电流源和单相受控电压源，直流电压源，三相可编程电压源和三相电源模块。（2）Elements元件子库元件子库提供了29种常用的电器元件模块，其中有9种变压器模块（包括耦合电路）,7种线路模型，5种负荷模型，4种断路器模块（包括避雷针模块），1个物理接口端子模块，1个接地模块，1个中性点模块，1个三相滤波器模块。（3）Machines电机子库电机子库提供了16种常用的电机模块，其中有2种简化的同步电机，3种详细的同步电机，2种直流电机，2种异步电机，1个汽轮机及控制器，1个永磁同步电机，2种电力系统稳定器，1个电机信号分离模块，1个励磁系统，1个水力和蒸汽涡轮调速系统模型。电机参数的单位有标幺制和国际单位制两种。（4）Power Electronics电力电子子库电力电子子库提供了9种模块，分别是二极管，简化晶闸管，复杂晶闸管，GTO，理想开关，MOSFET，IGBT，通用桥式电路和三电平桥式电路。（5）Measurements测量子库测量子库中的模块有5种，分别是电压测量模块，电流测量模块，阻抗测量模块，三相电压电流测量模块和万用表模块。（6）Phasor Elements相量子库相量子库已经被废弃，其中仅包括一个静止无功补偿器模块（Static Var Compensator）。（7）Extra Library附加子库附加子库中包含了上述模块库中没有的其他的电气元件模型，使用这些模块可以使系统的仿真功能更加强大。附加子库又包含了7个子模块库，其中“额外电机子库”（Additional Machines）和“三相模块库”已经废弃，剩余的5个模块子库分别涉及控制模块，离散控制模块，离散测量模块，测量模块，相量模块等相关内容，包括RMS测量，有效和无功功率计算，傅里叶分析HVDC控制，轴系变换，三相V-I测量，三相脉冲和信号发生，三相序列分析，三相PLL和连续/离散同步6/12脉冲发生器等。利用电力系统工具箱对电路进行仿真实验，只需将所需元件模型拖入工作窗口并设置元件的参数，然后根据仿真电路的拓扑结构连好线路，仿真模型便自动完成。因此，仿真模型的建立过程就是对各元件模块设定参数的过程，电路的建模比较简便，对于一些复杂的电路，如交直流传动系统、电力输变电系统等，都可以利用MATLAB 进行仿真。4.4 转速和电流调节器的设计本设计中，电动机调速系统是以速度和电流双闭环控制系统的运行，它带有速度外环，电流内环。如图5-1所示为双闭环斩波串级调速方框图，外环为速度反馈，由测速装置测得电机的实际转速与给定的速度进行比较，将比较结果送入速度调节器。内环为电流反馈，如图所示，测定进过整流逆变后的电流反馈到速度调节器的输出结果，两者比较再送入电流调节器进行调节，把最终结果输出到IGBT，控制IGBT的占空比从而来调节电机的转速。ACR转速调节电流调节IGBTASR给定速度图4-1 双闭环斩波串级调速方框图图4-2 双闭环调速系统的动态结构框图由此可见电流调节器和速度调节器在系统中占有重要的地位。以下对这两个调节器进行分析设计。4.4.1 电流环和转速环的工作原理（1）静态特性：在正常负载情况下，转速调节器不饱和，电流调节器也不饱和，稳态时，依靠调节器的调节作用，它们的输入电压偏差电压都是零。因此，系统具有绝对硬的静特性。当电动机的负载电流上升时，转速调节器的输出也将上升，当Id上升到一定数值时，转速调节器的输出达到限幅值，转速环失去调节作用，呈开环状态，速度的变化对系统不再产生那个影响，此时只剩下电流环起作用。（2）动态特性：动态特性分为三个阶段来分析：第一阶段：电流上升阶段。突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用，Id上升。当IdIdl，电动机开始转动。由于电动机机电惯性的作用，转速与转速反馈信号增长较慢，因而转速调节器ASR的输出偏差电压数值较大，使其输出很快达到限幅值，之后输出一直处于限幅值，相当于速度环处于开环状态，ASR对电流调节环发出最大电流指令。在ASR输出限幅值的作用下，ACR的输出也有一跃变，强迫电枢平均电流迅速上升，则电流调节器ACR的输出偏差电压衰减，使输出达不到限幅值。当电流反馈电压与给定电压相平衡时。双闭环调速系统的电流调节器ACR不再使Id迅速增长。第二阶段：恒流升速阶段。在这个阶段，由于ASR的输出偏差一直为正，使其输出一直是饱和的，转速环相当于开环，只剩下电流环单闭环工作，ACR的调节作用使电枢电流基本上保持恒定。在这一阶段中，电流调节器是不能饱和的，可控电源也不应饱和。第三阶段：转速调节阶段。从电动机转速上升到给定值开始，此时，转速调节器的给定电压与反馈电压相平衡，输出偏差电压为零，但输出由于积分的记忆作用还维持在限幅值，因此电动机仍在最大电流下加速，必然产生转速超调。转速超调后，ASR输入端的偏差电压改变极性，使其输出电压幅值被迫迅速下降而退出饱和状态，从而电枢电流也开始下降。但是由于Id仍然大于负载电流，在一段时间内，电动机的转速仍继续上升。当负载转矩和电磁转矩平衡时，转速上升到最大值。此后，经过ASR和ACR的调节，状态变量转速和电流Id达到稳定。4.4.2 电流调节器的设计（1）结构选择根据性能指标要求抗干扰性能适中，调节器选用PI，其传递函数为：（2）参数计算为了将电流环校正成典型系统，电流调节器的领先时间常数应对消控制对象的大惯性环节时间常数，即取=电流给定滤波和电流反馈滤波的电流环开环传递函数根据控制理论，应让调节器的零点对消掉控制对象的大时间常数极点。由于比小，现选择此时，电流内环的开环传递函数变为其中，电流内环放大系数。4.4.3 速度调节器的设计由于设计要求无静差，因此转速调节器必须还有积分环节，有考虑到动态要求，转速调节器应采用PI调节器，转速环调节器的传递函数为：其中：综合考虑动态抗扰性能和起动性能，取中频宽h=5较好，如按准则确定参数关系，ASR的超前时间常数为转速环开环放大系数为转速环的反馈系数的计算于是转速调节器的比例放大系数为 4.5 系统仿真建模由于双馈电机与绕线异步电机具有相同的结构，因此本文中双馈电机采用绕线式异步电动机代替。斩波串级调速系统的主电路主要逆变器、整流器、绕线式异步电动机、逆变变压器、滤波电抗器、斩波器件IGBT、二极管和电容等组成。双闭环控制电路主要由速度调节器、电流调节器、滤波器、脉冲发生器等组成。绕线式异步电动机为807kw/6000V的绕线式异步电动机，所带为平方负载，系统的调速范围为0.5,开关器件的最小占空比，最小逆变角。升压电感为5mH，平衡电感10mH，滤波电容为1000。在本次设计中电源模块将采用电源子库（Electrical Sources）中的正弦交流电压源（AC Voltage Source）。整流桥和逆变桥均采用电力电子库（Power Electronics)中通用桥模块Universal Bridge，设置时分别选择Diodes和Thyristors就可以得到整流桥和逆变桥模块。IGBT模块则选用电力电子库中的IGBT模块。三相绕线异步电机采用电机子库（Machines）中的异步电机（国际单位）模块（Asynchronous Machine SI Units）。双馈电机斩波串级调速的Simulink仿真步骤：（1）建立Simulink仿真模型打开MATLAB7.0软件，点击界面上面工具条中的Simulink图标，这时将跳出Simulink Library Browser的界面，点击新建按钮就会出现Simulink仿真界面。将本设计中所用到的原件按图4-3和4-4所示在仿真界面搭建模型。图4-3 系统控制电路仿真模型图4-4 主电路仿真模型（2）原件参数设置建立好仿真模型后就是对各个模块进行参数的设置。选中一个模块双击它，如选中电机模块（Asynchronous Machine SI Units），双击此模块将会出如图4-5所示现电机参数设置框。图4-5 异步电机参数设置（3）系统封装为了便于检查和分析可以将多个模块组合成的整体进行封装处理。本次设计中脉冲发生器由一个三角波产生器和一个滞环比较器组成它们共同作用产生系统所需的方波，为了使仿真图更加简洁就可以将这两个模块封装到一起变成一个模块。首先选中这两个模块右击鼠标点选Create Subsystem选项完成封装。如图4-6和4-7分别为脉冲发生器封装前后模块图。图4-6 脉冲发生器封装前模块图图4-7 脉冲发生器封装后模块图（4）系统仿真运行仿真图完成后将进行最后一步系统的运行。点击运行按钮观察仿真波形对系统进行调试和分析。5 仿真结果在本系统中采用6000v的三相交流电源。设置仿真的终止时间为 4秒，仿真算法选择 ode23tb。ode23tb是TR-BDF2的一种实现， TR-BDF2 是具有两个阶段的隐式龙格库塔公式适合与求解刚性问题，对于求解允许误差比较宽的问题结果好。相对允许误差为 10-2，绝对允许误差为auto，变步长；仿真菜单选正常仿真。图5-1 脉冲发生器波形（占空比50%）图5-1为脉冲发生器当

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