交流变速系统与MATLAB仿真.doc

交流调速系统与MATLAB仿真 作者：程庆 指导教师：李雪莲摘要：随着科技的进步，交流调速系统的作用和地位也日趋重要。通过了解交流调速系统的发展、交流调速系统与直流调速系统的区别以及MATLAB软件中SIMULINK工具箱的模块封装、加载、参数设置、仿真等知识，利用MATLAB7.0软件的相关工具箱进行建模仿真，通过仿真来分析交流调速系统的性能,将设计结果用MATLAB的Simulink工具箱构建系统模型进行实验验证其控制特性，结合软件完成各部分设计图纸的绘制。关键词：交流调速系统；MATLAB；Simulink Alternate Current Velocity Modulation System and MATLAB Simulation Author: chengqing Instructor: lixuelianAbstract：Along with the technical progress,the exchange velocity modulation system function and the status day by day are also important.Through the understanding exchange velocity modulation system development,the exchange velocity modulation system and the direct current velocity modulation system difference as well as in the MATLAB software Simulink knowledge and so on toolbox module seal,increase,parameter establishment,simulation,carries on the modelling simulation using the MATLAB7.0 software related toolbox,analyzes the exchange velocity modulation system through the simulation the performance,will design the result to construct the system model with the MATLAB Simulink toolbox to carry on the experiment to confirm its control characteristic,will unify the software to complete each part of design paper the plan.Key words: Exchange velocity modulation system；MATLAB；Simulink 前言自20世纪70年代提出矢量控制及1985年提出直接转矩控制方案以来，交流调速系统及其技术得到了很快的发展。在电气传动领域内，长期被认为是天经地义的“直流传动用于调速、交流传动不用于调速”的分工格局已经被彻底打破了。交流调速系统在风机、水泵等的节能调速，轧机、机床、电力机车等的高性能调速，石化、纺织、轻工机械等的同步调速和一般性能调速，矿井卷扬机、厚板轧机等的特大容量调速，高速磨头、离心机等的极高速度调速诸方面，已经获得了越来越广泛的应用。由于交流调速系统的种种突出优点，国内外许多大学和公司均投入大量人力、财力加以研究，并在20世纪80年代推出了一系列商品化的交流调速系统。另外，随着电力电子技术、微电子技术和数字信号处理器芯片的飞速发展和应用，矢量控制的交流传动系统进入了高精度伺服控制领域，实现了无速度传感器矢量控制，而且全数字化的交流调速系统已经开始取代以前的模拟式交流调速系统。1 交流调速系统的发展直流电气传动和交流电气传动在 19 世纪先后诞生。在20世纪上半叶，鉴于直流传动具有优越的调速性能，高性能可调速传动都采用直流电动机，而约占电气传动总容量80%以上的不变速传动系统则采用交流电动机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。直到20世纪（6070）年代，随着电力电子技术的发展，采用电力电子变流器的交流传动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，使高性能交流调速系统应运而生，交、直流传动按调速性能分工的格局终于被打破了。这时，直流电动机的缺点日益显露出来，例如由于直流电动机具有电刷和换向器装置因而必须经常检查维修，换向火花使它的应用环境受到限制，换向能力限制了直流电动机的容量和速度（极限容量与转速之积约为106kWr/min）等等。于是，用交流可调传动控制系统取代直流可调传动控制系统的呼声越来越强烈，交流传动控制系统已经成为电气传动控制的主要发展方向。据统计，在2001年的世界可调电气传动产品中，交流传动已占2/3以上。目前，交流传动系统的应用领域主要有以下三个方面：1.1一般性能的节能调速和按工艺要求调速在过去大量的所谓“不变速交流传动”中，风机、水泵等通用机械的容量几乎占工业电气传动总容量的一半，其中有不少场合并不是不需要调速，只是因为过去的交流传动本身不能调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，因而把许多电能白白地浪费了；如果改造成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机、水泵平均都可以节约20%30%的电能，效果是很可观的；而且风机、水泵对调速范围和动态性能的要求都不高，只要有一般的调速性能就足够了；许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流传动，鉴于交流电动机比直流电动机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果改成交流传动，显然能够带来不少的效益，于是一般按工艺要求需要调速的场合也纷纷采用交流调速。1.2 高性能的交流调速系统和伺服系统由于交流电动机的电磁转矩难以像直流电动机那样通过电枢电流施行灵活的控制，交流调速系统的控制性能在一段时期内赶不上直流调速系统。直到20世纪70年代初发明了矢量控制技术（或称磁场定向控制技术），通过坐标变换，把交流电动机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用来分别控制电动机的转矩和磁通，可以获得和直流电动机相仿的高动态性能，才使交流电动机的调速技术取得了突破性的进展。其后，又陆续提出了直接转矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列可以和直流调速系统媲美的高性能交流调速。1.3 特大容量、极高转速的交流调速系统直流电动机的换向能力限制了它的容量转速积不超过106kWr/min，否则其设计与制造就非常困难了。交流电动机没有换向问题，不受这种限制，因此特大容量的电气传动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机、巨型电动船舶等，以及极高转速的传动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。2 交、直流调速系统的区别直流调速系统的优点主要在于调速范围广、静差率小、稳定性好及具有良好的动态性能；在相当长的时期内，高性能的调速系统几乎都采用直流调速系统；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问题和恶劣环境的不适用问题，同时制造大容量、高转速及高电压直流电动机也十分困难，这也限制了直流拖动系统的进一步发展。交流电动机自1885年出现后，由于没有理想的方案，因而长期用于恒速拖动领域；20世纪70年代后期，由于解决了交流电动机调速方案中的关键问题，使得交流调速得到迅速发展，现在交流调速系统已逐步取代了大部分直流调速系统。目前，交流调速系统已具备了宽调速范围、高稳态精度、快速动态响应、高工作效率以及可以四象限运行等优异性能，其稳、动态特性均可以与直流调速系统相媲美。综上，交流调速系统与直流调速系统相比，具有如下特点：（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）交流电动机环境适应性强，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到同直流拖动系统一样的性能指标。（6）交流调速系统能显著地节能。从各方面看，交流调速系统最终将取代直流调速系统。3 设计的目的和预期达到的效果交流调速的实质在于控制其机械功率，电气上有电磁功率控制和损耗功率控制两种原则。电磁功率控制改变的是理想空载转速，机械特性为平行曲线，是高效率节能型调速；而损耗功率控制则是增大转速降，机械特性为汇交曲线，是低效率的耗能型调速。调速性能取决于调速原理，选择定子控制还是转子控制，仅仅是对象的不同，并没有本质的区别。以上就是交流调速的功率控制原理，为了便于称谓，简称为P理论。与高压交流调速的定子控制对比，作为转子控制的串级调速具有以下优点：l 高压调速，低压控制。经济、可靠。l 控制装置功率小于电机功率，可以在调速范围满足需求的前提下，减小控制装置的容量。l 一元控制，技术简单。主磁通自然恒定，只需单一控制附加电势。l 调速控制与机械输出成并联关系，故障时可以短路转子，旁路控制装置，使异步机自然运行，提高系统运行可靠性。l 谐波畸变小。由于转子与定子的气隙隔离作用，定子电流的畸变较小。当然，转子控制也存在明显的缺点，就是滑环和电刷问题。一方面使电机成本增高（约比鼠笼机高出1015%），另外增加了电机维护量（大约每运行一年左右需要更换电刷）。要实现转子无刷控制，技术难度较大。但可以改进电刷和滑环的工艺和材料，减小维护，提高寿命，目前这一目的已经实现。串级调速系统是通过在转子回路串入不同的电动势来回收转差功率实现调速的，它可以克服电阻调速系统效率低与不能平滑调速的缺点。串级调速系统有电气串级和机械串级两类，在电气串级调速系统中通过静止式变流装置将转差功率回馈电网。在设计中，通过MATLAB的Simulink建立交流调速系统的仿真模型以及参数设置。交流调速系统的主电路采用了鼠笼式异步电动机和晶闸管交流调压器，串级调速系统采用了绕线式异步电动机和晶闸管逆变器。通过对这些部分的建模仿真来分析验证其控制特性，通过设计要求进行具体的电路参数计算最后将设计结果进行MATLAB仿真研究。4 44仿真模型验证的目的仿真模型验证的目的是确定计算机仿真模型是否准确表达了数学模型。由于计算机仿真模型是由程序实现的数学模型，编制程序的错误、求解问题方法选择不当均会导致仿真结果偏离真实值；在利用C语言等编制仿真程序时，程序调试、数值算法调试等都是一件不容易的事情；MATLAB/ Simulink提供了非常稳定的数值计算函数，并且由于MATLAB语言更接近数学语言表达，使得在程序调试、查错排错上的花费大大减少，使得用户可以将大量精力集中于数学建模和仿真结果分析上，而不是将时间消耗在程序调试之中。仿真模型验证通常的方法是将数学模型的解析结果（或理论结果）与仿真所得到的数值结果相比较来完成的；或通过已知的系统输入输出结果，对比在相同条件下的系统仿真结果来验证仿真模型的正确性。5 4、Simulink的模块封装与参数设置5.1 Simulink模块库按功能进行分类，包括以下8类子库：Continuous（连续模块）Discrete（离散模块）Function&Tables（函数和平台模块）Math（数学模块）Nonlinear（非线性模块）Signals&Systems（信号和系统模块）Sinks（接收器模块）Sources（输入源模块）5.2 Simulink自定义功能模块自定义功能模块有两种方法，一种方法是采用Signal&Systems 模块库中的Subsystem功能模块，利用其编辑区设计组合新的功能模块；另一种方法是将现有的多个功能模块组合起来，形成新的功能模块。对于很大的Simulink模型，通过自定义功能模块可以简化图形，减少功能模块的个数，有利于模型的分层构建。5.2.1方法11.将Signal&Systems 模块库中的Subsystem功能模块复制到打开的模型窗口中。2.双击Subsystem功能模块，进入自定义功能模块窗口，从而可以利用已有的基本功能模块设计出新的功能模块。5.2.2 方法21.在模型窗口中建立所定义功能模块的子模块。2.用鼠标将这些需要组合的功能模块框住，然后选择Edit菜单下的Create Subsystem即可。6 结论作为能源消耗大户之一的电机在节能方面是大有潜力可挖的。我国电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。我国各类在用电机中，80%以上为0.55 - 220kW以下的中小型异步电动机。我国在用电机拖动系统的总体装备水平仅相当于发达国家50年代水平。因此，在国家十五计划中，电机系统节能方面的投入将高达500亿元左右。所以变频调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。目前，国内变频调速系统的研究非常活跃，但是在产业化方面还不是很理想，市场的大部分还是被国外公司所占据。因此，为了加快国内变频调速系统的发展，就需要对国际变频调速技术的发展趋势和国内的市场需求有一个全面的了解。在交流调速的研究与制造过程中，硬件的设计与组装占了相当大的比重。电机制造以及调速装置的制造需要大批的技术熟练工人，对人员的素质有一定要求。而国外相关产业的人工成本相对较高，在近十年内，交流调速的制造业有可能向发展中国家转移。对中国来说，这也是一个机遇，如果我们抓住这个机会，再利用本身的市场有利条件，有可能在我国形成交流调速系统的制造业中心，使我国工业上一个新的台阶。需要注意的是发达国家在高技术领域是不会轻易放弃的，他们非常注意核心技术及软件的保护和保密，为此，必须