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MATLAB-SIMULINK 交流电动机调速系统仿真 姓名 申兴宇 学号 Z1107007 1 前言 直流调速系统的主要优点在于调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能。在相当长时期内，高性能的调速系统几乎都是直流调速系统。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和在恶劣环境下的不适应问题，同时制造大容量、高转速及高电压直流电动机也十分困难，这就限制了直流拖动系统的进一步发展。交流电动机自1985年出现后，由于没有理想的调速方案，因而长期用于恒速拖动领域。20世纪70年代后，国际上解决了交流电动机调速方案中的关键问题，使得交流调速系统得到了迅速的发展，现在交流调速系统已逐步取代大部分直流调速系统。目前，交流调速已具备了宽调速范围、高稳态精度、快动态响应、高工作效率以及可以四象限运行等优异特性，其稳、动态特性均可以与直流调速系统相媲美。与直流调速系统相比，交流调速系统具有以下特点：（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） 交流电动机环境使用性强，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同直流拖动系统一样的性能指标；（6） 交流调速系统能显著的节能；从各方面看，交流调速系统最终将取代直流调速系统。 本文主要运用MATLAB-SIMULINK软件中的交流电机库对交流电动机调速系统进行仿真，由仿真结果图直接认识交流系统的机械特性。本文重点对三相交流调压调速系统进行仿真研究，认识PID调节器参数的改变对系统性能的影响，认识该系统动态及静态性能的优劣及适用环境。 2 交流调速系统原理与特性2.1交流调速系统交流电机包括异步电动机和同步电动机两大类。对交流异步电动机而言，其转速为： （2-1）从转速公式可知改变电动机的极对数，改变定子供电功率以及改变转率都可达到调速的目的。对同步电动机而言，同步电动机转速为： （2-2）由于实际使用中同步电动机的极对数是固定的，因此只有采用变压变频（VVVF）调速，即通常说的变频调速。运用到实际中的交流调速系统主要有：变级调速系统、串级调速系统、调压调速系统、变频调速系统1。 (1)变极调速系统：调旋转磁场同步速度的最简单办法是变极调速。通过电动机绕组的改接使电机从一种极数变到另一种极数，从而实现异步电动机的有级调速。变极调速系统所需设备简单，价格低廉，工作也比较可靠，但它是有级调速，一般为两种速度，三速以上的变极电机绕组结构复杂，应用较少。变极调速电动机的关键在于绕组设计，以最少的线圈改接和引出头以达到最好的电机技术性能指标。(2)串级调速系统：绕线转子异步电动机串级调速是将转差功率加以利用的一种经济、高效的调速方法。改变转差率的传统方法是在转子回路中串入不同电阻以获得不同斜率的机械特性，从而实现速度的调节。这种方法简单方便，但调速是有级的，不平滑，并且转差功率消耗在电阻发热上，效率低。自大功率电力电子器件问世后，采用在转子回路中串联晶闸管功率变换器来完成馈送转差功率的任务，这就构成了由绕线异步电动机与晶闸管变换器共同组成的晶闸管串级调速系统。转子回路中引入附加电势不但可以改变转子回路的有功功率转差功率的大小，而且还可以调节转子电流的无功分量，即调节异步电动机的功率因数。(3)调压调速系统：异步电动机电机转矩与输入电压基波的平方成正比，所以改变电机端电压(基波)可以改变异步电动机的机械特性以及它和负载特性的交点，来实现调速。异步电动机调压调速是一种比较简单的调速方法。在20世纪50年代以前一般采用串饱和电抗器来进行调速。近年来随着电力电子技术的发展，多采用双向晶闸管来实现交流调压。用双向晶闸管调压的方法有两种：一是相控技术，二是斩波调压。采用斩波控制方法可能调速不够平滑，所以在异步电机的调压控制中多用相控技术。但是采用相控技术在输出电压波形中含有较大的谐波，会引起附加损耗，产生转矩脉动15。(4)变频调速系统：在各种异步电机调速系统中，效率最高、性能最好的系统是变压变频调速系统。变压变频调速系统在调速时，须同时调节定子电源的电压和频率，在这种情况下，机械特性基本上平行移动，转差功率不变，它是当前交流调速的主要方向16。调压调速系统的优点是线路简单，价格便宜，使用维修方便，本文主要针对交流调压调速系统进行MATLAB仿真。下面对交流调压调速系统的原理及机械特性进行介绍。2.2 交流异步电动机调压调速系统 2.2.1 三相交流调压电路 交流调压调速需要三相交流调压电路，晶闸管三相交流调压电路的接线方式很多，工业上常用的是三相全波星形连接的调压电路。如图2.1所示。这种电路的接法特点是负载输出谐波分量低，适用于低电压大电流的场合11。图2.1 三相全波星形连接的调压电路要使得该电路正常工作，必须满足下列条件：(1)在三相电路中至少有一相的正向晶闸管与另一相得反相晶闸管同时导通。(2)要求采用脉冲或者窄脉冲触发电路。(3)为了保证输出电压三相对称并且有一定的调节范围，要求晶闸管的触发信号除了必须与相应的交流电源有一致的相序外，各个触发信号之间还必须严格的保持一定的相位关系。即要求U、V、W三相电路中正向晶闸管（即在交流电源为正半周时工作的晶闸管）的触发信号相位互差120，三相电路中的反向晶闸管的触发信号相位互差120；在同一相中反并联的两个正、反向晶闸管的触发脉冲相位应互差180。由上面结论，可得三相调压电路中各晶闸管触发的次序为VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6、VT1以此类推。相邻两个晶闸管的触发信号相位差60。在晶闸管交流调压中，晶闸管可借助于负载电流过零而自行关断，不需要另加换流装置，故线路简单、调试容易、维修方便、成本低廉，从而得到广泛的应用。 2.2.2 调压调速原理根据异步电动机的机械特性方程式 （2-3）其中 电动机的极对数、电动机定子相电压和供电角频率转差率、定子每相电阻和折算到定子侧的转子每相电阻、定子每漏感和折算到定子侧的转子每相漏感可见，当转差率一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比。改变定子电压可得到一组不同的人为机械特性，如图2.2所示。在带恒转矩负载时，可以得到不同的稳定转速，如图中的A，B，C点，其调速范围较小，而带风机泵类负载时，可得到较大的调速范围，如图2.2中的D，E，F点。 图2.2 异步电动机在不同定子电压时的机械特性所谓调压调速，就是通过改变定子外加电压来改变电磁转矩，可得到较大的调速范围，从而在一定的输出转矩下达到改变电动机转速的目的13。为了能在恒转矩负载下扩大调压调速范围，使电机在较低速下稳定运行又不致过热，可采用电动机转子绕组有较高电阻值时的机械特性。在恒转矩负载下的交流力矩电动机的机械特性。图2.3显示此类电动机的调速范围增大了，而且在堵转转矩下工作也不致烧毁电动机14。图2.3交流力矩电机在不同定子电压时的机械特性2.2.3 闭环控制的调压调速系统2.2.3.1 系统的组成及其静特性异步电动机调压调速时，采用普通电机的调速范围很窄；并且在低速运行时候稳定性很差，在电网电压、负载有扰动时候会引起较大的转速变化。解决这些矛盾的根本方法是采用带转速负反馈的闭环控制，以达到自动调节转速的目的。在调速要求不高的情况下，也可采用定子电压负反馈闭环控制。 图2.4（a）是带转速负反馈的闭环调压调速系统原理图，图2.4（b）是相应的调速系统静特性。如果系统带负载在A点稳定运行，当负载增大导致转速下降时，通过转速反馈控制作用提高定子电压，使得转速恢复，即在新的一条机械特性上找到了工作点。同理，当负载减小使得转速升高时，也可以得到新的工作点。将工作点、A、连起来就是闭环系统的静特性1。（a）原理图 (b)静特性图2.4 转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统在额定电压下的机械特性和最小电压下的机械特性是闭环系统静特性左右两边的极限，当负载变化达到两侧的极限时，闭环系统便失去控制能力，回到开环机械特性上工作14。对图2.4（a）所示的系统，可画出系统静态结构图，见图2.5所示：图2.5 异步电动机调压调速系统的静态结构图图中：-晶闸管交流调压器VVC和触发装置GT的放大系数； -触发装置的控制电压；-为转速反馈系数；-测速发电机TG输出的反馈电压。转速调节器ASR采用PI调节器；是由式（2-3）描述的异步电动机械特性方程，它是一个非线性函数。2.2.3.2 近似的动态结构图异步电动机调压调速的近似动态结构图如下所示：图2.6 异步电动机调压调速系统的近似动态结构图图中各环节的传递函数为:(1) 转速调节器ASR常用PI调节器消除静差并改善动特性，其传递函数为： （2-4）(2) 晶闸管交流调压器和触发装置GT-V假定该环节输入输出关系是线性的,在动态中可近似为一阶惯性环节，其近似条件与晶闸管触发与整流装置一样。本环节传递函数可表示为: （2-5） (3) 测速反馈环节FBS 考虑到反馈滤波的作用, 传递函数为: （2-6）(4) 异步电动机MA由于描述异步电动机动态过程是一组非线性微分方程，只用一个传递函数来准确的表示异步电动机在整个调速范围内的输入输出关系式不可能的。只有做出一定的假设，并用稳态工作点附近微偏线性化的方法才能得到近似的传递函数。 3 交流调压调速系统的MATLAB仿真3.1系统的建模和模型参数设置 首先从图3.1中的电源模块组中选取一个交流电压源模块，再用复制的方法得到三相电源的另两个电压源模块，并把模块名称分别修改成A相、B相、C相。然后从图3.2中的链接器模块组中选取“ground”元件也复制成三份，按图3.3所示连接即可图3.1 Simulink中的电源模块图3.2 Simulink中的连接模块图3.3 三相交流电源的模型为了得到三相对称交流电压源，对其参数设置：双击A相交流电压源图标打开参数设置对话框，A相得参数设置分别是：幅值（peak amplitude）取220V、初相位(Phase)设置成、频率(Frequency)设置为50HZ，其他为默认值。B、C的参数设置方法与A相相同，除了将初相位设置成互差以外，其它参数都与A相相同。由此可得到三相对称交流电源。3.2 异步电机调压调速系统仿真模型 异步电动机调压调速系统的仿真模型如图3.4所示：3.4异步电动机调压调速系统的仿真模型其中，转速调节器的参数，限幅值参数，仿真参数设置都已经在前面介绍过，这里反馈参数K选择为20，其他都设置为默认值。由上图可得到交流调压调速系统的转速特性。如图3.5所示。修改电机测试信号分配器的输出端子，使其输出端分别为电磁转矩、三相定子电流输出is_abc可以得到如图3.6、3.7的波形。3.3仿真结果的输出及结果分析当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。在MATLAB的模型窗口打开“Simulink”菜单，点击“Start”命令后，系统开始进行仿真，仿真结束后可输出仿真结果。然后根据输出结果，观察系统是否稳定，如果不稳定，则 继续修改系统中的积分参数、比例参数等参数，直到系统稳定为止。系统有两种输出方式：“示波器”以及“out1”输出模块。本文采用示波器观察输出结果。运行结束后，只要在系统的模型图上双击“示波器”图标即可。通过“示波器”模块观察仿真输出，则要对“示波器的“Limit data points to last”的值要设的大一点，否则”Figure”数尺的图形会不完整。一般情况下设置“Limit data points to last”为500000，本文也是如此。示波器数尺结果如下：图3.5显示为交流调压调速系统的转速曲线，图3.6为交流调压调速系统电子转矩输出，图3.7为交流调压调速电路三相定子电流输出。 图3.5 交流调压调速系统的转速特性图3.6 交流调压调速电磁转矩输出图3.7 交流调压调速电路三相定子电流输出从上图中系统的输出，可以看出在开始启动的瞬间，定子电流的峰值可达450A，在恒转矩启动阶段，定子电流基本上保持在150A。恒转矩启动阶段的大约时间为0.7s。在恒转矩阶段，转矩保持在极限值300N m。速度约在0.9s时上升到最大值，在约1.9s时达到稳态值，稳态时转子角速度约为120rad/s。最终可以得到如下结论：（1） 启动阶段大约时间为0.7s，系统反应速度比较快，上升时间比较短。（2） 利用转速调节器的饱和特性，使得系统保持恒定最大允许电流，在尽可能短的时间内建立转速，在退饱和实现速度的调节和实现系统的无静差特性。（3） 由于采用PI调节器构成了转速负反馈的无静差系统，在负载变化和电网电压波动等扰动情况下，保持系统的恒定输出。 4 结论 交流调压调速系统具有线路简单，价格便宜，使用维修方便等优点，所以在实际的工程中得到广泛的应用。 详细研究了三相交流调压电路，并通过MATLAB的SIMULINK 电力系统工具箱分别对其主电路和控制电路进行了建模和参数设置，最终建立了异步电动机调压调速系统仿真模型，根据输出的仿真结果，简单分析了该系统的转速输出、电磁转矩输出以及三相定子电流输出，验证了交流调压电路的工作原理以及系统模型的正确性，为交流调速系统今后的发展及应用奠定了良好的理论基础。在系统中，由于非线性环节线性化处理、近似处理、调节器的饱和非线性等因素导致了工程设计与性能