基于MatlabSimulink的异步电动机交流调速系统模型设计及仿真

1、. . 山东农业大学毕 业 论 文 基于Matlab/Simulink的异步电动机交流调速系统模型设计及仿真 院 部 机械与电子工程学院 专业班级 电气工程及其自动化3班 届 次 2015届 学生姓名 郭福申 学 号 20110739 指导教师 王冉冉 二0一五年六月一日装订线. . . 目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 研究目的及意义11.1.1 研究目的11.1.2 研究意义11.2 研究的背景11.3 国内外研究现状11.4 研究方法22 异步电动机的调速系统22.1 异步电动机调速系统的分类22.2 异步电机调速原理简介32.2.1 变极电动机32.2.2 变频调速32

2、.2.3 转子串电阻调速32.2.4 调压调速32.3 各种异步电机调速的特点32.3.1 变极调速方法32.3.2 变频调速方法42.3.3 转子串电阻调速方法42.3.4 调压调速的方法43 异步电机调压调速模型设计43.1 异步电机调压调速的原理43.2 速度负反馈的交流调压调速系统63.3 调压调速系统的组成部分63.3.1 三相交流调压器73.3.2 同步脉冲触发器83.3.3 反馈环节84 三相交流调压调速系统的matlab仿真104.1 matlab简介104.2 Simulink库介绍104.3系统建模与仿真124.3.1 三相电源的建模及参数设置124.3.2 同步流脉冲触发

3、器的建模与参数的设置134.3.3 三相交流调压电路的建模与参数设置及仿真144.3.4 电机模块的建模与参数设置164.3.5 转速反馈环节及给定环节的建模及参数设置164.4 带转速负反馈的三相交流调压调速系统的连接图174.5 仿真结果与分析175 结论21参考文献22致谢23附录24ContentsAbstractII1 Introduction11.1 Purpose and significance of research11.1.1 Research purposes11.1.2 Research significance11.2 Background of research11

4、.3 Domestic and foreign research status11.4 Research method22 Speed control system for asynchronous motor22.1 Classification of asynchronous motor speed control system22.2 Introduction of speed regulation for induction motor32.2.1 Variable pole motor32.2.2 Frequency conversion speed control32.2.3 Ro

5、tor cascade resistance speed control32.2.4 Speed adjusting and adjusting speed32.3 The characteristics of speed adjustment of asynchronous motor32.3.1 Variable speed adjustment method32.3.2 Frequency conversion speed control method42.3.3 Rotor string resistance speed adjustment method42.3.4 The meth

6、od of adjusting and adjusting speed43 Model design of adjustable pressure speed regulation for asynchronous motor43.1 The principle of asynchronous motor adjusting and adjusting speed43.2 Speed negative feedback AC voltage regulation and speed control system63.3 The components of the adjustable spee

7、d system63.3.1 Three phase AC voltage regulator73.3.2 Synchronous pulse trigger83.3.3 Feedback link84 Matlab simulation of three phase AC voltage regulation system104.1 Matlab introduction104.2 Simulink library introduction104.3 System modeling and simulation124.3.1 Modeling and parameter setting of

8、 three phase power supply124.3.2 Modeling and parameter setting of the synchronized flow pulse trigger134.3.3 Modeling and Simulation of three phase AC voltage regulator circuit144.3.4 Modeling and parameter setting of motor module164.3.5 The feedback loop of the rotational speed and the modeling an

9、d parameter setting of the given link164.4 The connecting diagram of the three phase AC voltage regulator with speed negative feedback174.5 Simulation results and analysis175 Conclusion21References22Thanks23Appendix 2423基于matlab/simulink的异步电动机交流调速系统模型设计及仿真郭福申（山东农业大学 机械与电子工程学院 泰安 271018）摘要：本次论文主要是介绍三

10、相异步电动机调速系统的类型、原理、以及各种调速系统的优缺点，并集中介绍了调速类型中的三相异步电动机调压调速方法以及其工作原理；通过对调压调速原理的分析及计算，运用matlab软件建立调压调速模型，通过其仿真模块，对模型进行动态仿真，输出相关的仿真结果。对仿真结果进行分析，研究模型的可靠性以及其准确性，并不断对模型修正，以使其能够更准确地反映真实情况和对实际模型的建立起到一定的辅助作用。另外，通过此次相关的设计，更加深入地了解matlab软件及其仿真模块在实际研究应用中起到的重要作用。关键词：异步电动机 调速 matlab 仿真Design and Simulation of AC speed

11、regulation system for asynchronous motor based on matlab/simulinkFushen Guo(Mechanical & Electrical Engineering College of Shandong Agricultural University, Taian, Shandong 271018)Abstract This paper is mainly three-phase asynchronous motor speed control system of the types, principles, and speed co

12、ntrol system of the various advantages and disadvantages, and introduces the speed regulating type three-phase asynchronous motor variable voltage speed control method and the working principle; by reversed pressure speed control principle of analysis and calculation, using MATLAB software voltage c

13、ontrol model is built, through the simulation module, the model of dynamic simulation, the result of the simulation output. The simulation results were analyzed, and the model for the study of the reliability and the accuracy, and continue to the model correction, to enable them to more accurately r

14、eflect the real situation and the actual model is established to assist. In addition, through the relevant design, more in-depth understanding of the important role of MATLAB software and its simulation module in practical research and application.Keywords: Asynchronous motor; Adjust speed; Matlab;

15、Simulation1 绪论1.1 研究目的及意义1.1.1 研究目的Matlab软件应用十分广泛，在电气专业也有十分广泛的应用。本次的论文便是利用matlab软件设计三相交流调压调速系统。除了是为了更加深入地了解该软件的应用之外，更重要的目的就是将学习到的电机学的理论系统化、抽象化，利用抽象化的模型研究电机学关于调速方面的知识。并将得到的数据进行分析，确定如何选择调速电机。1.1.2 研究意义 设计电机的一套调速系统可以有很多方法，可以通过理论研究直接用实物直接设计调速系统，也可以先通过先进的仿真软件搭建虚拟的模型，然后对其进行仿真来验证模型的可靠性，最后根据可行的模型设计实际的调速系统。两

16、种方法都有各自的优缺点，前者更接近于实际应用的情况，能够直接反映实际应用中出现的各种情况并及时调整相应的系统，但是有些器件是一次行的，用过之后就只能是当作垃圾处理掉，这对于实际器件的消耗必然是巨大的；而后者前期是不需要消耗实际的元器件的，只要会使用相关的软件（比如matlab）并能够会利用其功能，这样就大大地节省了资源，而且设计的速度必然会前者快许多。因此，使用matlab软件对电动机的调速系统的设计与仿真具有无比优越的好处，不仅能够节省资源，更能够加快系统的设计速度。1.2 研究的背景 直流调速的一个重要的优点就是能够实现平滑的调速，并且调速的范围很宽；还能够承受频繁的正反转切换和制动；拥有

17、较大的承受过载的能力；对于冲击性的负载的承受能力也很强大，在自动化程度较高的生产系统中能满足各种运行的条件。由于直流系统有如此多的优点，才使得其在工业生产领域里包括某些重要领域中扮演着不可替代的角色。所以，直流调速系统到现在在非人工化要求较为严格地领域部门里的调速系统的主要形式。直流调速系统逐渐地被取代的重要原因是各种价格低廉，维护方便，使用技术简单并且可靠的电力电子器件应用的到交流鼠笼型电机中，大有在未来中取代直流调速装置的趋势。1.3 国内外研究现状 在上个世纪80年代之前，对于电动机的速度的改变方式，直流调速的方法一直是处于主导地位的。虽然交流变频调速相比于直流调速的优势很早人们就认识到

18、了，但是当时的技术以及硬件的限制使得其未能很快地发展起来。伴随着电子技术的发展，以往的受到限制的方面逐渐地得到解决，比如电力电子器件，微机原理的应用，单片机的出现都为现代交流调速奠定了良好的基础。改革开放以前，我国的交流调速相比于西方国家存在的差距是巨大的，远远落后于发达国家；但改革开放后我国在电动机等调速方面发展的势头可谓是突飞猛进。 起步较晚，但增长速度却有着巨大的潜力，特别是有了国家项目的支持，不仅是高校及科研院所，企业公司的研究积极性也是很高的。我国传动系统调速的态势有以下几个方面:1）基础硬件的研究方式方法及理论应用与国外相差是不大的；2）由于全国性的技术整体的影响，虽然国家在各个方

19、面的投入的各种资源已经很多，但是技术的分享与信息的沟通限制了国内整个产业的更加快速的发展；3）研究所使用的一些最基本的器件的制造并没有形成很大规模，一次相应的技术也没能得到长足的发展；4）与该技术相关的辅助产业落后；5）信息的不流通导致生产方与需求方的供求关系没能处理好，生产方卖不出去，需求方找不到卖家。交流调速技术在其他的国家早已经得到的全面的应用。美国有60% - 65%的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了变频调速技术，仅工业传动用电就节约了15% - 20%的电量1。外国的大容量的调速系统要比国内的技术发展的更快，其使用的交流变频调速技术已经应用到国民生产中的各个部分，极大地促进了工业

20、生产的发展进程，节省了大量的能源与人力资源。如今，国外用于直流调速的装置的生产已经快速的下滑，相反的是，交流调速方式呈上升的趋势。以日本为例, 1975 年在调速领域,直流占 80%, 交流占 20%；1985 年交流占 80%,直流占 20%。到目前为止, 日本除了个别的地方还继续采用直流电机驱动外,几乎所有的调速系统都采用交流变频装置1。工业强大的国家在国家的重要领域大量地使用交流调速系统，极大地推动了经济的发展。1.4 研究方法 首先学习了matlab软件及其simulink方面的有关知识，通过对有关模型的运行，理解matlab仿真运行操作方式；其次复习了电机学、电机拖动以及电力电子技术

21、的有关知识，深入了解有关电动机的运行方式、机械性能、调速原理、电力电子器件在电动机调速中的应用；最后，通过matlab软件搭建出了异步电动机调压调速的仿真模型，并对仿真结果进行了分析以及对原有模型的改进。2 异步电动机的调速系统2.1 异步电动机调速系统的分类 由恒定频率电源供电的感应电动机，能极好地满足完全恒速驱动的需求。然而，许多电动机的应用场合，需要几个速度或者甚至转速在一定的范围内连续可调。从早期的交流电力系统开始，工程技术人员就一直致力于调速交流电动机的开发2。 三相异步电动机转速公式为：n=60f/p*(1-s)。由公式可知，转速与供电系统的频率成正比，与电机的极对数以及转差率成反

22、比。从交流调速的本质内容来看，不同的调速方式一则是改其同步转速，二则是改变其转差率。 异步电机调速方法可以通过改变电机的同步转速或者通过改变运行的转差率来改变电动机的转速。前者包括改变极数或改变线路频率，后者包括改变线路电压、改变转子电阻或施加适当频率的电压加到转子电路来改变。2.2 异步电机调速原理简介2.2.1 变极电动机 在变极电动机中，定子绕组设计成通过简单改变线圈的连接，就可以按2:1的比例改变极数，于是可以选择两个同步转速中的任意一个。用两套独立定子绕组，每一套都按改变极布置，就可以得到4个同步转速。 2.2.2 变频调速 电枢的频率控制是通过变频器实现的。变频器是利用电力半导体器

23、件的通断作用把电压、频率不变的交流电压变成电压、频率都可变的交流电源。如今使用较广的变频器的变频方式为从直流变为交流，然后再由交流变为直流的方式，即所说的交交变频3。交交变频的工作方式时利用整流器将处于工频的交流电源整成直流，整成之后的直流再用逆变器将直流逆变成电压和频率都可以人为控制的交流电源，以供给交流电动机使用。2.2.3 转子串电阻调速绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低4。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。2.2.4 调压调速调压调速是通过改变输入电动机

24、电枢绕组的电压来控制电机的速度，这也是本论文要设计的一种调速方法。2.3 各种异步电机调速的特点2.3.1 变极调速方法 1）具有较硬的机械特性，稳定性良好；2）无转差损耗，效率高；3）接线简单、控制方便、价格低；4）有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；5）可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。2.3.2 变频调速方法1）具有较硬的机械特性，稳定性良好；2）无转差损耗，效率高；3）接线简单、控制方便、价格低；4）有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；5）可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。2.3.3 转子串电阻调速方法 绕线式异步

25、电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低5。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。2.3.4 调压调速的方法 1）调压调速线路简单，易实现自动控制；2）调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低；3）调压调速一般适用于100kW以下的生产机械。3 异步电机调压调速模型设计3.1 异步电机调压调速的原理 由异步电动机的机械特性方程式6 （3-1） 其中：P为电动机的极对数；U1和1分别为电动机定子相电压和供电角频率；S是转差率；R1和R2定子每相电阻和折算到定子侧的转子每

26、相电阻；Ll1和Ll2分别是定子每漏感和折算到定子侧的转子每相漏感。 由此可知，当转差率和电机的极数一定是，电磁转矩T与电压的平方成正比。改变电机电枢的输入电压就可以改变电磁转矩的大小，从而改变电机的旋转速度。改变电机的输入电压可以得到电机的人为机械特性（如图3-1），图3-1 风机的人为机械特性 当电机带恒转矩负载时（如图中的虚线TL）,当输入的电压从0.5U1N到U1N时，电机的转速变化范围很小，即速度的可调性不足。而当负载为风机类负载时，速度的可调范围比恒转矩时大的多。 此时，电机调速就出现了一对矛盾，即恒定转矩和和电机较宽的调速范围。如何使得电机在恒定转矩下拥有较大的调速范围呢？那就是

27、采用高转差率的电动机。高转差率的电机实现方式并不难。当电机的转子为鼠笼式转子时，转子的材料可以使用电阻率较高的材料；对于绕线式的电机，在转子里串上电阻也可实现电机的高转差率8。在电机转子里串电阻后，电机的固有机械特性会变软。高转差率的电机机械特性较软（如图3-2）是指在负载转矩或者供电电压稍有波动，转速都会产生很大的变化，严重者可使得电机无法正常工作。这种电机适合转矩随转速的降低而变小的负载。图3-2 转矩转速特性为了克服电机的机械特性较软的情况，使其能够适合恒定转矩的情况，电机的控制系统常常采用速度闭环控制系统。3.2 速度负反馈的交流调压调速系统 结构原理图： 图3-3 结构原理图图中TG

28、为测速机，ASR为速度调节器，GT为脉冲触发器，TG测速电机。其工作原理为将反映给定转速的u*与反应电机转速的电压Un进行比较，得到偏差电压u，经过ASR输出电压uk，再经触发器输出晶闸管的控制角，且uk增大，减小，角小，输出电压U高。3.3 调压调速系统的组成部分异步电动机调压调速系统包括三相交流调压器，脉冲触发器，反馈部分以及速度调节器等部分。3.3.1 三相交流调压器三相交流调压器主要组成就是三相交流调压电路。三相交流调压电路主要是由晶闸管组成，每一相都由两个晶闸管反相并联构成。9根据其联接形式的不同，三相交流具有如下几种连接方式，a）星形联结，b）支路控制三角形联结，c）中点控制的三角

29、形联结。如图3-4表示：图3-4 调压电路连接方式 由于电动机的定子端多数结成星形方式，所以，三相交流调压电路采用图3-4 a )所示的方式连接。采用星形联结方式时，当电源侧有中性线时，三次谐波及三的倍数次谐波均不流过电机，从而能够更好地控制电机的速度。假设电机电枢绕组的线圈为阻性来分析调压电路的工作方式。任一相在导通时必须和另外一相构成通路，所以任一时刻必须有两个晶闸管导通，并且，三相的脉冲触发顺序相差120，而同一相的的两个晶闸管的导通角度相差180，所以按照图a的晶闸管联结方式，晶闸管的导通顺序依次为VT1-VT6，角度互差60。晶闸管的触发角用来表示，不同的触发角度产生的三相电压波形是

30、不同的，移相范围必须有限制。由于同一相的触发角度是相差180，所以的范围在0-180之间。由于控制晶闸管的导通的脉冲触发器是同步脉冲触发器，并且是靠线电压控制，而线电压超前相电压30，因此移相范围在0-180之间。对于0-150的移相范围中，不同的区段内，晶闸管的导通个数是不同的，现分析如下：在0-60区段，晶闸管的导通角为180-，在电路中，分别有三个晶闸管和两个晶闸管轮流导通。当且仅当=0时，一直是三个晶闸管导通10。在60-90区段，任何时刻都是两个晶闸管在导通，并且每个晶闸管的导通角度都是固定的120。在90-150区段，晶闸管的导通角为300-2，在电路中，分别有两个晶闸管或者没有晶

31、闸管导通。因此，只要合理利用触发器控制晶闸管的导通角，按照VT1-VT6晶闸管的导通顺序依次触发，就能够控制输出电压的大小。3.3.2 同步脉冲触发器 同步脉冲触发器的作用是触发三相交流调压电路中的晶闸管，使其电路实现相应的导通。三相交流电压电路要能够输出三相电压，必须在每个时刻都能够实现其中的两相导通，形成回路11。这就要求同步脉冲触发器形成一个宽脉冲或者形成两个窄脉冲。 形成宽脉冲的一个主要的缺点就是要求触发电路的输出功率大,一般情况下不会用,用的最多的就是采用双窄脉冲触发。 同步脉冲的触发原理是在输入同步信号和控制电压信号的共同控制下，触发脉冲与同步信号间步，其触发延迟角与控制电压成某种

32、对应关系，且将触发脉冲整形为一定宽度的脉冲。为了将控制信号的电压幅值转变为被发延迟角通常将同步信号转变为锯齿波信号或余弦信号。再将输入控制信号与锯齿波信号(或余弦波信号)进行比较，在两者相等时发出一脉冲将此脉冲再整形为一定宽度的触发脉冲。 同步触发脉冲器在同一时刻产生两个脉冲，且一个脉冲触发本相的晶闸管，另一个脉冲则应该触发序号小一号的晶闸管，只有这样，三相三线交流调压电路中才能够形成通路，在负载端产生相应的电压或者是电流信号。3.3.3 反馈环节三相交流异步电动机的反馈环节采用速度负反馈，对异步电动机的转速进行取样，通过转换装置将速度信号转换成电压信号，然后将该信号与给定的信号进行比较，产生

33、偏差信号。将偏差信号输入给控制装置如（PI控制器），PI控制器的输出信号作为三相交流调压器中的同步脉冲的触发装置的输入信号12。同步脉冲的触发角度的改变会影响三相交流调压装置的输出电压有效值的大小，进而控制的电机的转速。反馈环节需要控制其相应的大小，应使电机在其工作范围内可调，图3-5为其静态的工作特性 图3-5 静态工作特性 U1min和U1N的静态工作曲线为图3-5中的两条边界曲线，速度反馈的交流调压调速系统在工作时应工作在两者的范围内，当负载变化较大超出了两条曲线的范围，速度反馈便失去了作用，便成了不可控的系统，就变成了开环控制系统。异步电动机交流调压调速系统的静态结构图如图3-6： 图

34、3-6 静态结构图 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； 为测速发电机TG输出的反馈电压。 转速调节器ASR采用PI调节器；是由式（3-2）描述的异步电动机械特性方程，它是一个非线性函数。常用PI调节器消除静差并改善动特性，其传递函数为13： （3-2）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: （3-3） 测速反馈环节FBS 考虑到反馈滤波的作用, 传递函数为: （3-4）4 三相交流调压调速系统的Matlab仿真4.1 Ma

35、tlab简介 Matlab是美国MathWorks公司研发出的商业数学软件，具有算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括Matlab和Simulink两大部分3。它将数值分析、矩阵运算、科学数据可视化以及非线性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，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。本论文用到的主要功能就是其Simulink功能。Simulink功能模块能够简便快捷地将需要仿真的结构通过系统中提供的工具箱中的模块将模型搭建出来。更为重要的一个功能就是它能够根据用户的意愿更改其中的参数，使搭建出来的模型更能够反映出真实的情况。倘

36、若系统中没有自己想要的模块，自己也可根据相应的数学原理和控制原理，按照系统规定的格式自己创建函数的结构图，并且可以对其进行封装，创建个人的模型库14。以后用到是便可直接得调用，其功能与系统自带的模块具有同样的使用原理，极大地方便了各种行业的仿真需求。因此本论文便利用了Matlab的这个功能，并结合系统自带的模块创建了三相交流异步电动机调压调速模型。4.2 Simulink库介绍Simulink工具箱包含有丰富的模块库，分别包括最基本的Simulink库，Aerospace Blockset库，Communication Blockset库，Simscape库，SimPowerSystems库等

37、。这些丰富的模块库几乎包含了所有行业中实用的各种模型，极大地方便了不同行的人员利用这些模型库中的模型仿真自己行业的相关知识。其中，对电机学和电力系统仿真用到的最多的是Simulink库和SimPowerSystems(动力系统)库。基本的Simulink库中包含了Commonly Used Blocks（常用模块）模块库，Continuous（连续）模块库，Discomtinities（非连续）模块库，Discrete（离散）模块库，Mathe Operations（数学运算）模块库，Ports&Subsystems（信号和子系统）模块库，Signal Routing（信号路由）模块库，Sin

38、ks（接收器）模块库，Sources（源）模块库等主要模块库。每个模块中又包含了各种各样的具体的模块。例如Continuous模块库就包含了Derivative模块，Integrator模块，Integrator Limited模块等；Souces（源）模块库中就包含了Constant（常数）模块，Ground（地）模块，Pulse Generator（脉冲发生器）模块，SineWave（正弦波）模块和Step（阶跃信号）模块等。对于电力行业仿真的模块库主要的是用到的SimPowerSystems(动力系统)模块库。电力系统模块库提供了丰富的与电力相关的模块，能够满足一般的电力仿真模型的搭建。

39、SimPowerSystems(动力系统)模块库主要包含了六大模块子库，分别是Application Libraries模块子库，Electrical Sources（电源）模块子库，Elements（原件）模块子库，Extra Library模块子库，Machines（电机）模块子库，Measurements（测量）模块子库，Power Electronics（电力电子器件）模块子库以及powergui模块子库。现将用到的主要模块介绍如下：Electrical Sources（电源）模块子库里面包含了8中形式的电源，提供给各种不同的电源需求场合。8种不同形式的电源分别为AC Current

40、Source（交流电流源），AC Voltage Sources（交流电压源），Battery(电池)，Controlled Voltage Source(受控电压源)，Controlled Current Source(受控电流源)，DC Voltage Source（直流电压源），Three-Phase Programmable Voltage Source（三相可编程电压源）以及Three-Phase Source（三相电压源）。论文中主要用到了AC Voltage Sources交流电压源。Elements（元器件）模块子库，元器件模块子库包含了32中电力系统中用到的电气件。比如各种变

41、压器，阻抗元件，互感器原件，阻抗负载，接地元件等。本次的设计主要用到了Ground（地）元件，Series RLC Branch（串联阻抗）元件。Machines（电机）模块子库包含了国际单位制、标幺制异步电机（Asynchronous Machines SI/pu Units），直流电机(DC Machine)，永磁同步机(Permanent Magnet Synchronous Machines)，简化的国际单位制/标幺制同步电机（Simplified Synchronous Machines），开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor），国际单位制、标幺制的同步电

42、机（Synchronous Machines SI/pu Units）等等。本次论文中用到的电机主要是国际单位制的异步电机。电机模块子库模块中还包含了一个特殊的专门用于测量电机相关输出量的模块Machines Measurement Demux（点击测量量分离）模块。此模块主要是将电机运行或者启动过程中的相关量通过此模块将其各种量分离开来，以便分别观察电机运行或者启动中的各种量值。 Measurements（测量）模块子库中包含五种测量模块，包括Current Measurement（电流测量），Voltage Measurement（电压测量）模块，Impedance Measurement

43、（阻抗测量）模块，Three-phase V-I Measurement（三相电压电流测量）模块，Multimeter（万用表）模块。本论文仿真模型中只用到了电压测量模块，电流测量模块及其它模块的使用被电机测量专用模块代替，因此，结构图也精简了许多。Power Electronics（电力电子）模块子库中包含了10种电力电子元件模块，Detailed Thyristor（详尽型晶闸管）模块，Diod（二极管）模块，Gto（门极可关断晶闸管），IGBT(绝缘栅双极性晶体管)模块，IGBT/Diod（复用性）模块，Ideal Switch（理想开关）模块，Mosfet（场效应管）模块，Three-

44、Level Bridge（三相箝位能量转换器）模块，Thristor（晶闸管）模块以及Universal Bridge（通用桥）模块。本次论文中主要用到了晶闸管模块。4.3 系统建模与仿真4.3.1 三相电源的建模及参数设置三相电源的的模型建立可以用Electrical Sources模块子库中的Three-phase Programmable Voltage Sources建立，也可以用三个AC Voltage Source 通过星形联结来模拟三相交流电压源。本论文中主要采用了后者。建立模型的方法是：打开Matlab，点击simulink仿真按钮，然后点击FileNewModel，建立一个新

45、的模型，然后从SimPowerguiSystems/Electrical Sources里将 AC Voltage Source直接拖入到新建的模型中，并复制成三个。点击每个电源，打开参数对话框如图4-1所示，设置三相交流电源的参数。其参数对话框包括四项内容，分别为Peak Amplitude（电压幅值），Phase（相角），Frequency（频率）以及Sample Time（采样时间）。 除了采样时间默认值为零外，其它几项则可根据实际情况去填写。本论文中,A相的三项值分别为220*1.414，0,50；B相、C相的相角分别为-120和-240，其它等同于A相。设置好参数后，将其负极连接在一

46、起然后接地，构成三相四线系统。连接好的电源图如图4-2： 图4-1 电源参数设置 图4-2 电源连接图4.3.2 同步流脉冲触发器的建模与参数的设置 同步六脉冲触发器能够产生跟随三相电源的触发脉冲，并且同一时刻能够产生两个触发脉冲，相邻脉冲的触发间隔为60。在matlab中有专门产生流脉冲的触发器15，它位于SimPowerSystems/Exstra Library/Control Blocks/Synchronized 6-Pulse Generator。它有五个端子分别为alpha-deg（触发角度），AB（线电压UAB）,BC(线电压UBC),CA(线电压UCA),Block（控制端子

47、）。线电压AB、BC、CA分别接入相应的线电压，触发角接入相应的控制角（本文中接PID控制器的输出），Block应接入一个常数0或者1，接入0,为允许触发，接入1为禁止触发（本文中接入0）。其参数设置的中有三项需要设置，分别为Frequency of synchronisation voltages（同步电压频率 (Hz)，Pulse width（脉冲宽度）(degrees)以及Double Pulsing。本文中的相应的设置分别为50Hz,10度。Double Pulsing选项勾选。设置好的参数以及连接好的如下图： 图4-3 六脉冲触发器参数 图4-4 六脉冲触发联结图4.3.3 三相交流

48、调压电路的建模与参数设置及仿真由前面原理所述，三相交流调压电路的每一相都是由两个晶闸管反并联联结而成，共需要六个晶闸管。晶闸管的端口共有五个，分别为a，k，g，m，pulse。a端和k端分别为晶闸管的高电位和低电位端；g端为脉冲输端，m端信号测量端，pulse端为输出端为晶闸管的排序分别定为VT1,VT4,VT3,VT6,VT5,VT2。其中VT1、VT4为接A相电源，VT3、VT6接B相电源，VT5,VT2接C相电源。如何连接脉冲输入端口，需要根据脉冲输出顺序来决定16。六脉冲触发器的一个周期内的输出仿真波形如图4-5：图4-5 同步六脉冲触发器的触发脉冲假设最下面一行为1号脉冲，向上依次为

49、2-6号脉冲，每号脉冲第一次出现时为a脉冲，第二次出现时为2脉冲。由脉冲图可以看出，当第一次出现脉冲的时刻是有两个脉冲出现，经分析1号a脉冲应属于本相触发脉冲，6号的b脉冲应为补发脉冲。由晶闸管的导通顺序为VT1,VT2,VT3,VT4,VT5,VT6,VT1以此类推，1号脉冲应触发VT1，6号的脉冲应触发VT6。同理，2号脉冲分别触发VT2,VT3,VY4,VT5。由于此脉冲图的脉冲从1至6分别对应于Demux模块横向放置时从左至右的顺序17。因此将Demux从左至右的顺序分别定为1-6号，那么1-6号脉冲应分别联结晶闸管VT1-VT6。这样连接后才能够准确触发三相交流调压电路，使其输出的信

50、号类似正弦波。只是输出的波形中含有较多的谐波，因为晶闸管内部电容及负载的联结形式影响了波形的输出。连接图为4-6：图4-6 三相交流调压电路连接图晶闸管的参数设置：双击晶闸管就可对晶闸管进行参数设置。晶闸管的参数设置共有六项，分别设置如下：电阻（Resistance Ron）设置为40；电感（Inductance Lon）设置为0H；正向电压（Forward voltage Vf）设置为0.8V；初始电流（Initial current Ic）设置为0A；缓冲器电阻（Subber resistance Rs）设置为1200 ；缓冲器电容（Subber capacitance Cs）设置为250

51、。 将触发角设置为0的时候，三相交流调压电路输出的波形如下图所示图4-7 调压仿真图由此可见，三相调压电路和同步流脉冲触发器的连接方式以及晶闸管的设置参数等都是正确的，符合要求的。4.3.4 电机模块的建模与参数设置Simulink的电机库中有各种电机模块，本文中选择的电机为国际单位制的三相异步电机，该电机中有多种给定马力的电机模型，在Preset model 选项中选择为NO，则具体电机的参数包括电机的容量，线电压，频率，定转子的阻感值，互感值以及转动惯量，摩擦系数和极对数都需要根据实际的情况来填写。随意的编写都会造成具体的仿真结果失败。本论文中使用的电机模型为系统给定的20HP，400V，

52、50Hz，1460RPM的电机模型，以防止其内部参数设置的错误影响了整个仿真的效果。4.3.5 转速反馈环节及给定环节的建模及参数设置转速反馈环节的主要包括速度反馈值，然后与给定的值进行比较，将给定值输出到速度调节器，信号经处理后再经过饱和处理装置输送到六脉冲触发器。输入到的六脉冲触发装置的信号是触发角度，控制六脉冲触发的时间。建模中用到的模块有增益模块（Gain），求和模块（Sum），PID控制模块（PID Controler），饱和模块（Saturation）。各模块参数设置：增益模块的输入是从电机测量模块输出的，它将转速的值（rad/s）扩大后送出，由n=n*60/2可知，gain的增益

53、值为60/2（具体的值取为9.55），得到的信号单位为:转/分钟；给定值模块可以用一个阶跃信号来模拟实际的给定电压，这用与该电压相对应的电机的转速取代，本文中电机的额定转速值作为给定值；转速调节器（ASR）采用PI控制模块，由于没有专门的PI控制模块，通过设置PID Controller的选项选择PI控制，其中Kp、Ki的值可以任意设置。Kp、Ki的具体值对于每种搭建的模型参数的值是不同的，并且要不断的根据具体的调试进行更改，直到输出的波形符合要求便可。4.4 带转速负反馈的三相交流调压调速系统的连接图图4-8 系统连接图4.5 仿真结果与分析1)电机的人为机械特性仿真本论文中的电机模块的各项

54、参数为：定子电阻0.2147，电感0.000991H；转子电阻为0.2205，电感0.000991H；互感0.06419H；转动惯量0.102；摩擦系数0.009541；极对数2 。根据式3-1，编写m程序（见附录一），仿真结果如下: 图4-9 人为机械特性有图可知，改变电动机定子端的线电压，对于相同的恒定的转矩，电机输出端的转速时不同的，只是转速大小不同。定子电压越小，转速越小。 2)电机的空载启动 电机的空载启动仿真结果图如下 图4-10 电机空载启动由图中可知，电机由启动至转速稳定的时间约为0.15s，启动转矩最大时约为1000Nm，启动转矩较大，因此能够实现快速的启动。稳定的转速为15

55、00转/分，比其额定转速要大，原因为电机的额定转速是在定子端为额定电压，负载为额定负载的情况下的转速。当空载时，电机只需克服自身的机械摩擦力，因此转速会比相应的额定转速下要高。 3)电机带风机类负载时调速风机类负载的转矩与转速的平方成正比，假设其转速方程为T=kn2，k设定为0.0003826。将具有此类方程的负载作为电机的负载，并调节电机定子端的电压，观察电机的转速变化。仿真图如下：图4-11 风机负载下定子电压为394V时仿真曲线图4-12 风机负载下定子端电压186V时仿真曲线图4-13 风机负载下定子端电压为148V时仿真曲线 由图4-11至4-13的仿真曲线来看，随着定子端的电压从额定电压不断的降低，风机类负载稳定时的转速也在不断的降低，由最初的额定电压下的1167转/分降至521转/分。当电压继续降低，转速由一种稳定值到另一种稳定值所需的时间也逐渐加大。在此过程中，定转子的电流的会有明显的提升，电机的发热会相当的明显，这对于工作中的电机是十分不利的。因此，控制风机类负载的转速在1167转/分到521转/分是最佳的，转速的调