1 绪论1.1课题研究背景及目的研究背景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;1.1.1研究目的本课题主要运用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;在实际应用中,电动机作为把电能转换为机械能的主要设备,一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度;电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响;因此,调速技术一直是研究的热点12;而交流调速系统凭着其绝对的优势,最终必将取代直流调速系统3;近几年来,科学技术的迅速发展为交流调速技术的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础;交流电动机的调速系统不但性能同直流电动机的性能一样,而且成本和维护费用比直流电动机系统更低,可靠性更高4;目前,国外先进的工业国家生产直流传动的装置基本呈下降趋势,交流变频调速装置的生产大幅度上升;在日本,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％5;到目前为止,日本除了个别的地方还继续采用直流电机外,几乎所有的调速系统都采用变频装置67;计算机仿真技术在交流调速系统的应用,使得对交流调速的性能分析和研究变的更为方便;传统的计算机仿真软件包用微分方程和差分方程建模,其直观性、灵活性差,编程量大,操作不便;随着一些大型的高性能的计算机仿真软件的出现,实现交流调速系统的实时仿真可以较容易地实现8;如：matlab软件已经能够在计算机中全过程地仿真交流调速系统的整个过程;matlab语言非常适合于交流调速领域内的仿真及研究,能够为某些问题的解决带来极大的方便并能显著提高工作效率;随着新型计算机仿真软件的出现,交流调速技术必将在成本控制、工作效率、实时监控等方面得到长足进步910;交流调速技术发展到今天,相对而言已经比较成熟,在工业中得到了广泛的应用,但是随着一些新的电力电子器件和一些新的控制策略的出现,工业应用对交流调速系统又提了新的要求,现代交流电机调速技术的研究和应用前景十分广阔;20世纪80年代中期研制开发出一种新型交流调速系统——开关磁阻电动机调速系统,它将新型的电机、现代电力电子技术与控制技术融为一体,形成一个典型的机电一体化的调速系统;由于它在效率、调速性能和成本方面都具有一定的优势,已成为当代电力拖动的一个热门课题,将会在调速领域占有一席之地;交流调速的控制策略近年来发展非常迅速,诸如转差矢量控制,自适应控制磁通自适应、断续电流自适应、参数自适应等模型参考自适应控制,状态观测器磁通观测器、力矩观测器等,为补偿速度降以提高精度的前馈控制,以节能、平稳、快速等为目标函数的优化控制,线性二次型积分控制,滑模变结构控制,直接转矩控制及模糊控制等已见诸国内外有关文献及杂志中论文主要工作1.分析各种调速系统在实际运用中的优缺点,分析各种调速方式适用的场合;2.重点分析掌握三相交流调压调速原理,机械特性等,然后对其进行MATLAB的仿真实现,通过修改系统各部分的参数,可以输出稳定的波形;根据示波器输出结果,对系统的性能进行分析;论文章节安排第一章绪论：主要介绍本课题的研究背景和研究内容,以及交流调速系统在国内外的发展和前景展望；介绍了文章的主要工作安排以及论文章节安排;第二章交流调速系统：比较交流调速系统的各种调速方案,重点分析了交流调压调速系统的原理及机械特性,及对交流调压调速电路以及闭环调压调速系统进行了重点的研究分析;第三章交流调压调速系统的MATLAB仿真：运用MATLAB的SIMULINK工具箱分别对异步电动机调压调速系统的主电路与控制电路进行建模和参数设置,最终建立了异步电动机调压调速系统电路的仿真模型,并对其进行了仿真分析和研究,给出仿真结果,通过对仿真结果的分析验证了交流调压电路的工作原理和所建模型的正确性;第四章结论：对全文进行总结,指明异步电动机调压调速系统的发展方向;2 交流调速系统原理与特性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：()min /)1(60r ps f n -= 2-1 从转速公式可知改变电动机的极对数p ,改变定子供电功率f 以及改变转率s 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：()min /601r pf n = 2-2 由于实际使用中同步电动机的极对数p 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;交流异步电动机调压调速系统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VT 1、VT 2、VT 3、VT 4、VT 5、VT 6、VT 1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;调压调速原理根据异步电动机的机械特性方程式()()[]2'21212'211'221'22'211//33l l M L L s R R s R pU s R I P P T +++==Ω=ωωω 2-3其中 p ——电动机的极对数1U 、1ω——电动机定子相电压和供电角频率s ——转差率1R 、'2R ——定子每相电阻和折算到定子侧的转子每相电阻11L 、'12L ——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s 一定时,电磁转矩T 与定子电压1U 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,如图所示;在带恒转矩负载L T 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,如图中的D,E,F 点;S S L m图 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T ,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图交流力矩电机在不同定子电压时的机械特性闭环控制的调压调速系统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a是带转速负反馈的闭环调压调速系统原理图,图b是相应的调速系统静特性;如T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果系统带负载L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A';同理,当负载减小使得转速升高时,也可以得到新的工作点A'';将工作点A''、A、A'连起来就是闭环系统的静特性1;M3a 原理图L e min 1Ub 静特性图 转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统在额定电压N U 1下的机械特性和最小电压min 1U 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a所示的系统,可画出系统静态结构图,见图所示：ASRL T -图 异步电动机调压调速系统的静态结构图图中：ctS U U K 1=----晶闸管交流调压器VVC 和触发装置GT 的放大系数； ct U ----触发装置的控制电压；n U n /=α----为转速反馈系数；n U ----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；()T U f n ,1=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;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：U 图 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：()ST S T K S W n n n ASR 1+= 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:()1+=-TsS K S W S V GT 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:()1+=S T S W on FBS α2-64 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仿真系统的建模和模型参数设置主电路的建模和参数设置主电路主要由三相对称交流电压源、晶闸管、晶闸管三相交流调压器、交流异步电动机、电机信号分配器等部分组成;下面分别讨论三相交流电源、三相交流调压器、同步脉冲触发器、交流异步电动机、电机测试信号分配器的建模和参数设置问题16;三相交流电源的建模和参数设置首先从图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;然后从图中的链接器模块组中选取“ground”元件也复制成三份,按图所示连接即可图Simulink中的电源模块图Simulink中的连接模块图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 0、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120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4;3.1.1.2晶闸管三相交流调压器的建模与参数设置晶闸管三相交流调压器通常是采用三对反并联的晶闸管元件组成,单个晶闸管元件采用“相位控制”方式,利用电网自然换流;图中所示为晶闸管三相交流调压器的仿真模型;图晶闸管三相交流调压器仿真模型子系统触发脉冲的顺序为V1－V2－V3－V4－V5－V6,其中V1－V3－V5之间和V4－V6－V2之间互差120度,V1－V4之间、V3－V6之间、V5－V2之间互差180度;双击晶闸管对话框得到晶闸管参数设置图,根据图中要求及系统要求对其进行参数设置如下：电阻Resistance Ron：40 Ω；电感Inductance Lon：0H；正向电压Forward voltage Vf：;初始电流Initial current Ic：0A；缓冲器电阻Subber resistance Rs：1200Ω；μ;缓冲器电容Subber capacitance Cs：250 F上图是用单个晶闸管元件按三相交流调压器的接线要求搭建成仿真模型的,单个晶闸管的参数设置仍然遵循晶闸管整流桥的参数设置原则,具体如下：如果针对某个具体的变流装置进行参数设置,对话框中的参数应取默认值进行仿真,若仿真结果理想,就可认可这些设置的参数,若仿真结果不理想,则通过仿真实验,不断进行参数优化,最后确定其参数;这一参数设置原则对其它环节的参数设置也是适用的18;在使用Simulink进行系统仿真分析时,首先需要进行模块参数设置,因此需要对系统中所有模块进行正确的参数设置;如果逐一的对各个系统进行参数设置时很繁琐的,因为子系统一般均为具有一定功能的模块组的集合,在系统中相当于一个单独的模块,具有特定的输入和输出关系;对于已经设计好的子系统而言,能够像Simulink模块库中的模块一样进行参数设置,则会给用户带来很大的方便,这时用户只需要对子系统参数选项中的参数进行设置,无需关心子系统的内部模块的实现;具体封装步骤如下：选择需要封装的子系统Subsystem,然后单击鼠标右键,在弹出的菜单中选择Mask Subsystem项,或者单击Edit-Mask Subsystem项19;这时将出现图中所示的封装编辑器;使用封装编辑器子系统中的图标、参数初始化设置对话框以及帮助文档,从而可使使用户设计出非常友好的模块界面,以充分发挥Simulink的强大功能;打开Mask editor:Subsystem对话框,如图所示;使用此编辑器可以对封装后的子系统进行各种编辑;在默认情况下,封装子系统不使用图标;但友好的子系统图标可使子系统的功能一目了然;为了增强封装子系统的界面友好性,用户可以自定义子系统模块的图标;只需在途中编辑对话框中的“图标和端口”选项卡中“绘制命令”栏中使用MATLAB 中相应便可以绘制模块图标,并可设置不同的参数控制图标界面的显示20;图 子系统封装编辑器下图为晶闸管三相交流调压器子系统封装图如下所示：aU bU cU a bcP图 三相交流调压器子系统封装图图中,Ua,Ub,Uc 分别连接三相交流电源的三相,P 连接从脉冲触发器出来的触发脉冲,输出a,b,c 分别连接交流电动机的A,B,C 输入4;同步脉冲触发器的建模和参数设置通常,工程上将触发器和晶闸管整流桥作为一个整体来研究,所以,在此处讨论同步脉冲触发器;同步脉冲触发器包括同步电源和6脉冲触发器两部分;6脉冲触发器可以从图所示的附加模块Extras Control Blocks 子模块组获得;图附加模块Extras Control Blocks子模块6脉冲触发器需要三相线电压同步,所以同步电源的任务是将三相交流电源的相电压转换成线电压;同步电源与6脉冲触发器符号图如下所示4：图同步脉冲触发器子系统同步脉冲触发器封装后子系统符合如下：UaUbUcOutIn2Uct图同步脉冲触发器封装后子系统符号然后根据主电路的连接关系,建立起主电路的仿真模型;图中ln2为脉冲器开关信号,当脉冲器开关信号为“0”时,开放触发器；为“1”时,封锁触发器4;交流异步电动机的建模和参数设置在Power System 工具箱中有一个电机模块库,它包含了直流电机、异步电机、同步电机以及其他各种电机模块;其中,模块库中有两个异步电动机模型,一个是标幺值单位制PI unit 下的异步电动机模型,另一个是国际单位制SI unit 下的异步电动机模型,本设计中采用后者;国际单位制下的异步电动机模型符号如图所示2：图 异步电动机模块其电气连接和功能分别为：A,B,C ：交流电机的定子电压输入端子；m T ：电机负载输入端子,一般是加到电机轴上的机械负载；a,b,c:绕线式转子输出电压端子,一般短接,而在鼠笼式电机为此输出端子；m:电机信号输出端子,一般接电机测试信号分配器观测电机内部信号,或引出反馈信号2;异步电动机模型参数设置如下;双击异步电动机的模型,即了得到参数设置对话框;分别对其进行参数设置如下所示6：1绕组类型Rotor type: 转子类型列表框,分别可以将电机设置为绕线式Wound 和鼠笼式Squirrel －cage 两种类型;在本文中用鼠笼式Squirrel －cage 异步电动机；2参考坐标系Reference Frame ：参考坐标列表框,可以选择转子坐标系Rotor 、静止坐标系Stationary 、同步旋转坐标系Synchronous;在本文中选择同步旋转坐标系Synchronous ； 3额定参数: 额定功率n P KW 取30KW,线电压n V V 为380V ,频率f 赫兹为50HZ ； 4定子电阻s R Statorohm 取Ω和漏感ls L H 取为；5转子电阻r R Rotorohm 为Ω和漏感lr L H 取为；其它设置为默认值电动机测试信号分配器的建模和参数设置电动机测试信号分配器模块的模型图如下所示：图Machines Measurement Demux电动机测试信号分配器模块双击电动机测试信号分配模块得图电机测试信号分配器参数设置图;图电动机测试信号分配器参数设置对话框及参数选择图中：ir_abc：转子电流ira,irb,irc；ir_qd：同步d-q坐标下的q轴下的转子电流ir_q和d轴下的转子电流ir_d；phir_qd：同步d-q坐标下的q轴下的转子磁通phir_q和d轴下的转子磁通phir_d；vr_qd：同步d-q坐标下的q轴下的转子电压vr_q和d轴下的转子电压vr_d；is_abc：定子电流isa,isb,isc；is_qd：同步d-q坐标下的q轴下的定子电流is_q和d轴下的定子电流is_d；phir_qd：同步d-q坐标下的q轴下的定子磁通phis_q和d轴下的定子磁通phis_d；vs_qd：同步d-q坐标下的q轴下的定子电压vs_q和d轴下的定子电压vs_d；wm ：电机的转速wm ；Te ：电机的机械转矩Te ；Thetam ：电机转子角位移Thetam 1;控制电路的建模和参数设置交流调压系统的控制电路包括：给定环节、速度调节器、限幅器、速度反馈环节等;控制电路的有关参数设置如下：速度反馈系数设为20；调节器的参数设置分别是：ASR ：30=pn K ；300=n τ；上下限幅为400-0；其它没做说明的为系统默认参数;给定环节的建模与参数设置在调压调速的仿真模型中有几个给定环节,它可以从图中的输入源模块组中选取“constant ”模块,模块路径为Simulink/Commonly Used Blocks 14;图 输入源模块组然后双击该模块的图标,打开参数设置对话框,在该系统中用到两个给定模块,分别将给定值Constent value 设置为-20以及0两个;其它设置为默认值;实际调速时,给定信号是在一定的范围内变化的,我们可以通过仿真实践,确定给定信号允许的变化范围4;速度调节器的建模和参数设置速度调节器通常采用PI 控制,比例和积分参数的设置要根据系统的仿真结果不断地变化改动,以得到最稳定的输出特性以及动态特性;限幅器、速度反馈环节也一样;具体方法是分别设置这些参数的一个较大和较小的值进行仿真,弄清它们对系统性能影响的趋。
