1 绪论
1.1课题研究背景及目的
1.1.1 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。
1.2 文献综述
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[1][2]。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[6][7]。
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[9][10]。
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[11][12][1]。
1.3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。
1.4 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
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：
()min /)1(60r p
s 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 p
f 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。
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。
2.2.2 调压调速原理
根据异步电动机的机械特性方程式
()()[]2'21212'211'221'22'211//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 、'2
R ——定子每相电阻和折算到定子侧的转子每相电阻 11L 、'12
L ——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2.2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2.2中的D ，E ，F 点。
风机类负载特性100
A B
C D E
T N U 17.0N U 15.0N
U 11n n
S S L T m T F
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[1][4]。
A
B C
1n L T T N
U 1N
U 17.0N
U 15.0S 001
n
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L 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]。
（a ）原理图
A L T e T *
n1U *
n2
U *
n3
U 时的机械特性
min 1U 时的机械特性
N 1U n A ''A '
(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2.4（a ）所示的系统，可画出系统静态结构图，见图2.5所示：
*n U -α
ASR ct U s K L T -n
()T U f n ,1=1U n
U
图2.5 异步电动机调压调速系统的静态结构图 图中：ct
S 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。
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：
()S
T 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 α
（2-6）
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
3.1.1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]。
3.1.1.1 三相交流电源的建模和参数设置
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 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3.4中所示为晶闸管三相交流调压器的仿真模型。
图3.4 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）：0.8V;
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3.5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3.5 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：
a
U b
U c
U a b
c
P
图3.6 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]。
3.1.1.3 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3.7所示的附加模块（Extras Control Blocks）子模块组获得。
图3.7 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3.8 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：
Ua
Ub
Uc
Out
In2
Uct
图3.9 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3.10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]。
3.1.1.4 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3.10 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 （Stator ）（ohm ）取0.087Ω和漏感ls L （H ）取为0.8mH ；
（5）转子电阻r R （Rotor ）（ohm ）为0.028Ω和漏感lr L （H ）取为34.7mH ；
其它设置为默认值
3.1.1.5 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3.11所示：
图3.11 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3.12电机测试信号分配器参数设置图。
图3.123 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]。
3.1.2 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。
3.1.2.1 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3.13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3.13 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]。
3.1.2.2 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势，据此逐步将参数进行优化。
PID Controller位于Simulink Extras/Additional Linear中，如图3.14所示：
3.14 Simulink Extras/Additional Linear模块组
在此仿真中，经过不断地变化改动，最终确定转速调节器为
K（Proportional）为30；
（1）比例常数
p
K（Integral）为300；
（2）积分时间常数
i
K（Derivative）为0（PI控制）。
（3）微分时间常数
d
3.1.2.3 限幅器的建模和参数设置
限幅器模块位于Simulink/Commonly Used Blocks模块库中，如图3.13所示：
限幅值的值设置为[400-0]。具体参数设置步骤如下：
双击限幅器图标，得到限幅器参数设置对话框，对其进行参数设置。根据题目要求，通过不断地试验，最后设定限幅器的参数值为[12]：
最大值（Upper limit）：400
最小值（Lower limit）：0
3.1.3 系统仿真参数的设置
在MATLAB的模型窗口下打开“simulink”菜单，进行“simulink parameters”设置，点击“simulink parameters”菜单后，得到仿真参数对话框，参数设置如图3.15所示：
图3.15 系统仿真参数的设置
由于系统的多样性，没有一种仿真算法是万能的。在不同的系统中需要采用不同的仿真算法，到底采用哪一种算法更好，这需要实践，从仿真能否进行仿真的速度、仿真的精度等方面进行比较选择。在此仿真中，通过实践我们在仿真中所选择的算法为ode23s。
仿真开始实践Start time一般设为0，Stop time根据实际需要而定，一般只要能够仿真出完整的波形就可以了。在此论文中，我Stop time们设置Stop time为默认值为30[4]。
3.1.4 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3.16所示：
3.16 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3.17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
T、三相定子电
e
流输出is_abc可以得到如图3.18、3.19的波形。
3.2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3.17显示为交流调压调速系统的转速曲线，图3.18为交流调压调速系统电子转矩输出，图3.19为交流调压调速电路三相定子电流输出。
1 设计任务 1、了解并熟悉双闭环三相异步电机调压调速原理及组成。 2、学习 SIMULINK，熟悉相关的模块功能。 3、进一步理解交流调压系统中电流环和转速环的作用。 2 设计要求 1、利用SIMULINK建立闭环调速系统仿真模型。 2、调试完成调压模块仿真、开环系统仿真、闭环系统仿真。 3 设计设备 1、计算机一台 2、MATLAB仿真软件 4 设计原理 调压调速即通过调节通入异步电动机的三相交流电压大小来调节转子转速的方法。理论依据来自异步电动机的机械特性方程式： 其中，p为电机的极对数； 为定子电源角速度； w 1 为定子电源相电压； U 1 R ’为折算到定子侧的每相转子电阻； 2 为每相定子电阻； R 1 L 为每相定子漏感； 11 L 为折算到定子侧的每相转子漏感； 12 S为转差率。 图1 异步电动机在不同电压的机械特性
由电机原理可知，当转差率s 基本保持不变时，电动机的电磁转矩与定子电压的平方成正比。因此，改变定子电压就可以得到不同的人为机械特性，从而达到调节电动机转速的目的。 4.1 调压电路 改变加在定子上的电压是通过交流调压器实现的。目前广泛采用的交流调压器由晶闸管等器件组成。它是将三个双向晶闸管分别接到三相交流电源与三相定子绕组之间通过调整晶闸管导通角的大小来调节加到定子绕组两端的端电压。这里采用三相全波星型联接的调压电路。 图2 调压电路原理图 4.2 开环调压调速 开环系统的主电路由触发电路、调压电路、电机组成。原理图如下： Ua Ub Uc T2 T3 T5 T4 T6 R R R N T1
图3 开环调压系统原理图 AT为触发装置，用于调节控制角的大小来控制晶闸管的导通角，控制晶闸管输出电压来调节加在定子绕组上的电压大小。
直流调速系统的MATLAB 仿真 一、开环直流速系统的仿真 开环直流调速系统的电气原理如图1所示。直流电动机的电枢由三相晶闸管整流电路经平波电抗器L 供电，通过改变触发器移相控制信号c U 调节晶闸管的控制角α，从而改变整流器的输出电压，实现直流电动机的调速。该系统的仿真模型如图2所示。 图1 开环直流调速系统电气原理图 图2 直流开环调速系统的仿真模型 为了减小整流器谐波对同步信号的影响，宜设三相交流电源电感s 0L =，直流电动机励磁由直流电源直接供电。触发器（6-Pulse ）的控制角（alpha_deg ）由移相控制信号c U 决定，移相特性的数学表达式为 min c cmax 9090U U αα?-=?-
在本模型中取min 30α=?，cmax 10V U =，所以c 906U α=-。在直流电动机的负载转矩输入端L T 用Step 模块设定加载时刻和加载转矩。 仿真算例1 已知一台四极直流电动机额定参数为N 220V U =，N 136A I =， N 1460r /min n =，a 0.2R =Ω，2222.5N m GD =?。励磁电压f 220V U =，励磁电流f 1.5A I =。采用三相桥式整流电路，设整流器内阻rec 0.3R =Ω。平波电抗器 d 20mH L =。仿真该晶闸管-直流电动机开环调速系统，观察电动机在全压起动和起动后加额定负载时的电机转速n 、电磁转矩 e T 、电枢电流d i 及电枢电压d u 的变化情况。N 220V U = 仿真步骤： 1）绘制系统的仿真模型（图2）。 2）设置模块参数（表1） ① 供电电源电压 N rec N 2min 2200.3136 130(V)2.34cos 2.34cos30U R I U α++?= =≈?? ② 电动机参数 励磁电阻： f f f 220146.7()1.5 U R I = ==Ω 励磁电感在恒定磁场控制时可取“0”。 电枢电阻： a 0.2R =Ω 电枢电感由下式估算： N a N N 0.422019.1 19.10.0021(H)2221460136 CU L pn I ?==?≈??? 电枢绕组和励磁绕组间的互感af L ： N a N e N 2200.2136 0.132(V min/r)1460 U R I K n --?= =≈?
课题：转速开环恒压频比控制的交速 姓名：谢海波 学号：P091812925 专业班级：电气工程及其自动化（3）班 西北民族大学电气工程学院 转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统
摘要：转速开环恒压频比控制是交流电动机变频调速最基本的控制方式，一般变频调速装置都有这项功能，恒压频比的转速开环工作方式能满足大多数场合交流电动机调速控制的要求，并且使用方便，是通用变频器的基本模式。采用恒压频比控制，在基频以下的调速过程中的转差率基本不变，所以电动机的机械特性较硬，电动机有较好的调速性能。异步电动机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现在它的应用面很广，目前交流异步电动机的调速系统已经广泛应用于数控机床、风机、泵类、传送带、给料系统、空调器等设备的电力源和动力源，并起到了节省电能，提高设备自动化，提高产品质量的良好效果.下文在详细分析交流异步电动机变频调速的原理基础上，应用MATLAB/SIMULINK仿真软件，实现了转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统的仿真，并且详细分析了仿真结果。 关键词：异步电动机；变频调速；MATLAB 仿真 1．仿真系统说明 本文对交流系统进行建模仿真，可以更加熟悉交流调速系统的结构，掌握各种调速系统的优缺点，选择合理的方案，解决实际中的问题。在进行电动机调速时，常须考虑的一个重 要因素，就是希望保持电动机中每极磁通量为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用 电机的铁芯，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰 当的补偿，保持不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通由定子和转子磁动势合成产生，要保持磁通恒定就要费一些周折。 2．变频调速控制方式和原理 转速开环恒压频比控制是交流电动机变频调速最基本的控制方式，一般变频调速装置都带有这项功能，在异步电动机调速时，总希望保持主磁通为额定值。由异步电机定子每相电动势有效值可知，如果略去定子阻抗下降，有 （1） 由(1)式知，若定子端电压不变，随着升高，将减小。又由转矩公式 知，在相同的情况下，减小会导致电动机输出转矩下降，严重时会使电动机堵转。因此， 在变频调速过程中应该同时改变定子电压和频率，以保持主磁通不变。而如何按比例改变电压和频率，要分基频以下和基频以上两种情况。 2.1基频以下调速 恒定压频比调速要求；当相对较高时，可忽略定子电阻那么最大实用转
东北石油大学 MATLAB电气应用训练 2013年 3 月 8日
MATLAB电气应用训练任务书 课程 MATLAB电气应用训练 题目直流电动机开环调速系统仿真 专业电气信息工程及其自动化姓名赵建学号 110603120121 主要内容： 采用工程设计方法对双闭环直流调速系统进行设计,选择调节器结构,进行参数的计算和校验；给出系统动态结构图,建立起动、抗负载扰动的MATLAB /SIMULINK 仿真模型。分析系统起动的转速和电流的仿真波形,并进行调试,使双闭环直流调速系统趋于合理与完善 基本要求： 1.设计直流电动机开环调速系统 2.运用MATLAB软件进行仿真 3.通过仿真软件得出波形图 参考文献： [1] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统—运动控制系统第3版[M]. 北京：机械工业出版社, 2007. [2] 王兆安, 黄俊. 电力电子技术第4版[M]. 北京：机械工业出版社, 2000. [3] 任彦硕. 自动控制原理[M]. 北京：机械工业出版社, 2006. [4] 洪乃刚. 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M]. 北京：机械工业出版社, 2006. 完成期限 2013.2.25——2013.3.8 指导教师李宏玉任爽 2013年 2 月25 日
目录 1课题背景 (1) 2直流电动机开环调速系统仿真的原理 (2) 3仿真过程 (5) 3.1仿真原理图 (5) 3.2仿真结果 (9) 4仿真分析 (12) 5总结 (13) 参考文献 (14)
1课题背景 直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代，随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力传动控制技术研究和应用的繁荣。晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。现在的直流和交流调速装置都是数字化的，使用的芯片和软件各有特点，但基本控制原理有其共性。 长期以来，仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上，即在系统模型建立以后要设计一种算法。以使系统模型等为计算机所接受，然后再编制成计算机程序，并在计算机上运行。因此产生了各种仿真算法和仿真软件。 由于对模型建立和仿真实验研究较少，因此建模通常需要很长时间，同时仿真结果的分析也必须依赖有关专家，而对决策者缺乏直接的指导，这样就大大阻碍了仿真技术的推广应用。 MATLAB提供动态系统仿真工具Simulink，则是众多仿真软件中最强大、最优秀、最容易使用的一种。它有效的解决了以上仿真技术中的问题。在Simulink中，对系统进行建模将变的非常简单，而且仿真过程是交互的，因此可以很随意的改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的结果。另外，使用MATLAB中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。 Simulink可以超越理想的线性模型去探索更为现实的非线性问题的模型，如现实世界中的摩擦、空气阻力、齿轮啮合等自然现象；它可以仿真到宏观的星体，至微观的分子原子，它可以建模和仿真的对象的类型广泛，可以是机械的、电子的等现实存在的实体，也可以是理想的系统，可仿真动态系统的复杂性可大可小，可以是连续的、离散的或混合型的。Simulink会使你的计算机成为一个实验室，用它可对各种现实中存在的、不存在的、甚至是相反的系统进行建模与仿真。 传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。随着生产技术的发展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面提出了更高要求，这就要求大量使用调速系统。由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，从20世纪30年代
中国石油大学胜利学院综合课程设计总结报告 题目：三相异步电机直接启动特性实验模型 学生姓名：潘伟鹏 系别：机械与电气工程系 专业年级： 2012级电气工程专业专升本2班 指导教师：王铭
2013年 6 月 27日
一、设计任务与要求 普通异步电动机直接起动电流达到额定电流的6--7倍，起动转矩能达到额定转矩的1.25倍以上。过高的温度、过快的加热速度、过大的温度梯度和电磁力，产生了极大的破坏力，缩短了定子线圈和转子铜条的使用寿命。但在电网条件和工艺条件允许的情况下，异步电动机也可以直接启动。本次课程设计通过MATLAB软件建模模拟三相异步电动机直接启动时的各个元器件上的电量变化。 参考： 电力系统matlab仿真类书籍 电机类教材 二、方案设计与论证 三相异步电动机直接起动就是利用开关或接触器将电动机的定子绕组直接接到具有额定电压的电网上。 由《电机学》知三相异步电动机的电磁转矩M与直流电动机的电磁转矩有相似的表达形式。它们都与电机结构（表现为转矩常数）和每级下磁通有关，只不过在三相异步电动机中不再是通过电枢的全部电流，而是点数电流的有功分量。三相异步电机电磁转矩的表达式为： （1-1）式中——转矩常数 ——每级下磁通 ——转子功率因数 式(1-1)表明，转子通入电流后，与气隙磁场相互作用产生电磁力，因此，反映了电机中电流、磁场和作用力之间符合左手定则的物理关系，故称为机械特性的物理表达式。该表达式在分析电磁转矩与磁通、电流之间的关系时非常方便。 从三相异步电动机的转子等值电路可知， （1-2） （1-3）将式(1-2)、(1-3)代入(1-1)得：
摘要 异步电动机采用变频调速技术，具有调速范围广，调速时因转差功率不变而无附加能量损失的优点，因此，变频调速是一种性能优良的高效调速方式。 本文以MATLAB为仿真工具，介绍了Simulink中的仿真模块，研究了交流电机变频调速系统，分析了变频器的构成和工作原理，并据此对逆变电路进行了仿真设计。首先对调速系统仿真所需要的各种电力系统模块做了简要的介绍，说明了逆变器的工作原理，在此基础上用MATLAB/Simulink软件分别对各种电路模块进行了仿真设计，进而设计出了实际中广泛应用的交-直-交变频器的仿真模型，实现了对交流电机变频调速系统的仿真研究，在此基础上建立电机模型，进行矢量控制设计，以带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制的方法对异步电动机变频调速系统进行建模和仿真，并对仿真结果进行了分析,由仿真结果可以看出系统转速的动态响应快，稳态跟踪精度高，表明此建模方法是可行和有效的。 关键词：MATLAB/Simulink变频调速逆变器仿真
ABSTRACT With the application of frequency and speed conversion technology to synchronous motor, its speed can be wide-ranged adjusted. When it comes to adjusting speed, because of slip power unchanged, there is no additional energy lost. Thus it makes this technology a high-equality and efficient way to exchange the speed. This thesis, aiming at MATLAB as simulation tool, introduces Simulink simulation module and the AC motor speed control system as the subject of the research and analyzes the structure of the inverter and how it works. On this basis,a variety of inverter circuit simulation designs are conducted. First of all, this thesis makes a brief introduction about power system module power which needs power electronic simulation, the working principle of the inverter included. Based on the theory above, then MATLAB / Simulink software are used in the simulation designs about different kinds of circuit modules. Moreover the designs of the simulation model of widely-used cross - DC - AC inverter are conducted to achieve the goal of the simulation study of AC motor speed control system, carries the modelling and the simulation on asynchronous motor adjusting-speed system based on vector control with torque inner rim and flux linkage of closed loop，gives out the simulation and makes analyse to it．The simulation result of the model shows the speed of dynamic response and the accuracy of steady-state tracking，also confirmes that the modelling is feasible and effective． Key words：MATLAB/Simulink Frequency Control Inverter Simulation
XXXX届毕业设计说明书 直流电机模糊控制系统 的MATLAB／Simulink仿真研究 院、部：电气与信息工程学院 学生姓名：XXX 指导教师：XXXX职称教授 职称 专业：XXXXXXXXXXXXX 班级：XXXXXXXXX 完成时间：20XX.X.X
摘要 在当今控制技术的发展当中，模糊控制技术的发展走在了前列，成为了当今世界上最先进的控制技术之一。模糊控制技术很好的将模糊数学理论应用于控制领域当中, 更加真切地模拟出了人脑的思维方式和判断能力, 以及对产品生产的过程进行筛选和对产品质量上的控制, 从而发展出了基于模糊控制技术的智能化的新技术，为当今控制技术的发展提供了广阔空间。 在本文当中，主要介绍了基于模糊控制理论的直流电机模糊控制系统的原理，以及直流电机模糊控制系统的优点和缺点，并通过使用MATLAB语言中SIMULINK 模块和模糊控制工具箱对直流电机模糊控制系统进行仿真，把控制直流电机调速的实际情况转换成模糊控制规则，再使用这些规则，对过程经过模糊推理和模糊决策所得到的控制量，从而实现在MATLAB语言中SIMULINK模块和模糊控制工具箱对直流电机模糊控制系统的建模与仿真。对仿真结果予以分析，对直流电机模糊控制系统的仿真进行总结。 关键词：MATLAB；SIMULINK；模糊控制；直流电机；电机调速
ABSTRACT Among today’s control technology development, one of the leading enterprises in the development of fuzzy control technology, fuzzy control technology has become one of the most advanced control technology in the world today, it will be a very good fuzzy control technology of fuzzy mathematics theory is applied in control field, the more realistically simulate the human brain’s way of thinking and judgment ability, as well as to the production process of screening and the control on the quality of product, which was developed based on fuzzy intelligent control technology of the new technology, for the development of modern control technology provides a broad expansion of space. in this article, mainly introduced the dc motor based on fuzzy control theory, the principle of fuzzy control system, as well as the advantages and disadvantages of the fuzzy control system for dc motor, and by using the SIMULINK module and the fuzzy control toolbox in MATLAB language for the calculation of the fuzzy control system of dc motor, the control of the actual situation of the dc motor speed control is converted into fuzzy control rules, and then use these rules, the process through fuzzy reasoning and fuzzy decision of control, thus to achieve the SIMULINK module and the fuzzy control toolbox in MATLAB language modeling and simulation of fuzzy control system of a dc motor. And the analysis to the results of simulation and simulation of fuzzy control system of dc motor. Keywordsmatlab；Simulink；fuzzy control；dc motor；motor speed control
交流电动机调速系统的分类 1.同步电动机调速系统 同步电动机只能依靠改变频率来进行调速，而根据频率控制方式的不同，可把同步电动机调速系统分为他控式和自控式两种类型。 如果用独立的变频装置作为同步电动机的变频电源进行调速，则称之为他控式同步电动机调速系统，大多用于类似永磁同步电动机的小容量场合。 采用频率闭环方式的同步电动机调速系统称为自控式同步电动机调速系统，它是用电动机轴上安装的位置检测器来控制变频装置触发脉冲，使同步电动机工作在自同步状态。自控式同步电动机调速系统又可细分为负载换向自控式同步电动机调速系统和交一交变频供电的自控式同步电动机调速系统。 负载换向自控式同步电动机调速系统叉称为x换向器电机，它的主电路采用交一直-交电流型变流器，利用同步电动机电流超前电压的特点，使逆变器的晶闸管工作在自然换向状态。这种系统又被称为LCI(Load Commutated Inve11er)，它的容量已达到数万千伏安，电压达万伏以上。 交一交变频同步电动机调速系统的逆变器由晶闸管组成，采用交一交循环变流结构和矢量控制技术，具有优良的动态性能，广泛地用于轧钢机主传动系统中。交一交变频同步电动机调速系统的容量很大，但调频范围只能限制在工频的三分之一左右。 2.异步电动机调速系统 在异步电动机中，从定子传入转子的电磁功率可以分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率；另一部分是转差功率，与转差率成正比，它的去向是调速系统效率高低的标志。就转差功率的处理方式的不同，异步电动机调速系统可分成三大类。 (1)转差功率消耗型调速系统。这种调速系统全部转差功率都被消耗掉，用增加转差功率的消耗来换取转速的降低，因而效率也随之降低。降电压调速、电磁转差离合器调速及绕线异步电动机转子串电阻调速这三种方法都属于这一类。 (2)转差功率回馈型调速系统。这种调速系统的大部分转差功率通过变流装置回馈给电网或者加以利用，转速越低回馈的功率越多，但是增设的装置也要多消耗一部分功率。绕线异步电动机转子双馈调速即属于这一类。 (3)转差功率不变型调速系统。在这种调速系统中，转差功率仍旧消耗在转子里，但小论转速高低，转差功率基本不变。如变极对数调速、变频调速两种调速方法即属于这一类。 2.异步电动机转差回馈型调速系统 双馈调速足指将电能分别馈入异步电动机的定子绕组和转子绕组，通常将定子绕组接入工频电源，将转子绕组接到频率、幅值、相位和相序都可以调节的变频电源。如果改变转子绕组电源的频率、幅值、相位和相序，就可以调节异步电机的转矩、转速、转向及和定子侧的无功功率。这种双馈调速的异步电动机可以超同步或亚同步运行，不但可以工作在电动状态，而且可以工作在发电状态。 因为交一交变流器采用晶闸管自然换向方式，结构简单，可靠性高，而且交，交变流器能够直接进行能量转换，效率高，所以，在双馈调速方式中采用交．交变流器作为转子绕组的变频电源是比较合适的。 绕线式异步电动机串级调速系统是从定子侧馈入电能，从转子侧馈出电能的系统。从广义上说，它也是双馈调速系统的一种。 在双馈调速中，所用变频器的功率仅占电动机总功率的一小部分，可以大大降低变频器的容量，从而降低了调速系统的成本，此外，双馈电机还可以调节功率因数，由于具有这些优点，双馈电机特别适合应用于大功率的风机、水泵类负载的调速场合；双馈调速方式在风力、
直流调速系统的MA TLAB仿真 一、开环直流速系统的仿真 开环直流调速系统的电气原理如图1所示。直流电动机的电枢由三相晶闸管整流电路经平波电抗器供电，通过改变触发器移相控制信号调节晶闸管的U L c ，从 而改变整流器的输出电压，实现直流电动机的调速。该系统的仿真控制角模型如图2所示。 L + + GT UCR E d- - 开环直流调速系统电气原理图图1 图2 直流开环调速系统的仿真模型
L?0，直为了减小整流器谐波对同步信号的影响，宜设三相交流电源电感s流电动机励磁由直流电源直接供电。触发器（6-Pulse）的控制角（alpha_deg）由U 决定，移相特性的数学表达式为移相控制信号c???90?min U?90??c U cmax 1 ??。在直流电动机的负载，所以，在本模型中取U?10V6??30?90U?ccmaxmin转矩输 入端用Step模块设定加载时刻和加载转矩。T L仿真算例1已知一台四极直流电动机额定参数为，，136AIU?220V?NN22。励磁电压，励磁电，， 220VminUR?0.2??1460rn?/m?22.5NGD?fNa流。采用三相桥式整流电路，设整流器内阻。平波电抗器??1.5A0.3RI?recf。仿真该晶闸管-直流电动机开环调速系统，观察电动机在全压起动20mHL?d n、电磁转矩、电枢电流和起动后加额定负载时的电机转速及电枢电压的uTi ded变化情况。220V?U N仿真步骤： 1）绘制系统的仿真模型（图2）。 2）设置模块参数（表1） ①供电电源电压 U?RI220?0.3?136NNrec130(V)U??? 2?2.34?cos302.34cos?min②电动机参数 励磁电阻： U220f)146.7(?R???f I1.5f励磁电感在恒定磁场控制时可取“0”。 电枢电阻： ?0.2R?a电枢电感由下式估算： CU0.4?220N?19.1?L?19.1?0.0021(H) a2pnI2?2?1460?136NN L：电枢绕组和励磁绕组间的互感 af U?RI220?0.2?136NNa?K?0.132(V?min/r)?e n1460N 2 6060K??0.132?K?1.26eTπ2π2K1.26T0.84(H)??L?af1.5I f电机转动惯量 222.5GD2 )??0.57(kg?mJ?9.814?4g 额定负载转矩③ 模块参数名参数
中南大学 《工程训练》 ——设计报告 设计题目：异步电机变频调速 指引教师：黎群辉 设计人：冯露 学号： 专业班级：自动化0906班 设计日期：9月
交流异步电动机变频调速系统设计 摘要 近年来,交流电机变频调速及其有关技术研究己成为当代电气传动领域一种重要课题,并且随着新电力电子器件和微解决器推出以及交流电机控制理论发展，交流变频调速技术还将会获得巨大进步。 本文对变频调速理论，逆变技术，SPWM产生原理进行了研究，在此基本上设计了一种新型数字化三相SPWM变频调速系统，以8051控制专用集成芯片 SA4828为控制核心，采用IGBT作为主功率器件，同步采用EXB840构成IGBT驱动电路，整流电路采用二极管，可使功率因数接近1，并且只用一级可控功率环节，电路构造比较简朴。 V控制，同步，软件程序使得参数输入和变频器运营方式变本文在控制上采用恒 f 化极为以便，新型集成元件采用也使得它开发周期短。 此外，本文对SA4828三相SPWM波发生器使用和编程进行了详细简介，完毕了整个系统控制某些软硬件设计。 V控制，SA4828波形发生器 核心字:变频调速，正弦脉宽调制， f
目录 摘要................................................ 错误!未定义书签。 1.1 研究目与意义 (1) 1.2本次设计方案简介 (2) 1.2.1 变频器主电路方案选定 (2) 1.2.2 系统原理框图及各某些简介 (3) 1.2.3 选用电动机原始参数 (4) 2交流异步电动机变频调速原理及办法 (5) 2.1 异步电机变频调速原理 (5) 2.2 变频调速控制方式及选定 (6) V比恒定控制 (6) 2.2.1 f 2.2.2 其他控制方式................................ 错误!未定义书签。3变频器主电路设计. (13) 3.1 主电路工作原理 (13) 3.2 主电路各某些设计 (13) 3.3. 采用EXB840IGBT驱动电路 (15) 4控制回路设计 (16) 4.1 驱动电路设计 (16) 4.2 保护电路......................................... 错误!未定义书签。 4.2.1 过、欠压保护电路设计........................ 错误!未定义书签。 4.2.2 过流保护设计................................ 错误!未定义书签。 4.3 控制系统实现 (19) 5变频器软件设计....................................... 错误!未定义书签。 5.1 流程图 (22)
机电传动与控制课程综合训练三 一、综合训练项目任务书 综合训练项目：交流电机变频调速系统 目的和要求：加强对交流变频调速系统及变频器的理解；应用交流变频调速系统及变频器解决交流电机变频调速问题。提高分析和解决实际工程问题的能力。促成“富于探索精神，具有较强的自学能力、开拓创新意识和敏锐的观察事物以及分析处理事物的能力”的目标实现。 成果形式：交流电机变频调速系统设计说明书。 相关参数：参看《机电传动控制》（第五版），冯清秀等编著，华中科技大学出版社，P291~316。 一、综合训练项目设计内容 1.变频调速系统 1.1 三相交流异步电动机的结构和工作原理 三相交流异步电动机是把电能转换成机械能的设备。一般电动机主要由两部分组成：固定部分称为定子，旋转部分称为转子。三相交流异步电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。当磁极沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。电动势的方向由右手定则来确定。因为运动是相对的，假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。该电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来。 1.2 变频调速原理 变频器可以分为四个部分，如图1.1所示。 通用变频器由主电路和控制回路组成。给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。主电路包括整流器、中间直流环节（又称平波回路）、逆变器。
图1.1 变频器简化结构图 ⑴整流器。它的作用是把工频电源变换成直流电源。 ⑵平波回路（中间直流环节）。由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动状态还是发电状态，起始功率因数总不会等于1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件—电容器或电感器来缓冲，所以中间直流环节实际上是中间储能环节。 ⑶逆变器。与整流器的作用相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率。逆变器的结构形式是利用6个半导体开关器件组成的三相桥式逆变器电路。通过有规律的控制逆变器中主开关的导通和断开，可以得到任意频率的三相交流输出波形。 ⑷控制回路。控制回路常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电路，驱动电路和制动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制，以及完成各种保护功能。控制方式有模拟控制或数字控制。 2.系统的控制模型 本系统的结构如图1.2所示。
1 绪论 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切割机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来直流调速系统发展很快，然而直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以首先应该很好的掌握直流系统。我们可以首先从单闭环转速负反馈直流调速系统来研究。由于系统需要观察较多的性能，计算参数较多，而MATLAB中的Simulink实用工具可直接构建其动态模型，省去大量的计算，通过修改动态模型可完善系统性能。 直流调速系统概述 从生产机械要求控制的物理量来看，电力传动自动控制系统有调速系统、位置伺服系统、张力控制系统等其他多种类型，各种系统往往是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的驱动控制系统。调速系统目前分为交流和直流调速控制系统，由于直流调速系统的调速范围广，静差率小、稳定性好并且具有良好的动态性能。因此在相当长的时期内，高性能的调速系统几乎都采用了直流调速系统。相比于交流调速系统，直流调速系统在理论上和实践上更加成熟。 直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的自动控制系统。在20世纪60年代发展起来的电力电子技术，使电能可以转换和控制，产生了现代各种高效、节能的新型电源和交直流调速装置，为工业生产，交通运输，建筑、办公、家庭自动化控制设备提供了现代化的高新技术，提高了生产效率和人们的生活质量，因此，人类社会的生产、生活发生了巨大变化。随着新型电力电子器件的研究和开发，先进控制技术的发展，电力电子和电力传动控制装置的性能也不断优化和提高，这一变化的影响将越来越大。 单闭环直流电机调速系统在现代日常生活中的应用越来越广泛，其良好的调速性能、低廉的价格越来越被大众接受。 单闭环直流调速系统由整流变压器、平波电抗器、晶闸管整流调速装置、电动机-发电机、闭环控制系统组成。我们可以通过调节晶闸管的控制角来调节转速，非常方便，高效。
%电机设计程序 clear all format short e m1=3;p=2;f=50 %1.额定功率 PN=*10^3 ; %2.额定电压（单位V，三角形接法） UN=380;UN0=380; %3.功电流(单位A) IKW=PN/(m1*UN0) %4.效率eta按照技术条件的规定eta= eta= ; %5.功率因数cos(phi) =,按照技术条件的规定cos(phi)= phi=acos; cos(phi); %6.极对数p=2 p=2; %7.定转子槽数：每极每相槽数取整数。参考类似规格电机取q1=3,则Z1=2m1pq1，再查表10-8选Z2=32，并采用转子斜槽。 q1=3; Z1=2*m1*p*q1 Z2=32 ; %8.定转子每极槽数 Zp1=Z1/(2*p) Zp2=Z2/(2*p) %9.确定电机的主要尺寸；一般可参考类似电机的主要尺寸来确定Di1和lef.现按10-2中的 KE1=*log(PN/1000)*p+ P1=KE1*PN/(eta*cos(phi)) alphap1=;KNm1=;Kdp1=;A1=25000; Bdelta1=;n1=1450; V=(alphap1*KNm1*Kdp1))*(1/(A1*Bdelta1 ))*(P1/n1) D1=; %铁心的有效长度 Di1=; lef =V/((Di1)^2) %气隙的确定 %参考类似产品或由经验公式（10-10a），得 lt=;
delta = lef=lt + 2*delta D2=Di1-2*delta %转子内径先按转轴直径决定（以后再校验转子轭部磁密） Di2= ; %11.极距 tau tau =pi*Di1/(2*p) %12.定子齿距t1 t1=(pi*Di1/Z1) %转子齿距t2 t2=(pi*D2/Z2) bsk=; %15.设计定子绕组 Nphi11=eta*cos(phi)*pi*Di1*A1/(m1*IKW) %取并联支路a1=1,由式（10-15），可得每槽导体数 a1=1; Ns1=47 %16.每相串联导体数Nphi1 Nphi1=Ns1*Z1/(m1*a1) %每相串联匝数N1 N1=Nphi1/2 %17.绕组线规设计 %初选定子电密J11=5.0A/mm^2,由式（10-16），计算导线并绕根数和每根导线面积的乘积。 J11=; %其中定子电流初步估计值 I11=IKW/(eta*cos(phi)) Nt1Ac11=I11/(a1*J11)
毕业论文声明 本人郑重声明： 1．此毕业论文是本人在指导教师指导下独立进行研究取得的成果。除了特别加以标注地方外，本文不包含他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。对本文研究做出重要贡献的个人与集体均已在文中作了明确标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 2．本人完全了解学校、学院有关保留、使用学位论文的规定，同意学校与学院保留并向国家有关部门或机构送交此论文的复印件和电子版，允许此文被查阅和借阅。本人授权大学学院可以将此文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本文。 3．若在大学学院毕业论文审查小组复审中，发现本文有抄袭，一切后果均由本人承担，与毕业论文指导老师无关。 4.本人所呈交的毕业论文，是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。论文中凡引用他人已经发布或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。论文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中已明确的方式标明。 学位论文作者（签名）： 年月
关于毕业论文使用授权的声明 本人在指导老师的指导下所完成的论文及相关的资料（包括图纸、实验记录、原始数据、实物照片、图片、录音带、设计手稿等），知识产权归属华北电力大学。本人完全了解大学有关保存，使用毕业论文的规定。同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版或电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权大学可以将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存或编汇本毕业论文。如果发表相关成果，一定征得指导教师同意，且第一署名单位为大学。本人毕业后使用毕业论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为大学。本人完全了解大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存或汇编本学位论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入学校有关数据库和收录到《中国学位论文全文数据库》进行信息服务。在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 论文作者签名：日期： 指导教师签名：日期：
异步电动机矢量控制系统仿真 1.异步电机矢量控制系统的原理及其仿真 1.1 异步电动机矢量控制原理 异步电机矢量变换控制系统和直接转矩控制系统都是目前已经获得应用的高性能异步电机调速系统，对比直接转矩控制系统，矢量变换系统有可以连续控制，调速范围宽的优点，因此矢量变换控制系统为现代交流调速的重要方向之一。 本文采用的是转子磁场间接定向电流控制型交流异步电机矢量控制系统[1]，如图1所示。 图1矢量变换控制系统仿真原理图 如果把转子磁链方向按空间旋转坐标系的M轴方向定向，则可得到按转子磁场方式定向下的三相鼠笼式异步电动机的矢量控制方程。 （1） （2） （3） （4）
（5） 上列各式中，是转子励磁电流参考值；是转差角频率给定值；是定子电流的励磁分量；是定子电流的转矩分量；是定子频率输入角频率； 是转子速度；是转子磁场定向角度；是转子时间常数；和分别是电机互感和转子自感。 图4所示控制系统中给定转速与实际电机转速相比较，误差信号送入转速调节器，经转速调节器作用产生给定转矩信号，电机的激磁电流给定信号根据电机实际转速由弱磁控制单元产生，再利用式（1）产生定子电流激磁分量给定信号，定子电流转矩分量给定信号则根据式（2）所示的电机电磁转矩表达式生成。、和转子时间常数Lr一起产生转差频率信号，与ωr相加生成转子磁场频率给定信号，对积分则得到转子磁场空间角度给定信号。和经坐标旋转和2/3相变换产生定子三相电流给定信号、和，与定子三相电流实测信号、和相比较，由滞环控制器产生逆变器所需的三相PWM信号。 1.2 异步电机转差型矢量控制系统建模 在MATLAB/SIMULINK环境下利用电气系统模块库中的元件搭建交流异步电机转差型矢量控制系统[2]，电流控制变频模型如图2所示。 图2 电流控制变频模型图 整个仿真图由电气系统模块库中的元件搭建组成，元件的直观连接与实际的主电路相像似，其中主要包括：速度给定环节，PI速度调节器、坐标变换模块、
unction [sys,x0,str,ts,simStateCompliance] = BLDC_S(t,x,u,flag) %-----------------------------------------------------------------------
% 状态变量：X(1)=ia;X(2)=ib;X(3)=ic;X(4)=SETA;X(5)=OMEGA; % 输入量：u(1)=Ud; u(2)=TL; % 输出量：n, Tem, ia, ib, ic; %------------------------------------------------------------------------ %-----------------电动机参数--------------------------------------------- R = 0.23;L = 0.00498; M = -0.00005478; J = 0.025; P0=2; % 极对数 RR = diag([R R R]); LL = diag([L-M,L-M,L-M]); S = [2,-1,-1; -1,2,-1; -1,-1,2]/3; %----------------------------------------------------------------------- %SFUNTMPL General M-file S-function template % With M-file S-functions, you can define you own ordinary differential % equations (ODEs), discrete system equations, and/or just about % any type of algorithm to be used within a Simulink block diagram. % % The general form of an M-File S-function syntax is: % [SYS,X0,STR,TS,SIMSTATECOMPLIANCE] = SFUNC(T,X,U,FLAG,P1,...,Pn) % % What is returned by SFUNC at a given point in time, T, depends on the % value of the FLAG, the current state vector, X, and the current % input vector, U. % % FLAG RESULT DESCRIPTION % ----- ------ -------------------------------------------- % 0 [SIZES,X0,STR,TS] Initialization, return system sizes in SYS, % initial state in X0, state ordering strings % in STR, and sample times in TS. % 1 DX Return continuous state derivatives in SYS. % 2 DS Update discrete states SYS = X(n+1) % 3 Y Return outputs in SYS. % 4 TNEXT Return next time hit for variable step sample % time in SYS. % 5 Reserved for future (root finding). % 9 [] Termination, perform any cleanup SYS=[]. % % The state vectors, X and X0 consists of continuous states followed % by discrete states. % % Optional parameters, P1,...,Pn can be provided to the S-function and % used during any FLAG operation. % % When SFUNC is called with FLAG = 0, the following information % should be returned: % % SYS(1) = Number of continuous states. % SYS(2) = Number of discrete states. % SYS(3) = Number of outputs. % SYS(4) = Number of inputs. % Any of the first four elements in SYS can be specified % as -1 indicating that they are dynamically sized. The % actual length for all other flags will be equal to the % length of the input, U. % SYS(5) = Reserved for root finding. Must be zero. % SYS(6) = Direct feedthrough flag (1=yes, 0=no). The s-function % has direct feedthrough if U is used during the FLAG=3 % call. Setting this to 0 is akin to making a promise that % U will not be used during FLAG=3. If you break the promise % then unpredictable results will occur. % SYS(7) = Number of sample times. This is the number of rows in TS. % % X0 = Initial state conditions or [] if no states. %