交直流调速系统设计及仿真

第1章绪论我们从电力拖动的发展过程中发现，交、直流两大调速系统一直并存于各个工业领域，虽然由于各个时期科学技术的发展使得它们所处的地位有所不同，但它们始终是随着工业技术的发展，特别是随着电力电子元器件的发展而在相互竞争。1.1直流调速系统发展现状在过去很长一段时期，由于直流电动机的优良调速性能，在可逆、可调速与高精度、宽调速范围的电力拖动技术领域中，几乎都是采用直流调速系统。然而由于直流电动机其有机械式换向器这一致命的弱点，致使直流电动机制造成本高、价格昂贵、维护麻烦、使用环境受到限制，其自身结构也约束了单台电机的转速，功率上限，从而给直流传动的应用带来了一系列的限制。1.2交流调速系统的发展趋势相对于直流电动机来说，交流电动机特别是鼠笼式异步电动机具有结构简单，制造成本低，坚固耐用，运行可靠，维护方便，惯性小，动态响应好，以及易于向高压、高速和大功率方向发展等优点。因此，近几十年以来，不少国家都在致力于交流调速系统的研究，用没有换向器的交流电动机实现调速来取代直流电动机，突破它的限制。随着电力电子器件，大规模集成电路和计算机控制技术的迅速发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，为交流调速系统的开发研究进一步创造了有利的条件。诸如交流电动机的串级调速、各种类型的变频调速，特别是矢量控制技术的应用，使得交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。现在从数百瓦的伺服系统到数百千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，已几乎都可采用交流调速传动。交流调速传动的客观发展趋势已表明，它完全可以和直流传动相媲美、相抗衡，并有取代的趋势。第2章MATLAB和Simulink的简介2.1对Matlab软件的了解MATLAB是矩阵实验室（Matrix

Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、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。

MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态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，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。2.2对Simulink的认识Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，

是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI)

，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。

构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。2.3软件的特点①丰富的可扩充的预定义模块库。②交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图。

③以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理。④通过Model

Explorer导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码。

⑤提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成。

⑥使用Embedded

MATLAB™模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法。

⑦使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型。

⑧图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为。⑨可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据。

⑩模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。第3章直流电动机调速系统实验3．1晶闸管直流调速参数测定实验晶闸管直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机—发电机住等组成。在本设计中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制电路可直接由给定电压作为触发器的移相控制电压，改变的大小即可改变控制角，从而获得可调的直流电压，以满足设计要求。设计系统的组成原理如图3-1所示。图3-1晶闸管直流调速系统原理图3.1.1实验仿真晶闸管直流调速系统的原理图如图3-1所示。该系统由给定信号、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。图3-2是采用面向电气原理图方法构成的晶闸管直流调速系统的仿真模型。下面介绍各部分建模与常数设置过程。图3-2晶闸管开环直流调速系统的仿真模型3.1.2系统的建模和模型参数设置系统的建模包括主电路的建模和控制电路的建模两部分。（1）主电路的建模和参数设置由图3-2可见，开环直流调速系统的主电路由三相对称交流电压源、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。由于同步脉冲触发器与晶闸管整流桥不可分割的两个环节，通常作为一个组合体来讨论，所以将触发器归到主电路进行建模。①三相对称交流电压源的建模和参数设置。首先从电源模块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，并用模块标题名称修改方法将模块标签分别改为“A相”、“B相”、“C相”，然后从连接器模块中选取“Ground”元件和“BusBar”元件，按图3-1主电路图进行连接。为了得到三相对称交流电压源，其参数设置方法及参数设置如下。双击A相交流电压源图标，打开电压源参数设置对话框如图3-3，在A相交流电压源参数设置中，幅值取220V，初相位设置成0°，频率为50Hz，其他为默认值，如图3所示。B、C相交流电源参数设置方法与A相位基本相同，除了将初相位设置成互差120°外，其他参数与A相相同。②晶闸管整流桥的建模和参数设置。首先从电力电子模块组中选取“UniversalBridge”模块，并将模块标签改为“晶闸管整流桥”，然后双击模块图标，打开SCR整流桥参数设置对话框，参数设置如图3-4所示。当采用三相整流桥时，桥臂数取3，A、B、C三相交流电源接到整流桥的输入端，电力电子元件选择晶闸管。参数设置的原则如下，如果是针对某个集体的变流装置进行设置，对话框中的、、、、应取该装置中晶闸管元件的实际值，如果是一般情况，不针对某个集体的变流装置，这些参数可先取默认值进行仿真。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他环节的参数设置也是适用的。图3-3A相电源参数设置图3-4SCR整流桥参数设置③平波电抗器的建模和参数设置。首先从模块中选取“SeriesRLCBranch”模块，并将标签改为“平波电抗器”，然后打开平波电抗器参数设置对话框，参数设置如图3-5所示，平波电抗器的电感值是通过仿真实验比较后得到的优化参数。图3-5平波电抗器参数设置④直流电动机的建模和参数设置。首先从电动机系统模块组中选取“DCMachine”模块，并将模块标签改为“直流电动机”。直流电动机的励磁绕组“F+-F-”接直流恒定励磁电源，励磁电源可从电源模块组中选取直流电压源模块，并将电压参数设置为220V，电枢绕组“A+-A-”经平波电抗器接晶闸管整流桥的输出，电动机经TL端口接恒转矩负载，直流电动机的输出参数有转速n、电枢电流、励磁电流、电磁转矩。通过“示波器”模块观察仿真输出图形。电动机的参数设计步骤如下，双击直流电动机图标，打开直流电动机的参数设置对话框，直流电动机的参数设置如图3-6所示。参数设置的原则与晶闸管整流桥相同。图3-6直流电动机参数设置⑤同步脉冲触发器的建模和参数设置。同步脉冲触发器包括同步电源和6脉冲触发器两部分。6脉冲触发器可从附加控制（ExtrasControlBlocks）子模块组获得。6脉冲触发器需要用三相线电压同步，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脉冲触发器及封装后的子系统符号如图3-7和图3-8所示。图3-7同步电源6脉冲触发器图3-8封装后的子系统符号至此，根据图3-1主电路的连接关系，可建立起主电路的仿真模型，如图3-2所示。图中触发器开关信号为“0”时，开放触发器，开关型号为“1”时，封锁触发器。（2）控制电路的建模和参数设置晶闸管直流调速系统的控制电路只有一个给定环节，它可以重输入源模块组子中选取“Constant”模块，并将模块标签改为“给定信号”，然后双击该模块图标，打开参数设置对话框，将参数设置为50rad/s。实际调速时，给定信号是在一定范围内变化的，可以通过仿真实践，确定给定信号允许的变化范围。将主电路和控制电路的仿真模型按照晶闸管直流调速系统电器原理图的连接关系进行模型连接，即可得到图3-2所示的晶闸管直流调速系统仿真模型。3.1.3系统的仿真参数设置在MATLAB的模型窗口中打开“Simulation”菜单，进行“SimulationParameters”设置。单击“SimulationParameters”菜单后，得到仿真参数设置对话框，参数设置如图3-9所示，仿真中所选择的算法为ode23s。由于实际系统的多样性，不同的系统需要采用不同的的仿真算法，到底采用哪一种算法，可通过仿真实践进行比较选择。仿真“Starttime”一般设为0，“Stoptime”根据实际需要而定，这里设为2.0。图3-9仿真参数设置对话框及参数设置3.1.4系统的仿真、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“Simulation”菜单，单击“Star”命令后，系统开始仿真，仿真结束后可输出仿真结果。单击“示波器”命令后，通过“示波器”模块进行观察仿真输出图形，如图3-10所示，其中图3-10（a）、（b）、（c）分别表示直流电动机电磁转矩角频率ω曲线，直流电动机电枢电流曲线，曲线和角频率与电枢电流的曲线。直流电动机角频率曲线(b)直流电动机电枢电流曲线(c)直流电动机电磁转矩曲线图3-10晶闸管直流调速系统的输出波形根据图3-2的仿真模型，得到晶闸管直流调速系统的电流曲线和转速曲线如图3-11所示。图3-11晶闸管直流调速系统的电流曲线和转速曲线仿真实践根据实际需要而定，以能够仿真出完整的波形为前提。由于实际系统的多样性，没有一种仿真算法是万能的。不同的系统需要采用不同的仿真算法，到底采用哪一种更好，这需要通过仿真实践，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。

3.2单闭环不可逆直流调速系统为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。3.2.1实验原理在本装置中，转速单闭环实验是将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经“转速变换”后接到“速度调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较经放大后，得到移相控制电压Uct，用作控制整流桥的“触发电路”，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间，以改变“三相全控整流”的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环系统。电机的转速随给定电压变化，电机最高转速由速度调节器的输出限幅所决定，速度调节器采用P（比例）调节对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则需将调节器换成PI(比例积分)调节。这时当“给定”恒定时，闭环系统对速度变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的转速能稳定在一定的范围内变化。在电流单闭环中，将反映电流变化的电流互感器输出电压信号作为反馈信号加到“电流调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较，经放大后，得到移相控制电压Uct，控制整流桥的“触发电路”，改变“三相全控整流”的电压输出，从而构成了电流负反馈闭环系统。电机的最高转速也由电流调节器的输出限幅所决定。同样，电流调节器若采用P（比例）调节，对阶跃输入有稳态误差，要消除该误差将调节器换成PI(比例积分)调节。当“给定”恒定时，闭环系统对电枢电流变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的电枢电流能稳定在一定的范围内变化。图3-12转速单闭环系统原理图3.2.2实验仿真转速负反馈单闭环系统的原理如图3-12所示。该系统由给定信号、调速调节器、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机、速度反馈等部分组成。图3-13所示是采用单向电器原理结构图方法构建的单闭环转速负反馈直流调速系统的仿真模型。图3-13无静差转速负反馈单闭环直流调速系统的仿真模型与图3-2所示的开环直流调速系统相比较，两者的主电路是基本相同的，系统的差别主要在控制电路上。为此，在后面介绍电路的建模与参数设置时，主要介绍其不同之处。3.2.3系统的建模和建模参数设置1）主电路的建模和参数设置由图3-13所示的仿真模型可知，主电路大部分与开环调速系统相同，为了避免重复，此处介绍不同部分的建模与参数设置。注意在图3-13所示仿真模型的整流桥后面并联了一个二极管桥，它的作用是加快电动机的减速工程，同事避免在整流桥输出端出现负电压使波形畸变。后面其他的单环系统也使用了这样的二极管，作用也是一样的，以后就不在赘述。（1）二极管桥模块与晶闸管整流桥模块的参数设置方法、参数设置原则都是一致的，只要将对话框中的“Numberofbridgearms”设为“1”，将“PowerElectricdevice”设置为“Diodes”即可。（2）平波电抗器的电感值设为H。2）控制电路的建模和参数设置转速负反馈单闭环直流调速系统的控制电路由给定信号、速度调节器、速度反馈等组成。仿真模型中根据需要，可另设限幅器、偏置、反相器等模块。（1）“给定信号“模块的建模和参数设置方法与开环调速系统相同，此处参数设置为100rad/s.无静差调速系统的速度调节器采用PI调节器，系数选择为Kp=10，Ki=100它通过仿真优化得到的。（2）通过参数变化范围住址试验的探索可知，当在在50°~180°范围内变化时，同步脉冲触发器能够正常工作；当为50°时，对应的整流桥输出电压最大，而180°对应的输出电压反而最小。他们是单调下降的函数关系。因此将限幅器的上、下幅值设置为[130,0],用加法器加上偏置“-180”后调整[-50，-180]，再经过反相器[50,180]。这样，在单闭环有静模块的应用，就可将速度调节器的输出限制在使同步脉冲触发器能够正常的工作范围内了。（3）速度调节器、限幅器、偏置、反相器等模块的建模和参数设置比较简单，只要分别在SIMULIMK的“Math”、“Nonlinear”、Sources,模块库中找到相应的模块，并按要求设置好参数即可。限幅器的参数设置见图3-14所示。将主电路和控制电路的仿真模型按照转述负反馈单闭环调速系统电气原理图的连接关系进行模型连接，即可得到图3-13所示的系统仿真图。图3-14限幅器参数设置3.2.4系统参数设置系统仿真参数设置方法与开环系统相同。仿真中所选择的算法为odc23s，仿真“Starttime”设为0；“Stoptime”设为1.9，其他与开环系统相同。3.2.5系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析单击工具栏“→”按钮或“Simulation”菜单下的“Start”命令进行仿真，可得如图3-15所示仿真结果。图3-15无静差转速负反馈单闭环直流调速系统的电流曲线和转速曲线可以看出，这个仿真结果的转速曲线比开环系统有了较明显的改善，其过渡过程时间大为减小。第4章交流电动机调速系统实验4.1双闭环三相异步电动机调压调速实验原理异步电动机采用调压调速时，由于同步转速不变和机械特性较硬，因此对普通异步电动机来说其调速范围很有限，无实用价值，而对力矩电动机或绕线式异步电动机在转子中串入适当电阻后使机械特性变软后，其调速范围有所扩大，单在负载或电网电压波动情况下，其转速波动严重，为此常采用双闭环调速系统。双闭环三相异步电动机调压调速系统的主电路由三相晶闸管交流调压器及三相绕线式异步电动机组成，控制部分由“电流调节器”、“触发电路”、“正桥功放”等组成，其系统原理框图如图4-1所示。图4-1双闭环三相异步电动机调压调速系统原理框图整个调速系统采用速度、电流两个反馈控制环节。这里的速度环节作用基本上与直流调速系统相同，而电流环节作用则不同。在稳定的运行情况下，电流环对电网扰动仍然有较大的抗饶作用，但在启动过程中电流环仅起到限制最大电流的作用，不会出现最佳启动的恒流特性，也不可能是恒转矩启动。异步电动机调压调速系统结构简单，采用双闭环系统时静差率较小，且比较容易实现正、反转及反转和能耗制动。但在恒转矩负载下不能长时间低速运行，因为低速运行时转差功率全部消耗在转子电阻中，会使转子过热。4.2实验仿真交流调压调速系统的电气原理如图4-1所示。交流调压调速系统的仿真模型如图4-2所示。图4-2交流调压调速系统仿真模型4.3系统的建模和模型参数设置（1）主电路的建模和参数设置由图4-2可见，主电路由三相对称交流电压源、晶闸管三相交流调压器、交流异步电动机、电动机信号分配器等部分组成。三相交流电源的建模和参数设置在前面各章节中已经复述多了，此处着重讨论晶闸管三相交流调压器、交流异步电动机、电动机测试信号分配器的建模和参数设置问题。1）晶闸管三相交流调压器的建模和参数设置。晶闸管三相交流调压器通常用用三个反并联晶闸管元件组成，单个晶闸管元件采用“相位控制”方式，利用电网自然换流，图4-3所示为晶闸管三相交流调压的仿真模型和模块符号图4-4所示。图4-5所示为三相交流调压器中晶闸管元件的参数设置情况。图4-3晶闸管三相交流调压的仿真模型图4-4模块符号图4-5三相交流调压器中晶闸管元件的参数设置在图4-3中，我们是用单个晶闸管元件按三相交流调压的接线要求建成仿真模型的，单个晶闸管元件的参数设置仍然遵循晶闸管整流桥的参数设置原则。2）交流异步电动机、电动机测试信号分配器的建模和参数设置，在“PowerSystem”工具中，具体参数设置如图4-6和图4-7所示。图4-6交流异步电动机参数设置图4-7电动机测试信号分配器参数设置（2）控制电路的建模和参数设置控制电路的参数设置如下：速度反馈系数设为-30/pi，速度调节器Xp=-30，Xi=1/150，Xd=0,限幅器幅值为[180,120]，其余为默认。4.4系统的仿真参数设置仿真所选择的算法为ode23tb；仿真“Starttime”设为0，“Stoptime”设为4.5,其他与前面系统相同。4.5系统的仿真、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。其仿真结果如图4-8所示。图4-8交流调速系统实际转速曲线从仿真结果可以看出，在稳态时，仿真系统的实际速度能实现对给定速度的良好跟踪；在过度过程时，仿真系统实际速度对阶跃给定信号的跟踪有一定的偏差，从图4-8中还可以看出，实际速度对斜坡给定信号的跟踪比较应该不错。总结本次课程设计确定了电流调节器和转速调节器的结构并按照设计参数要求对调节器的参数进行了计算和确定。并在确定所有参数的基础上对系统进行了Matlab仿真。异步电动机采用调压调速时，由于同步转速不变和机械特性较硬，因此对普通异步电动机来说其调速范围很有限，无实用价值，而对力矩电动机或绕线式异步电动机在转子中串入适当电阻后使机械特性变软后，其调速范围有所扩大，单在负载或电网电压波动情况下，其转速波动严重，为此采用双闭环调速系统。异步电动机调压调速系统结构简单，采用双闭环系统时静差率较小，且比较容易实现正，反