直流調速系統設計及仿真和交流調壓調速系建模與仿真2.doc

此文檔收集于網絡，如有侵權，請聯系網站刪除 電氣與電子信息工程學院 電氣傳動控制系統課程設計設計題目：直流調速系統設計及仿真和交流調壓調速系建模與仿真 專業(yè)班級： 電氣工程及其自動化2008（1）班 學號： 20 姓 名： 指導教師： 胡學芝 陳學珍 設計時間： 2011/11/142011/11/25 設計地點： K2電力電子實驗室、機房 電氣傳動控制系統 課程設計成績評定表姓 名學 號課程設計題目：直流調速系統設計及仿真和交流調壓調速系建模與仿真課程設計答辯或質疑記錄：1、 直流調速中為什么選用雙閉環(huán)？答：雙閉環(huán)調速系統的靜特性在負載電流小于時表現為轉速無靜差，這時，轉速負反饋起主調作用，系統表現為電流無靜差，得到過電流的自動保護。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統。在動態(tài)性能方面，雙閉環(huán)系統在起動和升速過程中表現出很快的動態(tài)跟隨性，在動態(tài)抗擾性能上，表現在具有較強的抗負載擾動，抗電網電壓擾動。2、變壓變頻調速的基本控制方式有哪些？答：在基頻以下，希望維持氣隙磁通不變，須按比例地同時控制電壓和頻率，低頻時還應適當抬高電壓以補償定子壓降。在基頻以上，由于電壓無法再升高，只好僅提高頻率而迫使磁通減弱。成績評定依據：課程設計考勤情況（20）：課程設計答辯情況（30）：完成設計任務及報告規(guī)范性（50）：最終評定成績（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評定） 指導教師簽字： 2011年 12 月 20 日課程設計任務書 20112012學年第一學期學生姓名： 專業(yè)班級：電氣工程及其自動化2008（1）班 指導教師：胡學芝、陳學珍 工作地點：電氣學院自動控制教研室一、課程設計題目：直流調速系統設計及仿真和交流調壓調速系統建模與仿真二、課程設計內容1設計目的及要求1、通過課程設計，使學生進一步鞏固、深化和擴充在交直流調速及相關課方面的基本知識、基本理論和基本技能，達到培養(yǎng)學生獨立思考、分析和解決問題的能力。2、通過課程設計，讓學生獨立完成一項直流或交流調速系統課題的基本設計工作，使學生熟悉設計過程，了解設計步驟，達到培養(yǎng)學生綜合應用所學知識能力、培養(yǎng)學生實際查閱相關設計資料能力的目的、培養(yǎng)學生工程繪畫和編寫設計說明書的能力。3、通過課程設計，提高學生理論聯系實際，綜合分析和解決實際工程問題的能力，并提高正確查閱和使用技術資料、標準手冊等工具書的能力，提高獨立分析問題、解決問題及獨立工作的能力。通過設計培養(yǎng)學生嚴肅認真、一絲不茍和實事求是的工作作風。2課程設計基本要求1.學生分組、布置題目。按學號分組，然下達課程設計任務書，原則上每小組一個題目。2.熟悉題目并選題，收集資料。設計開始，每個學生根據所選的題目，充分了解技術要求，明確設計任務，收集資料，包括參考書、手冊和圖表等，為設計做好準備。3.總體設計。正確選定系統方案，認真畫出系統總體結構框圖。4.主電路設計。按選定的方案，確定系統的主電路形式，畫出主電路及相關保護，操作電路原理草圖，完成主電路的元件計算和選擇任務。5.控制電路技術。按規(guī)定的技術要求，確定系統閉環(huán)結構和調節(jié)形式，畫出系統控制電路原理草圖，選定檢測元件和反饋系數，計算調節(jié)器參數并選定相關的元件。6.校核整個系統設計，編制元件明細表。7.繪制正規(guī)系統原理圖，整理編制課程設計任務書。3直流調速系統設計及仿真題目和設計要求： (1)電機數如下表：機架序號電動機型號Pn（KW）Un（V）In（A）nn（r/min）Ra（）GDa2（Nm2）極對數Z2-914823020914500.358.021(2)技術數據電樞回路總電阻取a；總飛輪力矩：。其他參數可參閱教材中“雙閉環(huán)調速系統調節(jié)器的工程設計舉例”的有關數據。要求：調速范圍10，靜差率：穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調量；啟動到額定轉速時的轉速退飽和超調量。要求系統具有過流、過壓、過載和缺相保護。要求觸發(fā)脈沖有故障封鎖能力。要求給拖動系統設置給定積分器。(3)設計的內容1.調速的方案選擇2.主電路的計算3.觸發(fā)電路的選擇與校驗4.控制電路設計計算5.雙閉環(huán)直流調速系統的動態(tài)設計6. 對系統進行仿真校驗并上交設設說明書。4交流調速系統建模及仿真：建立交流調壓調速系統的仿真模型，并進行參數設置。做出仿真結果，上交說明書。三、進度安排時間2011年11月14日2011年11月25日(共2周)星期一星期二星期三星期四星期五星期一星期二星期三星期四星期五上午12節(jié)下午上午下午上午下午上午下午上午下午上午下午上午下午上午下午上午下午上午下午安排查資料指導指導自行設計指導自行設計指導自行設計指導自行設計自行設計指導自行設計指導自行設計指導編寫報告編寫報告答辯答辯地點設計指導地點：K2一電力電子實驗室，機房（自備計算機地點）查閱資料、自行設計地點：K2一電力電子實驗室、圖書館、上網地點或其它答辯若在周五沒有全部完成資料整理，則答辯時間可另行安排。四、成績評定評定項目基本內涵分值設計過程考勤、自行設計、按進度完成任務等情況20分設計報告完成設計任務、報告規(guī)范性等情況50分答 辯回答問題情況30分90100分：優(yōu)；8089分：良；7079分：中；6069分，及格；60分以下：不及格指導教師：胡學芝 ，陳學珍2011年9月 教研室主任簽名：胡學芝2011年10月 10日目 錄一 直流調速系統的設計及仿真5引 言51 系統方案選擇51.1 電動機供電方案的選擇51.2調速系統方案的選擇62系統總體的設計與參數計算72.1 主電路的設計72.1.1 主電路的選擇72.1.2 電流調節(jié)器的設計72.1.3 轉速調節(jié)器的設計92.1.4 主電路的計算122.2 控制電路的設計142.2.1 觸發(fā)電路的設計142.2.2 過電壓保護152.2.3 過電流保護163系統MATLAB仿真173.1 系統的建模與參數設置173.2 系統仿真結果的輸出18二 交流調壓調速系統建模及仿真194交流調壓調速系統的原理及特性194.1 異步電動機改變電壓時的機械特性194.2 閉環(huán)控制的變壓調速系統及其靜特性214.3 閉環(huán)變壓調速系統的近似動態(tài)結構框圖225交流調壓調速系統的建模與仿真255.1 交流調壓調速系統的建模255.2交流調壓調速系統的仿真27結束語28參考資料28附錄29一 直流調速系統的設計及仿真引 言在現代工業(yè)中，為了實現各種生產工藝過程的要求，需要采用各種各樣的生產機械，這些生產機械大多采用電動機拖動。多數生產機械的任務是將電能轉換為機械能，以機械運動的形式來完成各種工藝要求。隨著工藝技術的不斷發(fā)展，各種生產機械根據其工藝特點，對生產機械和拖動的電動機也不斷提出各種不同的要求，有的要求電動機能迅速啟動、制動和反轉；有的要求多臺電動機之間的轉速按一定的比例協調動動；有的要求電動機達到極慢的穩(wěn)速運動；有的要求電動機啟、制動平穩(wěn)，并能準確地停止在給定的位置。這些不同的工藝要求，都是靠電動機及其控制系統和機機械傳動裝置實現的。可見各種拖動系統都是通過控制轉速來實現的，因此，調速控制技術是最基本的電力拖動控制技術。1 系統方案選擇本次設計選用的電動機型號Z2-91型，其具體參數如下表1-1所示表1-1 Z2-91型電動機具體參數電動機型號PN(KW)UN(V)IN(A)NN(r/min)Ra()GDa2（Nm2）P極對數Z2-914823020914500.358.0211.1 電動機供電方案的選擇 變壓器調速是直流調速系統用的主要方法，調節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有3種：旋轉電流機組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調制變換器。旋轉變流機組簡稱G-M系統，適用于調速要求不高，要求可逆運行的系統，但其設備多、體積大、費用高、效率低、維護不便。靜止可控整流器又稱V-M系統，通過調節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變，從而實現平滑調速，且控制作用快速性能好，提高系統動態(tài)性能。直流斬波器和脈寬調制交換器采用PWM受器件各量限制，適用于中、小功率的系統。根據本次設計的技術要求和特點選V-M系統。 在V-M系統中，調節(jié)器給定電壓，即可移動觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，從而方便的改變整流器的輸出，瞬時電壓。由于要求直流電壓脈動較小，故采用三相整流電路。考慮使電路簡單、經濟且滿足性能要求，選擇晶閘管三相全控橋交流器供電方案。因三相橋式全控整流電壓的脈動頻率比三相半波高，因而所需的平波電抗器的電感量可相應減少約一半，這是三相橋式整流電路的一大優(yōu)點。并且晶閘管可控整流裝置無噪聲、無磨損、響應快、體積小、重量輕、投資省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同時，由于電機的容量較大，又要求電流的脈動小。綜上選晶閘管三相全控橋整流電路供電方案。1.2調速系統方案的選擇 計算電動機電動勢系數：由 v min/r,當電流連續(xù)時， 系統額定速降為: r/min, .開環(huán)系統機械特性連續(xù)段在額定轉速時的靜差率:，大大超過了S5%.若D=10，S5%.，則，可知開環(huán)調速系統的額定速降是1090.4，而工藝要求的是7.6，故開環(huán)調速系統無能為力，需采用反饋控制的閉環(huán)調速系統。因調速要求較高，故選用轉速負反饋調速系統，采用電流截止負反饋進行限流保護，出現故障電流時由過流繼電器切斷主電路電源。為使線路簡單，工作可靠，裝載體積小，宜用KJ004組成的六脈沖集成觸發(fā)器。該系統采用減壓調速方案，故勵磁應保持恒定。采用三相全控橋式整流電路供電。綜上，直流調速系統的框圖如圖1-1所示： 圖1-1 直流雙閉環(huán)調速系統結構圖2系統總體的設計與參數計算2.1 主電路的設計2.1.1 主電路的選擇 采用雙閉環(huán)調速系統，可以近似在電機最大電流（轉矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，使電力拖動系統盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，又可以讓電流迅速降低下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行，此時起動電流近似呈方形波，而轉速近似是線性增長的，這是在最大電流（轉矩）受到限制的條件下調速系統所能得到的最快的起動過程。采用轉速電流雙閉環(huán)調速系統，在系統中設置了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級聯接，這樣就可以實現在起動過程中只有電流負反饋，而它和轉速負反饋不同時加到一個調節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，只靠轉速負反饋，不靠電流負反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動態(tài)性能。雙閉環(huán)調速系統的靜特性在負載電流小于時表現為轉速無靜差，這時，轉速負反饋起主調作用，系統表現為電流無靜差，得到過電流的自動保護。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統。在動態(tài)性能方面，雙閉環(huán)系統在起動和升速過程中表現出很快的動態(tài)跟隨性，在動態(tài)抗擾性能上，表現在具有較強的抗負載擾動，抗電網電壓擾動。主電路采用轉速、電流雙閉環(huán)調速系統，使電流環(huán)(ACR)作為控制系統的內環(huán)，轉速環(huán)(ASR)作為控制系統的外環(huán)，以此來提高系統的動態(tài)和靜態(tài)性能。二者串級連接，即把電流調節(jié)器的輸出作為轉速調節(jié)器的輸入，再用轉速調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從而改變電機的轉速。通過電流和轉速反饋電路來實現電動機無靜差的運行。2.1.2 電流調節(jié)器的設計（1）確定時間常數 整流裝置滯后時間常數 電流濾波時間常數Toi取0.002S 則電流環(huán)小時間常數之和 =0.0017+0.002=0.0037S。（2）選擇電流調節(jié)器的結構根據設計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型型系統設計電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調節(jié)器。其傳遞函數如下： 。 式中電流調機器的比例系數； 電流調節(jié)器的超前時間系數。 （3）計算電流調節(jié)器參數電流調節(jié)器超前時間常數：=0.03s。電流環(huán)開環(huán)增益：要求電流超調量，查得有=0.5，所以 =所以ACR的比例系數 =（4）校驗近似條件 電流環(huán)截止頻率=135.1。晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件： ，滿足條件。忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響條件： ，滿足條件。電流環(huán)小時間常數近似處理條件：，滿足條件。（5） 計算調節(jié)器的電阻和電容取運算放大器的=40，各電阻和電容值為：=5.40440=216.16，取220， ，取0.1， ，取0.2。故=。2.1.3 轉速調節(jié)器的設計（1） 確定時間常數：電流環(huán)等效時間常數1/KI：取則 轉速環(huán)濾波時間常數Ton:根據所用測速發(fā)電機紋波情況，取Ton=0.01s。轉速環(huán)小時間常數：取 。（2）選擇轉速調節(jié)器結構：按設計要求，選用PI調節(jié)器 轉速調節(jié)器的比例系數 轉速調節(jié)器的超前時間常數（3）計算轉速調節(jié)器參數：按跟隨和抗干擾性能都較好原則，取h=4,則ASR的超前時間常數為：，轉速環(huán)開環(huán)增益 。 ASR的比例系數為：。（4）檢驗近似條件轉速環(huán)截止頻率為。電流環(huán)傳遞函數簡化條件為，滿足條件。轉速環(huán)小時間常數近似處理條件為：，滿足近似條件。（5）計算調節(jié)器電阻和電容： 取=40，則，取1000。 ，取0.1； ，取1。故。校核轉速超調量：由h=4，查得，不滿足設計要求，應使ASR 退飽和，則按ASR退飽和的情況重新計算。設理想空載z=0，h=4時，查得=77.5%，所以 =0.00792 =0.79% 或 =K 考慮（1.52）倍的裕量 =（1.52）K 式中K=/（1.57）-電流計算系數。此外，還需注意以下幾點：當周圍環(huán)境溫度超過+40時，應降低元件的額定電流值。當元件的冷卻條件低于標準要求時，也應降低元件的額定電流值。關鍵、重大設備，電流裕量可適當選大些。由表查得 K=0.367，考慮(1.52)倍的裕量 取。故選晶閘管的型號為KP20-7。2、晶閘管的額定電壓晶閘管實際承受的最大峰值電壓，乘以（23）倍的安全裕量，參照標準電壓等級，即可確定晶閘管的額定電壓，即=（23）整流電路形式為三相全控橋，查表得，則 取V.3、整流變壓器的設計（1）變壓器二次側電壓U2的計算U2是一個重要的參數，選擇過低就會無法保證輸出額定電壓。選擇過大又會造成延遲角加大，功率因數變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。一般可按下式計算，即： 式中 -整流電路輸出電壓最大值；nUT -主電路電流回路n個晶閘管正向壓降；C - 線路接線方式系數；Ush -變壓器的短路比，對10100KVA，Ush =0.050.1；I2/I2N-變壓器二次實際工作電流與額定之比，應取最大值。在要求不高場合或近似估算時，可用下式計算，即： 式中A-理想情況下，=0時整流電壓與二次電壓之比, 即A=/；B-延遲角為時輸出電壓與之比，即B= /；電網波動系數；(11.2)考慮各種因數的安全系數；根據設計要求，采用公式： 由表查得 A=2.34；取=0.9；角考慮10裕量，則 B=cos=0.985取U2=130V。電壓比K=U1/U2=380/130=2.92。（2） 一次、二次相電流I1、I2的計算由表查得 =0.816, =0.816考慮變壓器勵磁電流得： （3）變壓器容量的計算 ； ； 式中-一次側與二次側繞組的相數；由表查得=338061.33=69.916KVA=3130170.54=66.511KVA =1/2（69.916+55.511）=62.713KVA取S=62.7KVA2.2 控制電路的設計2.2.1 觸發(fā)電路的設計從產品目錄中查得晶閘管KP20-7的觸發(fā)電流為(5100)mA觸發(fā)電壓3.5V。由已知條件可以計算出 觸發(fā)器選用15V電源，則：Ks=。因為，3.5V，所以觸發(fā)變壓器的匝數比為取14:1。設觸發(fā)電路的觸發(fā)電流為100mA，則脈沖變壓器的一次側電流只需大于100/14=7.14mA即可。這里選用3DG12BNPN管作為脈沖功率放大管，其極限參數.觸發(fā)電路需要三個互差120，且與主電路三個電壓U、V、W同相的同步電壓，故要設計一個三相同步變壓器。這里用三個單相變壓器接成三相變壓器組來代替，并聯成DY型。同步電壓二次側取30V，一次側直接與電網連接，電壓為380V,變壓比為380/30=12.7。觸發(fā)器的電路圖如下圖所示：圖2-2觸發(fā)電路2.2.2 過電壓保護 以過電壓保護的部位來分，有交流側過壓保護、直流側過電壓保護和器件兩端的過電壓保護三種。（1）交流側過電壓保護阻容保護 即在變壓器二次側并聯電阻R和電容C進行保護。本系統采用D-Y連接。S=14.64kvA, U2=122VIem取值：當 S10KVA時，取Iem=4。=F=23.61F耐壓1.5Um =1.5122=258.8V選取30F,耐壓258.8V的CZDJ-2型金屬化紙介電容器。取=5V，=2.6，3 =1.15A =W=W選取3、14W的金屬膜電阻。壓敏電阻的計算 =V=224.29V流通量取5KA。選MY31-240/5型壓敏電阻。允許偏差+10（264V）。（2）直流側過電壓保護直流側保護可采用與交流側保護相同保護相同的方法，可采用阻容保護和壓敏電阻保護。但采用阻容保護易影響系統的快速性，并且會造成加大。因此，一般不采用阻容保護，而只用壓敏電阻作過電壓保護。 =(1.82.2) 230V=414460V 選MY31-440/5型壓敏電阻。允許偏差+10（484V）。（3）閘管及整流二極管兩端的過電壓保護 查下表：表2-1 阻容保護的數值一般根據經驗選定晶閘管額定電流/A1020501002005001000電容/F0.10.150.20.250.512電阻/1008040201052抑制晶閘管關斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯阻容保護電路方法。電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值的1.11.15倍。由上表得C=0.5F，R=10，電容耐壓1.5=1.5122=448.26V選C為0.2F的CZJD-2型金屬化紙介質電容器, 耐壓為450V。=W=0.45W 選R為40普通金屬膜電阻器，RJ-0.5。2.2.3 過電流保護本系統采用電流截止反饋環(huán)節(jié)作限流保護外，還沒有與元件串聯的快速熔斷器作過載與短路保護，用過電流繼電器切斷故障電流。（1）快速熔斷器的選擇 接有電抗器的三相全控橋電路，通過晶閘管電流有效值IT=Id/1.732=47.8A/1.732=27.6A,故選用RLS-50的熔斷器，熔體電流為50A。（2）過電流繼電器的選擇 根據負載電流為47.8A，可選用吸引線圈電流為100A的JL14-11ZS型手動復位直流過電流繼電器，整流電流可取1.2547.8A60A。3系統MATLAB仿真本次系統仿真采用目前比較流行的控制系統仿真軟件MATLAB，使用MATLAB的Simulink工具箱對其進行計算機仿真研究。3.1 系統的建模與參數設置（1）電流環(huán)部分：參數設定：Toi=0.002s、KS=40、R=0.4、TOn=0.01、TL=0.03、=0.0017、TM=1.33圖3-1 電流環(huán)的仿真波形（2）轉速環(huán)部分： 參數設定：TOn=0.01 Kn=47.1圖3-2 轉速環(huán)的仿真波形3.2 系統仿真結果的輸出圖3-3 電流環(huán)的仿真波形圖圖3-4 轉速環(huán)空載高速起動仿真波形圖圖3-5 轉速環(huán)滿載高速起動仿真波形圖電流環(huán)仿真波形、轉速環(huán)（空載、滿載）仿真波形中，過載電流=1.5圖3-4、3-5上部為電機轉速曲線，下部為電機電流曲線。加電流啟動時電流環(huán)將電機速度提高，并且保持為最大電流，而此時速度環(huán)則不起作用，使轉速隨時間線性變化，上升到飽和狀態(tài)。進入穩(wěn)態(tài)運行后，轉速換起主要作用，保持轉速的穩(wěn)定。1.電機轉速曲線在電流上升階段，由于電動機機械慣性較大，不能立即啟動。此時轉速調節(jié)器ASR飽和，電流調節(jié)器ACR起主要作用。轉速一直上升。當到達恒流升速階段時，ASR一直處于飽和狀態(tài)，轉速負反饋不起調節(jié)作用，轉速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統為恒值電流調節(jié)系統，因此，系統的加速度為恒值，電動機轉速呈線性增長直至給定轉速。使系統在最短時間內完成啟動。當轉速上升到額定轉速時，ASR的輸入偏差為0，但其輸出由于積分作用仍然保持限幅值，這時電流也保持為最大值，導致轉速繼續(xù)上升，出現轉速超調。轉速超調后， 極性發(fā)生了變化，則ASR推出飽和。其輸出電壓立即從限幅值下降，主電流也隨之下降。此后，電動機在負載的阻力作用下減速，轉速在出現一些小的振蕩后很快趨于穩(wěn)定。當突加給定負載時，由于負載加大，因此轉速有所下降，此時經過ASR和ACR的調節(jié)作用后，轉速又恢復為先前的給定值，反映了系統的抗負載能力很強。2.電機電流曲線直流電機剛啟動時，由于電動機機械慣性較大，不能立即啟動。此時轉速調節(jié)器ASR飽和，達到限幅值，迫使電流急速上升。當電流值達到限幅電流時，由于電流調節(jié)器ACR的作用使電流不再增加。當負載突然增大時，由于轉速下降，此時轉速調節(jié)器ASR起主要的調節(jié)作用，因此，電流調節(jié)器ACR電流有所下降，同啟動時一樣，當轉速調節(jié)器ASR飽和，達到限幅值，使電流急速上升。但是由于電流值達到限幅電流時，電流調節(jié)器ACR的作用使電流不再增加。當擾動取電以后，電流調節(jié)器ACR電流又有所增加，此后，電動機在負載的阻力作用下減速，電流也在出現一些小的振蕩后很快趨于穩(wěn)定。二 交流調壓調速系統建模及仿真4交流調壓調速系統的原理及特性4.1 異步電動機改變電壓時的機械特性圖4-1 異步電動機的穩(wěn)態(tài)等效電路根據電機學原理，在下述三個假定條件下：忽略空間和時間諧波；忽略磁飽和；忽略鐵損，異步電動機的穩(wěn)態(tài)等效電路如圖4-1所示。由圖可以導出 （4-1）其中，在一般器情況下， 則，這相當于將上述假定條件的第條改為“忽略鐵損和勵磁電流”。這樣，電流公式可簡化成 （4-2）令電磁功率，同步機械角轉速，為極對數，則異步電動機電磁轉矩為 （4-3）式（4-3）就是異步電動機的機械特征方程式。它表明，當轉速或轉差率一定時，電磁轉矩與定子電壓的平方成正比。這樣，不同電壓下的機械特性便如圖6-2。表示額定定子電壓。將式4-3對s求導，并令，可求出最大轉矩及其對應的轉差率圖4-2 異步電動機在不同電壓下的機械特性圖4-3 高轉子電阻電機在不同電壓下的機械特性風機類負載特性 （4-4） （4-5）由圖4-2可見，帶恒轉矩負載工作時，普通籠式異步電動機變電壓時的穩(wěn)定工作點為A、B、C、轉差率s的變化范圍為0sm，調速范圍有限。如果帶風機類負載運行，則工作點為D、E、F、調速范圍可以大一些。為了能在恒轉矩負載下擴大調速范圍，并使電動機在較低的轉速下運行而不致過熱，就要求電動機轉子有較高的電阻值，這樣的電動機在變電壓時的機械特性如圖4-3所示。顯然，帶恒轉矩負載時的變壓調速范圍增大了，即使堵轉工作也不致燒壞電動機，這樣電動機又稱作交流力矩電動機。4.2 閉環(huán)控制的變壓調速系統及其靜特性采用普通異步電動機實行變電壓調速時，調速范圍很窄，采用高轉子電阻的力矩電動機可以增大調速范圍，但機械特性又變軟，因此當負載變化時靜差率很大，開環(huán)控制很難解決這個矛盾。為此，對于恒轉矩性質的負載，要求調速范圍大于2時，往往采用帶轉速反饋的閉環(huán)控制系統，如圖4-4a所示。 a) b)圖4-4 帶轉速負反饋閉環(huán)控制的交流變壓調速系統a）原理圖 b）靜特性圖圖4-4b所示的是閉環(huán)控制變壓調速系統的靜特性。當系統帶負載在A點運行時，如果負載增大引起轉速下降，反饋控制作用能提高定子電壓，從而在右邊一條機械特性上找到新的工作點。同理，當負載降低時，會在左邊一條特性上得到定子電壓低一些的工作點。按照反饋控制規(guī)律，將、A 、 、連接起來便是閉環(huán)系統的靜特性。盡管異步電動機的開環(huán)機械特性和直流電動機的開環(huán)特性差別很大，但是在不同電壓的開環(huán)機械特性上各取一個相應的工作點，連接起來便得到閉環(huán)系統靜特性，這樣分析方法對兩種電動機的閉環(huán)系統靜特性卻可以很硬。如果采用PI調節(jié)器，照樣可以做到無靜差。改變給定信號，則靜特性平行的上下移動，達到調速目的。異步電動機閉環(huán)變壓調速系統不同于直流電動機閉環(huán)變壓調速系統的地方是：靜特性左右兩邊都有極限，不能無限延長，它們是額定電壓下的機械特性和最小輸出電壓 下的機械特性。當負載變化時，如果電壓調節(jié)到極限值，閉環(huán)系統便失去控制能力，系統的工作點只能沿著極限開環(huán)特性變化。根據4-4a可以畫出靜態(tài)結構框圖，如圖4-5所示。圖中，為晶閘管交流調壓器和觸發(fā)裝置的放大系數：，為轉速反饋系數；ASR采用PI調節(jié)器；是式4-3所表達的異步電動機機械特性方程式，它是一個非線性函數。ASR圖4-5 異步電動機閉環(huán)變壓調速系統的靜態(tài)結構框圖穩(wěn)態(tài)時，,根據負載需要的n和可由式4-3計算出所需的 以及相應的。4.3 閉環(huán)變壓調速系統的近似動態(tài)結構框圖對系統進行動態(tài)分析和設計時，須先繪出結構框圖。由圖4-5可以直接畫出如圖4-6所示的動態(tài)結構框圖。其中多數環(huán)節(jié)的傳遞甘薯可以很容易地寫出來，只有異步電動機傳遞函數的推導須費一番周折。圖4-6 異步電動機閉環(huán)變壓調速系統的動態(tài)結構框圖MA異步電動機 F|BS測速反饋環(huán)節(jié)轉速調節(jié)器ASR常用PI調節(jié)器，用以消除靜差并改善動態(tài)特性，其傳遞函數為晶閘管交流調壓器和觸發(fā)裝置的輸入-輸出關系原則上是非線性的，在一定范圍內可假定為線性函數，在動態(tài)中可以近似成一階慣性環(huán)節(jié)，正如直流調速系統中的晶閘管觸發(fā)和整流裝置那樣，傳遞函數可寫成其近似條件是：，對于三相全波Y聯結調壓電路，可取=3.3ms，對其他形式的調壓電路則須另行考慮。考慮到反饋濾波作用，測速反饋環(huán)節(jié)FBS的傳遞函數可寫成異步電動機的動態(tài)過程是由一組非線性微分方程描述的，要用一個傳遞函數來準確地表示它的輸入-輸出關系是不可能的。在這里，可以先在一定的假定條件下，用穩(wěn)態(tài)工作點附近的微偏線性化方法求出一個近似的傳遞函數。由式已知電磁轉矩為當s很小時，可以認為 且后者相當于忽略異步電動機的漏感電磁慣性。在此條件下 （4-6）這就是在前述條件下異步電動機近似的線性機械特性。 設A為近似線性機械特性上的一個穩(wěn)態(tài)工作點，則在A點上 （4-7）在A點附近有微小偏差時，代入式6-6得 將上式展開，并忽略兩個和兩個以上微偏量的乘積，則 （4-8）從式7-8中減去式8-7，得 （4-9）已知轉差率，其中是同步角轉速，w是轉子角轉速，則 （4-10）將式4-10代入4-9，得 （4-11）式4-11就是在穩(wěn)態(tài)工作點附近微偏量間的關系。 電力拖動系統的運動方程式為按上面相同的方法處理，可得到穩(wěn)態(tài)工作點A附近的微偏量運動方程式為圖4-7 忽略電磁慣性時異步電動機微偏線性化的近似動態(tài)結構框圖將式4-11和式4-12的微偏量關系畫在一起，即得異步電動機在忽略電磁慣性時的微偏性化動態(tài)結構框圖，如圖4-7所示。 如果只考慮到之間的傳遞函數，可先取，圖4-7中小閉環(huán)傳遞函數可變換成 于是，異步電動機的近似線性化傳遞函數為式中 -異步電動機的傳遞函數系數，-異步電動機拖動系統的機電時間常數，由于忽略了電磁慣性，只剩下同軸旋轉體的機電慣性，異步電動機便近似成一個線性的一階慣性環(huán)節(jié)。 最后，應該強調下，具體適用圖4-6所示的動態(tài)結構框圖時要注意下述兩點：由于它是微偏線性化模型，只能用于機械特性線性段上工作點附近的穩(wěn)定性判別和動態(tài)校正，不適用于起制動時轉速大范圍變化的動態(tài)響應。由于它完全忽略了電磁慣性，分析和計算有很大的近似性。5交流調壓調速系統的建模與仿真5.1 交流調壓調速系統的建模 （1）三相電源的建模圖5-1三相交流電源的模型三相電源要可以由三個獨的單相交流電壓源組成，如圖5-1所示，一個單相交流電壓源主要有三個參數，1、峰值電壓Peak amplitude；2、相位Phase；3、頻率Frequency。在此需要的是線電壓380V，50Hz的交流電，順因而每個交流電壓源的幅應設為311V，頻率設為50Hz，Va、Vb、Vc的相位分別設為0、-120和12（2）晶閘管三相交流調壓器的建模晶閘管三相交流調壓器通常是采用三對反并聯的晶閘管元件組成，單個晶閘管元件采用“相位控制”方式，利用電網自然換流。每對反并聯晶閘管的仿真模型如圖5-2所示。a）一對反并聯晶閘管的仿真模型 b）一對反并聯晶閘管的仿真模型符號圖5-2 一對反并聯晶閘管的仿真模型及其模塊符號（3）移相觸發(fā)器的建模 交流調壓晶閘管控制角的移相范圍是180，=0的位置定在電源電壓過零的時刻。在阻感負載時按控制角與負載阻抗角的關系，電路有兩種工作狀態(tài)。1、時調壓器輸出電壓和電流的正負半周是不連續(xù)的，在這范圍內調節(jié)控制角，負載的電壓和電流將隨之變化。2、時調壓器輸出處于失控狀態(tài)，即雖然控制角變化，但負載電壓不變，且是與電源電壓相同的完整正弦波。這是因為阻感負載電流滯后于電壓，因此如果控制角較小，在一個晶閘管電流尚未下降到零前，另一個晶閘管可能已經觸發(fā)（但不能導通），一旦電流下降到零，如果另一個晶閘管的觸發(fā)脈沖還存在，則該晶閘管立即導通，使負上電壓成為連續(xù)的正弦波，出現失控現象。正因為如此，交流調壓器的晶閘管必須采用后沿固定在180的寬脈沖觸發(fā)方式，以保證晶閘管能正常觸發(fā)。根據以上要求設計的交流調壓器觸發(fā)電路如圖5-3所示。其中In1為同步電壓輸入端，In2為移相控制電壓輸入端，Out2和Out3為兩個差180的觸發(fā)脈沖輸出端。圖5-3 交流調壓器觸發(fā)模型及其符號（4）轉速調節(jié)器（PI）的建模轉速調節(jié)器采用PI調節(jié)器，其傳函為：式中，為比例系數；為積分系數；。由上述PI調節(jié)器的傳遞函數可以直接調用SIMULINK中的傳遞函數或零極點模塊。而考慮飽和輸出限幅的PI調節(jié)器模型如圖5-4所