交直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真

1、第1章緒論我們從電力拖動(dòng)的發(fā)展過程中發(fā)現(xiàn)，交、直流兩大調(diào)速系統(tǒng)一直并存于各個(gè)工業(yè)領(lǐng) 域，雖然由于各個(gè)時(shí)期科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得它們所處的地位有所不同，但它們始終是隨 著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著電力電子元器件的發(fā)展而在相互競(jìng)爭(zhēng)。1.1直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀在過去很長(zhǎng)一段時(shí)期，由于直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)良調(diào)速性能，在可逆、可調(diào)速與高精度、 寬調(diào)速范圍的電力拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，幾乎都是采用直流調(diào)速系統(tǒng)。然而由于直流電動(dòng)機(jī) 其有機(jī)械式換向器這一致命的弱點(diǎn)，致使直流電動(dòng)機(jī)制造成本高、價(jià)格昂貴、維護(hù)麻煩、 使用環(huán)境受到限制，其自身結(jié)構(gòu)也約束了單臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，功率上限，從而給直流傳動(dòng) 的應(yīng)用帶來了一系列的限制。1.2交流調(diào)

2、速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)相對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)來說，交流電動(dòng)機(jī)特別是鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造 成本低，堅(jiān)固耐用，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，慣性小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，以及易于向高壓、高 速和大功率方向發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)。因此，近幾十年以來，不少國(guó)家都在致力于交流調(diào)速系統(tǒng) 的研究，用沒有換向器的交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速來取代直流電動(dòng)機(jī)，突破它的限制。隨 著電力電子器件，大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論向 交流電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的滲透，為交流調(diào)速系統(tǒng)的開發(fā)研究進(jìn)一步創(chuàng)造了有利的條件。諸如 交流電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速、各種類型的變頻調(diào)速，特別是矢量控制技術(shù)的應(yīng)用，使得交流 調(diào)速系統(tǒng)逐步具備了寬的調(diào)速范圍、較高的穩(wěn)速精

3、度、快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及在四象限作 可逆運(yùn)行等良好的技術(shù)性能?，F(xiàn)在從數(shù)百瓦的伺服系統(tǒng)到數(shù)百千瓦的特大功率高速傳動(dòng) 系統(tǒng)，從一般要求的小范圍調(diào)速傳動(dòng)到高精度、快響應(yīng)、大范圍的調(diào)速傳動(dòng)，從單機(jī)傳 動(dòng)到多機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，已幾乎都可采用交流調(diào)速傳動(dòng)。交流調(diào)速傳動(dòng)的客觀發(fā)展趨勢(shì)已表 明，它完全可以和直流傳動(dòng)相媲美、相抗衡，并有取代的趨勢(shì)。第2章MATLAB和Simulink的簡(jiǎn)介2.1對(duì)Mat lab軟件的了解MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)MathWorks公司出品 的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算 語言和交互式環(huán)境，主

4、要包括MATLAB和Simulink兩大部分。 MATLAB是由美國(guó) mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán) 境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸 多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有 效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非 交互式程序設(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的 先進(jìn)水平。2.2對(duì)Simulink的認(rèn)識(shí)Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分

5、析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作， 就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近 實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù) 字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用 于 Simulink。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán) 境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性 系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離 散

6、采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不 同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型 方塊圖的圖形用戶接口（GUI），這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提 供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。對(duì) 各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提 供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了 Simul

7、ink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè) 計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問 MATLAB大量的工具來進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán) 境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。2.3軟件的特點(diǎn)豐富的可擴(kuò)充的預(yù)定義模塊庫。交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖。以設(shè)計(jì)功能的層次性來分割模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)的管理。通過Model Explorer導(dǎo)航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號(hào)、參數(shù)、屬性， 生成模型代碼。提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成。使用Embedded MATLAB模塊在Simulink和

8、嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用MATLAB算 法。使用定步長(zhǎng)或變步長(zhǎng)運(yùn)行仿真，根據(jù)仿真模式來決定以解釋性的方式運(yùn)行或以 編譯C代碼的形式來運(yùn)行模型。圖形化的調(diào)試器和剖析器來檢查仿真結(jié)果，診斷設(shè)計(jì)的性能和異常行為?？稍L問MATLAB從而對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析與可視化，定制建模環(huán)境，定義信號(hào)參數(shù)和 測(cè)試數(shù)據(jù)。模型分析和診斷工具來保證模型的一致性，確定模型中的錯(cuò)誤。第3章直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)3. 1晶閘管直流調(diào)速參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)品閘管直流調(diào)速系統(tǒng)由整流變壓器、品閘管整流調(diào)速裝置、平波電抗器、電動(dòng)機(jī)一 發(fā)電機(jī)住等組成。在本設(shè)計(jì)中，整流裝置的主電路為三相橋式電路，控制電路可直接由給定電壓作為 觸發(fā)器的移相控制電壓，改變的大

9、小即可改變控制角，從而獲得可調(diào)的直流電壓，以滿 足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)系統(tǒng)的組成原理如圖3-1所示。Ld三相電源輸出Juif圖3-1晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖實(shí)驗(yàn)仿真品閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖如圖3-1所示。該系統(tǒng)由給定信號(hào)、同步脈沖觸發(fā)器、 品閘管整流橋、平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)等部分組成。圖3-2是采用面向電氣原理圖方 法構(gòu)成的品閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。下面介紹各部分建模與常數(shù)設(shè)置過程。圖3-2晶閘管開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型系統(tǒng)的建模和模型參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)的建模包括主電路的建模和控制電路的建模兩部分。(1)主電路的建模和參數(shù)設(shè)置由圖3-2可見，開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路由三相對(duì)稱交流電壓源、品閘管整

10、流橋、 平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)等部分組成。由于同步脈沖觸發(fā)器與品閘管整流橋不可分割的 兩個(gè)環(huán)節(jié)，通常作為一個(gè)組合體來討論，所以將觸發(fā)器歸到主電路進(jìn)行建模。三相對(duì)稱交流電壓源的建模和參數(shù)設(shè)置。首先從電源模塊中選取一個(gè)交流電壓源 模塊，再用復(fù)制的方法得到三相電源的另兩個(gè)電壓源模塊，并用模塊標(biāo)題名稱修改方法 將模塊標(biāo)簽分別改為“A相”、“B相”、“C相”，然后從連接器模塊中選取“Ground”元 件和“Bus Bar”元件，按圖3-1主電路圖進(jìn)行連接。為了得到三相對(duì)稱交流電壓源，其參數(shù)設(shè)置方法及參數(shù)設(shè)置如下。雙擊A相交流電壓源圖標(biāo)，打開電壓源參數(shù)設(shè)置對(duì)話框如圖3-3，在A相交流電壓 源參數(shù)設(shè)置中，幅

11、值取220V，初相位設(shè)置成0，頻率為50Hz，其他為默認(rèn)值，如圖3 所示B、C相交流電源參數(shù)設(shè)置方法與A相位基本相同，除了將初相位設(shè)置成互差120 外，其他參數(shù)與A相相同。品閘管整流橋的建模和參數(shù)設(shè)置。首先從電力電子模塊組中選取“ Universal Bridge”模塊，并將模塊標(biāo)簽改為“品閘管整流橋”，然后雙擊模塊圖標(biāo)，打開SCR整 流橋參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，參數(shù)設(shè)置如圖3-4所示。當(dāng)采用三相整流橋時(shí)，橋臂數(shù)取3, A、 B、C三相交流電源接到整流橋的輸入端，電力電子元件選擇品閘管。參數(shù)設(shè)置的原則 如下，如果是針對(duì)某個(gè)集體的變流裝置進(jìn)行設(shè)置，對(duì)話框中的、應(yīng)取該裝置中品閘 管元件的實(shí)際值，如果是一般

12、情況，不針對(duì)某個(gè)集體的變流裝置，這些參數(shù)可先取默認(rèn)值進(jìn)行仿真。若仿真結(jié)果理想，就可認(rèn)可這些設(shè)置的參數(shù)，若仿真結(jié)果不理想，則通過 仿真實(shí)驗(yàn)，不斷進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，最后確定其參數(shù)。這一參數(shù)設(shè)置原則對(duì)其他環(huán)節(jié)的參數(shù) 設(shè)置也是適用的。圖3-3 A相電源參數(shù)設(shè)置詞 Block Parameters: Universal BridgeUniversal Bridge (mask) (link)This block implement a bridge of selected power electronics devices. Series RC snubber circuits are connected

13、in parallel with each switch device. Press Help for suggested snubber values when the model is discretized. For most applications the internal inductance Lon of diodes wd thyristors should be set to zeroParametersNujiiber of bridge arms: 3Snubber resistance Rs (Ohms)50000Snubber capacitance Cs (F)in

14、fPower Electronic device ThyristorsRon (Ohms)le-3血田）圖3-4 SCR整流橋參數(shù)設(shè)置Forward voltage Vf (V)平波電抗器的建模和參數(shù)設(shè)置。首先從模塊中選取“SerMeasurements Noneries RLC Branch”模塊，并將標(biāo)簽改為“平波電抗器”，然后打開平波電抗器參數(shù)設(shè)置對(duì) 所示，平波電抗器的電感值是通過仿真實(shí)驗(yàn)比較后得到的優(yōu)化參數(shù)。話框，參數(shù)設(shè)置如圖3-5圖3-5平波電抗器參數(shù)設(shè)置直流電動(dòng)機(jī)的建模和參數(shù)設(shè)置。首先從電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)模塊組中選取“DC Machine” 模塊，并將模塊標(biāo)簽改為“直流電動(dòng)機(jī)”。直流電動(dòng)機(jī)

15、的勵(lì)磁繞組“F+-F-”接直流恒 定勵(lì)磁電源，勵(lì)磁電源可從電源模塊組中選取直流電壓源模塊，并將電壓參數(shù)設(shè)置為 220V，電樞繞組“ A+-A-”經(jīng)平波電抗器接品閘管整流橋的輸出，電動(dòng)機(jī)經(jīng)TL端口接 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，直流電動(dòng)機(jī)的輸出參數(shù)有轉(zhuǎn)速n、電樞電流、勵(lì)磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩。通過 “示波器”模塊觀察仿真輸出圖形。電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)步驟如下，雙擊直流電動(dòng)機(jī)圖標(biāo)，打開直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)置對(duì) 話框，直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)置如圖3-6所示。參數(shù)設(shè)置的原則與品閘管整流橋相同。同步脈沖觸發(fā)器的建模和參數(shù)設(shè)置。同步脈沖觸發(fā)器包括同步電源和6脈沖觸發(fā) 器兩部分。6脈沖觸發(fā)器可從附加控制(Extras Control Bl

16、ocks)子模塊組獲得。6 脈沖觸發(fā)器需要用三相線電壓同步，所以同步電源的任務(wù)是將三相交流電源的相電壓轉(zhuǎn) 換成線電壓。同步電源與6脈沖觸發(fā)器及封裝后的子系統(tǒng)符號(hào)如圖3-7和圖3-8所示。圖3-7同步電源6脈沖觸發(fā)器圖3-8封裝后的子系統(tǒng)符號(hào)至此，根據(jù)圖3-1主電路的連接關(guān)系，可建立起主電路的仿真模型，如圖3-2所示。 圖中觸發(fā)器開關(guān)信號(hào)為“0”時(shí)，開放觸發(fā)器，開關(guān)型號(hào)為“1”時(shí)，封鎖觸發(fā)器。(2)控制電路的建模和參數(shù)設(shè)置品閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的控制電路只有一個(gè)給定環(huán)節(jié)，它可以重輸入源模塊組子中選 取“Constant”模塊，并將模塊標(biāo)簽改為“給定信號(hào)”，然后雙擊該模塊圖標(biāo)，打開參 數(shù)設(shè)置對(duì)話框，將

17、參數(shù)設(shè)置為50rad/s。實(shí)際調(diào)速時(shí)，給定信號(hào)是在一定范圍內(nèi)變化的， 可以通過仿真實(shí)踐，確定給定信號(hào)允許的變化范圍。將主電路和控制電路的仿真模型按照品閘管直流調(diào)速系統(tǒng)電器原理圖的連接關(guān)系 進(jìn)行模型連接，即可得到圖3-2所示的品閘管直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型。系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)置在 MATLAB 的模型窗口中打開“Simulation”菜單，進(jìn)行“Simulation Parameters” 設(shè)置。單擊“Simulation Parameters菜單后，得到仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，參數(shù)設(shè)置 如圖3-9所示，仿真中所選擇的算法為ode23s。由于實(shí)際系統(tǒng)的多樣性，不同的系統(tǒng) 需要采用不同的的仿真算法，到底采用

18、哪一種算法，可通過仿真實(shí)踐進(jìn)行比較選擇。仿 真“Start time” 一般設(shè)為0，Stop time”根據(jù)實(shí)際需要而定，這里設(shè)為2.0。圖3-9仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)話框及參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)的仿真、仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析當(dāng)建模和參數(shù)設(shè)置完成后，即可開始進(jìn)行仿真，在MATLAB的模型窗口打開Simulation菜單，單擊“Star”命令后，系統(tǒng)開始仿真，仿真結(jié)束后可輸出仿真結(jié) 果。單擊“示波器”命令后，通過“示波器”模塊進(jìn)行觀察仿真輸出圖形，如圖3-10 所示，其中圖3-10 （a）、（b）、（c）分別表示直流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩角頻率曲線，直 流電動(dòng)機(jī)電樞電流曲線，曲線和角頻率與電樞電流的曲線。(a)直流電動(dòng)

19、機(jī)角頻率曲線(b)直流電動(dòng)機(jī)電樞電流曲線(c)直流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩曲線圖3-10晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的輸出波形根據(jù)圖3-2的仿真模型，得到品閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的電流曲線和轉(zhuǎn)速曲線如圖3-11 所示。圖3-11晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的電流曲線和轉(zhuǎn)速曲線仿真實(shí)踐根據(jù)實(shí)際需要而定，以能夠仿真出完整的波形為前提。由于實(shí)際系統(tǒng)的多樣性，沒有一種仿真算法是萬能的。不同的系統(tǒng)需要采用不同的 仿真算法，到底采用哪一種更好，這需要通過仿真實(shí)踐，從仿真能否進(jìn)行、仿真的速度、 仿真的精度等方面進(jìn)行比較選擇。3.2單閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)為了提高直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo)，通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)（包括單閉環(huán)系 統(tǒng)和多閉環(huán)系統(tǒng)）

20、。對(duì)調(diào)速指標(biāo)要求不高的場(chǎng)合，采用單閉環(huán)系統(tǒng)，而對(duì)調(diào)速指標(biāo)較高 的則采用多閉環(huán)系統(tǒng)。按反饋的方式不同可分為轉(zhuǎn)速反饋，電流反饋，電壓反饋等。在 單閉環(huán)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速單閉環(huán)使用較多。實(shí)驗(yàn)原理在本裝置中，轉(zhuǎn)速單閉環(huán)實(shí)驗(yàn)是將反映轉(zhuǎn)速變化的電壓信號(hào)作為反饋信號(hào)，經(jīng)“轉(zhuǎn) 速變換”后接到“速度調(diào)節(jié)器”的輸入端，與“給定”的電壓相比較經(jīng)放大后，得到移 相控制電壓Uct，用作控制整流橋的“觸發(fā)電路”，觸發(fā)脈沖經(jīng)功放后加到品閘管的門極 和陰極之間，以改變“三相全控整流”的輸出電壓，這就構(gòu)成了速度負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。 電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨給定電壓變化，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速由速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅所決定，速度調(diào)節(jié) 器采用P （比例）調(diào)節(jié)對(duì)階躍

21、輸入有穩(wěn)態(tài)誤差，要想消除上述誤差，則需將調(diào)節(jié)器換成 PI（比例積分）調(diào)節(jié)。這時(shí)當(dāng)“給定”恒定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)速度變化起到了抑制作用，當(dāng) 電機(jī)負(fù)載或電源電壓波動(dòng)時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速能穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)變化。在電流單閉環(huán)中，將反映電流變化的電流互感器輸出電壓信號(hào)作為反饋信號(hào)加到 “電流調(diào)節(jié)器”的輸入端，與“給定”的電壓相比較，經(jīng)放大后，得到移相控制電壓Uct， 控制整流橋的“觸發(fā)電路”，改變“三相全控整流”的電壓輸出，從而構(gòu)成了電流負(fù)反 饋閉環(huán)系統(tǒng)。電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速也由電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅所決定。同樣，電流調(diào)節(jié)器若 采用P （比例）調(diào)節(jié)，對(duì)階躍輸入有穩(wěn)態(tài)誤差，要消除該誤差將調(diào)節(jié)器換成PI（比例積分） 調(diào)節(jié)。

22、當(dāng)“給定”恒定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)電樞電流變化起到了抑制作用，當(dāng)電機(jī)負(fù)載或電 源電壓波動(dòng)時(shí)，電機(jī)的電樞電流能穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)變化。圖3-12轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)原理圖實(shí)驗(yàn)仿真轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)系統(tǒng)的原理如圖3-12所示。該系統(tǒng)由給定信號(hào)、調(diào)速調(diào)節(jié)器、 同步脈沖觸發(fā)器、品閘管整流橋、平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)、速度反饋等部分組成。圖 3-13所示是采用單向電器原理結(jié)構(gòu)圖方法構(gòu)建的單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)的仿 真模型。圖3-13無靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型與圖3-2所示的開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)相比較，兩者的主電路是基本相同的，系統(tǒng)的差 別主要在控制電路上。為此，在后面介紹電路的建模與參數(shù)設(shè)置時(shí)，主要

23、介紹其不同之 處。系統(tǒng)的建模和建模參數(shù)設(shè)置1）主電路的建模和參數(shù)設(shè)置由圖3-13所示的仿真模型可知，主電路大部分與開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)相同，為了避免重 復(fù)，此處介紹不同部分的建模與參數(shù)設(shè)置。注意在圖3-13所示仿真模型的整流橋后面并聯(lián)了一個(gè)二極管橋，它的作用是加快 電動(dòng)機(jī)的減速工程，同事避免在整流橋輸出端出現(xiàn)負(fù)電壓使波形畸變。后面其他的單環(huán) 系統(tǒng)也使用了這樣的二極管，作用也是一樣的，以后就不在贅述。（1）二極管橋模塊與品閘管整流橋模塊的參數(shù)設(shè)置方法、參數(shù)設(shè)置原則都是一致 的，只要將對(duì)話框中的 “Number of bridge arms” 設(shè)為 “1”，將 “Power Electric device

24、” 設(shè)置為“Diodes”即可。（2）平波電抗器的電感值設(shè)為H。2）控制電路的建模和參數(shù)設(shè)置轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制電路由給定信號(hào)、速度調(diào)節(jié)器、速度反饋等 組成。仿真模型中根據(jù)需要，可另設(shè)限幅器、偏置、反相器等模塊。（1）“給定信號(hào)“模塊的建模和參數(shù)設(shè)置方法與開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)相同，此處參數(shù)設(shè)置 為100rad/s.無靜差調(diào)速系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，系數(shù)選擇為Kp=10，Ki=100 它通過仿真優(yōu)化得到的。（2）通過參數(shù)變化范圍住址試驗(yàn)的探索可知，當(dāng)在在50180范圍內(nèi)變化時(shí)， 同步脈沖觸發(fā)器能夠正常工作；當(dāng)為50。時(shí)，對(duì)應(yīng)的整流橋輸出電壓最大，而180對(duì) 應(yīng)的輸出電壓反而最小。他

25、們是單調(diào)下降的函數(shù)關(guān)系。因此將限幅器的上、下幅值設(shè)置 為130,0,用加法器加上偏置“-180”后調(diào)整-50，-180，再經(jīng)過反相器50,180。 這樣，在單閉環(huán)有靜模塊的應(yīng)用，就可將速度調(diào)節(jié)器的輸出限制在使同步脈沖觸發(fā)器能 夠正常的工作范圍內(nèi)了。（3）速度調(diào)節(jié)器、限幅器、偏置、反相器等模塊的建模和參數(shù)設(shè)置比較簡(jiǎn)單，只 要分別在SIMULIMK的“Math”、“Nonlinear”、Sources，模塊庫中找到相應(yīng)的模塊，并 按要求設(shè)置好參數(shù)即可。限幅器的參數(shù)設(shè)置見圖3-14所示。將主電路和控制電路的仿真模型按照轉(zhuǎn)述負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖的連 接關(guān)系進(jìn)行模型連接，即可得到圖3-13所示

26、的系統(tǒng)仿真圖。B!ock Parameters: SaturationSa t ura t ionLimit input si etl：=l 1 to the upppr and 1 ower sa + urat ion valueE.Farame t e rL口口er limit :130Lowe 1- limit:寸 Treat as E：iin i此lEju linearizirLE */ Ena bl e z e rz cizEEirLE det e 2 + ion Sampl a time (1 for inhtiri t id)： 1-1圖3-14限幅器參數(shù)設(shè)置CKC：=lTlCh

27、1HelpApply系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置方法與開環(huán)系統(tǒng)相同。仿真中所選擇的算法為odc23s，仿真“Start time”設(shè)為0； Stop time”設(shè)為1.9,其他與開環(huán)系統(tǒng)相同。系統(tǒng)的仿真、仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析單擊工具欄“一”按鈕或“Simulation菜單下的“Start”命令進(jìn)行仿真，可得 如圖3-15所示仿真結(jié)果。圖3-15無靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電流曲線和轉(zhuǎn)速曲線可以看出，這個(gè)仿真結(jié)果的轉(zhuǎn)速曲線比開環(huán)系統(tǒng)有了較明顯的改善，其過渡過程時(shí) 間大為減小。第4章 交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)4.1雙閉環(huán)三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速實(shí)驗(yàn)原理異步電動(dòng)機(jī)采用調(diào)壓調(diào)速時(shí)，由于同步轉(zhuǎn)速

28、不變和機(jī)械特性較硬，因此對(duì)普通異步 電動(dòng)機(jī)來說其調(diào)速范圍很有限，無實(shí)用價(jià)值，而對(duì)力矩電動(dòng)機(jī)或繞線式異步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn) 子中串入適當(dāng)電阻后使機(jī)械特性變軟后，其調(diào)速范圍有所擴(kuò)大，單在負(fù)載或電網(wǎng)電壓波 動(dòng)情況下，其轉(zhuǎn)速波動(dòng)嚴(yán)重，為此常采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。雙閉環(huán)三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的主電路由三相品閘管交流調(diào)壓器及三相繞 線式異步電動(dòng)機(jī)組成，控制部分由“電流調(diào)節(jié)器”、“觸發(fā)電路”、“正橋功放”等組成， 其系統(tǒng)原理框圖如圖4-1所示。相屯源輸出電流反饋與過流保護(hù)給定.正橋 功放轉(zhuǎn)了附加電阻速度1 變換M圖4-1雙閉環(huán)三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)原理框圖整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)采用速度、電流兩個(gè)反饋控制環(huán)節(jié)。這里的速度

29、環(huán)節(jié)作用基本上與直 流調(diào)速系統(tǒng)相同，而電流環(huán)節(jié)作用則不同。在穩(wěn)定的運(yùn)行情況下，電流環(huán)對(duì)電網(wǎng)擾動(dòng)仍 然有較大的抗饒作用，但在啟動(dòng)過程中電流環(huán)僅起到限制最大電流的作用，不會(huì)出現(xiàn)最 佳啟動(dòng)的恒流特性，也不可能是恒轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)。異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用雙閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)靜差率較小，且比較容易實(shí) 現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)和能耗制動(dòng)。但在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下不能長(zhǎng)時(shí)間低速運(yùn)行，因?yàn)榈退龠\(yùn)行 時(shí)轉(zhuǎn)差功率全部消耗在轉(zhuǎn)子電阻中，會(huì)使轉(zhuǎn)子過熱。4.2實(shí)驗(yàn)仿真交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理如圖4-1所示。交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖 4-2所示。圖4-2交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)仿真模型4.3系統(tǒng)的建模和模型參數(shù)設(shè)置（1）主電路的建模和參數(shù)

30、設(shè)置由圖4-2可見，主電路由三相對(duì)稱交流電壓源、品閘管三相交流調(diào)壓器、交流異步 電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)信號(hào)分配器等部分組成。三相交流電源的建模和參數(shù)設(shè)置在前面各章節(jié)中已經(jīng)復(fù)述多了，此處著重討論品閘 管三相交流調(diào)壓器、交流異步電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)測(cè)試信號(hào)分配器的建模和參數(shù)設(shè)置問題。1）品閘管三相交流調(diào)壓器的建模和參數(shù)設(shè)置。品閘管三相交流調(diào)壓器通常用用三 個(gè)反并聯(lián)晶閘管元件組成，單個(gè)品閘管元件采用“相位控制”方式，利用電網(wǎng)自然換流，圖4-3所示為品閘管三相交流調(diào)壓的仿真模型和模塊符號(hào)圖4-4所示。圖4-5所示為三 相交流調(diào)壓器中品閘管元件的參數(shù)設(shè)置情況。圖4-3晶閘管三相交流調(diào)壓的仿真模型圖4-4模塊符號(hào)圖4-

31、5三相交流調(diào)壓器中晶閘管元件的參數(shù)設(shè)置在圖4-3中，我們是用單個(gè)品閘管元件按三相交流調(diào)壓的接線要求建成仿真模型 的，單個(gè)品閘管元件的參數(shù)設(shè)置仍然遵循品閘管整流橋的參數(shù)設(shè)置原則。2）交流異步電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)測(cè)試信號(hào)分配器的建模和參數(shù)設(shè)置，在“PowerSystem” 工具中，具體參數(shù)設(shè)置如圖4-6和圖4-7所示。圖4-6交流異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置口口回口口圖4-7電動(dòng)機(jī)測(cè)試信號(hào)分配器參數(shù)設(shè)置（2）控制電路的建模和參數(shù)設(shè)置控制電路的參數(shù)設(shè)置如下：速度反饋系數(shù)設(shè)為-30/pi，速度調(diào)節(jié)器Xp=-30, Xi=1/150, Xd=0,限幅器幅值為 180,120,其余為默認(rèn)。4.4系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)置仿真所選

32、擇的算法為ode23tb；仿真“Start time”設(shè)為0，Stop time”設(shè)為4.5, 其他與前面系統(tǒng)相同。4.5系統(tǒng)的仿真、仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析當(dāng)建模和參數(shù)設(shè)置完成后，即可開始進(jìn)行仿真。其仿真結(jié)果如圖4-8所示。圖4-8交流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線從仿真結(jié)果可以看出，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，仿真系統(tǒng)的實(shí)際速度能實(shí)現(xiàn)對(duì)給定速度的良好跟蹤; 在過度過程時(shí)，仿真系統(tǒng)實(shí)際速度對(duì)階躍給定信號(hào)的跟蹤有一定的偏差，從圖4-8中 還可以看出，實(shí)際速度對(duì)斜坡給定信號(hào)的跟蹤比較應(yīng)該不錯(cuò)?？?結(jié)心 結(jié)本次課程設(shè)計(jì)確定了電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)并按照設(shè)計(jì)參數(shù)要求對(duì)調(diào)節(jié) 器的參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和確定。并在確定所有參數(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了 Matlab仿真。 異步電動(dòng)機(jī)采用調(diào)壓調(diào)速時(shí)，由于同步轉(zhuǎn)速不變和機(jī)械特性較硬，因此對(duì)普通異步電動(dòng) 機(jī)來說其調(diào)速范圍很有限，無實(shí)用價(jià)值，而對(duì)