《MATLAB及其在电气工程中的应用 教学课件 ppt 作者 苏小林 第九章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《MATLAB及其在电气工程中的应用 教学课件 ppt 作者 苏小林 第九章（50页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,第9章 MATLAB在交直流调速系统 中的应用,9.1 直流调速系统仿真,就系统的调速方法而言通常有很多种，比如机械式、电气式、液压式、气动式调速等，在众多调速方法当中电气调速有着自身的优点，如操作简单，传动效率高，易实现无极调速，可进行远距离控制和自动控制，因此，在生产机械中广泛采用电气方法调速。 直流电动机是将直流电能转换成机械能的电机，利用直流电动机进行调速是电气调速当中的主要方式。直流电动机调速的主要优点是：调速均匀平滑，可以无级调速；调速范围大，调速比可达200以上。近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统发展很快，在许多场合正逐渐取代直流调速系统。但是就
2、目前来看，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合，仍然广泛采用直流调速系统。 1. 直流电机的调速原理 直流电机转速的表达式为：,9.1.1 概述,式中，为电枢端电压，为电枢电流，为电枢电路总电阻，为每极磁通量，为与电机结构有关的常数。 由式（9-1）可知，直流电机转速的控制方法有三种： （1）调节电枢电压。改变电枢电压从而改变转速，属恒转矩调速方法，动态响应快，适用于要求大范围无级平滑调速的系统。 （2）改变电机主磁通。在此只能减弱磁通，使电动机从额定转速向上变速，属恒功率调速方
3、法，动态响应较慢，虽能无级平滑调速，但调速范围小。 （3）改变电枢电路电阻。在电动机电枢外串电阻进行调速，只能有极调速、平滑性差、机械特性软、效率低。 改变电枢电路电阻的方法缺点很多，目前很少采用。弱磁调速范围不大，往往与调压调速配合使用。因此，电气调速系统以调压调速为主。,（9-1）,2. 直流调速系统的供电电源 直流调速系统的供电电源，即电枢电压的提供方式主要有三种： （1）旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。 这种系统简称为G-M系统，这是最早的调压调速系统，具有很好的调速性能，但系统复杂、体积大、效率低、运行有噪音、维护麻烦。 （2）静止可控整流器。用
4、静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，通过控制晶闸管触发控制角，产生可调的直流电压，达到调节直流电动机转速的目的。采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统简称为V-M系统，这种系统在调速性能、可靠性、经济性上都具有优越性，成为直流调速系统的主要供电电源。 （3）直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，功率开关器件通断实现控制，调节通断时间比例，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压，也称为DC-DC变换器。目前，受到器件容量的限制，PWM直流调速系统只用于中、小功率的系统。,9.1.2 晶闸管开环直流调速系统仿真,开环直流调速系统适用于调速精度和调速范
5、围要求低的场合，在讨论晶闸管单闭环直流调速系统之前先讨论下开环直流调速系统。图9.1为开环直流调速系统的电气原理结构图，由图可知开环直流调速系统的主电路主要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。 图9.1 开环直流调速系统电气原理结构图,1. 开环系统的建模与仿真 （1）主电路的建模和参数设置,打开MATLAB软件，在 菜单栏上点击工具栏上的 simulink工具 ，选择FileNewModel，新建一个simulink文件，按照开环系统的构成，从SimPowerSystem和Simulink模块库中提取电路元器件模块。在模型库中提取所需的模块放到仿真窗口，设置
6、各模块参数，绘制电路的仿真模型如图9.2所示。晶闸管开环直流调速系统由主电路（交流电源、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机、触发电路）和控制电路（给定环节）组成，具体设置如下： 图9.2 开环直流调速系统的仿真模型, 三相交流电源的设置。首先从电源模块（Electrrical Sources）中选取一个交流电压源模块 AC Voltage Source，再用同样的方法得到三相电源的另两个电压源模块，参数设置如图9.3所示，三相对称交流电压源峰值电压取220V、初相位0，频率50HZ，其它为默认值，B、C相与A相基本相同，只是初相位设置成互差120， 由此可得到三相交流电源。然后从SimPow
7、er System模块库找到 Elements，选取Ground元件，按图9.2进行连接。 图9.3 三相交流电源参数设置, 晶闸管整流桥的设置。从电力电子模块（Power Electronics）中选取Universal Bridge，双击模块图标，打开整流桥参数设置对话框，参数设置如图9.4所示，缓冲电阻Rs=50K、缓冲电容Cs为无穷大inf、内电阻Ron=0.001、内电抗Lon=0，Power Electronic device选择Thyristors。若仿真结果不理想，则通过仿真实验，可不断进行参数优化。,图9. 4 晶闸管整流桥参数设置, 平波电抗器的设置。从Elements 模
8、块中找到Series RLC Branch，打开平波电抗器参数设置对话框，参数设置如图9.5 所示，阻抗R=0、电感L=5mH，电容C为无穷大inf，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9.5 平波电抗器参数设置, 直流电动机的设置。从电机系统（Machines）模块中选取DC Machines，直流电动机的励磁绕组“F+F-”接直流恒定励磁电源，励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，DC Voltage Source的参数设置如图9.6所示。点数绕组“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
9、动机的输出参数有转速、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。双击直流电动机图标，打开直流电动机的参数设置对话框，直流电动机参数设置如图9.7所示，励磁电阻Rf=240、电感取120、电枢电阻Ra=0.6、电枢电感La=0.012、电枢绕组和励磁绕组互感Laf=1.8H、电机转动惯量J=1kg.m2、额定负载转矩Tl=100N.m。 图9.6 直流励磁电源设置,图9.7 直流电动机参数设置, 同步脉冲触发器的设置。同步脉冲触发器包括同步电源和6脉冲触发器两部分。6脉冲触发器从Simpowersystes中选取Extra Libray中的Control Blocks中取获
10、得。6脉冲触发器需用三相线电压同步，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9.8（a）、（b）所示。 至此，根据图9.1主电路的连接关系，可建立起主电路的仿真模型，如图9.2所示的前半部分，图中触发器开关信号Block为0时，触发器触发为1时，触发器封锁。 双击Synchronized 6-Pulse Generator模块，即打开参数设置对话框，对参数进行设置。如图9.9所示，频率设置成50Hz，双窄脉冲，脉冲宽度10。 图9.8 同步脉冲触发脉冲触发器及封装后的子系统模块,图9.9 6脉冲触发器参数设置,（2）控制电路的模型
11、建立和参数设置 晶闸管直流调速系统的控制电路只有一个给定环节，它可以从Simulink中的输入源模块组Sources中选取“Constant”模块 ，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，给定信号时在一定范围内变化的，可通过仿真实践，确定给定信号允许的变化范围。 将电路元器件模块按晶闸管开环直流调速系统原理图连接起来组成仿真电路，如图9.2所示，并用示波器观察三相交流电压源、触发脉冲,信号、晶闸管整流桥的输出整流电压以及整流电压的平均值、直流电动 机的转速n、电枢电流Ia、励磁电流If、电磁转矩Te等参数。 图9.10 仿真参数设置对话框及参数设置,2
12、系统的仿真参数设置 在MATLAB的模型窗口打开“Simulation”菜单，进行“Simulation Parameters”设置，单击 “Configuration Parameters”菜单后，得到仿真参数设置对话框，仿真中选择的变步,长算法为ode23s(stiff/Mod.Rosenbrock)，如图9.10所示。由于实际系统的多样性，不同的系统需要采用不同的仿真算法，到底采用哪一种算法，可通过仿真实践进行比较选择。仿真 “Start time”一般设为0，“Stop time”根据实际需要而定，在此设定为10s。 用示波器观察仿真模型时，要将Limit data points to
13、 last值设定大一些，否则输出的图形会不完整。 3系统的仿真及仿真结果的分析 当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真，在MATLAB模型窗口单击工具栏的按钮或打开 “Simulation”菜单命令后，单击“start” ，系统开始仿真，仿真结束后可输出仿真结果。单击“示波器”观察仿真输出图形。观察仿真时间3s时得到的电动机转速、电动机电枢电流、励磁电流及电磁转矩曲线。 根据开环系统的模型，系统有两种输出。当采用“示波器”模块观察仿真输出结果时只要在模型图上双击“示波器”图标即可；当采用“out1”模块观察仿真输出结果时，可在MATLAB的命令窗口里输入绘图命令plot(tout,yout)
14、，即可得到“Figure 1”输出的图形，如图9.11所示。,9.1.3 晶闸管单环直流调速系统仿真,为了提高直流调速系统的性能，通常采用闭环控制系统（单闭环和多闭环）。对于速度调节要求不高的场合，采用单闭环系统，就能符合一般的设计要求。 按反馈的方式不同可分为转速反馈、电压反馈、电流反馈等。这里主要讲述以转速反馈设计的直流调速系统。,图9.11 Figure1输出波形,1. 单闭环有静差转速负反馈系统的建模与仿真 对于调速系统来说，输出量是转速，通常引入转速负反馈构成闭环调速系统。在电动机轴上安装一台测速发电动TG，引出与输出量转速成正比的负反馈电压Un，与转速给定电压Un*进行比较，得到偏
15、差电压Un，经过放大器A，产生驱动或触发装置的控制电压Uct，去控制电动机的转速，为了平稳负载电流的脉动，通常在电枢回路串联一个平波电抗器，保证整流电路在较大范围内连续，这就组成了反馈控制的闭环调速系统。图9.12所示为采用晶闸管相控整流器供电的闭环有静差转速负反馈调速系统电气原理图，因为只有一个转速反馈环，所以称为单闭环调速系统。由图可见，该系统由电压比较环节、放大器、晶闸管整流器与触发装置、直流电动机和测速发电机等部分组成,该系统与开环直流调速系统相比，二者的主电路基本相同，系统的差别主要在控制电路上。 图9.12 采用转速负反馈的单闭环调速系统电气原理图,（1）单闭环有静差转速负反馈系统
16、的建模 主电路的建模和参数设置 图9.13为单闭环有静差转速负反馈直流调速系统的仿真模型，主电路与开环调速系统相同，前面已介绍，此处不再重复。 控制电路的模型建立和参数设置 单闭环有静差转速负反馈直流调速系统的控制电路由给定信号、速度调节器、速度反馈等环节组成。仿真模型中根据需要，另增加了限幅器、偏置、反向器等模块，这些模块的建模与参数设置比较简单，在Simulink模块库中找到Commonly Used Blocks及Sources，即可找到相应的模块。比例放大环节传递函数在Simulink工具箱中的Math Operations的Gain模块。 给定信号模块的建模和参数设置方法同开环调速系统，设为150rad/s，它可在0170rad/s范围内连续可调。有静差调速系统的调节器采用比例调节器，此处选为10。Uct的工作范围是110170，此时同步触发脉冲可以正常工作，限幅器的上下限值设为97,0，用加法器加上偏置后调整为-110，-270,再经反向器转换为110，270。 将主电路和控制电路的仿真模
