基于MATLABSIMULINK的交流电机调速系统建模仿真.

控制系统仿真

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2012年11月02日

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直接转矩控制仿真，由仿真结果图直接认识交流系统的机械特性。当今交流电机以其卓越优势被应用于各个行业。自从解决了交流电动机调速方案中的关键问题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。随着电力电子变流技术和交流电机控制理论的发展，出现了许多新型变流装置和交流电机的调速控制方法。众所周知，异步电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，再加上在变流装置的非正弦供电条件下运行，使经典的交流电机理论和传统的控制系统分析方法不能完全适用于现代交流调速系统。采用计算机仿真的方法来分析研究交流电机及其调速是解决这类工程问题的一种有效工具。

要求：利用目前国际上最流行的仿真软件之一MATIAB／SIMULINK，建立一个通用的仿真模型。然后用到直接转矩控制系统中去，对该系统进行仿真研究。

第一章引言

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。

1.2MATLAB/SIMULINK软件的优势：

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[1]。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[2][3]。

第二章交流调速系统：

2.1交流调速系统原理与特性

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：n=60f（1-s）/p (r/min) 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: n=60f/p (r/min) 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[4]。 (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[5]。

(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[6]。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交流调速系统仿真模型