基于MATLABSIMULINK的交流电机调速系统建模仿真.
毕业设计基于MATLABSIMULINK的交流电动机调速系统仿真
1 绪论1.1课题研究背景及目的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,且结构简单、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;1.1.1研究目的本课题主要运用MATLAB-SIMULINK软件中的交流电机库对交流电动机调速系统进行仿真,由仿真结果图直接认识交流系统的机械特性;本文重点对三相交流调压调速系统进行仿真研究,认识PID调节器参数的改变对系统性能的影响,认识该系统动态及静态性能的优劣及适用环境;在实际应用中,电动机作为把电能转换为机械能的主要设备,一是要具有较高的机电能量转换效率;二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度;电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响;因此,调速技术一直是研究的热点12;而交流调速系统凭着其绝对的优势,最终必将取代直流调速系统3;近几年来,科学技术的迅速发展为交流调速技术的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础;交流电动机的调速系统不但性能同直流电动机的性能一样,而且成本和维护费用比直流电动机系统更低,可靠性更高4;目前,国外先进的工业国家生产直流传动的装置基本呈下降趋势,交流变频调速装置的生产大幅度上升;在日本,1975年在调速领域,直流占80%,交流占20%;1985年交流占80%,直流占20%5;到目前为止,日本除了个别的地方还继续采用直流电机外,几乎所有的调速系统都采用变频装置67;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8;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910;交流调速技术发展到今天,相对而言已经比较成熟,在工业中得到了广泛的应用,但是随着一些新的电力电子器件和一些新的控制策略的出现,工业应用对交流调速系统又提了新的要求,现代交流电机调速技术的研究和应用前景十分广阔;20世纪80年代中期研制开发出一种新型交流调速系统——开关磁阻电动机调速系统,它将新型的电机、现代电力电子技术与控制技术融为一体,形成一个典型的机电一体化的调速系统;由于它在效率、调速性能和成本方面都具有一定的优势,已成为当代电力拖动的一个热门课题,将会在调速领域占有一席之地;交流调速的控制策略近年来发展非常迅速,诸如转差矢量控制,自适应控制磁通自适应、断续电流自适应、参数自适应等模型参考自适应控制,状态观测器磁通观测器、力矩观测器等,为补偿速度降以提高精度的前馈控制,以节能、平稳、快速等为目标函数的优化控制,线性二次型积分控制,滑模变结构控制,直接转矩控制及模糊控制等已见诸国内外有关文献及杂志中论文主要工作1.分析各种调速系统在实际运用中的优缺点,分析各种调速方式适用的场合;2.重点分析掌握三相交流调压调速原理,机械特性等,然后对其进行MATLAB的仿真实现,通过修改系统各部分的参数,可以输出稳定的波形;根据示波器输出结果,对系统的性能进行分析;论文章节安排第一章绪论:主要介绍本课题的研究背景和研究内容,以及交流调速系统在国内外的发展和前景展望;介绍了文章的主要工作安排以及论文章节安排;第二章交流调速系统:比较交流调速系统的各种调速方案,重点分析了交流调压调速系统的原理及机械特性,及对交流调压调速电路以及闭环调压调速系统进行了重点的研究分析;第三章交流调压调速系统的MATLAB仿真:运用MATLAB的SIMULINK工具箱分别对异步电动机调压调速系统的主电路与控制电路进行建模和参数设置,最终建立了异步电动机调压调速系统电路的仿真模型,并对其进行了仿真分析和研究,给出仿真结果,通过对仿真结果的分析验证了交流调压电路的工作原理和所建模型的正确性;第四章结论:对全文进行总结,指明异步电动机调压调速系统的发展方向;2 交流调速系统原理与特性交流调速系统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:()min /)1(60r ps f n -= 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:()min /601r pf n = 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1;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15;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16;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;交流异步电动机调压调速系统三相交流调压电路交流调压调速需要三相交流调压电路,晶闸管三相交流调压电路的接线方式很多,工业上常用的是三相全波星形连接的调压电路;如图所示;这种电路的接法特点是负载输出谐波分量低,适用于低电压大电流的场合11;图三相全波星形连接的调压电路要使得该电路正常工作,必须满足下列条件:1在三相电路中至少有一相的正向晶闸管与另一相得反相晶闸管同时导通;2要求采用脉冲或者窄脉冲触发电路;3为了保证输出电压三相对称并且有一定的调节范围,要求晶闸管的触发信号除了必须与相应的交流电源有一致的相序外,各个触发信号之间还必须严格的保持一定的相位关系;即要求U、V、W三相电路中正向晶闸管即在交流电源为正半周时工作的晶闸管的触发信号相位互差120°,三相电路中的反向晶闸管的触发信号相位互差120°;在同一相中反并联的两个正、反向晶闸管的触发脉冲相位应互差180°;由上面结论,可得三相调压电路中各晶闸管触发的次序为VT 1、VT 2、VT 3、VT 4、VT 5、VT 6、VT 1以此类推;相邻两个晶闸管的触发信号相位差60°;在晶闸管交流调压中,晶闸管可借助于负载电流过零而自行关断,不需要另加换流装置,故线路简单、调试容易、维修方便、成本低廉,从而得到广泛的应用;调压调速原理根据异步电动机的机械特性方程式()()[]2'21212'211'221'22'211//33l l M L L s R R s R pU s R I P P T +++==Ω=ωωω 2-3其中 p ——电动机的极对数1U 、1ω——电动机定子相电压和供电角频率s ——转差率1R 、'2R ——定子每相电阻和折算到定子侧的转子每相电阻11L 、'12L ——定子每漏感和折算到定子侧的转子每相漏感可见,当转差率s 一定时,电磁转矩T 与定子电压1U 的平方成正比;改变定子电压可得到一组不同的人为机械特性,如图所示;在带恒转矩负载L T 时,可以得到不同的稳定转速,如图中的A,B,C 点,其调速范围较小,而带风机泵类负载时,可得到较大的调速范围,如图中的D,E,F 点;S S L m图 异步电动机在不同定子电压时的机械特性所谓调压调速,就是通过改变定子外加电压来改变电磁转矩T ,可得到较大的调速范围,从而在一定的输出转矩下达到改变电动机转速的目的13;为了能在恒转矩负载下扩大调压调速范围,使电机在较低速下稳定运行又不致过热,可采用电动机转子绕组有较高电阻值时的机械特性;在恒转矩负载下的交流力矩电动机的机械特性;图显示此类电动机的调速范围增大了,而且在堵转转矩下工作也不致烧毁电;动机14图交流力矩电机在不同定子电压时的机械特性闭环控制的调压调速系统系统的组成及其静特性异步电动机调压调速时,采用普通电机的调速范围很窄;并且在低速运行时候稳定性很差,在电网电压、负载有扰动时候会引起较大的转速变化;解决这些矛盾的根本方法是采用带转速负反馈的闭环控制,以达到自动调节转速的目的;在调速要求不高的情况下,也可采用定子电压负反馈闭环控制;图a是带转速负反馈的闭环调压调速系统原理图,图b是相应的调速系统静特性;如T在A点稳定运行,当负载增大导致转速下降时,通过转速反馈控制作用提果系统带负载L高定子电压,使得转速恢复,即在新的一条机械特性上找到了工作点A';同理,当负载减小使得转速升高时,也可以得到新的工作点A'';将工作点A''、A、A'连起来就是闭环系统的静特性1;M3a 原理图L e min 1Ub 静特性图 转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统在额定电压N U 1下的机械特性和最小电压min 1U 下的机械特性是闭环系统静特性左右两边的极限,当负载变化达到两侧的极限时,闭环系统便失去控制能力,回到开环机械特性上工作14;对图a所示的系统,可画出系统静态结构图,见图所示:ASRL T -图 异步电动机调压调速系统的静态结构图图中:ctS U U K 1=----晶闸管交流调压器VVC 和触发装置GT 的放大系数; ct U ----触发装置的控制电压;n U n /=α----为转速反馈系数;n U ----测速发电机TG 输出的反馈电压;转速调节器ASR 采用PI 调节器;()T U f n ,1=是由式2-3描述的异步电动机械特性方程,它是一个非线性函数;近似的动态结构图异步电动机调压调速的近似动态结构图如下所示:U 图 异步电动机调压调速系统的近似动态结构图图中各环节的传递函数为:1 转速调节器ASR常用PI 调节器消除静差并改善动特性,其传递函数为:()ST S T K S W n n n ASR 1+= 2-4 2 晶闸管交流调压器和触发装置GT-V假定该环节输入输出关系是线性的,在动态中可近似为一阶惯性环节,其近似条件与晶闸管触发与整流装置一样;本环节传递函数可表示为:()1+=-TsS K S W S V GT 2-5 3 测速反馈环节FBS考虑到反馈滤波的作用, 传递函数为:()1+=S T S W on FBS α2-64 异步电动机MA由于描述异步电动机动态过程是一组非线性微分方程,只用一个传递函数来准确的表示异步电动机在整个调速范围内的输入输出关系式不可能的;只有做出一定的假设,并用稳态工作点附近微偏线性化的方法才能得到近似的传递函数;3 交流调压调速系统的MATLAB仿真系统的建模和模型参数设置主电路的建模和参数设置主电路主要由三相对称交流电压源、晶闸管、晶闸管三相交流调压器、交流异步电动机、电机信号分配器等部分组成;下面分别讨论三相交流电源、三相交流调压器、同步脉冲触发器、交流异步电动机、电机测试信号分配器的建模和参数设置问题16;三相交流电源的建模和参数设置首先从图中的电源模块组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,并把模块名称分别修改成A相、B相、C相;然后从图中的链接器模块组中选取“ground”元件也复制成三份,按图所示连接即可图Simulink中的电源模块图Simulink中的连接模块图三相交流电源的模型为了得到三相对称交流电压源,对其参数设置:双击A相交流电压源图标打开参数设置对话框,A相得参数设置分别是:幅值peak amplitude取220V、初相位Phase设置成 0、频率Frequency设置为50HZ,其他为默认值;B、C的参数设置方法与A相相同,除了将初相位设置成互差120以外,其它参数都与A相相同;由此可得到三相对称交流电源4;3.1.1.2晶闸管三相交流调压器的建模与参数设置晶闸管三相交流调压器通常是采用三对反并联的晶闸管元件组成,单个晶闸管元件采用“相位控制”方式,利用电网自然换流;图中所示为晶闸管三相交流调压器的仿真模型;图晶闸管三相交流调压器仿真模型子系统触发脉冲的顺序为V1-V2-V3-V4-V5-V6,其中V1-V3-V5之间和V4-V6-V2之间互差120度,V1-V4之间、V3-V6之间、V5-V2之间互差180度;双击晶闸管对话框得到晶闸管参数设置图,根据图中要求及系统要求对其进行参数设置如下:电阻Resistance Ron:40 Ω;电感Inductance Lon:0H;正向电压Forward voltage Vf:;初始电流Initial current Ic:0A;缓冲器电阻Subber resistance Rs:1200Ω;μ;缓冲器电容Subber capacitance Cs:250 F上图是用单个晶闸管元件按三相交流调压器的接线要求搭建成仿真模型的,单个晶闸管的参数设置仍然遵循晶闸管整流桥的参数设置原则,具体如下:如果针对某个具体的变流装置进行参数设置,对话框中的参数应取默认值进行仿真,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它环节的参数设置也是适用的18;在使用Simulink进行系统仿真分析时,首先需要进行模块参数设置,因此需要对系统中所有模块进行正确的参数设置;如果逐一的对各个系统进行参数设置时很繁琐的,因为子系统一般均为具有一定功能的模块组的集合,在系统中相当于一个单独的模块,具有特定的输入和输出关系;对于已经设计好的子系统而言,能够像Simulink模块库中的模块一样进行参数设置,则会给用户带来很大的方便,这时用户只需要对子系统参数选项中的参数进行设置,无需关心子系统的内部模块的实现;具体封装步骤如下:选择需要封装的子系统Subsystem,然后单击鼠标右键,在弹出的菜单中选择Mask Subsystem项,或者单击Edit-Mask Subsystem项19;这时将出现图中所示的封装编辑器;使用封装编辑器子系统中的图标、参数初始化设置对话框以及帮助文档,从而可使使用户设计出非常友好的模块界面,以充分发挥Simulink的强大功能;打开Mask editor:Subsystem对话框,如图所示;使用此编辑器可以对封装后的子系统进行各种编辑;在默认情况下,封装子系统不使用图标;但友好的子系统图标可使子系统的功能一目了然;为了增强封装子系统的界面友好性,用户可以自定义子系统模块的图标;只需在途中编辑对话框中的“图标和端口”选项卡中“绘制命令”栏中使用MATLAB 中相应便可以绘制模块图标,并可设置不同的参数控制图标界面的显示20;图 子系统封装编辑器下图为晶闸管三相交流调压器子系统封装图如下所示:aU bU cU a bcP图 三相交流调压器子系统封装图图中,Ua,Ub,Uc 分别连接三相交流电源的三相,P 连接从脉冲触发器出来的触发脉冲,输出a,b,c 分别连接交流电动机的A,B,C 输入4;同步脉冲触发器的建模和参数设置通常,工程上将触发器和晶闸管整流桥作为一个整体来研究,所以,在此处讨论同步脉冲触发器;同步脉冲触发器包括同步电源和6脉冲触发器两部分;6脉冲触发器可以从图所示的附加模块Extras Control Blocks 子模块组获得;图附加模块Extras Control Blocks子模块6脉冲触发器需要三相线电压同步,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脉冲触发器符号图如下所示4:图同步脉冲触发器子系统同步脉冲触发器封装后子系统符合如下:UaUbUcOutIn2Uct图同步脉冲触发器封装后子系统符号然后根据主电路的连接关系,建立起主电路的仿真模型;图中ln2为脉冲器开关信号,当脉冲器开关信号为“0”时,开放触发器;为“1”时,封锁触发器4;交流异步电动机的建模和参数设置在Power System 工具箱中有一个电机模块库,它包含了直流电机、异步电机、同步电机以及其他各种电机模块;其中,模块库中有两个异步电动机模型,一个是标幺值单位制PI unit 下的异步电动机模型,另一个是国际单位制SI unit 下的异步电动机模型,本设计中采用后者;国际单位制下的异步电动机模型符号如图所示2:图 异步电动机模块其电气连接和功能分别为:A,B,C :交流电机的定子电压输入端子;m T :电机负载输入端子,一般是加到电机轴上的机械负载;a,b,c:绕线式转子输出电压端子,一般短接,而在鼠笼式电机为此输出端子;m:电机信号输出端子,一般接电机测试信号分配器观测电机内部信号,或引出反馈信号2;异步电动机模型参数设置如下;双击异步电动机的模型,即了得到参数设置对话框;分别对其进行参数设置如下所示6:1绕组类型Rotor type: 转子类型列表框,分别可以将电机设置为绕线式Wound 和鼠笼式Squirrel -cage 两种类型;在本文中用鼠笼式Squirrel -cage 异步电动机;2参考坐标系Reference Frame :参考坐标列表框,可以选择转子坐标系Rotor 、静止坐标系Stationary 、同步旋转坐标系Synchronous;在本文中选择同步旋转坐标系Synchronous ; 3额定参数: 额定功率n P KW 取30KW,线电压n V V 为380V ,频率f 赫兹为50HZ ; 4定子电阻s R Statorohm 取Ω和漏感ls L H 取为;5转子电阻r R Rotorohm 为Ω和漏感lr L H 取为;其它设置为默认值电动机测试信号分配器的建模和参数设置电动机测试信号分配器模块的模型图如下所示:图Machines Measurement Demux电动机测试信号分配器模块双击电动机测试信号分配模块得图电机测试信号分配器参数设置图;图电动机测试信号分配器参数设置对话框及参数选择图中:ir_abc:转子电流ira,irb,irc;ir_qd:同步d-q坐标下的q轴下的转子电流ir_q和d轴下的转子电流ir_d;phir_qd:同步d-q坐标下的q轴下的转子磁通phir_q和d轴下的转子磁通phir_d;vr_qd:同步d-q坐标下的q轴下的转子电压vr_q和d轴下的转子电压vr_d;is_abc:定子电流isa,isb,isc;is_qd:同步d-q坐标下的q轴下的定子电流is_q和d轴下的定子电流is_d;phir_qd:同步d-q坐标下的q轴下的定子磁通phis_q和d轴下的定子磁通phis_d;vs_qd:同步d-q坐标下的q轴下的定子电压vs_q和d轴下的定子电压vs_d;wm :电机的转速wm ;Te :电机的机械转矩Te ;Thetam :电机转子角位移Thetam 1;控制电路的建模和参数设置交流调压系统的控制电路包括:给定环节、速度调节器、限幅器、速度反馈环节等;控制电路的有关参数设置如下:速度反馈系数设为20;调节器的参数设置分别是:ASR :30=pn K ;300=n τ;上下限幅为400-0;其它没做说明的为系统默认参数;给定环节的建模与参数设置在调压调速的仿真模型中有几个给定环节,它可以从图中的输入源模块组中选取“constant ”模块,模块路径为Simulink/Commonly Used Blocks 14;图 输入源模块组然后双击该模块的图标,打开参数设置对话框,在该系统中用到两个给定模块,分别将给定值Constent value 设置为-20以及0两个;其它设置为默认值;实际调速时,给定信号是在一定的范围内变化的,我们可以通过仿真实践,确定给定信号允许的变化范围4;速度调节器的建模和参数设置速度调节器通常采用PI 控制,比例和积分参数的设置要根据系统的仿真结果不断地变化改动,以得到最稳定的输出特性以及动态特性;限幅器、速度反馈环节也一样;具体方法是分别设置这些参数的一个较大和较小的值进行仿真,弄清它们对系统性能影响的趋。
基于MATLABSIMULINK的交流电机调速系统建模仿真综述
控制系统仿真姓名:班级:学号:成绩:2012年11月02日越优势被应用于各个行业。
随着电力电第一章引言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。
在相当长时期内展。
交流电动机自1985年出现后领域。
20世纪70年代后步取代大部分直流调速系统。
目前、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、4交流电动机环境使用性强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 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,VVVF (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。
基于MATLAB_Simulink的变频调速系统建模与仿真1
第 5 卷第 4 期
部绍明, 等: 基于 M A T L A B/ Simulink 的变频调速系统建模与仿真
61
子 Rr = 0. 816 , 转子侧电感 L lr = 0. 002 m H , 互 感 L m= 0. 069 m H ; 转动惯量 J = 0. 19 kg m; 逆
变器直流电源为 510 V . 定子绕组自感 L s = Lm + Lls = 0. 069+ 0. 002 = 0. 071 mH ; 转子 绕组自感 Lr = L m+ L lr = 0. 069+ 0. 002= 0. 071 mH ; 漏磁
图 4 滞环脉冲发生 器结构 Fig. 4 T he st ructur e of the hysteresis pulse generato r
转子磁链电流模型使用在两相同步旋转坐标 系上按转子磁链定向的磁链模型, 模型结构如图 5 所示.
图 5 转子磁链电流模型结构 Fig. 5 T he st ructur e of the cur rent model of f lux r oto r
1 调速系统的工作原理
参考相关文献资料[ 7~ 9] , 本变频调速系统( 带 转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制型) 采用如图 1 所示的电气原理图.
式中: i st 为定子转矩分量; r 为转子全磁链; L m 为 互感; np 为电机的极对数; L r 为转子绕组自感.
电路中的磁链调节器 ApsiR 用于对电动机定 子磁链的控制, 并设置了电流变换 和磁链观测环 节. AT R 和 ApsiR 的输出分别是定子电流的转矩 分量 i*st 和励磁分量 i*sm. i*st 和 i*sm经过 2r/ 3s 变换后得 到三相定子电流的给定值 i*sA , i*sB , i*sC , 并通过电流滞 环控制 PWM 逆变器控制电动机定子的三相电流.
matlabsimulink在电机中的仿真
模块化设计
集成优化工具
Simulink的模块化设计使得电机的各个部 分可以独立建模,然后通过模块的连接来 构建完整的系统模型,便于管理和修改。
Matlab提供了多种优化工具,可以对电机 控制系统进行优化设计,提高系统的性能 。
Matlab Simulink在电机仿真中的挑战
模型复杂度
电机的数学模型通常比较复杂,涉及大 量的非线性方程,这给模型的建立和仿
电机仿真的基本方法和流程
数学建模
根据电机的物理原理, 建立电机的数学模型, 包括电路方程、磁路 方程和运动方程等。
参数识别
根据实际电机的参数, 对数学模型进行参数 识别和调整,提高仿 真的准确性。
建立仿真模型
在Matlab Simulink 中建立电机的仿真模 型,包括电机本体和 控制系统的模型。
验证设计
通过仿真可以验证电机的设计是否满足要求, 提前发现并修正设计中的问题。
性能预测
仿真可以帮助预测电机的性能,包括转速、 转矩、效率等,为实际应用提供参考。
控制系统设计
通过仿真可以验证控制系统的设计是否正确, 提高控制系统的稳定性和精度。
降低成本
仿真可以减少试验次数,降低试验成本,缩 短研发周期。
04
案例分析
直流电机仿真案例
总结词
通过Simulink对直流电机进行仿真,可以模拟电机的启动、调速和制动等过程,为实际应用提供理论依据。
详细描述
在直流电机仿真案例中,我们使用Simulink的电机模块库来构建电机的数学模型。通过设置电机的参数,如电枢 电阻、电枢电感、励磁电阻和励磁电感等,可以模拟电机的动态行为。通过改变输入电压或电流,可以模拟电机 的启动、调速和制动等过程,并观察电机的响应特性。
Matlab simulink在交流调速系统仿真中的应用
第17卷第3期装甲兵工程学院学报V01.17No.31望12堡2旦!些型呈!墅呈墅l!塑坠垒!里冀望!堡些!望;!!!:Matlab/simulink在交流调速系统仿真中的应用颜南明马晓军臧克茂(装甲兵工程学院控制工程系,北京100072)摘要:为缩短交流调速系统开发周期,降低开发成本,利用Matlab/simulink对某永磁同步电动机调速系统进行了仿真分析,通过对仿真结果和实验结果进行比较,验证了基于Matlab/simulink环境的交流调速系统仿真不仅编程效率高、扩展性强,而且系统瞬态和稳态的仿真结果具有较高的置信度。
关键词:Matlab;交流调速:仿真中图分类号:TP391.9文献标识码:A0引言20世纪50年代末,电气传动领域中出现了~场重要的技术革命,即不能调速的交流电动机实现了速度控制,逐渐取代制造复杂、价格昂贵、维护麻烦的直流电动机。
随着电力电子器件的发展,以及现代控制技术向交流传动领域的渗透,从数百瓦的伺服系统到数百千瓦的大功率高速传动系统;从一般的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动,几乎都可采用交流调速传动。
由于交流调速不需要机械换向器并具有方便、节能的特点,使其在电气传动中地位越来越重要,应用也越来越广泛。
计算机技术和系统仿真技术的发展,使得仿真技术已经成为产品设计和开发的重要手段。
它不仅可为将要设计的系统进行方案论证和可行性分析打下基础,也能帮助设计人员建立系统模型、模型简化及验证,为分析系统运行状况、寻求最优控制策略提供理论依据。
笔者介绍了由Mathworks公司发行的适合交流调速系统仿真的Matlab/simulink软件,并以其为仿真平台,对一具体的永磁同步电动机调速系统进行了仿真和试验,比较后的结果说明,采用Matlab/simulink作为仿真平台,对将要设计的交流调速系统进行仿真和分析不仅编程简单,而且仿真精度高。
1软件介绍Matlab是Mathworks公司于1984年推出的一种使用简便的工程计算语言,目前己推出该语言的最新版本Matlab6.5,该软件以矩阵运算为基础,把计算、可视化、程序设计融合到了一个交互的收稿日期:2003-03-11作者简介:颜南明(1975-),男,湖南邵阳人,助教,博士研究生工作环境中。
利用MATLAB对交流电机调速系统进行建模和仿真
2 0 1 4年 O 2月
机 械 工 程 与 自 动 化
ME CH ANI CAL ENGI NEE RI NG & AUT( ) M ATI ON
No.1 Fe b.
文章编号 : 1 6 7 2 — 6 4 1 3 ( 2 0 1 4 ) 0 1 — 0 0 1 0 — 0 2
异步 电机 的机 械特 性方程 式 为 :
T 一 3 p 【 , 2 ^, P /
叫 [ ( R 十R : / s ) +( c J ; ( L +I 4 ) 。 ]‘
其中: T 为 电磁 转 矩 ; P 为 电机 极对 数 ; U 为 电机 定
利 用 MAT L AB对 交流 电机 调 速 系统 进 行建 模 和 仿 真 米
王 涛 ,刘 洋 ,左 月 明。
( 1 . 乌 兰察 布 职 业 学 院 机 电技 术 系. 内蒙 古 集 宁 0 1 2 0 0 0 ;2 . 山西 农 业 大 学 )
2 定子 调压调 速 系统仿 真模 型构建
子 相 电压 ; R 为定 子 每 相 电 阻 ; R: 为转 子 折 算 电阻 ; S
为转 差率 ; 为 电机 供 电 电源 角频 率 ; L 为定 子 每 相
漏感; L : 为转子 每相 漏感 。
由此 , 当转差 率 为 定值 时 , 电磁 转矩 与 电 机
实系统 的 运 行 过 程 和 状 态 进 行 数 字 化 模 拟 的技 术 。
抗值 。当铁 芯饱 和 时 , 交 流电抗 值较 小 , 所 以电机 定 子 所得 的电压值 就高 ; 当铁 芯不饱 和 时 , 交 流 电抗值 随 直 流励 磁 电流 的变化 而 改 变 , 从 而 定 子 电压 也 随其 发 生 变化 , 从 而达 到调 压调 速 的 目的 。 ( 3 )晶闸管调 压 。这种 方法 是采 用 3对 反并 联 的 晶闸管 或 3 个 双 向晶 闸管调 节 电机 定子 电压 。
基于MATLAB_SIMULINK交流电机调速系统的建模与仿真
第21卷 第3期 辽宁工程技术大学学报(自然科学版) 2002年 6月 Vol.21, No.3 Journal of Liaoning Technical University (Natural Science) Jun., 2002收稿日期:2001-06-03 作者简介:张庆新(1970-),男,河北省保定人,讲师,博士生。
本文编辑:杨瑞华文章编号:1008-0562(2002)03-0323-03基于MATLAB/SIMULINK交流电机调速系统的建模与仿真 张庆新1 , 刘光德2 , 王 颖1 (1 沈阳航空工业学院, 辽宁 沈阳 110034; 2 沈阳工业大学, 辽宁 沈阳 110023)摘 要:利用MATLAB/SIMULINK 构造交流电机调速系统仿真模型,仿真系统采用易扩展的模块化设计,并增设观察器、观察参数变化对系统的影响,该方法模型简单,可在线改变所有参数,并能方便地验证各种调速方案,据此选出高效的高速设计方案。
关键词:交流电机;调速系统;仿真 中图号:TM 32 文献标识码:A0 引 言 计算机仿真技术是现代科学研究和产品设计的新手段,特别是在采用电力半导体器件对电机进行分析研究中,计算机仿真技术显示出它的巨大优越性,MATLAB/SIMULINK 环境是一种优秀的系统仿真工具软件,使用它可以大大提高系统仿真和CAD的效率和可靠性,本文利用MATLAB/SIMULINK 构造了一个交流电机调速系统,并给出了仿真结果。
1 交流调速系统仿真模型 对如图1所示的交流调速系统,由于有大电容滤波,整流侧一般认为输出理想的直流电压,即在建立数学模型时,可以将图1所示的结构图等效为图2所示的结构形式,如果再对大功率开关器件(如IGBT)进行抽象,把上下两个桥臂的开关器件等效为如图3所示的电路图,即当 G ≤0时C=E2; 当G>0时C=E1。
这样,对整个系统进行数学建模时只需考虑异步电机模型及PWM控制技术在MATLAB/SIMULINK 中的实现即可。
基于MATLABSIMULINK交流变频调速系统的仿真研究
在本研究中,我们提出了一种基于MATLAB SIMULINK平台的交流电机调速系统 建模与仿真方法。该方法主要基于矢量控制原理,通过控制电机的定子电流和 转子磁场夹角来实现电机的速度控制和转矩控制。具体来说,我们首先根据交 流电机的物理模型,建立其数学模型。然后,使用MATLAB SIMULINK软件进行 仿真实验,并通过对仿真结果的分析和优化,最终实现了一个高性能的交流电 机调速系统。
总之,基于MATLABSimulink的变频调速系统建模与仿真是一种非常有效的研 究方法,对于深入理解变频调速技术、优化系统设计和提升系统性能具有重要 意义。随着科学技术的发展,相信未来变频调速技术将在更多领域得到应用和 发展。
随着电力电子技术和控制理论的不断发展,交流调速系统已经成为工业领域中 非常重要的组成部分。其中,双闭环SPWM变频调速系统因其具有优良的调速性 能和节能效果而得到了广泛的应用。本次演示旨在通过MATLABSimulink软件 对双闭环SPWM变频调速系统进行仿真研究,以期为相关领域的研究和应用提供 有益的参考。
总之,通过对变频调速系统的建模与仿真,我们可以更加深入地理解其工作原 理和性能表现。利用MATLABSimulink强大的仿真功能,我们可以方便地研究 各部分模型对系统性能的影响,并优化整体系统设计。这种方法为变频调速系 统的研究、设计和应用提供了有力的支持,有助于推动电力电子技术的发展和 工业控制领域的进步。
在仿真过程中,我们可以通过调整给定信号、系统参数和负载等条件,对双闭 环SPWM变频调速系统的稳态性能和动态性能进行全面的分析。其中,稳态性能 主要包括调速范围、静差率、调节精度等指标,而动态性能则包括响应时间、 超调量、振荡次数等指标。通过仿真结果,我们可以清楚地了解系统的性能表 现,并为实际应用提供有力的依据。
基于matlab simulink的异步电动机交流调速系统模型设计及仿真
………………………. …………. …………………山东农业大学 毕 业 论 文 基于Matlab/Simulink 的异步电动机交流调速系统模型设计及仿真 院 部 机械与电子工程学院 专业班级 电气工程及其自动化3班 届 次 20**届 学生姓名 学 号 指导教师 二0**年六月一日装订线……………….……. …………. …………. ………目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论 (1)1.1 研究目的及意义 (1)1.1.1 研究目的 (1)1.1.2 研究意义 (1)1.2 研究的背景 (1)1.3 国内外研究现状 (1)1.4 研究方法 (2)2 异步电动机的调速系统 (2)2.1 异步电动机调速系统的分类 (2)2.2 异步电机调速原理简介 (3)2.2.1 变极电动机 (3)2.2.2 变频调速 (3)2.2.3 转子串电阻调速 (3)2.2.4 调压调速 (3)2.3 各种异步电机调速的特点 (3)2.3.1 变极调速方法 (3)2.3.2 变频调速方法 (3)2.3.3 转子串电阻调速方法 (4)2.3.4 调压调速的方法 (4)3 异步电机调压调速模型设计 (4)3.1 异步电机调压调速的原理 (4)3.2 速度负反馈的交流调压调速系统 (5)3.3 调压调速系统的组成部分 (6)3.3.1 三相交流调压器 (6)3.3.2 同步脉冲触发器 (7)3.3.3 反馈环节 (7)4 三相交流调压调速系统的matlab仿真 (9)4.1 matlab简介 (9)4.2 Simulink库介绍 (9)4.3系统建模与仿真 (11)4.3.1 三相电源的建模及参数设置 (11)4.3.2 同步流脉冲触发器的建模与参数的设置 (12)4.3.3 三相交流调压电路的建模与参数设置及仿真 (13)4.3.4 电机模块的建模与参数设置 (14)4.3.5 转速反馈环节及给定环节的建模及参数设置 (15)4.4 带转速负反馈的三相交流调压调速系统的连接图 (15)4.5 仿真结果与分析 (15)5 结论 (19)参考文献 (21)致谢 (22)附录 (23)ContentsAbstract ........................................................................................ 错误!未定义书签。
matlab的simulink仿真建模举例
matlab的simulink仿真建模举例Matlab的Simulink仿真建模举例Simulink是Matlab的一个工具包,用于建模、仿真和分析动态系统。
它提供了一个可视化的环境,允许用户通过拖放模块来构建系统模型,并通过连接和配置这些模块来定义模型的行为。
Simulink是一种功能强大的仿真平台,可以用于解决各种不同类型的问题,从控制系统设计到数字信号处理,甚至是嵌入式系统开发。
在本文中,我们将通过一个简单的例子来介绍Simulink的基本概念和工作流程。
我们将使用Simulink来建立一个简单的电机速度控制系统,并进行仿真和分析。
第一步:打开Simulink首先,我们需要打开Matlab并进入Simulink工作环境。
在Matlab命令窗口中输入"simulink",将会打开Simulink的拓扑编辑器界面。
第二步:创建模型在拓扑编辑器界面的左侧,你可以看到各种不同类型的模块。
我们将使用这些模块来构建我们的电机速度控制系统。
首先,我们添加一个连续模块,代表电机本身。
在模块库中选择Continuous中的Transfer Fcn,拖动到编辑器界面中。
接下来,我们添加一个用于控制电机速度的控制器模块。
在模块库中选择Discrete中的Transfer Fcn,拖动到编辑器界面中。
然后,我们需要添加一个用于输入参考速度的信号源模块。
在模块库中选择Sources中的Step,拖动到编辑器界面中。
最后,我们添加一个用于显示模拟结果的作用模块。
在模块库中选择Sinks 中的To Workspace,拖动到编辑器界面中。
第三步:连接模块现在,我们需要将这些模块连接起来以定义模型的行为。
首先,将Step模块的输出端口与Transfer Fcn模块的输入端口相连。
然后,将Transfer Fcn模块的输出端口与Transfer Fcn模块的输入端口相连。
接下来,将Transfer Fcn模块的输出端口与To Workspace模块的输入端口相连。
基于MATLABSIMULINK的交流电机调速系统建模与仿真
基于MATLAB/SIMULINK的交流电机调速系统建模与仿真摘要:根据直接转矩控制原理,利用MATLAB/SIMULINK软件构造一个交流电机调速系统。
该系统能够很好地模拟真实系统,实现高效的调速系统设计。
仿真结果证明了该方法的有效性。
关键词:交流电机,直接转矩控制,仿真,MATLAB/SIMULINKl 引言计算机仿真技术是现代科学研究和产品设计的新手段。
特别是在采用电力半导体器件对电机进行交流调速的分析研究中,计算机仿真技术将显示出它的巨大优越性。
MATLAB/SIMULINK 环境是一种优秀的系统仿真工具软件,使用它可以大大提高系统仿真和CAD的效率和可靠性。
目前,关于用MATLABf3IMULINK构造电机模型的文章有过报道,本文利用MATLAB/SIMULINK 构造的是一个交流电机调速系统,并给出仿真结果。
2 SIMULINK环境下电机模型的实现2.1 数学模型交流电机在两相静止坐标系下的数学模型为(1)写成状态方程形式为(2)式中,分别为两相静止坐标系下定子、转子电压和电流;分别为电机的定子、转子自感和互感;分别为电机的定子、转子电阻;为电机的转速。
2.2 SIMULINK模型式(2)中的A阵可分解为式中:对应于图1中的。
在每次积分计算时,先算出BU和AX,这样State—Space模块就可以对电流状态方程进行积分求解了。
同时也解决了非定常微分方程的求解问题。
含Demux模块的部分是对磁链的计算。
Fcn,Gain模块完成式(4)的计算用SIMULINK 构造电机模型如图l所示。
3 调速系统和仿真结果电机模型实现后就可以构造调速系统了。
在本文中,采用直接转矩控制方法。
调速系统框图构造如图2所示。
图中PID 块为转速调节器,为定子磁链,绐定=1.2Wb。
PWM块为PWM逆变器,其输人为电压开关信号,输出为三相电压。
DSRCONTROL块为用MATLAB语言编程实现的直接转矩控制程序。
基于matlab simulink的异步电动机交流调速系统模型设计及仿真
………………………. …………. …………………山东农业大学 毕 业 论 文 基于Matlab/Simulink 的异步电动机交流调速系统模型设计及仿真 院 部 机械与电子工程学院 专业班级 电气工程及其自动化3班 届 次 20**届 学生姓名 学 号 指导教师 二0**年六月一日装订线……………….……. …………. …………. ………目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论 (1)1.1 研究目的及意义 (1)1.1.1 研究目的 (1)1.1.2 研究意义 (1)1.2 研究的背景 (1)1.3 国内外研究现状 (1)1.4 研究方法 (2)2 异步电动机的调速系统 (2)2.1 异步电动机调速系统的分类 (2)2.2 异步电机调速原理简介 (3)2.2.1 变极电动机 (3)2.2.2 变频调速 (3)2.2.3 转子串电阻调速 (3)2.2.4 调压调速 (3)2.3 各种异步电机调速的特点 (3)2.3.1 变极调速方法 (3)2.3.2 变频调速方法 (3)2.3.3 转子串电阻调速方法 (4)2.3.4 调压调速的方法 (4)3 异步电机调压调速模型设计 (4)3.1 异步电机调压调速的原理 (4)3.2 速度负反馈的交流调压调速系统 (5)3.3 调压调速系统的组成部分 (6)3.3.1 三相交流调压器 (6)3.3.2 同步脉冲触发器 (7)3.3.3 反馈环节 (7)4 三相交流调压调速系统的matlab仿真 (9)4.1 matlab简介 (9)4.2 Simulink库介绍 (9)4.3系统建模与仿真 (11)4.3.1 三相电源的建模及参数设置 (11)4.3.2 同步流脉冲触发器的建模与参数的设置 (12)4.3.3 三相交流调压电路的建模与参数设置及仿真 (13)4.3.4 电机模块的建模与参数设置 (14)4.3.5 转速反馈环节及给定环节的建模及参数设置 (15)4.4 带转速负反馈的三相交流调压调速系统的连接图 (15)4.5 仿真结果与分析 (15)5 结论 (19)参考文献 (21)致谢 (22)附录 (23)ContentsAbstract ........................................................................................ 错误!未定义书签。
基于MATLAB_SIMULINK三相交流异步电机SPWM控制调速的仿真与研究
基于MATLAB_SIMULINK实现三相交流异步电机SPWM调速控制的仿真与研究课程名称:电气工程课程设计基于MATLAB_SIMULINK三相交流异步电机SPWM控制调速的仿真与研究一.PWM控制的基本原理在采样控制理论中有一个重要的结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲在具有惯性的环节上,其效果基本相同。
冲量即指窄脉冲的面积。
这里所说的效果基本相同,是指环节的输出响应波形基本相同。
如果把各输出波形用傅里叶变换分析,则其低频段非常相近,仅在高频段略有差异。
当窄脉冲的形状不同,而它们的面积相等,那么,当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时,其输出响应基本相同。
当窄脉冲变为单位冲击函数时,环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。
脉冲越窄,各脉冲响应波形的差异也越小。
如果周期性的施加脉冲,则响应也是周期的,用傅里叶级数分解后将可看出各波形在低频段的特性将非常接近,仅在高频段有所不同。
上述原理即称之为面积等效原理,它是PWM控制技术的重要理论基础。
下面分析如何使用一系列等副不等宽的脉冲来代替一个正弦波。
将正弦半波分成N等份,就可以把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。
这些脉冲宽度相等,都等于π/N,但幅值不等,且脉冲顶部不是水平直线,而是曲线,各脉冲的幅值按正弦规律变化。
如果把上述脉冲序列利用相同数量的等副而不等宽的矩形脉冲代替,使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合,且使矩形脉冲和相应的正弦半波部分面积相等,而得到一系列的脉冲序列,即PWM波形。
根据面积等效原理,PWM波形和正弦半波是等效的。
对于正弦半波的负半周,也可以用同样的方法得到PWM波形。
像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形,也称之为SPWM(Sinusoidal PWM)波形。
二.电压型PWM逆变电路及其控制方法本实验采用调制法,即把希望输出的波形(正弦波)作为调制信号,把接受调制的信号作为载波,通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。
基于MATLABSimulink交流电机变频调速系统仿真(正文)
摘要 (I)ABSTRACT (II)绪论 (1)1交流调速技术发展概况 (2)1.1电力电子器件 (2)1.2变流技术 (3)1.3变频调速的控制方式 (3)1.4MATLAB/Simulink仿真介绍 (4)2逆变电路的建模与仿真 (5)2.1绝缘栅双极型晶体管 (5)2.2逆变电路的设计 ........................................................... 错误!未定义书签。
2.2.1三相桥式逆变电路的基本原理 (6)2.2.2正弦脉冲宽度调制(SPWM)基本原理 (6)2.2.3三相SPWM逆变器的建模与仿真 (7)3变频器的设计仿真 (10)3.1变频器的基本概念 (10)3.2交-直-交变频电路的建模与仿真 (11)4矢量控制调速系统建模与仿真 (14)4.1 建立异步电机模型 (14)4.1.1 坐标变换 (14)4.1.2 建立dq坐标系下电机模型 (15)4.2 异步电动机按转子磁链定向的矢量控制 (17)4.2.1按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系状态方程 (17)4.2.2 异步电动机模型仿真验证 (19)4.2.3 按转子磁链定向矢量控制的基本思想和特点 (20)4.3 按转子磁链定向矢量控制的方式 (22)4.3.1 电路闭环控制方式 (22)4.3.2 转矩控制方式 (22)4.4 矢量控制调速系统仿真 (23)4.4.1 仿真调试与参数设定 (24)4.4.2 仿真结果与分析 (25)致谢 (28)参考文献.................................................................................... 错误!未定义书签。
异步电动机采用变频调速技术,具有调速范围广,调速时因转差功率不变而无附加能量损失的优点,因此,变频调速是一种性能优良的高效调速方式。
基于MATLABSIMULINK的交流电机调速系统建模仿真
控制系统仿真姓名:__________________________班级:_______________________学号:____________________成绩:_________________________________ 2012年11月02日第三章直接转矩控制系统设计3.1直接转矩控制系统的组成:直接转矩控制充分利用电压型逆变器的开关特点,通过不断变化电压状态使定子磁链轨迹为六边形或近似圆形,并通过零电压矢量的穿插调节来改变转差频率,以控制电机的转矩与磁链的变化,从而控制异步电动机的磁链和转矩按要求快速变化。
直接转矩控制系统调速的主题就是在于调节电动机的磁链和转矩的变化,电动机的输出转矩完全是按照输入转矩的设定。
(1)磁链、转矩观测器:由电流、电压的采样值经过3/2变化按照电机数学模型计算出异步电机的定子磁链和转矩;(2)磁链调节器:为了控制定子磁链在给定值的附近变化,直接转矩控制系统采用两点式控制,输出磁链控制信号;(3)转矩调节器:利用转速调节器输出的给定转矩,也是采用两点式滞环控制,输出转矩控制信号,直接控制电机的转矩;(4)开关状态选择单元:根据定子磁链和转矩的控制信号以及定子磁链位置,输出合适的开关状态S abc来控制逆变器驱动电机稳定运行。
直接转矩控制系统是建立在静止定子坐标系下的,首先异步电机定子相电压、相电流的采样值经3/2坐标变换,得到:• 一一:坐标下的分量,再按照异步电机的定子磁链和转矩模型计算出实际转矩T e和定子磁链’ s的两个分量's,这样就可以计算出定子磁链幅值s i和磁链位置户n|。
将测量得到实际转速和给定转速输入到转速调节器,转速调节器根据给定转速和实际转速的差值输出给定转矩T;。
将给定转矩T;和*1*T送入转矩调节器,得到转矩控制信号F t,磁链调节器根据给定子磁链幅值p s|和转子磁链幅值卜s |的差值输出磁链控制信号F o最后开关状态选择单元根据磁链控制信号F、转矩控制信号F t和磁链位置户n I,查逆变器开关状态表,输出正确合理的开关状态来控制逆变器驱动电机正确运行。
基于MATLAB的交流调速系统仿真建模与调试
专业班级实验日期 2019.01.07 姓名学号实验组号指导教师实验名称基于MATLAB的交流调速系统仿真建模与调试(报告内容包括:实验目的、实验设备及器材、实验步骤、实验数据、图标及曲线处理、实验小结等)一、实验目的:1.通过实验教学加深学生的基本概念,掌握异步电机的交流调速特点,使学生通过系统进行物理模拟,对基于转速负反馈控制异步电机调压调速系统仿真实验,以提高学生的感性认识及对交流调速仿真过程的分析能力。
Simulink 软件包的认识和学习,掌握由电路原理图转换成仿真电路的基本知识。
2.本实验要求学生掌握Simulink中电力系统常用元件的模型及使用方法,并了解建模的基本过程,以及完成模型的仿真,结合短路相关的理论知识对仿真结果加以分析。
二、实验设备及器材电脑一台,分组进行仿真。
三、实验步骤1.仿真模型的建立①打开模型编辑窗口;②复制相关模块;③修改模块参数;④模块连接;2.仿真模型的运行①仿真过程的启动;②仿真参数的设置;③仿真模型的调试3.观察、记录仿真波形曲线,并对的结果进行分析四、实验数据、图标及曲线处理1. 基于转速负反馈控制异步电机调压调速系统仿真实验(1) 利用Matlab Simulink建立如下图所示“三相调压器”仿真模型电路图设计及仿真参数设置。
“三相调压器”仿真模型电路图设计仿真参数设置触发脉冲的顺序为V1-V2-V3-V4-V5-V6,其中V1-V3-V5之间和V4-V6-V2之间互差120度,V1-V4之间、V3-V6之间、V5-V2之间互差180度。
(2) 利用Matlab Simulink建立如下图所示“脉冲触发器”仿真模型电路图设计及仿真参数设置。
“脉冲触发器”仿真模型电路图设计仿真参数设置(3) 异步电机调压调速系统仿真模型设计。
异步电机调压调速系统仿真模型设计(4) 通过改变转速调节器(PID Controlller)参数(Kp, Ki, Kt),观察并记录其对转速变化的影响,试总结说明。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
控制系统仿真姓名:班级:学号:成绩: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4.2电压和电流的坐标变换模块电压的三相坐标/两相坐标的变换关系如式(4-3 )所示:ds qs 111222333022a b c u u u u u ⎡⎤⎡⎤--⎢⎥⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥-⎣⎦⎢⎥⎣⎦(4-3) 电压2/3的变换关系:ds qs 102133221322a b c u u u u u ⎡⎤⎢⎥⎡⎤⎢⎥⎡⎤⎢⎥⎢⎥=-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥--⎢⎥⎣⎦图4-2 电压坐标3/2变换仿真模块图表4-3 电流2/3坐标变换仿真模块4.3 磁链、转矩控制模型磁链控制采用两点式调节、转矩控制采用三点式调节图4-4 磁链控制器图4-5 转矩控制器4.4磁链幅值计算与区域判定模型图4-6 磁链幅值,磁链当前扇区判断模型磁链幅值计算采用matlab函数,其表达式为Sqrt(u(1) ∧2+u(2) ∧2)。
磁链当前所在扇区判定选用simulink的s一Funetion来实现。
4.3 异步电动机直接转矩控制系统的仿真参数与结果仿真电机参数如下:额定功率为2.354KW,额定电压为380V,额定转速为1500r/min;转动惯量为0.09kg·mZ,极对数为2,定子电阻为0.54。
,转子电阻为0.79。
,定子电感为2.smH,转子电感为2.smH,定转子互感为66.24mH,频率为工频50赫兹,取摩擦系数为0。
系统给定值如下:给定磁链为0.5,给定转矩为30N·M,负载转矩为0N*M,给定直流电压为308V;给定磁链容差为0.01Wb,给定转矩容差为0.1N*M。
图4-8 直接转矩控制系统的磁链轨迹图4-9 转矩响应波形图4-10直接转矩控制系统的三相定子电流波形图4-11直接转矩控制系统的定子电压波形图4-12电动机相电压波形通过图可以看出,采用直接转矩控制时,电机运行平稳,输出转矩脉动小,电机启动快,系统的转矩响应都比较快。
同时转矩的脉动从波形上看频率很高,对转矩变化跟随比较好。
说明直接转矩控制系统的动态和稳态时的性能优良。
[1] 薛定宇控制系统计算机辅助设计—MATLAB语言[M]北京清华大学出版社1998[2] 吴安顺最新实用交流调速系统[M] 北京机械工业出版社1999[3] 胡崇岳现代交流调速技术[M] 北京机械工业出版社2000[4] 张少军杜金城交流调速原理及应用[M] 北京中国电力出版社2003[5] 林伟臧小惠交流调压电路仿真与研究[J] 中国期刊网200134(12A) 134-138[6] 肖倩华廖世海现代交流调速技术的应用和发展[J] 电气传动2001(4)7-9第五章总结与展望直接转矩控制系统是通过直接控制逆变器的开关状态进而控制电动机的电压状态,从而控制电动机的磁链和转矩,使磁链轨迹近似为圆形。
直接转矩控制系统的结构简单,性能良好,应用范围较大,具有很大的实用价值。
将现代控制理论应用于直接转矩控制技术的研究,无疑是这种新技术的发展趋势,也是当今值得深入研究的课题。
在做设计的时候我对异步电机数学模型做了一个简单的了解,了解了定子转子的磁链的模型,查阅了大量的资料了解了直接转矩控制系统在运动控制中的优点与缺点。
我利用Matlab软件对直接转矩控制系统进行仿真,验证了直接转矩控制理论的正确性。