第八章 交流调速系统的Matlab仿真

外置调制波的SPWM仿真结果

从仿真结果来看，内置与外设的正弦波大致相同， 这是由于两者调制波设置参数有区别不大造成的。 随着调制波频率的变化，输出电压也随之变化， 从而保证了电压和频率之比恒定。转速也跟着变 化。
电流滞环跟踪控制调速系统仿真 电流跟踪滞环控制就是按照给定的电流信号， 通过电机定子电流与给定正弦波电流信号相比 较，当二者偏差超过一定值时，改变开关器件 的通断，使逆变器的输出电流增大或减小，电 流波形作锯齿波变化，将输出电流与给定电流 的偏差在一定范围内，电机定子电流接近正弦 波。
2.交流电动机测量单元模块 交流电动机测量单元模块路 径为 SimPowerSystems/Machine s/Machines Measurement Demux,其参数设置对话框 如图8-2所示。

3.函数记录仪模块 函数记录仪模块路径为Simulink/Sinks/XY Graph，它是用来记录X轴和Y轴数值的大小， 坐标上下限可调。此模块常用于交流电机定、 转子磁链观测。
交流调压器仿真模型及封装后子系统
控制电路仿真模型的建立与参数设置
控制电路是采用给定信号模块、调解器模块、信 号比较环节模块，6脉冲同步触发器装置等组成。 同步6脉冲触发装置是采用6脉冲触发器和三个电 压测量模块封装而成，封装方法及参数设置同直 流调速系统相同；转速调节器设置比例放大系数 Kp为10，积分放大系数Ki为5。上下限幅为[10 10]。 对于反馈环节，取两个Gain模块，一个参数设置 为30/3.14，表示把电机的角速度转化为转速， 另一个参数设置为0.01，表示系统转速反馈系数 为0.01。 仿真选择算法为ode23tb，仿真开始时间为0，结 束时间为5.0s。
交流调压器的建模与参数设置
取六个晶闸管模块（路径为 SimPowerSystems/Power Electronics/Thyristor）， 模块符号名称依此改写为“1”、 “2”、….“6”。按照图8-4(a)排列，为了避免 在把这些模块在封装时多出的那些测量端口，采 用Terminator模块（路径： Simulink/Sinks/Terminator），封锁各晶闸管模块 的“E”端（测量端），在模型的输出端口分别 标上“a”、“b”、“c”，模型的输入端口分 别标上“Ua”、“Ub”、“Uc”，晶闸管参数取 默认值。取Demux模块，参数设置为“6”，表 明有6个输出，按照图8-4(a)中联接。


在电机设置的对话框中，Rotor type是绕组类型列 表框：分绕线式（Wound）和鼠笼式（Squirrelcage）两种。Reference frame是参考坐标系列表 框，有静止坐标系（Stationary），转子坐标系 （Rotor）和同步旋转坐标系（Synchronous）三 种。额定参数：额定功率（单位：W），线电压 （单位：V），频率f（单位：Hz）。定子绕组 （Stator）参数有：定子电阻 （单位：Ohms）和 定子漏感 （单位：H），转子绕组（Rotor）参数 有：转子电阻 （单位：Ohms）和转子漏感 （单 位：H），互感（Mutual inductance） （单位： H），转动惯量（Inertia）J（单位 ），摩擦系数 （friction factor）、极对数（pairs of poles）P等。

仿真结果
电压空间矢量调速系统仿真
电压空间矢量调速系统是把电动机和逆变器看成 一个整体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器 工作，从理论上说，就调速性能而言，应该比 SPWM和电流滞环控制更好些。本次仿真只是初 步说明在一个周期内逆变器开关工作方式，使得 电动机定子磁链为正六边形。 电压空间矢量调速系统仿真有着独特的特点。由 于本次仿真采用了Matlab Fcn模块，所以要编制 一个m文件。首先要建立一个新文件夹，放入电 压空间矢量调速系统仿真模型，再把编制的.m文 件，也放入此文件夹中，才可能使仿真顺利进行。
SPWM调速系统仿真模型
1.主电路模型的建立和参数设置
主电路是由交流异步电 动机本体模块、逆变 器模块Universal Bridge（路径为 SimPowerSystems/Po wer Electronics/Universal Bridge）、电机测量单 元模块、电源和负载 等组成。逆变器模块 参数设置如图8-7所示
8.2变频调速系统的仿真

8.2变频调速系统的仿真 SPWM工作原理就是以期望的正弦波作为调 制波，以等腰三角波作为载波，两者相交的交 点确定逆变器开关器件的导通，从而获得一系 列等幅不等宽的矩形波，按照波形面积等效原 则，这个一系列矩形波就和正弦波等效。改变 调制波的频率和波幅就能达到同时变频变压的 调速的要求。

滞环模块参数设置
电流跟踪控制器仿真模型及封装后子系统
给定信号模型的建立与参数设置 给定信号为三个正弦波信号，取三个正弦波信号 模块Sine Wave，参数设置：正弦波幅值为50， 频率为314，初始相位角为0。另外两个正弦波模 块幅值、频率相同，但初始相位角依分别为 12.56/3、6.28/3。把三个正弦波信号用Mux模 块合成一个三维矢量信号加入电流跟踪控制器模 型一个输入端。 仿真选择算法为ode23tb，仿真开始时间为0，结 束时间为2.0s。其它为默认值。
第八章 交流调速系统的MATLAB仿真

内容提要 8.1调压调速系统的仿真 8.2变频调速系统的仿真 8.3电流滞环跟踪控制调速系统仿真 8.4电压空间矢量调速系统仿真 8.5转速开环恒压频比的交流调速系统仿真 8.6转速、磁链闭环控制的矢量控制系统仿真 8.7绕线转子异步电动机双馈调速系统的仿真
8.1.1交流调速系统仿真中常用模块简介
1.交流电动机模块 在Matlab模块库中，交流异步电动 机有两个模块，一个是使用标幺值 单位制，路径为 SimPowerSystems/Machines/Asynch ronous Machine pu Units，另一个是 国际单位制，路径为 SimPowerSystems/Machines/Asynch ronous Machine SI Units，前者输出 信号的单位均为标幺值，后者输出 信号的单位均为国际单位制。 异步电动机的参数通过电动机模块 的参数对话框来输入。对话框如图 8-1所示。

电流跟踪滞环调速系统仿真模型
主电路模型建立与参数设置

主电路模型是由异步电动机本体模块、电机测量 模块、逆变器模块、直流电源等组成。电动机模 块和负载模块与上节相同。直流电源参数改为 780V。在电机测量单元模块定子电流输出上，采 用Demux模块把三相定子合成信号分解，目的是 为了检测一相电流波形。然后再用Mux模块把三 个定子电流信号合成输入到电流滞环控制器；逆 变器是选用Universal bridge ，在参数设置的对话 框中桥臂数Number of bridge arms取3，电力电子 器件取IGBT/Diodes。其它为参数默认值；负载转 矩取5。
2.控制电路建模与参数设置
电流滞环跟踪控制器模型是由Sum模块、Relay模 块和Data Type Conversion等模块组成。 Sum模块参数设置：把模块形状改成矩形（形状 改变对仿真无任何影响），在参数对话框上把信 号的相互作用写成“- +”即可。 Relay具有继电性质，其路径为： Simulink/Discontinuities/Relay。参数设置主要是 环宽的选择，取大可能造成电流波形误差较大， 取小虽然使得输出电流跟踪给定的效果更好，但 也会使得开关频率增大，开关的损耗增加。本次 仿真滞环模块参数设置如图8-14所示：

电压空间矢量交流调速系统仿真模型

它包括交流电动机本体模块，电机测量单元模 块，负载，逆变器和直流电源等。其中，电压 空间矢量控制器与其他交流调速系统仿真不同。
主电路模型的建立与仿真参数设置。

主电路主要由电动机本体模块、电机测量单元模 块、逆变器和电源组成。电机测量模块参数根据 仿真需要进行设置，本次仿真是为了观测定子磁 链波形，故只选择了定子磁链物理量。电源模块 参数设置为780V，电机本体参数设置有一些特点。 在第六章对于电压空间矢量控制分析中已经指出， 当忽略定子电阻时，定子三相绕组合成电压方向 就与磁链方向正交。为了说明电压空间矢量调速 系统的意义，故把交流异步电动机定子绕组的电 阻取为零，其它参数如图8-17所示。逆变器也是 选用Universal bridge ，在参数设置的对话框中桥 臂数Number of bridge arms取3，电力电子器件取 理想开关器件Ideal Switches。其它为参数默认值； 交流电动机的负载取1。

仿真选择算法为ode23tb，仿真开始时间为0， 结束时间为5.0s。
从仿真结果看，在电机转速上升过程中，电机定子电流较大，当电机转速达到稳态后， 电机电流也跟着稳定下来。
SPW外置波调速系统仿真。
SPWM外置调制波的仿真模型
。从仿真模型上看，主电路与内置调制波控制调速系统 相同，但在控制电路中，在Discrete PWM Generator模 块参数设置上，把此对话框里的“Internal generation of modulating signal(s)”前面复选框的“√”去掉，则 控制器就有了输入端，取正弦波信号模块Sine Wave （路径为Simulink/Sources/Sine Wave）,参数设置：正 弦波幅值为0.8，频率为314rad/sec（50Hz），初始相 位角为0 rad。另外两个正弦波模块幅值、频率相同， 但要把初始相位角依此改为4*3.14/3、2*3.14/3即可。 注意：正弦波信号模块频率的单位是rad/sec，也即通 常所说的 ，它与频率单位为Hz的关系为 2f，初始相 位角单位是rad,也即通常所说的弧度单位。 再取Mux模块，路径为Simulink/Signal Routing/Mux， 参数设置为3，表示有3个输入，按照图8-10连接即可。

单闭环交流调压调速系统的建模
图8-3交流电动机调压调速仿真模型
1系统的建模与模型参数设置
1）主电路建模与参数设置 主电路是由三相对称电源、晶闸管组成的三相 交流调压器、交流异步电动机、电机测量单元、 负载等部分组成。 三相电源建模与参数设置与直流调速系统相 同。交流电动机模块采用国际制，参数设置：绕 组类型取鼠笼型，线电压取380V,频率取50Hz。 其它参数是电机本体模块参数的默认值。电机测 量单元模块参数设置：电机类型取异步电动机， 在定子电流、转子转速和电磁转矩选项前面打 “√”，表明只观测这些物理量。电机负载为20。
2.控制电路建模与参数设置

在Matlab库中，有现成 的SPWM模块，其模块 名为Discrete PWM Generator。模块路径 为 SimPowerSystems/Extr a Library/Discrete Control Blocks/Discrete PWM Generator。设置 参数如图8-8所示。从 参数对话框中可以看出 载波频率可调。

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仿真结果看，在转速从零上升过程中，电机电 流较大，到电机转速稳定后，电机电流也保持 不变。电机起动阶段，定子磁链波动较大，稳 态后，定子磁链是个圆形
初学者在交流调速系统中仿真中，往往会出现 问题有：开始仿真时候软件有时会提示：“Your model has no measurement block”,从而使仿真 无法进行下去。为了避免这种情况发生，可以在 模型中加入Multimeter模块（路径为： SimPowerSystems/Measurements/Multimeter）， 这样就能够使仿真顺利进行；第二种情况，仿真 结果转速为负值，这是因为电机的电磁转矩小于 负载转矩，需要重新调整电机本体或其它环节参 数。直流调速系统仿真时，如果电磁转矩小于负 载转矩，转速降到零后，仿真就会中止。这也是 交流调速系统仿真和直流调速系统仿真不同的地 方。