毕业设计-基于MATLAB-SIMULINK的交流电动机调速系统仿真

第1页1绪论1.1课题研究背景及目的1.1.1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第2页电能量转换效率；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[1][2]。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[6][7]。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[9][10]。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第3页1.3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。1.4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。第4页2交流调速系统原理与特性2.1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(60rpsfn（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/601rpfn（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。第5页(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。2.2交流异步电动机调压调速系统2.2.1三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2.1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2.1三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第6页相位关系。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VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6、VT1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。2.2.2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//33llMLLsRRsRpUsRIPPT（2-3）其中p——电动机的极对数1U、1——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2.2所示。在带恒转矩负载LT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2.2中的D，E，F点。风机类负载特性100ABCDETNU17.0NU15.0NU11nnSSLTmTF图2.2异步电动机在不同定子电压时的机械特性第7页所谓调压调速，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2.3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[1][4]。ABC1nLTTNU1NU17.0NU15.0S001n图2.3交流力矩电机在不同定子电压时的机械特性2.2.3闭环控制的调压调速系统2.2.3.1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2.4（a）是带转速负反馈的闭环调压调速系统原理图，图2.4（b）是相应的调速系统静特性。如果系统带负载LT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]。第8页