交直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真

第1章緒論我們從電力拖動(dòng)的發(fā)展過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，交、直流兩大調(diào)速系統(tǒng)一直并存于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，雖然由于各個(gè)時(shí)期科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得它們所處的地位有所不同，但它們始終是隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著電力電子元器件的發(fā)展而在相互競(jìng)爭(zhēng)。1.1直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)期，由于直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)良調(diào)速性能，在可逆、可調(diào)速與高精度、寬調(diào)速范圍的電力拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，幾乎都是采用直流調(diào)速系統(tǒng)。然而由于直流電動(dòng)機(jī)其有機(jī)械式換向器這一致命的弱點(diǎn)，致使直流電動(dòng)機(jī)制造成本高、價(jià)格昂貴、維護(hù)麻煩、使用環(huán)境受到限制，其自身結(jié)構(gòu)也約束了單臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，功率上限，從而給直流傳動(dòng)的應(yīng)用帶來(lái)了一系列的限制。1.2交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)相對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，交流電動(dòng)機(jī)特別是鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，堅(jiān)固耐用，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，慣性小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，以及易于向高壓、高速和大功率方向發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)。因此，近幾十年以來(lái)，不少國(guó)家都在致力于交流調(diào)速系統(tǒng)的研究，用沒(méi)有換向器的交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速來(lái)取代直流電動(dòng)機(jī)，突破它的限制。隨著電力電子器件，大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論向交流電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的滲透，為交流調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究進(jìn)一步創(chuàng)造了有利的條件。諸如交流電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速、各種類型的變頻調(diào)速，特別是矢量控制技術(shù)的應(yīng)用，使得交流調(diào)速系統(tǒng)逐步具備了寬的調(diào)速范圍、較高的穩(wěn)速精度、快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及在四象限作可逆運(yùn)行等良好的技術(shù)性能。現(xiàn)在從數(shù)百瓦的伺服系統(tǒng)到數(shù)百千瓦的特大功率高速傳動(dòng)系統(tǒng)，從一般要求的小范圍調(diào)速傳動(dòng)到高精度、快響應(yīng)、大范圍的調(diào)速傳動(dòng)，從單機(jī)傳動(dòng)到多機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，已幾乎都可采用交流調(diào)速傳動(dòng)。交流調(diào)速傳動(dòng)的客觀發(fā)展趨勢(shì)已表明，它完全可以和直流傳動(dòng)相媲美、相抗衡，并有取代的趨勢(shì)。第2章MATLAB和Simulink的簡(jiǎn)介2.1對(duì)Matlab軟件的了解MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix

Laboratory）的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。

MATLAB是由美國(guó)mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。2.2對(duì)Simulink的認(rèn)識(shí)Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無(wú)需大量書(shū)寫(xiě)程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，

是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI)

，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。

Simulink是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫(kù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。

構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問(wèn)MATLAB大量的工具來(lái)進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。2.3軟件的特點(diǎn)①豐富的可擴(kuò)充的預(yù)定義模塊庫(kù)。②交互式的圖形編輯器來(lái)組合和管理直觀的模塊圖。

③以設(shè)計(jì)功能的層次性來(lái)分割模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)的管理。④通過(guò)Model

Explorer導(dǎo)航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號(hào)、參數(shù)、屬性，生成模型代碼。

⑤提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫(xiě)代碼集成。

⑥使用Embedded

MATLAB?模塊在Simulink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用MATLAB算法。

⑦使用定步長(zhǎng)或變步長(zhǎng)運(yùn)行仿真，根據(jù)仿真模式來(lái)決定以解釋性的方式運(yùn)行或以編譯C代碼的形式來(lái)運(yùn)行模型。

⑧圖形化的調(diào)試器和剖析器來(lái)檢查仿真結(jié)果，診斷設(shè)計(jì)的性能和異常行為。⑨可訪問(wèn)MATLAB從而對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析與可視化，定制建模環(huán)境，定義信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)。

⑩模型分析和診斷工具來(lái)保證模型的一致性，確定模型中的錯(cuò)誤。第3章直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)3．1晶閘管直流調(diào)速參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)由整流變壓器、晶閘管整流調(diào)速裝置、平波電抗器、電動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)住等組成。在本設(shè)計(jì)中，整流裝置的主電路為三相橋式電路，控制電路可直接由給定電壓作為觸發(fā)器的移相控制電壓，改變的大小即可改變控制角，從而獲得可調(diào)的直流電壓，以滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)系統(tǒng)的組成原理如圖3-1所示。圖3-1晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖3.1.1實(shí)驗(yàn)仿真晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖如圖3-1所示。該系統(tǒng)由給定信號(hào)、同步脈沖觸發(fā)器、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)等部分組成。圖3-2是采用面向電氣原理圖方法構(gòu)成的晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。下面介紹各部分建模與常數(shù)設(shè)置過(guò)程。圖3-2晶閘管開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型3.1.2系統(tǒng)的建模和模型參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)的建模包括主電路的建模和控制電路的建模兩部分。（1）主電路的建模和參數(shù)設(shè)置由圖3-2可見(jiàn)，開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路由三相對(duì)稱交流電壓源、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)等部分組成。由于同步脈沖觸發(fā)器與晶閘管整流橋不可分割的兩個(gè)環(huán)節(jié)，通常作為一個(gè)組合體來(lái)討論，所以將觸發(fā)器歸到主電路進(jìn)行建模。①三相對(duì)稱交流電壓源的建模和參數(shù)設(shè)置。首先從電源模塊中選取一個(gè)交流電壓源模塊，再用復(fù)制的方法得到三相電源的另兩個(gè)電壓源模塊，并用模塊標(biāo)題名稱修改方法將模塊標(biāo)簽分別改為“A相”、“B相”、“C相”，然后從連接器模塊中選取“Ground”元件和“BusBar”元件，按圖3-1主電路圖進(jìn)行連接。為了得到三相對(duì)稱交流電壓源，其參數(shù)設(shè)置方法及參數(shù)設(shè)置如下。雙擊A相交流電壓源圖標(biāo)，打開(kāi)電壓源參數(shù)設(shè)置對(duì)話框如圖3-3，在A相交流電壓源參數(shù)設(shè)置中，幅值取220V，初相位設(shè)置成0°，頻率為50Hz，其他為默認(rèn)值，如圖3所示。B、C相交流電源參數(shù)設(shè)置方法與A相位基本相同，除了將初相位設(shè)置成互差120°外，其他參數(shù)與A相相同。②晶閘管整流橋的建模和參數(shù)設(shè)置。首先從電力電子模塊組中選取“UniversalBridge”模塊，并將模塊標(biāo)簽改為“晶閘管整流橋”，然后雙擊模塊圖標(biāo)，打開(kāi)SCR整流橋參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，參數(shù)設(shè)置如圖3-4所示。當(dāng)采用三相整流橋時(shí)，橋臂數(shù)取3，A、B、C三相交流電源接到整流橋的輸入端，電力電子元件選擇晶閘管。參數(shù)設(shè)置的原則如下，如果是針對(duì)某個(gè)集體的變流裝置進(jìn)行設(shè)置，對(duì)話框中的、、、、應(yīng)取該裝置中晶閘管元件的實(shí)際值，如果是一般情況，不針對(duì)某個(gè)集體的變流裝置，這些參數(shù)可先取默認(rèn)值進(jìn)行仿真。若仿真結(jié)果理想，就可認(rèn)可這些設(shè)置的參數(shù)，若仿真結(jié)果不理想，則通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，不斷進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，最后確定其參數(shù)。這一參數(shù)設(shè)置原則對(duì)其他環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)置也是適用的。圖3-3A相電源參數(shù)設(shè)置圖3-4SCR整流橋參數(shù)設(shè)置③平波電抗器的建模和參數(shù)設(shè)置。首先從模塊中選取“SeriesRLCBranch”模塊，并將標(biāo)簽改為“平波電抗器”，然后打開(kāi)平波電抗器參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，參數(shù)設(shè)置如圖3-5所示，平波電抗器的電感值是通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)比較后得到的優(yōu)化參數(shù)。圖3-5平波電抗器參數(shù)設(shè)置④直流電動(dòng)機(jī)的建模和參數(shù)設(shè)置。首先從電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)模塊組中選取“DCMachine”模塊，并將模塊標(biāo)簽改為“直流電動(dòng)機(jī)”。直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組“F+-F-”接直流恒定勵(lì)磁電源，勵(lì)磁電源可從電源模塊組中選取直流電壓源模塊，并將電壓參數(shù)設(shè)置為220V，電樞繞組“A+-A-”經(jīng)平波電抗器接晶閘管整流橋的輸出，電動(dòng)機(jī)經(jīng)TL端口接恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，直流電動(dòng)機(jī)的輸出參數(shù)有轉(zhuǎn)速n、電樞電流、勵(lì)磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩。通過(guò)“示波器”模塊觀察仿真輸出圖形。電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)步驟如下，雙擊直流電動(dòng)機(jī)圖標(biāo)，打開(kāi)直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)置如圖3-6所示。參數(shù)設(shè)置的原則與晶閘管整流橋相同。圖3-6直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置⑤同步脈沖觸發(fā)器的建模和參數(shù)設(shè)置。同步脈沖觸發(fā)器包括同步電源和6脈沖觸發(fā)器兩部分。6脈沖觸發(fā)器可從附加控制（ExtrasControlBlocks）子模塊組獲得。6脈沖觸發(fā)器需要用三相線電壓同步，所以同步電源的任務(wù)是將三相交流電源的相電壓轉(zhuǎn)換成線電壓。同步電源與6脈沖觸發(fā)器及封裝后的子系統(tǒng)符號(hào)如圖3-7和圖3-8所示。圖3-7同步電源6脈沖觸發(fā)器圖3-8封裝后的子系統(tǒng)符號(hào)至此，根據(jù)圖3-1主電路的連接關(guān)系，可建立起主電路的仿真模型，如圖3-2所示。圖中觸發(fā)器開(kāi)關(guān)信號(hào)為“0”時(shí)，開(kāi)放觸發(fā)器，開(kāi)關(guān)型號(hào)為“1”時(shí)，封鎖觸發(fā)器。（2）控制電路的建模和參數(shù)設(shè)置晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的控制電路只有一個(gè)給定環(huán)節(jié)，它可以重輸入源模塊組子中選取“Constant”模塊，并將模塊標(biāo)簽改為“給定信號(hào)”，然后雙擊該模塊圖標(biāo)，打開(kāi)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，將參數(shù)設(shè)置為50rad/s。實(shí)際調(diào)速時(shí)，給定信號(hào)是在一定范圍內(nèi)變化的，可以通過(guò)仿真實(shí)踐，確定給定信號(hào)允許的變化范圍。將主電路和控制電路的仿真模型按照晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)電器原理圖的連接關(guān)系進(jìn)行模型連接，即可得到圖3-2所示的晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型。3.1.3系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)置在MATLAB的模型窗口中打開(kāi)“Simulation”菜單，進(jìn)行“SimulationParameters”設(shè)置。單擊“SimulationParameters”菜單后，得到仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，參數(shù)設(shè)置如圖3-9所示，仿真中所選擇的算法為ode23s。由于實(shí)際系統(tǒng)的多樣性，不同的系統(tǒng)需要采用不同的的仿真算法，到底采用哪一種算法，可通過(guò)仿真實(shí)踐進(jìn)行比較選擇。仿真“Starttime”一般設(shè)為0，“Stoptime”根據(jù)實(shí)際需要而定，這里設(shè)為2.0。圖3-9仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)話框及參數(shù)設(shè)置3.1.4系統(tǒng)的仿真、仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析當(dāng)建模和參數(shù)設(shè)置完成后，即可開(kāi)始進(jìn)行仿真，在MATLAB的模型窗口打開(kāi)“Simulation”菜單，單擊“Star”命令后，系統(tǒng)開(kāi)始仿真，仿真結(jié)束后可輸出仿真結(jié)果。單擊“示波器”命令后，通過(guò)“示波器”模塊進(jìn)行觀察仿真輸出圖形，如圖3-10所示，其中圖3-10（a）、（b）、（c）分別表示直流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩角頻率ω曲線，直流電動(dòng)機(jī)電樞電流曲線，曲線和角頻率與電樞電流的曲線。直流電動(dòng)機(jī)角頻率曲線(b)直流電動(dòng)機(jī)電樞電流曲線(c)直流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩曲線圖3-10晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的輸出波形根據(jù)圖3-2的仿真模型，得到晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的電流曲線和轉(zhuǎn)速曲線如圖3-11所示。圖3-11晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的電流曲線和轉(zhuǎn)速曲線仿真實(shí)踐根據(jù)實(shí)際需要而定，以能夠仿真出完整的波形為前提。由于實(shí)際系統(tǒng)的多樣性，沒(méi)有一種仿真算法是萬(wàn)能的。不同的系統(tǒng)需要采用不同的仿真算法，到底采用哪一種更好，這需要通過(guò)仿真實(shí)踐，從仿真能否進(jìn)行、仿真的速度、仿真的精度等方面進(jìn)行比較選擇。

3.2單閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)為了提高直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo)，通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)(包括單閉環(huán)系統(tǒng)和多閉環(huán)系統(tǒng))。對(duì)調(diào)速指標(biāo)要求不高的場(chǎng)合，采用單閉環(huán)系統(tǒng)，而對(duì)調(diào)速指標(biāo)較高的則采用多閉環(huán)系統(tǒng)。按反饋的方式不同可分為轉(zhuǎn)速反饋，電流反饋，電壓反饋等。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速單閉環(huán)使用較多。3.2.1實(shí)驗(yàn)原理在本裝置中，轉(zhuǎn)速單閉環(huán)實(shí)驗(yàn)是將反映轉(zhuǎn)速變化的電壓信號(hào)作為反饋信號(hào)，經(jīng)“轉(zhuǎn)速變換”后接到“速度調(diào)節(jié)器”的輸入端，與“給定”的電壓相比較經(jīng)放大后，得到移相控制電壓Uct，用作控制整流橋的“觸發(fā)電路”，觸發(fā)脈沖經(jīng)功放后加到晶閘管的門極和陰極之間，以改變“三相全控整流”的輸出電壓，這就構(gòu)成了速度負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨給定電壓變化，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速由速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅所決定，速度調(diào)節(jié)器采用P（比例）調(diào)節(jié)對(duì)階躍輸入有穩(wěn)態(tài)誤差，要想消除上述誤差，則需將調(diào)節(jié)器換成PI(比例積分)調(diào)節(jié)。這時(shí)當(dāng)“給定”恒定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)速度變化起到了抑制作用，當(dāng)電機(jī)負(fù)載或電源電壓波動(dòng)時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速能穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)變化。在電流單閉環(huán)中，將反映電流變化的電流互感器輸出電壓信號(hào)作為反饋信號(hào)加到“電流調(diào)節(jié)器”的輸入端，與“給定”的電壓相比較，經(jīng)放大后，得到移相控制電壓Uct，控制整流橋的“觸發(fā)電路”，改變“三相全控整流”的電壓輸出，從而構(gòu)成了電流負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速也由電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅所決定。同樣，電流調(diào)節(jié)器若采用P（比例）調(diào)節(jié)，對(duì)階躍輸入有穩(wěn)態(tài)誤差，要消除該誤差將調(diào)節(jié)器換成PI(比例積分)調(diào)節(jié)。當(dāng)“給定”恒定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)電樞電流變化起到了抑制作用，當(dāng)電機(jī)負(fù)載或電源電壓波動(dòng)時(shí)，電機(jī)的電樞電流能穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)變化。圖3-12轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)原理圖3.2.2實(shí)驗(yàn)仿真轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)系統(tǒng)的原理如圖3-12所示。該系統(tǒng)由給定信號(hào)、調(diào)速調(diào)節(jié)器、同步脈沖觸發(fā)器、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)、速度反饋等部分組成。圖3-13所示是采用單向電器原理結(jié)構(gòu)圖方法構(gòu)建的單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。圖3-13無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型與圖3-2所示的開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)相比較，兩者的主電路是基本相同的，系統(tǒng)的差別主要在控制電路上。為此，在后面介紹電路的建模與參數(shù)設(shè)置時(shí)，主要介紹其不同之處。3.2.3系統(tǒng)的建模和建模參數(shù)設(shè)置1）主電路的建模和參數(shù)設(shè)置由圖3-13所示的仿真模型可知，主電路大部分與開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)相同，為了避免重復(fù)，此處介紹不同部分的建模與參數(shù)設(shè)置。注意在圖3-13所示仿真模型的整流橋后面并聯(lián)了一個(gè)二極管橋，它的作用是加快電動(dòng)機(jī)的減速工程，同事避免在整流橋輸出端出現(xiàn)負(fù)電壓使波形畸變。后面其他的單環(huán)系統(tǒng)也使用了這樣的二極管，作用也是一樣的，以后就不在贅述。（1）二極管橋模塊與晶閘管整流橋模塊的參數(shù)設(shè)置方法、參數(shù)設(shè)置原則都是一致的，只要將對(duì)話框中的“Numberofbridgearms”設(shè)為“1”，將“PowerElectricdevice”設(shè)置為“Diodes”即可。（2）平波電抗器的電感值設(shè)為H。2）控制電路的建模和參數(shù)設(shè)置轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制電路由給定信號(hào)、速度調(diào)節(jié)器、速度反饋等組成。仿真模型中根據(jù)需要，可另設(shè)限幅器、偏置、反相器等模塊。（1）“給定信號(hào)“模塊的建模和參數(shù)設(shè)置方法與開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)相同，此處參數(shù)設(shè)置為100rad/s.無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，系數(shù)選擇為Kp=10，Ki=100它通過(guò)仿真優(yōu)化得到的。（2）通過(guò)參數(shù)變化范圍住址試驗(yàn)的探索可知，當(dāng)在在50°~180°范圍內(nèi)變化時(shí)，同步脈沖觸發(fā)器能夠正常工作；當(dāng)為50°時(shí)，對(duì)應(yīng)的整流橋輸出電壓最大，而180°對(duì)應(yīng)的輸出電壓反而最小。他們是單調(diào)下降的函數(shù)關(guān)系。因此將限幅器的上、下幅值設(shè)置為[130,0],用加法器加上偏置“-180”后調(diào)整[-50，-180]，再經(jīng)過(guò)反相器[50,180]。這樣，在單閉環(huán)有靜模塊的應(yīng)用，就可將速度調(diào)節(jié)器的輸出限制在使同步脈沖觸發(fā)器能夠正常的工作范圍內(nèi)了。（3）速度調(diào)節(jié)器、限幅器、偏置、反相器等模塊的建模和參數(shù)設(shè)置比較簡(jiǎn)單，只要分別在SIMULIMK的“Math”、“Nonlinear”、Sources,模塊庫(kù)中找到相應(yīng)的模塊，并按要求設(shè)置好參數(shù)即可。限幅器的參數(shù)設(shè)置見(jiàn)圖3-14所示。將主電路和控制電路的仿真模型按照轉(zhuǎn)述負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖的連接關(guān)系進(jìn)行模型連接，即可得到圖3-13所示的系統(tǒng)仿真圖。圖3-14限幅器參數(shù)設(shè)置3.2.4系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置方法與開(kāi)環(huán)系統(tǒng)相同。仿真中所選擇的算法為odc23s，仿真“Starttime”設(shè)為0；“Stoptime”設(shè)為1.9，其他與開(kāi)環(huán)系統(tǒng)相同。3.2.5系統(tǒng)的仿真、仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析單擊工具欄“→”按鈕或“Simulation”菜單下的“Start”命令進(jìn)行仿真，可得如圖3-15所示仿真結(jié)果。圖3-15無(wú)靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電流曲線和轉(zhuǎn)速曲線可以看出，這個(gè)仿真結(jié)果的轉(zhuǎn)速曲線比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)有了較明顯的改善，其過(guò)渡過(guò)程時(shí)間大為減小。第4章交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)4.1雙閉環(huán)三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速實(shí)驗(yàn)原理異步電動(dòng)機(jī)采用調(diào)壓調(diào)速時(shí)，由于同步轉(zhuǎn)速不變和機(jī)械特性較硬，因此對(duì)普通異步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)其調(diào)速范圍很有限，無(wú)實(shí)用價(jià)值，而對(duì)力矩電動(dòng)機(jī)或繞線式異步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子中串入適當(dāng)電阻后使機(jī)械特性變軟后，其調(diào)速范圍有所擴(kuò)大，單在負(fù)載或電網(wǎng)電壓波動(dòng)情況下，其轉(zhuǎn)速波動(dòng)嚴(yán)重，為此常采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。雙閉環(huán)三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的主電路由三相晶閘管交流調(diào)壓器及三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)組成，控制部分由“電流調(diào)節(jié)器”、“觸發(fā)電路”、“正橋功放”等組成，其系統(tǒng)原理框圖如圖4-1所示。圖4-1雙閉環(huán)三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)原理框圖整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)采用速度、電流兩個(gè)反饋控制環(huán)節(jié)。這里的速度環(huán)節(jié)作用基本上與直流調(diào)速系統(tǒng)相同，而電流環(huán)節(jié)作用則不同。在穩(wěn)定的運(yùn)行情況下，電流環(huán)對(duì)電網(wǎng)擾動(dòng)仍然有較大的抗饒作用，但在啟動(dòng)過(guò)程中電流環(huán)僅起到限制最大電流的作用，不會(huì)出現(xiàn)最佳啟動(dòng)的恒流特性，也不可能是恒轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)。異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用雙閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)靜差率較小，且比較容易實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)和能耗制動(dòng)。但在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下不能長(zhǎng)時(shí)間低速運(yùn)行，因?yàn)榈退龠\(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)差功率全部消耗在轉(zhuǎn)子電阻中，會(huì)使轉(zhuǎn)子過(guò)熱。4.2實(shí)驗(yàn)仿真交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理如圖4-1所示。交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖4-2所示。圖4-2交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)仿真模型4.3系統(tǒng)的建模和模型參數(shù)設(shè)置（1）主電路的建模和參數(shù)設(shè)置由圖4-2可見(jiàn)，主電路由三相對(duì)稱交流電壓源、晶閘管三相交流調(diào)壓器、交流異步電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)信號(hào)分配器等部分組成。三相交流電源的建模和參數(shù)設(shè)置在前面各章節(jié)中已經(jīng)復(fù)述多了，此處著重討論晶閘管三相交流調(diào)壓器、交流異步電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)測(cè)試信號(hào)分配器的建模和參數(shù)設(shè)置問(wèn)題。1）晶閘管三相交流調(diào)壓器的建模和參數(shù)設(shè)置。晶閘管三相交流調(diào)壓器通常用用三個(gè)反并聯(lián)晶閘管元件組成，單個(gè)晶閘管元件采用“相位控制”方式，利用電網(wǎng)自然換流，圖4-3所示為晶閘管三相交流調(diào)壓的仿真模型和模塊符號(hào)圖4-4所示。圖4-5所示為三相交流調(diào)壓器中晶閘管元件的參數(shù)設(shè)置情況。圖4-3晶閘管三相交流調(diào)壓的仿真模型圖4-4模塊符號(hào)圖4-5三相交流調(diào)壓器中晶閘管元件的參數(shù)設(shè)置在圖4-3中，我們是用單個(gè)晶閘管元件按三相交流調(diào)壓的接線要求建成仿真模型的，單個(gè)晶閘管元件的參數(shù)設(shè)置仍然遵循晶閘管整流橋的參數(shù)設(shè)置原則。2）交流異步電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)測(cè)試信號(hào)分配器的建模和參數(shù)設(shè)置，在“PowerSystem”工具中，具體參數(shù)設(shè)置如圖4-6和圖4-7所示。圖4-6交流異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置圖4-7電動(dòng)機(jī)測(cè)試信號(hào)分配器參數(shù)設(shè)置（2）控制電路的建模和參數(shù)設(shè)置控制電路的參數(shù)設(shè)置如下：速度反饋系數(shù)設(shè)為-30/pi，速度調(diào)節(jié)器Xp=-30，Xi=1/150，Xd=0,限幅器幅值為[180,120]，其余為默認(rèn)。4.4系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)置仿真所選擇的算法為ode23tb；仿真“Starttime”設(shè)為0，“Stoptime”設(shè)為4.5,其他與前面系統(tǒng)相同。4.5系統(tǒng)的仿真、仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析當(dāng)建模和參數(shù)設(shè)置完成后，即可開(kāi)始進(jìn)行仿真。其仿真結(jié)果如圖4-8所示。圖4-8交流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線從仿真結(jié)果可以看出，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，仿真系統(tǒng)的實(shí)際速度能實(shí)現(xiàn)對(duì)給定速度的良好跟蹤；在過(guò)度過(guò)程時(shí)，仿真系統(tǒng)實(shí)際速度對(duì)階躍給定信號(hào)的跟蹤有一定的偏差，從圖4-8中還可以看出，實(shí)際速度對(duì)斜坡給定信號(hào)的跟蹤比較應(yīng)該不錯(cuò)。總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)確定了電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)并按照設(shè)計(jì)參數(shù)要求對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和確定。并在確定所有參數(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了Matlab仿真。異步電動(dòng)機(jī)采用調(diào)壓調(diào)速時(shí)，由于同步轉(zhuǎn)速不變和機(jī)械特性較硬，因此對(duì)普通異步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)其調(diào)速范圍很有限，無(wú)實(shí)用價(jià)值，而對(duì)力矩電動(dòng)機(jī)或繞線式異步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子中串入適當(dāng)電阻后使機(jī)械特性變軟后，其調(diào)速范圍有所擴(kuò)大，單在負(fù)載或電網(wǎng)電壓波動(dòng)情況下，其轉(zhuǎn)速波動(dòng)嚴(yán)重，為此采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用雙閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)靜差率較小，且比較容易實(shí)現(xiàn)正，反