直流调速系统和交流调速系统课程设计2.docx
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直流调速系统和交流调速系统课程设计2
第一章摘要1
第二章相关软件介绍2
1Matlab应用基础3
2Simulink相关知识4
第三章基本原理简介6
1三相整流桥原理6
2三相逆变桥原理7
3PWM整流器及其控制原理10
4直流调速系统原理12
5交流调速系统原理15
第四章直流调速仿真18
1Matlab仿真电路设计及参数设置18
2系统的仿真结果及结果分析20
第五章交流调速仿真22
1Matlab仿真电路设计及参数设置22
2系统的仿真结果及结果分析23
第六章仿真实验结论25
第七章参考文献26
第一章摘要
直流调速系统与交流变频调速系统
直流电动机拖动和交流电动机拖动先后诞生与19世纪，距今已有100多年的历史，并已成为动力机械的主要驱动装置。
直流电机具有良好的运行和控制特性，长期以来，直流调速系统一直占据垄断的地位。
在许多工业部门，如轧钢、矿山挖掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛应用。
而且，直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，从控制技术的角度上来看，又是交流调速系统的基础。
但是，众所周知，由于结构上的原因，直流电动机存在以下缺点：
（1）需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命较短；
（2）由于直流电动机存在换向火花，难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境；
（3）结构复杂，难以制造出大容量、高转速和高电压的直流电动机。
而与直流电动机相比，交流电动机则具有以下优点：
（1）结构坚固，工作可靠，易于维修保养；
（2）不存在换向火花，可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境；
（3）容易制造出大容量、高转速和高电压的交流电动机。
因此，很久以来，人们希望在许多场合下能够用可调速的交流电动机来代替直流电动机，并在交流电动机的调速控制方面进行了大量的研究开发工作。
但是，直至20世纪70年代，交流调速系统的研究开发方面一直未能得到真正能够令人满意的成果，也正是因为这个原因，在工业生产中大量使用的诸如风机、水泵等需要进行调速控制的电力拖动系统中不得不采用挡板和阀门来调节风速和流量。
这种做法不但增加了系统的复杂性，也造成了能源的浪费，也因此限制了交流调速系统的推广应用。
经历了20世纪70年代中期的第2次石油危机之后，人们充分认识到了节能工作的重要性，并进一步重视和加强了对交流调速技术的研究开发工作。
随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，电力半导体器件和微处理器的性能的不断提高，变频驱动技术也得到了显著的发展。
因此，交流电机的变频调速也得到了长足的发展，广泛应用于工业生产以及家庭生活中，并且在逐步取代直流电机调速的位置。
第二章相关软件介绍
1Matlab应用基础
Matlab简介
MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
Matlab基本功能
MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
MATLAB和Mathematica，Maple并称为三大数学软件。
它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。
MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连
接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。
在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。
可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。
Matlab应用
MATLAB产品族可以用来进行以下各种工作：
●数值分析
●数值和符号计算
●工程与科学绘图
●控制系统的设计与仿真
●数字图像处理技术
●数字信号处理技术
●财务与金融工程
MATLAB的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。
附加的工具箱（单独提供的专用MATLAB函数集）扩展了MATLAB环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。
2．Simulink相关知识
Simulink简介
Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。
Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
Simulink功能
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。
为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
Simulink®是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。
对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。
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构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。
Simulink与MATLAB®紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。
Simulink特点
丰富的可扩充的预定义模块库
交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图
以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理
通过ModelExplorer导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码
提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成
使用EmbeddedMATLAB™模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法
使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式（Normal,Accelerator,RapidAccelerator）来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型
图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为
可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据
模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误
第三章基本原理介绍
1．三相整流桥原理
相桥式全控整流电流（电阻性负载）原理图，共阴极组阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）。
共阳极组阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）导通顺序：
VT1－〉VT2－〉VT3－〉VT4－〉VT5－〉VT6
自然换相时，每时刻导通的两个晶闸管分别对应阳极所接交流电压值最高的一个和阴极所接交流电压值最低的一个。
2．三相逆变桥原理
三相桥式逆变电路如图所示，图中应用GTO作为逆变开关，也可用其它全控型器件构成逆变器，若用晶闸管时，还应有强迫换流电路。
从电路结构上看，如果把三相负载看成三相整流变压器的三个绕组，那么三相桥式逆变电路犹如三相桥式可控整流电路与三相二极管整流电路的反并联，其中可控电路用来实现直流到交流的逆变，不可控电路为感性负载电流提供续流回路，完成无功能量的续流和反馈，因此D1～D6称为续流二极管或反馈二极管。
在三相桥式逆变电路中，各管的导通次序同整流电路一样，也是T1、T2、T3……T6、T1……各管的触发信号依次互差60。
根据各管的导通时间可以分为180导通型和120导通型两种工作方式，在180导通型的逆变电路中，任意瞬间都有三只管子导通，各管导通时间为180，同一桥臂中上下两只管子轮流导通，称为互补管。
在120导通型逆变电路中，各管导通120，任意瞬间只有不同相的两只管子导通，同一桥臂中的两只管子不是瞬时互补导通，而是有60的间隙时间，当某相中没有逆变管导通时，其感性电流经该相中的二极管流通。
导通方式及基本参数
在180导通型的三相逆变器中，每隔60的各阶段其等效电路及相应相电压、线电压数值如图所示。
根据图中各阶段的相电压数值，可以得出任何一相的相电压波形为六阶梯波，各相互差120，如图所示。
而线电压可由相电压相减得出，其波形如图所示，为脉宽120的矩形波。
（a）相电压波形
（b）线电压波形
初相角为零的六阶梯波，其基波可用付氏级数求得，如A相相电压可表示为：
其余两相各差120。
相电压中无余弦项、偶数项和三的倍数次谐波，电压中最低为五次谐波，含量为基波的20％。
实际的电压波形与上面分析的结果略有误差，这是由于在分析中忽略了换流过程，也未扣除逆变电路中的电压降落的缘故。
当三相逆变器按120导通方式工作时，其输出电压波形如图所示，与前面相反，这里相电压为矩形波，而线电压为六阶梯波。
（a）相电压波形
（b）线电压波形
对180导通方式和120导通方式进行比较可知：
在120方式中，上下两管之间有60的间隙，对换流的安全有利，但是管子的利用率较低，并且若电机采用星形接法，则始终有一相绕组断开，在换流时会引起较高的感应电势，应采取过电压保护措施。
而180导通方式无论电动机在三角形还是星形接法时，正常工作都不会产生过电压，因此对于电压型逆变器，180导通方式应用较为普遍。
3．PWM整流器及其控制原理
面积等效原理是PWM控制技术的重要理论基础
原理内容：
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。
冲量即指窄脉冲的面积。
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，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。
实例将图a、b、c、d所示的脉冲作为输入，加在图所示的R-L电路上，设其电流i（t）为电路的输出，图中出了不同窄脉冲时i（t）的响应波形。
形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
用PWM波代替正弦半波
将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲宽度为/N，但幅值顶部是曲线且大小按正弦规律变化的脉冲序列组成的。
把上述脉冲序列利用相同数量的等幅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波部分面积（冲量）相等，这就是PWM波形。
对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。
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SPWM（SinusoidalPWM）波形。
PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种，由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波。
基于等效面积原理，PWM波形还可以等效成其他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形等。
用PWM波代替正弦半波
4．直流调速系统基本原理
直流电机调压调速方案有三种：
旋转变流机组、晶闸管静止变流装置、直流PWM在这里，我们主要需要了解的是晶闸管静止变流装置来实现直流电机的调速。
下面我就来介绍一下基于晶闸管静止变流装置的直流电机调速系统。
闸管可控整流电源克服旋转机组供电的缺点，得到了广泛的应用。
晶闸管变流技术是采用控制晶闸管的导通角，从而控制其输出整流电压，与旋转机组相比其噪音小，无旋转部件，因此又称为晶闸管静止变流装置。
图1-16为晶闸管静止变流装置供电的调速系统原理图。
和旋转机组相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上有所提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性，如在快速性指标中，机组是秒级，而晶闸管是毫秒级。
它的缺点主要是功率因数低，谐波大，是造成电力公害的主要原因之一。
晶闸管相控整流装置给电机供电，此电压为脉动电压，尽管大多数情况下在主电路中串有电感平波，电枢电流和转速严格来说仍然是脉动的。
由于电流波形的脉动，存在电流连续和断续两种情况，当平波电感足够大，电机的负载电流也足够大时，输出电流的波形是连续的；相反，电流是断续的。
电流连续和断续的机械特性是不相同的，因此机械特性也分为两种情况。
晶闸管静止变流装置供电的调速系统原理图
从直流电机稳态时转速公式
，把晶闸管整流器的输出电压表达式带入，即可
得到电流连续时的机械特性。
电流连续时晶闸管整流器的输出电压与电路结构有关，以全控整流为例，其输出电压
式中：
α一相控制角；mU—整流电压峰值；m—交流电源一周内整流电压的脉波数，不同的整流电路不同。
不整流电路的m及mU，2U是整流变压器二次侧相电压的有效值
晶闸管调速系统的机械特性
改变α得到一组平行的直线，与旋转机组相似，差别在于当电流较小时，电流断续，其机械特性
要根据电流断续时的电压表达式写出。
由于电压断续时电压表达式较为复杂，这里不再例出。
画出了其完整的机械特性，包括连续和断续，虚线为分界线。
电流连续时机械特性较硬，
为一条直线；断续时机械特性为非线性，理想空载转速升高，机械特性较软，连续和断续的分界线不
是恒定的，与电路参数和控制角α有关，一般来说，控制角α越大，断续区越大。
晶闸管整流器-电机系统机械特性
5．交流变频调速基本原理
变频器与逆变器、斩波器
变频调速是以变频器向交流电动机供电，并构成开环或闭环系统。
变频器是把固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的变换器，是异步电动机变频调速的控制装置。
逆变器是将固定直流电压变换成固定的或可调的交流电压的装置（DC－AC变换）。
将固定直流电压变换成可调的直流电压的装置称为斩波器（DC－DC变换）。
变压变频调速（VVVF）
在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是，希望保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。
如果磁通太弱，即电机出现欠励磁，将会影响电机的输出转矩，由TM＝KTΦMI2COSϕ2（式中TM：
电磁转矩，ΦM：
主磁通，I2：
转子电流，COSϕ2：
转子回路功率因素，KT：
比例系数），可知，电机磁通的减小，势必造成电机电磁转矩的减小。
由于电机设计时，电机的磁通常处于接近饱和值，如果进一步增大磁通，将使电机铁心出现饱和，从而导致电机中流过很大的励磁电流，增加电机的铜损耗和铁损耗，严重时会因绕组过热而损坏电机。
因此，在改变电机频率时，应对电机的电压进行协调控制，以维持电机磁通的恒定。
为此，用于交流电气传动中的变频器实际上是变压（VariableVoltage，简称VV）变频（VariableFrequency，简称VF）器，即VVVF。
所以，通常也把这种变频器叫作VVVF装置或VVVF。
根据异步电动机的控制方式不同，变压变频调速可分为恒定压频比（V/F）控制变频调速、矢量控制（FOC）变频调速、直接转矩控制变频调速等。
变频器分类
⑴从变频器主电路的结构形式上可分为交－直－交变频器和交－交变频器。
交－直－交变频器首先通过整流电路将电网的交流电整流成直流电，再由逆变电路将直流电逆变为频率和幅值均可变的交流电。
交－直－交变频器主电路结构如下图。
交－交变频器把一种频率的交流电直接变换为另一种频率的交流电，中间不经过直流环节，又称为周波变换器。
常用的交－交变频器输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路。
正、反向两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压u0。
输出电压u0的幅值决定于各组整流装置的控制角α，输出电压u0的频率决定于两组整流装置的切换频率。
如果控制角α一直不变，则输出平均电压是方波，要的到正弦波输出，就在每一组整流器导通期间不断改变其控制角。
对于三相负载，交－交变频器其他两相也各用一套反并联的可逆线路，输出平均电压相位依次相差120︒。
交－交变频器由其控制方式决定了它的最高输出频率只能达到电源频率的1/3～1/2，不能高速运行，这是它的主要缺点。
但由于没有中间环节，不需换流，提高了变频效率，并能实现四象限运行，因而多用于低速大功率系统中，如回转窑、轧钢机等。
⑵从变频电源的性质上看，可分为电压型变频器和电流型变频器。
对交－直－交变频器，电压型变频器与电流型变频器的主要区别在于中间直流环节采用什么样的滤波器。
电压型变频器的主电路典型形式如下图。
在电路中中间直流环节采用大电容滤波，直流电压波形比较平直，使施加于负载上的电压值基本上不受负载的影响，而基本保持恒定，类似于电压源，因而称之为电压型变频器。
电压型变频器逆变输出的交流电压为矩形波或阶梯波，而电流的波形经过电动机负载滤波后接近于正弦波，但有较大的谐波分量。
由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率，所以主要优点是运行几乎不受负载的功率因素或换流的影响；缺点是当负载出现短路或在变频器运行状态下投入负载，都易出现过电流，必须在极短的时间内施加保护措施。
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第四章直流调速系统仿真设计
1．MATLAB仿真电路设计及参数设置
首先从电力模块中选取三相交流电压源、晶闸管整流桥、平衡电抗器、直流电动机、同步6冲触发器、示波器以及其他部分元件。
三相交流电压源由3个单相交流电压源组成。
触发角度α=80，触发开关设置为低电平0，步6脉冲触发器部分电路图如下
最后按下图连接各元件
2．系统的仿真结果及结果分析
直流电机的电磁转矩曲线，电枢电流曲线以及角频率曲线输出显示在示波器3上，示波器3的图像如图
波形如下图
由以上三图结合实际原理可以看出，此直流调速系统的各参数设置均比较理想。
第五章交流调速系统仿真设计
1．MATLAB仿真电路设计
首先从电力模块中选取三相交流电压源、整流桥、平衡电抗器、IGBT逆变桥、三相交流电机、PWM波形调制器、示波器、三相信号合成。
其中三相交流电压源由三个单相电压源组成。
占空比为0.8，载波频率为调制波的27倍。
最后按下图连接各元件
2．系统的仿真结果输出及结果分析
交流电机电枢电流、角频率及电磁转矩曲线如下图
整流后的电压波形
逆变后的三相线电压
逆变后的三相相电压
触发器脉冲波形
第六章．仿真实验结论
通过仿真实验和多组仿真实验结果对比分析可知，当触发角α发生改变时，电路的工作情况也发生变化。
α增大ud平均值降低，Id也随之降低。
滤波电感，使得谐波含量减少，波形更加平缓光滑。
本文在对三相桥式全控整流电路理论分析的基础上，利用MATLAB面向对象的设计思想和电气元件的仿真系统，建立了基于Simulink的三相桥式全控整流电路的仿真模型，并对其进行了仿真研究。
第七章参考文献
1王沫然Simulink4建模及动态仿真2002
2王兆安，黄俊.电力电子技术.北京：
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3陈治明.电力电子器件基础.北京：
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