优质毕业设计基于MATLABSIMULINK的交流电动机调速系统仿真.docx

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优质毕业设计基于MATLABSIMULINK的交流电动机调速系统仿真

1绪论

1.1课题研究背景及目标

1.1.1研究背景

直流调速系统关键优点在于调速范围广、静差率小、稳定性好和含有良好动态性能。

在相当长时期内，高性能调速系统几乎全部是直流调速系统。

尽管如此，直流调速系统却处理不了直流电动机本身换向和在恶劣环境下不适应问题，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深入发展。

交流电动机自1985年出现后，因为没有理想调速方案，所以长久用于恒速拖动领域。

20世纪70年代后，国际上处理了交流电动机调速方案中关键问题，使得交流调速系统得到了快速发展，现在交流调速系统已逐步替换大部分直流调速系统。

现在，交流调速已含有了宽调速范围、高稳态精度、快动态响应、高工作效率和能够四象限运行等优异特征，其稳、动态特征均能够和直流调速系统相媲美。

和直流调速系统相比，交流调速系统含有以下特点：

（1）容量大；

（2）转速高且耐高压；

（3）交流电动机体积、重量、价格比相同容量直流电动机小，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，能够在十分恶劣环境下使用；

（5）高性能、高精度新型交流拖动系统已达同直流拖动系统一样性能指标；

（6）交流调速系统能显著节能；

从各方面看，交流调速系统最终将替换直流调速系统。

1.1.1研究目标

本课题关键利用MATLAB-SIMULINK软件中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机械特征。

本文关键对三相交流调压调速系统进行仿真研究，认识PID调整器参数改变对系统性能影响，认识该系统动态及静态性能优劣及适用环境。

1.2文件综述

在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能关键设备，一是要含有较高机电能量转换效率；二是应能依据生产机械工艺要求控制和调整电动机旋转速度。

电动机调速性能怎样对提升产品质量、提升劳动生产率和节省电能有着直接决定性影响。

所以，调速技术一直是研究热点[1][2]。

而交流调速系统凭着其绝正确优势，最终必将替换直流调速系统[3]。

近几年来，科学技术快速发展为交流调速技术发展发明了极为有利技术条件和物质基础。

交流电动机调速系统不仅性能同直流电动机性能一样，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]。

现在，国外优异工业国家生产直流传动装置基础呈下降趋势，交流变频调速装置生产大幅度上升。

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]。

到现在为止，日本除了部分地方还继续采取直流电机外，几乎全部调速系统全部采取变频装置[6][7]。

计算机仿真技术在交流调速系统应用，使得对交流调速性能分析和研究变更为方便。

传统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。

伴随部分大型高性能计算机仿真软件出现，实现交流调速系统实时仿真能够较轻易地实现[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整个过程。

matlab语言很适合于交流调速领域内仿真及研究，能够为一些问题处理带来极大方便并能显著提升工作效率。

伴随新型计算机仿真软件出现，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应用，不过伴随部分新电力电子器件和部分新控制策略出现，工业应用对交流调速系统又提了新要求，现代交流电机调速技术研究和应用前景十分宽广。

20世纪80年代中期研制开发出一个新型交流调速系统——开关磁阻电动机调速系统，它将新型电机、现代电力电子技术和控制技术融为一体，形成一个经典机电一体化调速系统。

因为它在效率、调速性能和成本方面全部含有一定优势，已成为现代电力拖动一个热门课题，将会在调速领域占有一席之地。

交流调速控制策略多年来发展很快速，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），状态观察器（磁通观察器、力矩观察器等），为赔偿速度降以提升精度前馈控制，以节能、平稳、快速等为目标函数优化控制，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中国外相关文件及杂志中[11][12][1]。

1.3论文关键工作

1.分析多种调速系统在实际利用中优缺点，分析多种调速方法适用场所。

2.关键分析掌握三相交流调压调速原理，机械特征等，然后对其进行MATLAB仿真实现，经过修改系统各部分参数，能够输出稳定波形。

依据示波器输出结果，对系统性能进行分析。

1.4论文章节安排

第一章绪论：

关键介绍本课题研究背景和研究内容，和交流调速系统在中国外发展和前景展望；介绍了文章关键工作安排和论文章节安排。

第二章交流调速系统：

比较交流调速系统多种调速方案，关键分析了交流调压调速系统原理及机械特征，及对交流调压调速电路和闭环调压调速系统进行了关键研究分析。

第三章交流调压调速系统MATLAB仿真：

利用MATLABSIMULINK工具箱分别对异步电动机调压调速系统主电路和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仿真模型，并对其进行了仿真分析和研究，给出仿真结果，经过对仿真结果分析验证了交流调压电路工作原理和所建模型正确性。

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发展方向。

2交流调速系统原理和特征

2.1交流调速系统

交流电机包含异步电动机和同时电动机两大类。

对交流异步电动机而言，其转速为：

（2-1）

从转速公式可知改变电动机极对数，改变定子供电功率和改变转率全部可达成调速目标。

对同时电动机而言，同时电动机转速为：

（2-2）

因为实际使用中同时电动机极对数是固定，所以只有采取变压变频（VVVF）调速，即通常说变频调速。

利用到实际中交流调速系统关键有：

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：

调旋转磁场同时速度最简单措施是变极调速。

经过电动机绕组改接使电机从一个极数变到另一个极数，从而实现异步电动机有级调速。

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，通常为两种速度，三速以上变极电机绕组结构复杂，应用较少。

变极调速电动机关键在于绕组设计，以最少线圈改接和引出头以达成最好电机技术性能指标。

（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一个经济、高效调速方法。

改变转差率传统方法是在转子回路中串入不一样电阻以取得不一样斜率机械特征，从而实现速度调整。

这种方法简单方便，但调速是有级，不平滑，而且转差功率消耗在电阻发烧上，效率低。

自大功率电力电子器件问世后，采取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任务，这就组成了由绕线异步电动机和晶闸管变换器共同组成晶闸管串级调速系统。

转子回路中引入附加电势不仅能够改变转子回路有功功率——转差功率大小，而且还能够调整转子电流无功分量，即调整异步电动机功率因数。

（3）调压调速系统：

异步电动机电机转矩和输入电压基波平方成正比，所以改变电机端电压（基波）能够改变异步电动机机械特征和它和负载特征交点，来实现调速。

异步电动机调压调速是一个比较简单调速方法。

在20世纪50年代以前通常采取串饱和电抗器来进行调速。

多年来伴随电力电子技术发展，多采取双向晶闸管来实现交流调压。

用双向晶闸管调压方法有两种：

一是相控技术，二是斩波调压。

采取斩波控制方法可能调速不够平滑，所以在异步电机调压控制中多用相控技术。

不过采取相控技术在输出电压波形中含有较大谐波，会引发附加损耗，产生转矩脉动[15]。

（4）变频调速系统：

在多种异步电机调速系统中，效率最高、性能最好系统是变压变频调速系统。

变压变频调速系统在调速时，须同时调整定子电源电压和频率，在这种情况下，机械特征基础上平行移动，转差功率不变，它是目前交流调速关键方向[16]。

调压调速系统优点是线路简单，价格廉价，使用维修方便，本文关键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原理及机械特征进行介绍。

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接线方法很多，工业上常见是三相全波星形连接调压电路。

图2.1所表示。

这种电路接法特点是负载输出谐波分量低，适适用于低电压大电流场所[11]。

图2.1三相全波星形连接调压电路

要使得该电路正常工作，必需满足下列条件：

（1）在三相电路中最少有一相正向晶闸管和另一相得反相晶闸管同时导通。

（2）要求采取脉冲或窄脉冲触发电路。

（3）为了确保输出电压三相对称而且有一定调整范围，要求晶闸管触发信号除了必需和对应交流电源有一致相序外，各个触发信号之间还必需严格保持一定相位关系。

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晶闸管）触发信号相位互差120°，三相电路中反向晶闸管触发信号相位互差120°；在同一相中反并联两个正、反向晶闸管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次序为VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6、VT1以这类推。

相邻两个晶闸管触发信号相位差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、调试轻易、维修方便、成本低廉，从而得到广泛应用。

2.2.2调压调速原理

依据异步电动机机械特征方程式

（2-3）

其中——电动机极对数

、——电动机定子相电压和供电角频率

——转差率

、——定子每相电阻和折算到定子侧转子每相电阻

、——定子每漏感和折算到定子侧转子每相漏感

可见，当转差率一定时，电磁转矩和定子电压平方成正比。

改变定子电压可得到一组不一样人为机械特征，图2.2所表示。

在带恒转矩负载时，能够得到不一样稳定转速，图中A，B，C点，其调速范围较小，而带风机泵类负载时，可得到较大调速范围，图2.2中D，E，F点。

图2.2异步电动机在不一样定子电压时机械特征

所谓调压调速，就是经过改变定子外加电压来改变电磁转矩，可得到较大调速范围，从而在一定输出转矩下达成改变电动机转速目标[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，可采取电动机转子绕组有较高电阻值时机械特征。

在恒转矩负载下交流力矩电动机机械特征。

图2.3显示这类电动机调速范围增大了，而且在堵转转矩下工作也不致烧毁电动机[1][4]。

图2.3　交流力矩电机在不一样定子电压时机械特征

2.2.3闭环控制调压调速系统

2.2.3.1系统组成及其静特征

异步电动机调压调速时，采取一般电机调速范围很窄；而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发较大转速改变。

处理这些矛盾根本方法是采取带转速负反馈闭环控制，以达成自动调整转速目标。

在调速要求不高情况下，也可采取定子电压负反馈闭环控制。

图2.4（a）是带转速负反馈闭环调压调速系统原理图，图2.4（b）是对应调速系统静特征。

假如系统带负载在A点稳定运行，当负载增大造成转速下降时，经过转速反馈控制作用提升定子电压，使得转速恢复，即在新一条机械特征上找到了工作点。

同理，当负载减小使得转速升高时，也能够得到新工作点。

将工作点、A、连起来就是闭环系统静特征[1]。

（a）原理图

（b）静特征

图2.4转速负反馈闭环控制交流调压调速系统

在额定电压下机械特征和最小电压下机械特征是闭环系统静特征左右两边极限，当负载改变达成两侧极限时，闭环系统便失去控制能力，回到开环机械特征上工作[14]。

对图2.4（a）所表示系统，可画出系统静态结构图，见图2.5所表示：

图2.