交流调速系统的Matlab仿.ppt
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1、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,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/Asynchronous Machine pu Units,另一个是国际单位制,路径为SimPowerSystems/M
2、achines/Asynchronous 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。,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(Squirrel-cage)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
3、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。,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/Machines/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
4、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。,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2
5、0。,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。,交流
6、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。,仿真结果看,在转速从零上升过程中,电机电流较
7、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
8、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。,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。,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/Power Electronic
9、s/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,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/Extra 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。,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
10、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
11、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,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。,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
12、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。,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Univer
13、sal 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
14、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:,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。,仿真结果,电压空间矢量调速系统仿真,电压空间矢量
15、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。,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
16、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
17、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。,交流电机参数对话框,控制电路模型的建立与仿真参数设置,控制电路中由Clock模块、Matlab Fcn模块组成。Clock路径为:Simulink/Sources/Clock。参数设置Decimation为100。此模块表示输出时间。在控制电路中,本次仿真采用Matlab Fcn模块,其路径为Simulink/User-Defined Functions/Matlab Fcn。此模块参数设置如图8-18所示,即在Matlab function编辑框中写入一个函数名chenzhong37。,Matlab Fcn参
18、数对话框,m函数文件的编写方法:,1)启动Matlab。2)选择文件菜单中FileNewM-File。3)书写m函数定义行。4)书写程序。5)存储到文件夹。由于函数文件是用来定义子程序的,它有如下特点:1)由Function起头,后跟的函数名可以与文件名相同,也可以不相同;2)有输入输出单元(变量),可进行变量传递;3)除非用global声明,程序中的变量均为局部变量,不保存在工作空间中。,电压空间矢量控制中M函数文件如图8-19所示。文件第一行是定义函数名,y表示输出,T1表示输入,mod函数作用是把输入量周期化,mod(T1,0.000628)表示把输入量按照0.000628s为一个周期,
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