MATLAB在電類專業(yè)課程中的應(yīng)用第7章課件

1、第七章 MATLAB在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用7.1 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)7.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.3 PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)7.4 交流調(diào)壓系統(tǒng)7.5 變頻調(diào)速系統(tǒng)7.6異步電動(dòng)機(jī)的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)7.7繞線式異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)7.1 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)7.1.1單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)2. 系統(tǒng)的Simulink仿真模型【例7_2】創(chuàng)建單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)，由晶閘管整流裝置控制直流電機(jī)，反饋采用測(cè)速發(fā)電機(jī)，創(chuàng)建Simulink仿真模型。在比例調(diào)節(jié)器的作用下，電機(jī)轉(zhuǎn)速很快達(dá)到穩(wěn)定；在2S時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩由50上升為100，電流和電磁轉(zhuǎn)矩都升高，系統(tǒng)快速進(jìn)行調(diào)節(jié)，使轉(zhuǎn)速回升達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。用給定值和反饋

2、值的偏差來(lái)控制整流器觸發(fā)角，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)存在轉(zhuǎn)速偏差。7.1.2單閉環(huán)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)2. 電流截止負(fù)反饋當(dāng)電機(jī)電流IdIdcr時(shí)，電流負(fù)反饋就起作用，這種當(dāng)電流大到一定程度時(shí)才出現(xiàn)的電流負(fù)反饋叫做電流截止負(fù)反饋。Switch的輸入端口有三個(gè)，中間端口2為控制端，端口1和端口3為數(shù)據(jù)端，當(dāng)滿足條件“u2=Threshold”時(shí)，輸出為端口1，否則輸出為端口3。因此當(dāng)電流ia=120時(shí)，輸出120；否則輸出0。在圖中可以看到加電流截止負(fù)反饋后，反饋電流ia不會(huì)超過(guò)120，因?yàn)楫?dāng)電流ia=120時(shí)，就加入了電流負(fù)反饋信號(hào)。7.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主要由電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器兩個(gè)負(fù)反饋閉環(huán)組成，把轉(zhuǎn)速

3、調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)成電流調(diào)節(jié)器的輸入，再通過(guò)電流調(diào)節(jié)器的輸出控制后面的電路。在這里電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，而轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)，所以形成了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)?！纠?_4】創(chuàng)建以晶閘管直流電動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的Simulink模型，通過(guò)仿真查看性能指標(biāo)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在單閉環(huán)調(diào)速的基礎(chǔ)上增加了電流環(huán)，其余部分與單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)相同，包括直流電機(jī)（DC Machine）、三相電源Ua，Ub，Uc（AC Voltage Source）、同步6脈沖觸發(fā)器（Synchronized 6-Pulse Generator）和三相整流橋（Universal Bridge）。7.3 PWM可逆直流調(diào)

4、速系統(tǒng)7.3.1 可逆PWM變換器2. 橋式可逆PWM變換器模型模塊自帶幅值為1的三角波，且輸入信號(hào)應(yīng)該在-11之間，輸入信號(hào)與三角波信號(hào)比較，占空比大于50%，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)比較結(jié)果小于0大于-1時(shí)，占空比小于50%，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。7.3.2 單閉環(huán)PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)【例7_5】創(chuàng)建單閉環(huán)PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的Simulink模塊，通過(guò)示波器查看電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流波形。系統(tǒng)主要由給定階躍信號(hào)（Step）、直流電源（DC Voltage Source）、三相整流橋（Universal Bridge）、PI調(diào)節(jié)器（Discrete PI Controller）、上節(jié)介紹的雙極式可逆PWM變換器、

5、直流電機(jī)（DC Machine）、轉(zhuǎn)速反饋（Gain）等模塊。電壓Ud波形顯示為-220220的脈沖，根據(jù)脈沖寬度電流id上升和下降；轉(zhuǎn)速曲線n當(dāng)啟動(dòng)時(shí)給定信號(hào)為10，電機(jī)為正轉(zhuǎn)，2秒時(shí)給定信號(hào)為-10電機(jī)反轉(zhuǎn)，電流ia啟動(dòng)時(shí)較大，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)時(shí)穩(wěn)定。7.3.3雙閉環(huán)PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)【例7_6】創(chuàng)建電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的Simulink模型，采用雙極式PWM直流可逆變換器控制，通過(guò)示波器查看電流和轉(zhuǎn)速的波形。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在單閉環(huán)調(diào)速的基礎(chǔ)上增加了電流環(huán)，其余部分與單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相同，包括雙極式可逆PWM變換器、直流電機(jī)（DC Machine）、轉(zhuǎn)速反饋（Gain）等模塊。從

6、仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)給定電壓為10V時(shí)，在電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，電流調(diào)節(jié)器作用下的電動(dòng)機(jī)電樞電流接近最大值，使得電動(dòng)機(jī)以最快速度開始上升，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到230r/min，超調(diào)量為15%，穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速為200r/min；當(dāng)2秒時(shí)給定信號(hào)為-10時(shí)，電動(dòng)機(jī)從電動(dòng)狀態(tài)變成制動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時(shí)，電動(dòng)機(jī)開始反轉(zhuǎn)。7.4 交流調(diào)壓系統(tǒng)7.4.1交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)原理7.4.2 交流調(diào)壓調(diào)速仿真模型【例7_7】創(chuàng)建交流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速Simulink仿真模型，使用示波器查看輸出轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩波形。三相調(diào)壓器三相調(diào)壓器由六個(gè)晶閘管（Detailed Thyristor）V1V6組成；六個(gè)晶閘管的觸發(fā)角輸入g端口由Demux

7、分離成六個(gè)輸出信號(hào)分別連接；分別將晶閘管V1與V4的a和k端口連接、V3與V6的a和k端口連接、V2與V5的a和k端口連接作為子系統(tǒng)的輸入端Ua、Ub和Uc；分別將晶閘管V1與V4的k和a端口連接、V3與V6的的k和a端口連接、V2與V5的的k和a端口連接作為子系統(tǒng)的輸出端Ua1、Ub1和Uc1；每個(gè)晶閘管的E端口直接連接Terminator模塊。交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的Simulink仿真模型在啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速?gòu)牧闵仙^(guò)程中，電磁轉(zhuǎn)矩較大，到電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，電磁轉(zhuǎn)矩保持不變；當(dāng)啟動(dòng)1s時(shí)，負(fù)載由20增加到40，轉(zhuǎn)速下降，電磁轉(zhuǎn)矩上升，穩(wěn)定時(shí)轉(zhuǎn)速恢復(fù)到原來(lái)值，保持無(wú)靜差調(diào)速。7.5 變頻調(diào)速系統(tǒng)【例7_8

8、】創(chuàng)建SPWM調(diào)速系統(tǒng)的Simulink仿真模型，使用示波器查看交流電機(jī)的定子電流、轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩。離散PWM發(fā)生器：正弦信號(hào)由三個(gè)正弦輸入信號(hào)產(chǎn)生，三角波為幅值為1頻率為1080HZ的信號(hào)。在電機(jī)轉(zhuǎn)速上升的過(guò)程中，電機(jī)定子電流開始較大，轉(zhuǎn)速上升很快，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)，電流也穩(wěn)定下來(lái)；隨著調(diào)制波頻率的變化，輸出電壓也隨著變化，從而保證電壓和頻率之比恒定，轉(zhuǎn)速也跟著變化。7.6異步電動(dòng)機(jī)的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)7.6.1轉(zhuǎn)速恒壓頻比交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理（2）基頻以上調(diào)速基頻以下采用恒壓頻比的控制方式時(shí)，機(jī)械特性隨f1下調(diào)而向下平移，這一變化大體上和直流電機(jī)調(diào)速時(shí)的特性變化情況基本相似，但所不同的是，

9、當(dāng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大后，轉(zhuǎn)矩在降低時(shí)，特性曲線就折回來(lái)了，且頻率越低轉(zhuǎn)矩越小。基頻以上調(diào)速時(shí),角頻率提高但是電壓卻不變，此時(shí)的同步轉(zhuǎn)速提高，臨界轉(zhuǎn)矩減少，氣隙磁通減弱，使得輸出轉(zhuǎn)矩降低，轉(zhuǎn)速上升，允許輸出功率基本不變。7.6.2轉(zhuǎn)速恒壓頻比交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型【例7_9】創(chuàng)建轉(zhuǎn)速恒壓頻比交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的Simulink仿真模型，使用示波器觀察電壓和頻率的變化情況，以及電機(jī)的轉(zhuǎn)速波形。GI積分限幅模塊V-F曲線（Fcn）轉(zhuǎn)速波動(dòng)很大，上升并最后穩(wěn)定在1500；電磁轉(zhuǎn)矩和電流由于負(fù)載很小，幾乎為0;Uab有效值波形隨時(shí)間增加，頻率增加，有效值上升，則保證了U/F的值穩(wěn)定7.7繞線式異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)

10、調(diào)速系統(tǒng)7.7.1串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理轉(zhuǎn)子經(jīng)三相不可控整流裝置UR整流，產(chǎn)生直流電壓；工作在有源逆變狀態(tài)的三相可控整流裝置UI除了提供可調(diào)的直流電壓作為電機(jī)調(diào)速所需的附加直流電動(dòng)勢(shì)外，還可將UR整流輸出的轉(zhuǎn)差功率逆變，并回饋到交流電網(wǎng)。L為平波電抗器，兩個(gè)整流裝置電壓Ud 和Ui的極性如圖所示，電流id的方向也如圖所示，因此系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)，UdUi。2. 雙閉環(huán)控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)7.7.2繞線式異步電機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)仿真【例7_10】創(chuàng)建Simulink繞線式異步電機(jī)的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，系統(tǒng)采用電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)雙閉環(huán)控制，在示波器中觀察電機(jī)的轉(zhuǎn)速和定子電流波形。當(dāng)電流調(diào)節(jié)器ACR輸出為0時(shí)，同