【導(dǎo)讀】對于繞線式異步電動機來說，由于改變其轉(zhuǎn)子繞組控制變量以實現(xiàn)調(diào)速，轉(zhuǎn)子側(cè)。通常轉(zhuǎn)子電流隨負(fù)載的大小決定，不能任意調(diào)。是電動勢，這也是本文所要研究的重點之一。子串反電動勢來代替電阻，吸收轉(zhuǎn)差功率；用雙閉環(huán)控制提高系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能。把這種用附加電動勢的方法將轉(zhuǎn)差功率回收利用的調(diào)速稱為雙閉環(huán)串級調(diào)速。并通過利用MATLAB軟件對雙閉環(huán)串級。電力傳動自動控制系統(tǒng)是把電能轉(zhuǎn)換成機械能的裝置。

　　

【正文】 軸上裝一臺直流測速發(fā)電機 TG，引出與轉(zhuǎn)速成正比的電壓 Uf，與給定電壓 Ugd 比較后，得偏差電壓 ΔU，經(jīng)過放大器 FD，產(chǎn)生觸發(fā)裝置 CF 的控制電壓 Uk，用以控制電動機的轉(zhuǎn)速。因為這里只有一個環(huán)，所以成為單閉環(huán)系統(tǒng)。采用 PI 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，既保證了動態(tài)穩(wěn)定性 ，又能做到無靜差，很好地解決了系統(tǒng)中動、靜態(tài)之間的矛盾。然而系統(tǒng)中只靠電流截止環(huán)節(jié)來限制啟動和升速的沖擊電流，其性能仍然不能令人滿意。主要問題是，不能在充分利用電機過載能力的條件下獲得最快的動態(tài)響應(yīng)，甚至使啟動和加速過程拖長。自動控制理論提示，進(jìn)一步解決問題的唯一途徑是對電流這個物理量也實行負(fù)反饋控制。同時在電流控制回路中設(shè)置一個調(diào)節(jié)器，專門用于調(diào)節(jié)電流量。這樣，系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。這樣的系統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS i z eBD a t e : 9 M a r 2020 S he e t of F i l e : E : \ P R O G R A M F I L E S \ D E S I G N E X P L O R E R 99 S E \ E X A M P L E S \ M y D e s i gn3\ M y D e s i r a w n B y :001122U2AND+R1R E S 2R2R E S 2R3R E S 2R4R E S 2D1D I O D ED2D I O D ER5R E S I S T O R T A P P E DR6R E S I S T O R T A P P E D+U s cU s r 圖 輸出限幅電路圖 在組成雙閉環(huán)系統(tǒng)時必須解決 的 一個問題，就是調(diào)節(jié)器的限幅的整定問題。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出限幅電壓決定了電流調(diào)節(jié)器 ACR 給定電流的最大值，它完全取決于電動機的過載能力和系統(tǒng)對最大加速度的需要；電流調(diào)節(jié)器 ACR 的正限幅則表示對觸發(fā)器裝置的最小移相 α 的限制或?qū)чl管裝置輸出電壓最大值的限制。采用運算放大器做調(diào)節(jié)器的時候，輸出限幅可以采用上面圖 電路 [16]。 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋在系統(tǒng)中分別起作用，又不致互相牽制而影響系統(tǒng)的性能，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別是轉(zhuǎn)速和電流。它們之間實現(xiàn)串級聯(lián)接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié) 器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管的觸發(fā) 裝置。它的原理框架結(jié)構(gòu)圖 如圖 所示 。 三 相不 控整 流三 相 電 源 輸 出M3 ~AYY三 相逆 變橋 路AV電 流 反 饋與 電 流 保 護(hù)正 橋功 放觸 發(fā)電 路電 流調(diào) 節(jié) 器速 度調(diào) 節(jié) 器給 定速 度變 換T GVAG勵 磁電 源13226423121 0繞 線 式異 步 電動 機三 相 心 式變 壓 器 Y Y型 接 法測 速 發(fā) 電 機I 3I 1U c tU i fU 2I 2I i dR i nU 1+R 圖 繞線式異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)框圖 在圖 反饋的結(jié)構(gòu)來看，電流調(diào)節(jié)器 ACR 在里面，是內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外面 ， 成為外環(huán)。這樣就組成了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 。 總電路圖的設(shè)計 由串級調(diào)速系統(tǒng)的原理可知在轉(zhuǎn)子回路中附加電勢，通常采用的方法是將轉(zhuǎn)子電動勢經(jīng)二極管橋式整流器整流得到一個直流電壓，在由晶閘管有源逆變路來改變轉(zhuǎn)子 的反電動勢， 從而方便 地實現(xiàn)無級調(diào)速。 再加上雙閉環(huán)系統(tǒng)就構(gòu)成了整個系統(tǒng)圖如圖，其中子系 統(tǒng) 是串級調(diào)速系統(tǒng)。 圖 雙閉環(huán)三相異步電機串級調(diào)速系統(tǒng) 5 系統(tǒng)仿真 仿真軟件的簡介 系統(tǒng)仿真和調(diào)試在設(shè)計電路時 ,要對所設(shè)計的電路的性能進(jìn)行預(yù)計、判斷和校驗。過去常用數(shù)學(xué)和物理這兩種方法 ,它們對設(shè)計規(guī)模較小的一般電路是可行的。隨著大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展 ,電路品種日新月異 ,規(guī)模越來越大 ,同時對電路的可靠性、性價比也越來越高 ,原來的方法已完全不能適應(yīng)電路的要求?？刂葡到y(tǒng) 的計算機法仿真是一門涉及到控制理論、計算機技術(shù)的綜合性新興學(xué)科。它是以控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，以計算機為工具，對系統(tǒng)進(jìn)行實驗研究的一種方法。系統(tǒng)仿真就是用模型代替實際系統(tǒng)進(jìn)行實驗和研究，而計算機仿真能夠為各種試驗提供方便、靈活可靠的數(shù)學(xué)模型。目前應(yīng)用的比較多的是 MATLAB ,它包含了強大的仿真器和仿真庫。使用 MATLAB 對控制系統(tǒng)進(jìn)行計算機仿真的主要方法是：以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用 MATLAB 的 Simulink 工具箱，從元件庫中選取所需的元件 ,連接好原理圖 ,加上激勵源 ,然后單擊仿真按鈕即可自動開 始 ,可以同時觀察復(fù)雜的模擬信號和數(shù)字信號波形 ,以及得到電路性能的全部波形。 本畢業(yè)設(shè)計的仿真用的就是MATLAB 軟件 [21]。 具體 的軟件 仿真 設(shè)計 主電路的仿真 設(shè)計 主電路由三相對稱交流電壓源、二極管轉(zhuǎn)子整流器、晶閘管逆變器、電抗器、逆變變壓器、繞線式交流異步電動機、電動機信號分配器等部分組成。 如圖 所示。 對三相對稱交流電壓源的設(shè)置，打開參數(shù)設(shè)置對話框，設(shè)置的主要參數(shù)有交流峰值電壓、相位和頻率。三相電源的相位互差 120176。 角。設(shè)置交流峰值電壓為 220V，頻率為 50Hz。 在“ PowerSystem”工具箱中有一個電動機模塊庫，他包含了直流電動機、異步電動機、同步電動機級其他各種電動機模塊。其中，模塊庫中有兩個異步電動機模型，一個是標(biāo)幺值單位制（ PU unit）下的異步電動機模型，另一個是國際單位制（ SI unit）下的異步電動機模型，本設(shè)計采用后者。 描述異步電動機模塊性能的狀態(tài)方程包括電氣和機械兩個部分，電氣部分有 5個狀態(tài)方程，機械部分有 2 個狀態(tài)方程。該模塊有 4 個輸入端子， 4 個輸出端子。模塊的前 3 個輸入端子（ A、 B、 C）為電動機的定子電壓輸入，第四個輸入端一般 接負(fù)載，為加到電動機軸上的 機械負(fù)載，該端子可直接接 SIMULINK 信號。模塊的前 3 個輸出端子（ a、 b、 c）為轉(zhuǎn)子電壓輸出，一般短接在一起，活連接其他附加電路，當(dāng)異步電動機為鼠籠式電動機時，電動機模塊將不顯示輸出端子（ a， b， c）。第 4 個輸出端為 m 端子。 圖 串級調(diào)速系統(tǒng)主電路圖 異步電動機的參數(shù)設(shè)置可以通過電動機模塊的參數(shù)對話框來輸入，有關(guān)的參數(shù)設(shè)置如下： 繞線類型（ Rotor type） 列表框：分 繞 線式（ Wound）和鼠籠式（ Squirrelcage）兩種，此處選擇前者。 參考坐標(biāo)系（ Reference frame）列表框：有靜止坐標(biāo)系（ Stationary）、轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系（ Rotor）和同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（ Synchronous） ，此處竄同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。 額定參數(shù)：額定功率 Pn（單位為 Kw），線電壓 Vn（單位為 V），頻率 f（單位為 Hz） ； 定子電阻 Rs（ Stator） （單位為 Ω ）和漏感（ Lls）（單位為 H）； 轉(zhuǎn)子電阻 Rr（ Rotor）（單位為Ω）和漏感（ Lls）（單位為 H）； 互感（ Mutual inductance） Lm（ 單位為 H）； 轉(zhuǎn)動慣量（ Inertia） J（單位為 Kg.㎡ ），極對數(shù) P。 異步電動機的參數(shù)設(shè)置對話框的參數(shù)設(shè)置如圖 所示。 圖 繞線式交流異步電機參數(shù)設(shè)置 二極管轉(zhuǎn)子整流器和晶閘管逆變器來自于同一個模塊，只是選擇的參數(shù)不同在 中找到的模塊是是轉(zhuǎn)子整流器，參數(shù)設(shè)置如圖 所示。將轉(zhuǎn)子整流器 雙擊在出現(xiàn)的菜單中將 Thyristors 改為 Diodes,再根據(jù)需要對參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完以后，如圖 所示，再將該元件進(jìn)行翻轉(zhuǎn)就得了 晶閘管逆變器。 圖 轉(zhuǎn)子整流器的參數(shù)設(shè)置 圖 晶閘管逆變器的參數(shù)設(shè)置 對串級調(diào)速系統(tǒng)中的元件模塊的參數(shù)設(shè)置完以后，將整個串級調(diào)速系統(tǒng)的主電路圖全部選定然后右擊鼠標(biāo)，在出現(xiàn)的菜單欄中選擇并點擊 Create Subsystem 選項，從而對串級調(diào)速系統(tǒng)主電路圖進(jìn)行了封裝，得到 主電路 子系統(tǒng) Subsystem1 如圖 所示。 圖 主電路子系統(tǒng) 控制電路的建模和參數(shù)設(shè)置 串級調(diào) 調(diào)速系統(tǒng)的控制電路包括 給定環(huán)節(jié)、速度調(diào)節(jié)器、限幅器、速度反饋環(huán)節(jié)等。 設(shè)置限幅器的限幅值為 [180,30]，其他為說明的為系統(tǒng)默認(rèn)參數(shù)。如圖 所示為限幅器的模塊圖標(biāo)。圖 所示為限幅器的參數(shù)設(shè)置圖。 圖 限幅器的模塊圖標(biāo) 圖 限幅器的參數(shù)設(shè)置圖 設(shè)置 反相器 的反饋系數(shù)為 1。圖 所示為 反相器 的模塊圖。 反相器的參數(shù)設(shè)置如圖 所示。對于其他的放大器的參數(shù)設(shè)置按要求改放大倍數(shù)即可。 圖 反相 器的模塊圖 圖 反相器參數(shù)設(shè)置 設(shè)置給定轉(zhuǎn)速的 三個 階躍信號“ step”的參數(shù)設(shè)定分別如圖 、圖 和圖 所示。 圖 限幅器 step的參數(shù)設(shè)置圖 圖 限幅器 step1 的參數(shù)設(shè)置圖 圖 限幅器 step1的參數(shù)設(shè)置圖 設(shè)置速度調(diào)節(jié)器中 Xp=2， τn=10，上下限幅值為 [180,180]。圖 所示為PI 調(diào)節(jié)器的模塊圖標(biāo)和參數(shù)設(shè)置圖。 圖 速度調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置圖 6 脈沖觸發(fā)器的頻率與電源頻率相同 。為 50rad/s。脈寬設(shè)置為脈沖寬度的50%[22]。其參數(shù)設(shè)置如圖 所示。 圖 6脈沖觸發(fā)器的參數(shù)設(shè)置 通過對主電路和控制電路的模塊設(shè)計以及每個模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，最終得到了雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖如圖 所示。 圖 雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖 系統(tǒng)的仿真、仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析 仿真所選擇的算法為 ode23tb；仿真“ Start time”設(shè)置為 0，“ Stop time”設(shè)置為 5。 畫好雙閉環(huán)三相異步電機串級調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖后，選擇好算法，并運行軟件，通過示波器來觀察輸出波形。當(dāng)發(fā)現(xiàn)波形與理論值相差太遠(yuǎn)時，要對模塊的參數(shù)重新設(shè)置，并不斷的調(diào)試，最終得到較為滿意的仿真圖如圖 所示。 圖 系統(tǒng)仿真圖 從仿真結(jié)果可以看出，在穩(wěn)態(tài)時，仿真系統(tǒng)的實際速度能實現(xiàn)對給定速度的良好跟蹤；在過渡過程時，仿真系統(tǒng)實際速度對階躍信號的跟蹤有一定的偏差。 從仿真結(jié)果可進(jìn)一步看出，電流環(huán)的隨動性和轉(zhuǎn)速環(huán)的 跟隨性能良好，也論證了雙閉環(huán)中轉(zhuǎn)速、電流環(huán)的作用。 總結(jié) 畢業(yè)設(shè)計是大學(xué)中最后一個教學(xué)環(huán)節(jié)了，是對自己在大學(xué)中所學(xué)知識的一個綜合的運用與總結(jié)，使自己所學(xué)的知識在實際中獲得應(yīng)用，我所制作的是雙閉環(huán) 三相異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)， 主要是用 MATLANB 對雙閉環(huán)串級調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真 ，以實現(xiàn)雙閉環(huán)串級調(diào)速的功能。單就一個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來講，它的電路并不是很復(fù)雜，通過對轉(zhuǎn)速反饋電壓以及給定電壓的比較和放大，來達(dá)到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的作用，但是如果要構(gòu)成雙閉環(huán)三相異步電機串級調(diào)速系統(tǒng)，則需要很多外圍模塊電路共同構(gòu)成，如電流調(diào)節(jié)器，零速 封鎖器，給定電壓電路，晶閘管有源逆變電路，繞線式電動機，測功機，直流發(fā)電機等等，而且各個模塊的調(diào)節(jié)參數(shù)也必須互相匹配，如果不太匹配，那么這個系統(tǒng)的性能就會大打折扣。我在調(diào)試當(dāng)中也同樣碰到了這些問 題，電路明明是接對的，但是 仿真結(jié)果就是不理想 ，一開始還以為是電壓不穩(wěn)定或者電壓不夠，但是我進(jìn)行了適當(dāng)?shù)纳龎汉头€(wěn)壓后還是不行，我之后查看了很多的資料才知道是各個模塊的參數(shù)沒有整定好，最后在 尹 老師的幫助下，問題的嚴(yán)重性已經(jīng)大大降低