利用MATLAB 对交流电机调速系统进行建模和仿真❋

王 涛，刘 洋，左月明

（1.乌兰察布职业学院 机电技术系，内蒙古 集宁 012000；2.山西农业大学 工学院，山西 太谷 030801）

0 引言

目前，交流电机常用的几种调速方法有：变极调速、串级调速、定子调压调速、转子串电阻调速、电磁离合器调速、变频调速等。其中，定子调压调速既适用于笼型异步电机，也适用于绕线转子异步电机［1］。

计算机仿真技术是借助计算机及相关技术，对真实系统的运行过程和状态进行数字化模拟的技术。simulink作为MATLAB的一个组件，能够实现对动态系统的建模、仿真和综合分析［2］。本文在simulink环境中建立面向电气原理结构图的仿真方法，对交流电机调速系统进行研究，从而实现对典型电机定子调压调速模型的构建与仿真。

1 定子调压调速原理及其性能指标

1.1 调压调速原理

异步电机的机械特性方程式为：

其中：T e为电磁转矩；p m为电机极对数；U s为电机定子相电压；Rs为定子每相电阻；R′r为转子折算电阻；s为转差率；ωs为电机供电电源角频率；L11为定子每相漏感；L′12为转子每相漏感。

由此，当转差率s为定值时，电磁转矩T e与电机定子相电压U s的平方成正比。而调压调速就是通过改变定子的外加电压来改变电机的电磁转矩T e，从而实现在输出一定转矩的情况下改变电机转速的目的。

1.2 交流调压调速方法

为了获得可调的交流电压，一般可采用以下3种调压方法：

（1）传统调压器调压。它主要利用自耦变压器对电机进行调压。

（2）饱和电抗器调压。该方法是利用直流励磁电流的改变来控制铁芯的磁饱和程度，进而改变交流电抗值。当铁芯饱和时，交流电抗值较小，所以电机定子所得的电压值就高；当铁芯不饱和时，交流电抗值随直流励磁电流的变化而改变，从而定子电压也随其发生变化，从而达到调压调速的目的。

（3）晶闸管调压。这种方法是采用3对反并联的晶闸管或3个双向晶闸管调节电机定子电压。

1.3 调速技术指标

根据不同生产机械和生产工艺，电动机调速性能指标主要包括以下3个方面：

（1）调速。即在最高和最低转速范围内，实现有级或无级调速。

（2）稳速。即在系统精度的要求范围内，实现电机的稳定运行，转速波动受外来扰动影响较小。

（3）加减速控制。即对于启、制动较频繁的设备，为了提高生产效率，要尽可能快地加、减速来缩短启、制动时间；对于某些不宜经受速度剧烈变化的机械，还要求启、制动平稳［3，4］。

2 定子调压调速系统仿真模型构建

本模型采用速度闭环PI控制系统结构，晶闸管调压。它通过PI控制电机使其调速，可以使系统在进入稳态后无稳态误差，从而提高了系统的稳态精度［5］，其电气原理结构图如图1所示。图1中，为给定电压；U n为反馈转速电压；n为电机转速。

图1 交流调压调速系统电气原理结构图

系统模型由主电路模型和控制电路模型两部分组成。其原理如下：将给定速度与测速发电机（TG）发出的速度反馈值进行比较，比较后由转速调节器（ASR）得到其控制电压U ct，再将U ct输入到触发电路（GT），由GT输出来控制主电路（VVC）中晶闸管的导通角，以控制晶闸管输出电压的高低，从而调节了加在电机（M）定子绕组上电压的大小。因此，改变了速度给定值就改变了电机的转速。

将主电路和控制电路的仿真模型按照交流调压调速系统的电气原理结构图的连接关系进行建模，模型中主电路由交流电压源（A，B，C）、晶闸管、晶闸管三相交流调压器（TYQ）、异步电机（DDJ）、同步脉冲触发器（CFQ）及电动机测试信号（FPQ）等模块组成；控制电路由给定环节、速度调节器、限幅器、速度反馈环节等模块构成。系统仿真模型如图2所示。

图2 交流调压调速系统的仿真模型

用6个晶闸管元器件和电压源模块搭建的子系统，对主电路中晶闸管三相交流调压器进行单独建模仿真［6］，如图3所示。

图3 晶闸管三相交流调压器的仿真模型

3 系统仿真参数设置

主电路的有关参数设置如下：电压源A相交流电源幅值为220 V、初相位为0、频率为50 Hz，B相、C相除了将初始相位设置值互差120°外，其他与A相相同；晶闸管采用“相位控制”方式，其他为默认值。

控制电路的有关参数设置如下：速度反馈系数设为30／π；调节器ASR的参数设置分别是：K p＝40，K i＝200，上下限幅值为［180，-180］；限幅器限幅值为［180，30］，其他为系统默认值。

仿真选择的算法为ode23t b算法；仿真起始时间（Start ti me）设为0，停止时间（Stop ti me）设为3，其他为系统默认值。

4 仿真结果分析

系统的转速输出曲线如图4所示。图4（a）为转速调节器K p＝40，K i＝200和给定电压为220 V的转速输出动态曲线，图4（b）为转速调节器K p＝50，K i＝300和给定电压为110 V的转速输出动态曲线。

图4 异步电动机调压调速系统仿真转速图形

从仿真结果可以看出定子调压调速调节速度比较快，转速在0.5 s左右就接近了稳态值且稳态值较小，并且随着定子电压的降低而减小。从而验证了电机通过定子外加电压改变电磁转矩可以达到改变电机转速的目的。

5 结论

本文利用MATLAB／simulink工具箱，构建了交流电机定子调压调速系统的仿真模型，并进行了仿真实现。仿真结果表明：波形符合理论分析，系统能平稳运行，具有较好的静、动态特性。因此，它能为实际电机控制系统的设计和调试提供新的思路。

［1］陈伯时，陈敏逊.交流调速系统［M］.第2版.北京：机械工业出版社，1998.

［2］王忠礼，段慧达.MATLAB应用技术：在电气工程及其自动化专业中的应用［M］.北京：清华大学出版社，2007.

［3］陈伯时.电力拖动自动控制系统：运动控制系统［M］.第3版.北京：机械工业出版社，2003.

［4］汤蕴缪，史乃.电机学［M］.北京：机械工业出版社，1999.

［5］任彦硕，赵一丁，张家生.自动控制系统［M］.北京：北京邮电大学出版社，2006.

［6］周渊深.交直流调速系统与MATLAB仿真［M］.北京：中国电力出版社，2007.