王 濤，劉 洋，左月明

（1.烏蘭察布職業(yè)學(xué)院 機電技術(shù)系，內(nèi)蒙古 集寧 012000；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801）

0 引言

目前，交流電機常用的幾種調(diào)速方法有：變極調(diào)速、串級調(diào)速、定子調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、電磁離合器調(diào)速、變頻調(diào)速等。其中，定子調(diào)壓調(diào)速既適用于籠型異步電機，也適用于繞線轉(zhuǎn)子異步電機［1］。

計算機仿真技術(shù)是借助計算機及相關(guān)技術(shù)，對真實系統(tǒng)的運行過程和狀態(tài)進行數(shù)字化模擬的技術(shù)。simulink作為MATLAB的一個組件，能夠?qū)崿F(xiàn)對動態(tài)系統(tǒng)的建模、仿真和綜合分析［2］。本文在simulink環(huán)境中建立面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖的仿真方法，對交流電機調(diào)速系統(tǒng)進行研究，從而實現(xiàn)對典型電機定子調(diào)壓調(diào)速模型的構(gòu)建與仿真。

1 定子調(diào)壓調(diào)速原理及其性能指標

1.1 調(diào)壓調(diào)速原理

異步電機的機械特性方程式為：

其中：T e為電磁轉(zhuǎn)矩；p m為電機極對數(shù)；U s為電機定子相電壓；Rs為定子每相電阻；R′r為轉(zhuǎn)子折算電阻；s為轉(zhuǎn)差率；ωs為電機供電電源角頻率；L11為定子每相漏感；L′12為轉(zhuǎn)子每相漏感。

由此，當轉(zhuǎn)差率s為定值時，電磁轉(zhuǎn)矩T e與電機定子相電壓U s的平方成正比。而調(diào)壓調(diào)速就是通過改變定子的外加電壓來改變電機的電磁轉(zhuǎn)矩T e，從而實現(xiàn)在輸出一定轉(zhuǎn)矩的情況下改變電機轉(zhuǎn)速的目的。

1.2 交流調(diào)壓調(diào)速方法

為了獲得可調(diào)的交流電壓，一般可采用以下3種調(diào)壓方法：

（1）傳統(tǒng)調(diào)壓器調(diào)壓。它主要利用自耦變壓器對電機進行調(diào)壓。

（2）飽和電抗器調(diào)壓。該方法是利用直流勵磁電流的改變來控制鐵芯的磁飽和程度，進而改變交流電抗值。當鐵芯飽和時，交流電抗值較小，所以電機定子所得的電壓值就高；當鐵芯不飽和時，交流電抗值隨直流勵磁電流的變化而改變，從而定子電壓也隨其發(fā)生變化，從而達到調(diào)壓調(diào)速的目的。

（3）晶閘管調(diào)壓。這種方法是采用3對反并聯(lián)的晶閘管或3個雙向晶閘管調(diào)節(jié)電機定子電壓。

1.3 調(diào)速技術(shù)指標

根據(jù)不同生產(chǎn)機械和生產(chǎn)工藝，電動機調(diào)速性能指標主要包括以下3個方面：

（1）調(diào)速。即在最高和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，實現(xiàn)有級或無級調(diào)速。

（2）穩(wěn)速。即在系統(tǒng)精度的要求范圍內(nèi)，實現(xiàn)電機的穩(wěn)定運行，轉(zhuǎn)速波動受外來擾動影響較小。

（3）加減速控制。即對于啟、制動較頻繁的設(shè)備，為了提高生產(chǎn)效率，要盡可能快地加、減速來縮短啟、制動時間；對于某些不宜經(jīng)受速度劇烈變化的機械，還要求啟、制動平穩(wěn)［3，4］。

2 定子調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建

本模型采用速度閉環(huán)PI控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，晶閘管調(diào)壓。它通過PI控制電機使其調(diào)速，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度［5］，其電氣原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖1中，為給定電壓；U n為反饋轉(zhuǎn)速電壓；n為電機轉(zhuǎn)速。

圖1 交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)模型由主電路模型和控制電路模型兩部分組成。其原理如下：將給定速度與測速發(fā)電機（TG）發(fā)出的速度反饋值進行比較，比較后由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）得到其控制電壓U ct，再將U ct輸入到觸發(fā)電路（GT），由GT輸出來控制主電路（VVC）中晶閘管的導(dǎo)通角，以控制晶閘管輸出電壓的高低，從而調(diào)節(jié)了加在電機（M）定子繞組上電壓的大小。因此，改變了速度給定值就改變了電機的轉(zhuǎn)速。

將主電路和控制電路的仿真模型按照交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理結(jié)構(gòu)圖的連接關(guān)系進行建模，模型中主電路由交流電壓源（A，B，C）、晶閘管、晶閘管三相交流調(diào)壓器（TYQ）、異步電機（DDJ）、同步脈沖觸發(fā)器（CFQ）及電動機測試信號（FPQ）等模塊組成；控制電路由給定環(huán)節(jié)、速度調(diào)節(jié)器、限幅器、速度反饋環(huán)節(jié)等模塊構(gòu)成。系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。

圖2 交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型

用6個晶閘管元器件和電壓源模塊搭建的子系統(tǒng)，對主電路中晶閘管三相交流調(diào)壓器進行單獨建模仿真［6］，如圖3所示。

圖3 晶閘管三相交流調(diào)壓器的仿真模型

3 系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置

主電路的有關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：電壓源A相交流電源幅值為220 V、初相位為0、頻率為50 Hz，B相、C相除了將初始相位設(shè)置值互差120°外，其他與A相相同；晶閘管采用“相位控制”方式，其他為默認值。

控制電路的有關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：速度反饋系數(shù)設(shè)為30／π；調(diào)節(jié)器ASR的參數(shù)設(shè)置分別是：K p＝40，K i＝200，上下限幅值為［180，-180］；限幅器限幅值為［180，30］，其他為系統(tǒng)默認值。

仿真選擇的算法為ode23t b算法；仿真起始時間（Start ti me）設(shè)為0，停止時間（Stop ti me）設(shè)為3，其他為系統(tǒng)默認值。

4 仿真結(jié)果分析

系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速輸出曲線如圖4所示。圖4（a）為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器K p＝40，K i＝200和給定電壓為220 V的轉(zhuǎn)速輸出動態(tài)曲線，圖4（b）為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器K p＝50，K i＝300和給定電壓為110 V的轉(zhuǎn)速輸出動態(tài)曲線。

圖4 異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)仿真轉(zhuǎn)速圖形

從仿真結(jié)果可以看出定子調(diào)壓調(diào)速調(diào)節(jié)速度比較快，轉(zhuǎn)速在0.5 s左右就接近了穩(wěn)態(tài)值且穩(wěn)態(tài)值較小，并且隨著定子電壓的降低而減小。從而驗證了電機通過定子外加電壓改變電磁轉(zhuǎn)矩可以達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。

5 結(jié)論

本文利用MATLAB／simulink工具箱，構(gòu)建了交流電機定子調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，并進行了仿真實現(xiàn)。仿真結(jié)果表明：波形符合理論分析，系統(tǒng)能平穩(wěn)運行，具有較好的靜、動態(tài)特性。因此，它能為實際電機控制系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試提供新的思路。

［1］陳伯時，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)［M］.第2版.北京：機械工業(yè)出版社，1998.

［2］王忠禮，段慧達.MATLAB應(yīng)用技術(shù)：在電氣工程及其自動化專業(yè)中的應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

［3］陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)：運動控制系統(tǒng)［M］.第3版.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

［4］湯蘊繆，史乃.電機學(xué)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1999.

［5］任彥碩，趙一丁，張家生.自動控制系統(tǒng)［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.

［6］周淵深.交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真［M］.北京：中國電力出版社，2007.