电力拖动

《电力拖动》三级项目姓名：王泽动王丽娟吴昊张燕明崔晓旭课程名称：电力拖动指导教师：赵延治日期：4月Page2前言为了更好的掌握电力拖动相关的基本理论和技术技能，提高工程设计与实践能力，同时加强团队协作能力的培养，促进交流与合作，拓展视野、勇于创新，提高思考与决策水平，形成解决实际问题的能力和终身学习的能力，特此做了以下几个题目。Page3项目名称直流电动机的直接启动仿真1三相异步电动机能耗制动仿真4直流电动机能耗制动仿真3直流电动机电枢串联电阻启动仿真2Page4所用软件及其模块简介项目采用Matlab软件及其Simulink模块。Simulink是一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它可以处理线性、非线性系统；离散、连续及混合系统。Simulink把图形窗口扩展为可以用来编程的图形界面。在Simulink提供的图形用户界面（GUI）上，只要进行鼠标的简单拖拉操作就可构造出复杂的仿真模型。Simulink以方块图形式，采用分层结构建立仿真模型。Page5直流电动机直接启动仿真（1）建立仿真模型如下图所示，图中主要包括直流电动机模块（DCMachine)、直流电源模块（DCVoltageSource）、理想开关模块（Ideal他励直流电动机直接启动仿真模型原理图Page6Switch）、开关模块（Switch）、增益模块（Gain）、电阻模块(RLCbranch)、示波器模块(Scope)等。（2）模块参数设置1）直流电动机模块。直流电动机的参数设置窗口如右图所示，其中：Presetmodel-预设模型选项，有一些模块中预先设定好参数的模型可以使用，文本没有使用预设模型，所以选定了No选项；直流电动机模块参数设置图Page7直流电动机模块参数设置图Mechnicalinput-机械输入选项，分为功率输入（MechnicalpowerPm）和转速输入（Speedw）方式两种可选，本例选择了功率输入方式，也就是转矩形式输入；Armatureresistanceandinductance[Ra(ohms)La(H)]-电枢电阻和电感，用来设定电枢的电阻值和电感值；Fieldresistanceandinductance[Ra(ohms)La(H)]-励磁绕组电阻和电感，用来设定电枢的电阻值和电感值；Page8Field-armaturemutualinductanceLaf(H)-励磁绕组和电枢之间的互感；TotalinertiaJ(kg·m^2)-电机总转动惯量；ViscousfrictioncoefficientBm(N·m·s)-摩擦系数；CoulombfrictiontorqueTf(N·m)-库伦摩擦转矩；Initialspeed(rad/s)-初始角速度。2）直流电源模块。参数设置如右图所示，其中：Amplitude(V)-幅度，设定直流电源的电压的幅值；直流电源模块参数设置图Page9Measurements-测量选项，有None（无）和Voltage（电压）两个备选项。3）理想开关模块。理想开关（IdealSwitch）的参数设置如右图所示，其中：InternalresistanceRon(Ohms)-内部导通电阻；Initialstate(0for'open',1for'closed')-初始状态，0表示断开，1表示接通；SnubberresistanceRs(Ohms)-吸收电阻；SnubbercapacitanceCs(F)-吸收电容；理想开关模块参数设置图Page10Showmeasurementport-测量端口显示控制选项，选定后模块会出现一个标记为m的输出端口，可以用来测量模块的电压电流等参数。4）定时器（Timer）模块的参数设置如右图所示，其中：Time(s)-时间参数，表示随后一项Amplitude（幅度）的值改变时刻；Amplitude-幅度。图中参数的含义为0s时刻的输出幅值为0,0.5s时刻的输出幅值为1。定时模块参数设置图Page115）开关模块。开关（Switch）的参数设置如右图所示，主标签（Main）中：Criteriaforpassingfirstinput-输入判定标准选项，有u2=Threshold、u2Threshold和u2～=0三个选项，分别实现三种不同功能。Threshold-门限值，其中的数值为前一项输入判据中的值。按照图中参数进行设置，其含义是当输入u2大于门限值1000时输出为1，当输入u2小于或等于门限值1000时输出为0.开关模块参数设置Page12Enablezerocrossingdetection-使能过零检测；Sampletime-采样时间，可以设定仿真模块的采样时间，-1表示继承输入的采样时间，一般情况下使用默认值无需改动。数据类型标签（Signalattributes）中可以设定输入输出数据的类型，在这里使用默认值即可。6）常量模块。常量（Constant）模块参数设定相对简单，只要设定常量即可，这里不再介绍。（3）仿真参数设置设定仿真时间为5s。（4）仿真仿真结果如下图所示。图1给出了直流电动机在启动过程中的转速电枢电流励磁电流电磁转矩的变化。图2给出了转速对电枢电流的变化关系。从仿真结果的波形中容易看出启动电流冲击很大，同时电磁转矩的冲击也较大，转速能够在较短的时间内达到稳定。Page13图1他励直流电动机直接启动仿真结果转速n/rpm电枢电流Ia/A励磁电流If/A电磁转矩Te/N·m时间t/sPage14图2他励直流电动机直接启动转速-电流关系仿真结果电枢电流Ia/A转速n/rpmPage15直流电动机电枢串联电阻启动仿真（1）建立仿真模型他励直流电动机串联启动电阻的仿真模型原理图如下图所示，和直流电机直接启动仿真模型相比图中主要增加了电阻控制子模块（Motorstarter）。他励直流电动机串联启动电阻的仿真模型原理图Page16子模块的建立可以采用从Simulink库中拖入子系统模块（Subsystem）的方法。鼠标双击模块打开子模块内部原理图窗口，在该原理图窗口中按照需要修改其仿真原理图，例如，增加仿真模块和输入、输出端口等。串联启动电阻控制子模块原理图如下图所示。串启动电阻控制子模块原理图Page17在子模块的原理图中主要有阶跃信号模块（Step）、断路器模块（Breaker）阻抗分支（RLCbranch）组成。在子模块的图标上用鼠标右键选择快捷菜单中封装子模块命令（Masksubsystem），可以对该子模块进行封装，出现如下图的封装编辑（Maskeditor）窗口。通过编辑窗口中的一些设定可以对封装按照需要进行设计，如下图中图标（Icon）标签中的画图命令（Drawingcommands）窗口中填入的disp('3step\n\nstarter')命令将在封装的显示图标上分三行显示disp'3stepstarter'字符串。在窗口左侧还有一些图标的控制选项（Iconoptions）在此不作说明，可根据需要参照相关文献自行学习。另外三个标签，采用默认设置。Page18封装编辑器窗口Page19（2）模块参数设置仿真模型中大多数模块参数可参照上一节的相关内容进行设置，增益模块是将转速的角速度值（rad/s）转换成转速值（r/min），参数设置为60/(2π),开关门限参数设置为1400，使转速上升到1400r/min之后电动机才投入负载转矩；子模块中参数可以参照上一节相关内容进行设置，其中阶跃信号可参照Simulink仿真的内容进行设置，控制断路器动作时间分别为2.8s、4.8s和6.8s，三个串联电阻分别为3.66Ω、1.64Ω和0.74Ω。（3）仿真参数设置设定仿真时间为10s。（4）进行仿真仿真结果如下图所示。图3给出了直流电动机在启动过程中的转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩的变化。图4给出了转速对电枢电流的变化关系。从仿真结果的波形中可以看出通过设定合适的串联启动电阻的投入时间，启动电流可以控制在一定的范围内，同时电磁转矩也能够得到有效的降低。转速需要在较长的时间内才能达到稳定。Page20转速n/rpm电枢电流Ia/A励磁电流If/A电磁转矩Te/N·m图3他励直流电动机串启动电阻仿真结果Page21图4他励直流电动机串电阻启动的转速-电流关系仿真结果转速n/rpm电枢电流Ia/APage22直流电动机能耗制动仿真（1）建立仿真模型直流电动机能耗制动仿真模型原理图如下图所示，和直接启动仿真模型相他励直流电动机能耗制动防真模型原理图Page23比主要增加了经过封装的电路改变连接控制模块（Varyconnect）和仿真停止控制部分。仿真停止部分包括逻辑比较模块（Relationoperator）和仿真停止模块（Stopsimulation）。仿真停止控制（Simulationstopcontrol）部分实现了当转速小于零时将仿真停止的功能，无需等到仿真时间结束，这样是为了使仿真结果符合实际（转速不会出现负值）而设计的。电路改变连接控制模块（Varyconnect）的封装方法如下图所示。图中给出的是封装编辑器窗口参数（Parameters）设定标签。其中左边一列工具按钮从上到下分别具有插入参数、删除参数、上移参数和下移参数功能。单击插入参数按钮可以采用右侧的参数对话框（Dialogparameters）中设定子模块的参数，本例中增加了一个变量名（Variable）为StpTime的参数,其提示（Prompt）为StopTime字符串，参数为可编辑（edit）类型（Type）。Page24封装编辑器窗口的参数设定标签Page25单击确定（OK）后即完成了子模块的封装，经过参数设定后的模块再双击该模块时会显示下图所示的参数设定窗口，将不再能够进入子模块的原理图窗口，如果需要进入子模块的原理图窗口时，需要在模块上鼠标单击右键选择查看子系统（Looksubsystem）功能。改变电路连接子模块的参数设置图Page26下图给出了电路改变子模块原理图，为了使设定的参数可以传递给模块原理图中相关模块，所以需要在子模块的原理图中相关的模块参数设置中使用封装参数的变量名称。电路改变子模块原理图Page27（2）模块参数设置本例中，为使上图中的设定参数5s传递给定时器模块（Timer），需要将定时器2（Timer2）模块的参数设定为如图所示的值。图中的参数Stptime必须和在上图的封装标签中设定的变量名称一致，才能正确地将子模块封装后的参数设置传递给子模块中的定时器模块。本例参数的含义定时器模块设置参数图Page28为0s时定时器输出幅度为1，Stptime时刻定时器输出幅度为-1。定时器模块1（Timer1）的参数定时时刻设置为[0Stptime]，幅度设置为[-11]。（3）仿真参数设置设置仿真时间为10s。（4）仿真仿真结果如图5所示。图5中给出了直流电动机在制动过程中的转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩的变化。直流电动机的转速能够在能耗制动开始停车的4s时间内达到完全停车（转速为零），能够实现较快的停车速度。在能耗制动的开始时刻，可以观察到存在较大的反向电磁转矩和反向的电枢电流，这是能够实现快速停车的根本原因。Page29图5他励直流电动机能耗制动仿真结果转速n/rpm电枢电流Ia/A励磁电流If/A电磁转矩Te/N·m