基于Sim Power System工具箱的直流調速系統仿真

東 方

（陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300）

隨著電機調速系統的迅速發展，調速控制算法及系統結構的復雜程度也不斷增加，將控制算法直接用實驗系統驗證，需要花費大量的時間和精力。因此，在實際系統實施前，往往需要對系統的性能、參數、實現方法等進行仿真，驗證方案的可行性，并為系統的設計和調試提供參考和依據。在MATLAB5.3版推出前，基本上采用先建立系統的數學模型，然后在Simulink的模型窗口下完成系統建模和仿真的方法。但利用電力電子工具箱（SimPower System）可以完成基于電氣原理圖的控制系統仿真。使用電力電子工具箱時，用戶不需要自己編程，也不需推導系統的數學模型，只需要把所需的電氣元件按電氣結構進行物理連接。系統模型的結構非常接近實際電路，并且電氣元件能比較全面地反映相應實際元件的電氣特性，仿真結果可信度很高。本文通過一個實際直流調速系統的MATLAB仿真實現，說明電力電子工具箱在調速系統仿真研究中的應用。

1 直流調速系統控制方案

直流調速系統是以直流電動機為控制對象，主要以調節電動機的轉速為目的。電動機的轉速表達式為

式中，

ud為電動機電樞電壓；

id為電動機電樞電流；

Rd為電動機電樞電阻；

Ce為電動機電勢常數。

由上式可看出，調節直流電動機的轉速有3種方法：

調節電樞電壓；

改變電動機勵磁；

改變電樞回路電阻。

這里以改變電樞回路電阻調速，來說明調速方案在MATLAB中的仿真實現。

2 控制方案的MATLAB實現

2.1 使用模塊

（1）直流電動機。直流電動機模塊選自SimPower System工具箱中的machine庫里的DCmachine模塊。

（2）直流電壓源。直流電壓源模塊選自SimPower System工具箱中的Electrical Sources庫里的DC voltage sources模塊。

（3）斷路器。斷路器選自SimPower System工具箱中的Elements庫里的Breaker模塊，這里使用兩只斷路器，分別對電樞回路的串聯電阻進行兩級切除，從而實現改變電樞回路電阻調速過程。

（4）調速電阻。調速電阻選自SimPower System工具箱中的Elements庫里的series RLCbranch模塊。

（5）階躍信號（斷路器控制信號）。該信號選自Simulink中的sources模塊。

（6）其他模塊。其他模塊包括比例模塊、輸入型節點、輸出型節點、T型連接器、信號分離器和示波器。

2.2 參數設置

（1）直流電動機參數設置。參數設置界面見圖1。

圖1 直流電動機參數設置

（2）直流電壓源參數設置。參數設置界面見圖2。

（3）斷路器參數設置。參數設置界面見圖3。

圖2 直流電壓源參數設置

（4）調速電阻參數設置。參數設置界面見圖4。

（5）仿真參數設置。參數設置界面見圖5。

圖4 調速電阻參數設置

圖5 仿真參數設置

3 仿真結果

最終的仿真模型如圖6所示。從仿真結果可看出在電機穩定運行之后3s和6s時刻切除R1和R2實現了電機轉速的調節。

圖6 仿真模型

電動機轉速w、電樞電流Is和電磁轉矩Te的波形如圖7、圖8和圖9所示。由圖可看出仿真模型和實際硬件系統非常接近。

圖7 電動機轉速波形

圖8 電樞電流波形

圖9 電磁轉矩波形

4 結束語

由以上仿真可看出，利用電力電子工具箱（SimPower System）搭建的系統模型結構非常接近實際電路，并且電氣元件能較全面地反映相應實際元件的電氣特性，仿真結果可信度很高。

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