基于Sim Power System工具箱的直流调速系统仿真

东 方

（陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300）

随着电机调速系统的迅速发展，调速控制算法及系统结构的复杂程度也不断增加，将控制算法直接用实验系统验证，需要花费大量的时间和精力。因此，在实际系统实施前，往往需要对系统的性能、参数、实现方法等进行仿真，验证方案的可行性，并为系统的设计和调试提供参考和依据。在MATLAB5.3版推出前，基本上采用先建立系统的数学模型，然后在Simulink的模型窗口下完成系统建模和仿真的方法。但利用电力电子工具箱（SimPower System）可以完成基于电气原理图的控制系统仿真。使用电力电子工具箱时，用户不需要自己编程，也不需推导系统的数学模型，只需要把所需的电气元件按电气结构进行物理连接。系统模型的结构非常接近实际电路，并且电气元件能比较全面地反映相应实际元件的电气特性，仿真结果可信度很高。本文通过一个实际直流调速系统的MATLAB仿真实现，说明电力电子工具箱在调速系统仿真研究中的应用。

1 直流调速系统控制方案

直流调速系统是以直流电动机为控制对象，主要以调节电动机的转速为目的。电动机的转速表达式为

式中，

ud为电动机电枢电压；

id为电动机电枢电流；

Rd为电动机电枢电阻；

Ce为电动机电势常数。

由上式可看出，调节直流电动机的转速有3种方法：

调节电枢电压；

改变电动机励磁；

改变电枢回路电阻。

这里以改变电枢回路电阻调速，来说明调速方案在MATLAB中的仿真实现。

2 控制方案的MATLAB实现

2.1 使用模块

（1）直流电动机。直流电动机模块选自SimPower System工具箱中的machine库里的DCmachine模块。

（2）直流电压源。直流电压源模块选自SimPower System工具箱中的Electrical Sources库里的DC voltage sources模块。

（3）断路器。断路器选自SimPower System工具箱中的Elements库里的Breaker模块，这里使用两只断路器，分别对电枢回路的串联电阻进行两级切除，从而实现改变电枢回路电阻调速过程。

（4）调速电阻。调速电阻选自SimPower System工具箱中的Elements库里的series RLCbranch模块。

（5）阶跃信号（断路器控制信号）。该信号选自Simulink中的sources模块。

（6）其他模块。其他模块包括比例模块、输入型节点、输出型节点、T型连接器、信号分离器和示波器。

2.2 参数设置

（1）直流电动机参数设置。参数设置界面见图1。

图1 直流电动机参数设置

（2）直流电压源参数设置。参数设置界面见图2。

（3）断路器参数设置。参数设置界面见图3。

图2 直流电压源参数设置

（4）调速电阻参数设置。参数设置界面见图4。

（5）仿真参数设置。参数设置界面见图5。

图4 调速电阻参数设置

图5 仿真参数设置

3 仿真结果

最终的仿真模型如图6所示。从仿真结果可看出在电机稳定运行之后3s和6s时刻切除R1和R2实现了电机转速的调节。

图6 仿真模型

电动机转速w、电枢电流Is和电磁转矩Te的波形如图7、图8和图9所示。由图可看出仿真模型和实际硬件系统非常接近。

图7 电动机转速波形

图8 电枢电流波形

图9 电磁转矩波形

4 结束语

由以上仿真可看出，利用电力电子工具箱（SimPower System）搭建的系统模型结构非常接近实际电路，并且电气元件能较全面地反映相应实际元件的电气特性，仿真结果可信度很高。

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