晶閘管直流電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真3

1、濱江學(xué)院電機(jī)與拖動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告題 目 晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真院 系 濱江學(xué)院自動(dòng)控制系 專(zhuān) 業(yè) 電氣工程與自動(dòng)化 班 級(jí) 小組成員 指導(dǎo)教師 二一三 年 十 月 十 日直流電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真摘要摘 要：MATLAB仿真在科學(xué)研究中的地位越來(lái)越高，如何利用MATLAB仿真出理想的結(jié)果，關(guān)鍵在于如何準(zhǔn)確的選擇MATLAB的仿真。本文就簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真這個(gè)例子，通過(guò)對(duì)MATLAB的仿真，得到不同的仿真結(jié)果。通過(guò)仿真結(jié)果的對(duì)比，對(duì)MATLAB的仿真進(jìn)行研究。從而總結(jié)出如何在仿真過(guò)程中對(duì)MATLAB的仿真做到最優(yōu)選擇。 本文通過(guò)MATLAB對(duì)晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)

2、開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真，通過(guò)同步6脈沖發(fā)生器給三相晶閘管整流橋提供脈沖控制信號(hào)。alpha_deg是脈沖觸發(fā)角，通過(guò)改變alpha_deg端對(duì)應(yīng)的值的大小來(lái)改變整流輸出電壓。而直流電動(dòng)機(jī)的速度由輸入的電壓進(jìn)行控制，因此直流開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以被仿真。關(guān)鍵詞：直流電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真;階躍信號(hào)；目錄1課題背景- 2 -2直流電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真的原理- 3 -3仿真過(guò)程- 4 -3.1仿真原理圖- 4 -3.2仿真結(jié)構(gòu)圖- 4 - 3.2仿真參數(shù)明細(xì)- 5 - 4.仿真結(jié)果- 12 -5.仿真分析及總結(jié)- 15 -參考文獻(xiàn)：- 15 -1課題背景直流調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術(shù)。

3、在20世紀(jì)60年代，隨著晶閘管的出現(xiàn)，現(xiàn)代電力電子和控制理論、計(jì)算機(jī)的結(jié)合促進(jìn)了電力傳動(dòng)控制技術(shù)研究和應(yīng)用的繁榮。晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為現(xiàn)代工業(yè)提供了高效、高性能的動(dòng)力。盡管目前交流調(diào)速的迅速發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)越趨成熟，以及交流電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和易維護(hù)性，使交流調(diào)速?gòu)V泛受到用戶(hù)的歡迎。但是直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)良的調(diào)速性能仍有廣闊的市場(chǎng)，并且建立在反饋控制理論基礎(chǔ)上的直流調(diào)速原理也是交流調(diào)速控制的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在的直流和交流調(diào)速裝置都是數(shù)字化的，使用的芯片和軟件各有特點(diǎn)，但基本控制原理有其共性。 長(zhǎng)期以來(lái)，仿真領(lǐng)域的研究重點(diǎn)是仿真模型的建立這一環(huán)節(jié)上，即在系統(tǒng)模型建立以后要設(shè)計(jì)一種算法。以使系

4、統(tǒng)模型等為計(jì)算機(jī)所接受，然后再編制成計(jì)算機(jī)程序，并在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。因此產(chǎn)生了各種仿真算法和仿真軟件。由于對(duì)模型建立和仿真實(shí)驗(yàn)研究較少，因此建模通常需要很長(zhǎng)時(shí)間，同時(shí)仿真結(jié)果的分析也必須依賴(lài)有關(guān)專(zhuān)家，而對(duì)決策者缺乏直接的指導(dǎo)，這樣就大大阻礙了仿真技術(shù)的推廣應(yīng)用。MATLAB提供動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simulink，則是眾多仿真軟件中最強(qiáng)大、最優(yōu)秀、最容易使用的一種。它有效的解決了以上仿真技術(shù)中的問(wèn)題。在Simulink中，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模將變的非常簡(jiǎn)單，而且仿真過(guò)程是交互的，因此可以很隨意的改變仿真參數(shù)，并且立即可以得到修改后的結(jié)果。另外，使用MATLAB中的各種分析工具，還可以對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析和可

5、視化。Simulink可以超越理想的線性模型去探索更為現(xiàn)實(shí)的非線性問(wèn)題的模型，如現(xiàn)實(shí)世界中的摩擦、空氣阻力、齒輪嚙合等自然現(xiàn)象；它可以仿真到宏觀的星體，至微觀的分子原子，它可以建模和仿真的對(duì)象的類(lèi)型廣泛，可以是機(jī)械的、電子的等現(xiàn)實(shí)存在的實(shí)體，也可以是理想的系統(tǒng)，可仿真動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性可大可小，可以是連續(xù)的、離散的或混合型的。Simulink會(huì)使你的計(jì)算機(jī)成為一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，用它可對(duì)各種現(xiàn)實(shí)中存在的、不存在的、甚至是相反的系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真。傳統(tǒng)的研究方法主要有解析法，實(shí)驗(yàn)法與仿真實(shí)驗(yàn)，其中前兩種方法在具有各自?xún)?yōu)點(diǎn)的同時(shí)也存在著不同的局限性。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電氣傳動(dòng)在啟制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度

6、、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面提出了更高要求，這就要求大量使用調(diào)速系統(tǒng)。由于直流電機(jī)的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制性能好，從20世紀(jì)30年代起，就開(kāi)始使用直流調(diào)速系統(tǒng)。它的發(fā)展過(guò)程是這樣的：由最早的旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組控制發(fā)展為放大機(jī)、磁放大器控制；再進(jìn)一步，用靜止的晶閘管變流裝置和模擬控制器實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速；再后來(lái)，用可控整流和大功率晶體管組成的PWM控制電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的直流調(diào)速，使系統(tǒng)快速性、可控性、經(jīng)濟(jì)性不斷提高。調(diào)速性能的不斷提高，使直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛。2直流電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真的原理直流電動(dòng)機(jī)電樞由三相晶閘管整流電路經(jīng)平波電抗器L 供電，并通過(guò)改變觸發(fā)器移相控制信號(hào)Uc 調(diào)節(jié)晶閘管的控制角

7、，從而改變整流器的輸出電壓實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。該系統(tǒng)的仿真模型如圖1-1 所示。在仿真中為了簡(jiǎn)化模型，省略了整流變壓器和同步變壓器，整流器和觸發(fā)同步使用同一交流電源，直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁由直流電源直接供。任何一臺(tái)需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對(duì)調(diào)速性能都有一定的要求。例如，最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之間的范圍，是有級(jí)調(diào)速還是無(wú)級(jí)調(diào)速，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)允許轉(zhuǎn)速波動(dòng)的大小，從正轉(zhuǎn)運(yùn)行變到反轉(zhuǎn)運(yùn)行的時(shí)間間隔，突加或突減負(fù)載時(shí)允許的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，運(yùn)行停止時(shí)要求的定位精度等等。歸納起來(lái)，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有以下三個(gè)方面：(1) 調(diào)速。在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地（有級(jí)）或平滑地（無(wú)級(jí)）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。(2)

8、穩(wěn)速。以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過(guò)大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。(3) 加、減速。頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動(dòng)盡量平穩(wěn)。3仿真過(guò)程3.1仿真原理圖 圖1-1 直流開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電氣原理3.2仿真結(jié)構(gòu)圖圖1-2 直流電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3.3仿真參數(shù)明細(xì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理圖在MATLAB軟件環(huán)境下查找器件、連線，接成入上圖所示的線路圖。仿真具體步驟a、點(diǎn)擊圖標(biāo)，打開(kāi)MATLAB軟件，在工具欄里根據(jù)提示點(diǎn)擊，點(diǎn)擊MATLAB ，打開(kāi)一個(gè)對(duì)話框，點(diǎn)擊里的newmodel，創(chuàng)建一個(gè)新文件。b、點(diǎn)擊工具欄的，打開(kāi)元

9、器件庫(kù)查找新的元器件。C、原件庫(kù)如下圖所示圖1-3 原件庫(kù)如果不知在哪里找到元器件，可以在里輸入元器件的名稱(chēng)，鍵入ENTER即可查找。1） 所用元器件及其參數(shù)設(shè)置 A）三相交流電源A、B、C 首先從Simpowersystes 中的Electrical sources 電源模塊組中選取一個(gè)交流電壓源模塊 AC Voltage Source，再用復(fù)制的方法得到三相電源的另兩個(gè)電壓源模塊，用 Format(格式設(shè)定)菜單中 Rotate block(Ctrl +R)將模塊水平放置，并點(diǎn)擊模塊標(biāo)題名稱(chēng)，將模塊標(biāo)簽分別改為“Ua”、 “ Ub”、 “ Uc”， 然后從連接器模塊 Connectors

10、中選取“Ground（output）”元件 ，按下圖進(jìn)行連接。 (1) Ua (2) Ub (3) Uc 圖1-4 三相電源參數(shù)設(shè)置設(shè)置三相電壓都為220V，兩兩之間相位差為120，分別為0、-120、-240。a) 6-Pulse Generator 同步脈沖觸發(fā)器包括同步電源和 6 脈沖觸發(fā)器兩部分。6 脈沖觸發(fā)器從 Simpowersystes中選取 Extra Libray 中的 Contral Blocks 中取獲得。6 脈沖觸發(fā)器需用三相線電壓同步，所以同步電源的任務(wù)是將三相交流電源的相電壓轉(zhuǎn)換成線電壓。 圖1-5 c）Universal Bridge三相整流橋起改變輸出直流電壓的

11、作用。 圖1-6 整流橋d) DC Machine（直流電動(dòng)機(jī)）直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組“F+F-”接直流恒定勵(lì)磁電源，勵(lì)磁電源可從電源模塊組中選取直流電壓源模塊，并將電壓參數(shù)設(shè)置為 220V，點(diǎn)數(shù)繞組“A+A-”經(jīng)平波電抗器接晶閘管整流橋的輸出，電動(dòng)機(jī)經(jīng) TL 端口接恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，直流電動(dòng)機(jī)的輸出參數(shù)有轉(zhuǎn)速、點(diǎn)數(shù)電流、勵(lì)磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩，通過(guò)“示波器”模塊觀察仿真輸出圖形。修改參數(shù)電樞電阻和電感（Armature resistance and inductance）為0.210.0021，勵(lì)磁電阻和電感（Field resistance and inductance）為146.70，勵(lì)磁和電樞互感

12、（Field-armature mutual inductance）為0.84，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Total inertia）為0.572，粘滯摩擦系數(shù)（Viscous friction coefficient）為0.01，庫(kù)侖摩擦轉(zhuǎn)矩（Coulomb friction torque）為1.9，初始角速度(initial speed)為0.1。 圖1-7 直流電機(jī)e)直流電源 圖1-8直流電源 f）放大器，設(shè)置放大系數(shù)。圖1-9放大器g）階躍信號(hào)圖1-10階躍信號(hào) 系統(tǒng)在階躍函數(shù)輸入作用下的工作條件是比較嚴(yán)峻的，同時(shí)比較具有代表性。如果系統(tǒng)在階躍函數(shù)作用下的性能夠滿(mǎn)足要求，則在其他形式作用下也能滿(mǎn)足要

13、求。Step 提供在指定時(shí)間處在兩個(gè)可定義的水平間的階躍，當(dāng)仿真時(shí)間小于Step time，則輸出Initial value；當(dāng)仿真時(shí)間大于或等于Step time輸出Final value，且Step time不能為0。4. 仿真結(jié)果當(dāng)建模和參數(shù)設(shè)置完成后，即 可開(kāi)始進(jìn)行仿真，在 MATLAB 模型窗口單擊工具欄的按鈕或打開(kāi)“Simulation”菜單命令后，單擊“start”， 系統(tǒng)開(kāi)始仿真，仿真結(jié)束后可輸出仿真結(jié)果。單擊“示波器”觀察仿真輸出圖形。觀察仿真時(shí)間 1s 時(shí)得到的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電動(dòng)機(jī)電樞電流及電磁轉(zhuǎn)矩曲線。由于直流電機(jī)的調(diào)速基于整流電路的輸出電壓，因此改變constant值即可

14、對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。（1）當(dāng)控制電壓為30，仿真時(shí)間為1s時(shí)的仿真波形為：A、電機(jī)轉(zhuǎn)速nB、電樞電流IaC、轉(zhuǎn)矩Te （2）當(dāng)控制電壓為50，仿真時(shí)間1s時(shí)的仿真波形為：A、電機(jī)轉(zhuǎn)速nB、電樞電流IaC、轉(zhuǎn)矩Te（3）當(dāng)控制電壓為40，仿真時(shí)間為1s時(shí)的仿真波形為：A、電機(jī)轉(zhuǎn)速nB、電樞電流IaC、轉(zhuǎn)矩Te5.仿真分析及總結(jié)由波形可以看出：（1） 在一定的范圍內(nèi)當(dāng)觸發(fā)角增大時(shí)對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速、電樞電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速的值會(huì)減小。當(dāng)觸發(fā)角在0°60°時(shí)，三相全控整流電路的輸出電壓與觸發(fā)角的關(guān)系為：Ud=2.34U2cos,直流輸出電壓隨觸發(fā)角的增大而減小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為觸發(fā)角越大，對(duì)應(yīng)的直流輸出電壓越小。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論數(shù)據(jù)相符。（2） 當(dāng)仿真時(shí)間在00.1s時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速增大，而電機(jī)轉(zhuǎn)矩也增大與公式T=9550P/n不符。這一現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是：當(dāng)電源電壓不變時(shí)，電機(jī)的頻率變化直接反應(yīng)的結(jié)果就是轉(zhuǎn)速的同比變化，頻率增，轉(zhuǎn)速也增。當(dāng)頻率在60Hz以下時(shí)，轉(zhuǎn)矩是和頻率成正比的；當(dāng)頻率f達(dá)到60Hz時(shí)，電機(jī)達(dá)到最大輸出功率，即額定功率。（3） 當(dāng)仿真時(shí)間在0.10.7s時(shí)，頻率超過(guò)60Hz，則電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，正好與公式T=9550P/n相符。（4） 當(dāng)仿真時(shí)間在0.7s及以后時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定值，而電機(jī)轉(zhuǎn)矩變?yōu)榱悖@是由于電機(jī)沒(méi)有接負(fù)載。（但是如果電機(jī)接負(fù)