直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

1、東 北 大 學(xué) 秦 皇 島 分 校 課 程 設(shè) 計(jì) 用 紙東北大學(xué)秦皇島分校控制工程學(xué)院自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 設(shè)計(jì)與仿真專業(yè)名稱自動(dòng)化班級(jí)學(xué)號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 設(shè)計(jì)時(shí)間2015.7.132014.7.24成 績(jī)目錄1.設(shè)計(jì)任務(wù)書32.概述42.1前言42.2 系統(tǒng)原理42.3 simulink框圖53.元件參數(shù)設(shè)置73.1三相交流電壓源設(shè)置73.2.同步六脈沖觸發(fā)器73.3.三相全控橋整流電路83.4.直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)84.仿真結(jié)果分析94.2 當(dāng)時(shí)124.3 當(dāng)時(shí)144.4 當(dāng)時(shí)174.5勵(lì)磁電流195.結(jié)論206.參考文獻(xiàn)227.結(jié)束語(yǔ)22東北大學(xué)秦皇島分

2、?？刂乒こ虒W(xué)院自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書專業(yè) 自動(dòng)化 班級(jí) 姓名 設(shè)計(jì)題目：直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 一、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件地 點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)設(shè)備：PC機(jī)二、設(shè)計(jì)任務(wù)直流電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)為220V，136A，1460r/min，4極，；勵(lì)磁電壓為220V，勵(lì)磁電流為1.5A。采用三相橋式全控整流電路。平波電抗器。設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)并仿真該晶閘管-電動(dòng)機(jī)（V-M）開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。觀察電動(dòng)機(jī)在全壓起動(dòng)和起動(dòng)后加額定負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流變化。三、設(shè)計(jì)說明書的內(nèi)容1、設(shè)計(jì)題目與設(shè)計(jì)任務(wù)（設(shè)計(jì)任務(wù)書）2、 前言（緒論）(設(shè)計(jì)的目的、意義等)3、 主體設(shè)計(jì)部分4、 參考文獻(xiàn)5、 結(jié)束語(yǔ)四、設(shè)計(jì)時(shí)間與

3、設(shè)計(jì)時(shí)間安排1、設(shè)計(jì)時(shí)間：7月13日7月24日2、設(shè)計(jì)時(shí)間安排： 熟悉課題、收集資料： 3天（7月13日 7月15日) 具體設(shè)計(jì)（含上機(jī)實(shí)驗(yàn)）： 6天（7月16日 7月21日)編寫課程設(shè)計(jì)說明書： 2天（7月22日 7月23日)答辯： 1天（7月24日）2.概述2.1前言直流電動(dòng)機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)，因其良好的調(diào)速性能而在電力拖動(dòng)中得到廣泛應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)有著優(yōu)良的調(diào)速性能和啟動(dòng)性能，具有寬廣的調(diào)速范圍，平滑的無級(jí)調(diào)速特性，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；過載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載；能滿足自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)中各種特殊運(yùn)行的要求。常用于對(duì)啟動(dòng)和調(diào)速有較高要求的場(chǎng)合，如大型可

4、逆式軋鋼機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、高速電梯、龍門刨床、電力機(jī)車、地鐵列車、電動(dòng)自行車、造紙和印刷機(jī)械、船舶機(jī)械、大型精密機(jī)床和大型起重機(jī)等生產(chǎn)機(jī)械中。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)。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)速迅速發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)趨于成熟以及交流電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和易維護(hù)性，使交流調(diào)速?gòu)V泛受到用戶的歡迎，且直流電動(dòng)機(jī)制造工藝復(fù)雜，消耗有色金屬多，生產(chǎn)成本高，電刷與換向器之間容易產(chǎn)生火花，維護(hù)困難，在一些對(duì)調(diào)速性能要求不高的領(lǐng)域中已被交流變頻調(diào)速

5、系統(tǒng)所取代。但是在某些要求調(diào)速范圍大、快速性高、精密度好、控制性能優(yōu)異的場(chǎng)合，直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用目前仍占有較大的比重。 此次課程設(shè)計(jì)中，我們組采用MATLAB對(duì)直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真。MATLAB是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。MATL

6、AB提供的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simulink，有效地解決了仿真技術(shù)中出現(xiàn)的各種問題，在Simulink中，有著各種電力電子器件以及直流電動(dòng)機(jī)模型，使得對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模變得快捷簡(jiǎn)單，可以比較方便地改變各個(gè)器件的參數(shù)，并且能快速地得到所期望的仿真結(jié)果。2.2 系統(tǒng)原理系統(tǒng)由三相交流電壓源供電，經(jīng)晶閘管三相全控橋式整流電路整流后得到直流輸出電壓，再經(jīng)平波電抗器Lp抑制紋波后給直流電動(dòng)機(jī)電樞回路供電。調(diào)節(jié)三相全控橋整流觸發(fā)電路移相控制電壓Uct 可以改變晶閘管的控制角，即改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，使整流器的輸出電壓增大或減小，電樞回路電壓變化從而實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速功能。三相交流電源三相橋式全控整流電路 直流

7、電動(dòng)機(jī)Uct六脈沖觸發(fā)器 圖2-1直流電機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)采用降低電樞電壓調(diào)速，電樞電壓可以由三相全控橋整流觸發(fā)電路的移相控制電壓Uct控制。三相全控橋式整流電路圖如下：圖2-2 三相全控橋式整流電路圖帶感性負(fù)載時(shí)，三相全控橋式整流電路的控制角的移相范圍為0-90o，設(shè)定Uct最大值為+15V，最小值為0o，得移相特性=90-6Uct 。當(dāng)Uct為最大值+15V時(shí)，控制角為最小值0o，由Ud=2.34U2cos可知，此時(shí)整流輸出電壓Ud為最大值，Uct減小則控制角增大，整流輸出電壓Ud減小，當(dāng)Uct為0V時(shí)，控制角為最大值90o,整流輸出電壓Ud為最小值。2.3 simulink框圖圖

8、2-3 simulink 框圖3.元件參數(shù)設(shè)置3.1三相交流電壓源設(shè)置圖3-1 三相交流電壓源參數(shù)設(shè)置設(shè)=0o時(shí)整流輸出電壓平均值Ud最大，為直流電動(dòng)機(jī)額定電壓220V，根據(jù)Ud=2.34U2cos可得，此時(shí)U2=94.02V，即三相交流電壓相電壓有效值為94.02V。3.2.同步六脈沖觸發(fā)器圖3-2同步六脈沖觸發(fā)電路設(shè)置六脈沖觸發(fā)器由三相交流電源供電，頻率為50HZ，產(chǎn)生的脈沖寬度為10o。3.3.三相全控橋整流電路圖3-3三相全控橋式整流器設(shè)置3.4.直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)圖3-4直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置參數(shù)計(jì)算：電樞電阻： 電樞電感：勵(lì)磁電阻：電樞繞組和勵(lì)磁繞組互感：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：額定轉(zhuǎn)矩：4.仿真結(jié)果分

9、析4.1 當(dāng)時(shí)轉(zhuǎn)速理論值：圖4-1 =0o時(shí)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩圖4-2 =0o時(shí)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩整流電壓平均電壓理論值：圖4-3 =0o時(shí)整流器輸出電壓圖4-4 =0o時(shí)整流器輸出電壓平均值電樞電流圖4-5 =0o時(shí)直流電動(dòng)機(jī)電樞電流4.2 當(dāng)時(shí)轉(zhuǎn)速理論值：圖4-6 =30o時(shí)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩圖4-7 =30o時(shí)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩整流電壓平均電壓理論值：圖4-8 =30o整流器輸出電壓圖4-9 =30o時(shí)整流器輸出電壓平均值電樞電流圖4-10 =30o時(shí)直流電動(dòng)機(jī)電樞電流4.3 當(dāng)時(shí)轉(zhuǎn)速理論值：圖4-11 =60o時(shí)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩圖4-12 =60o時(shí)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩整流電壓平均電壓理論值：圖4

10、-13 =60o時(shí)整流器輸出電壓圖4-14 =60o時(shí)整流器輸出電壓平均值電樞電流圖4-15 =60o時(shí)直流電動(dòng)機(jī)電樞電流4.4 當(dāng)時(shí)轉(zhuǎn)速理論值：圖4-16 =90o時(shí)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩圖4-17 =90o時(shí)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩整流電壓平均電壓理論值：圖4-18 =90o時(shí)整流器輸出電壓圖4-19 =90o時(shí)整流器輸出電壓平均值電樞電流圖4-20 =90o時(shí)電樞電流4.5勵(lì)磁電流圖4-21 勵(lì)磁電流5.結(jié)論圖5-1 降壓調(diào)速機(jī)械特性圖5-2 控制角與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線圖5-3 控制電壓與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線系統(tǒng)采用降低電樞電壓調(diào)速方法，用晶閘管可控整流器實(shí)現(xiàn)，通過改變控制角的大小，使直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓改變，達(dá)到降

11、壓調(diào)速的目的。改變控制角使輸出整流電壓平均值從最大值降到最小值，從0o 到90o 變化，對(duì)為0o ,30o ,60o ,90o 時(shí)進(jìn)行仿真，可以得出：降壓調(diào)速的機(jī)械特性是幾條斜率相同的平行直線，隨著整流輸出電壓的降低，直線下移。（1） 當(dāng)=0o時(shí)，整流電壓平均值約為220V，在額定轉(zhuǎn)矩Tl=Tn=171(N*m),電樞電流Ia=In=136A時(shí)，對(duì)應(yīng)額定轉(zhuǎn)速約為1460r/min；（2） 當(dāng)=30o 時(shí)，整流電壓平均值約為190.5V，在額定轉(zhuǎn)矩Tl=Tn=171(N*m),電樞電流Ia=In=136A時(shí)，對(duì)應(yīng)額定轉(zhuǎn)速約為1236r/min；（3） 當(dāng)=60o 時(shí)，整流電壓平均值約為110V，

12、在額定轉(zhuǎn)矩Tl=Tn=171(N*m),電樞電流Ia=In=136A時(shí)，對(duì)應(yīng)額定轉(zhuǎn)速約為622r/min；（4） 當(dāng)=90o 時(shí)，整流電壓平均值約為 0 V，在額定轉(zhuǎn)矩Tl=Tn=171(N*m)，電樞電流Ia=In=136A時(shí)，對(duì)應(yīng)額定轉(zhuǎn)速約為-218r/min，此時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。經(jīng)過對(duì)比分析可以得出：隨著控制角的增大，整流電壓平均值降低，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，其中=90o 時(shí)，整流電壓平均值為0V，電機(jī)在額定負(fù)載Tn=171(N*m),作用下以-218r/min的速度反轉(zhuǎn)。由于所加負(fù)載始終為額定負(fù)載Tl=Tn=171(N*m)恒定，又Tl=9.55Ce*Ia，所以電樞電流Ia=In=136A,即在額定

13、負(fù)載下，電樞電流Ia與轉(zhuǎn)速n無關(guān)。當(dāng)電源電壓為不同值時(shí)，機(jī)械特性的斜率都與固有機(jī)械特性的斜率相等，特性較硬，當(dāng)降低電源電壓在低速下運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化的幅度較小，與電樞回路串電阻調(diào)速方法比較，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性要好得多。6.參考文獻(xiàn)1 金海明,鄭安平. 電力電子技術(shù)M. 北京:北京郵電大學(xué)出版社, 2005.2 張家生. 電機(jī)原理與拖動(dòng)基礎(chǔ)M. 北京:北京郵電大學(xué)出版社, 2005.3 任彥碩,趙一丁.自動(dòng)控制系統(tǒng)M. 北京:北京郵電大學(xué)出版社, 2007.4 顧春雷.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)與MATLAB仿真M. 北京:清華大學(xué)出版社.2011.7.結(jié)束語(yǔ)在本次課程設(shè)計(jì)中，對(duì)晶閘管相控整流技術(shù)有了更加深入的了解，通過實(shí)踐驗(yàn)證了理論知識(shí)，解答了之前課堂中關(guān)于晶閘管相控整流技術(shù)存在的一些疑惑；也對(duì)直流他勵(lì)電機(jī)工作原理、降壓調(diào)速原理、機(jī)械特性等有了更加全面的認(rèn)識(shí)；同時(shí)又學(xué)習(xí)了matlab仿真軟件的一些課堂上沒有涉及到的功能，對(duì)matlab仿真軟件有了進(jìn)一步的了解和應(yīng)用。這次課設(shè)還讓我們懂得了看上去簡(jiǎn)單的東西，實(shí)際動(dòng)手去做就不一定像想象的那樣簡(jiǎn)單了。剛開始拿到課設(shè)題目，感覺還是很簡(jiǎn)單的，但是我們實(shí)際去做的時(shí)候還是遇到了這樣那樣的問題，單單仿真那塊就遇到了很多問題，由于我們之前課上學(xué)的matl