單閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)仿真實驗設(shè)計

1、課程設(shè)計單閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)仿真實驗設(shè)計指導教師：學院：專業(yè)：班級：姓名：學號：目錄任務(wù)書3概述4原理5建模與參數(shù)設(shè)置12仿真結(jié)果及分析16參考文獻17附圖18任務(wù)書單閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)仿真實驗設(shè)計1 畫出系統(tǒng)的仿真模型2 主電路的建模和模型的參數(shù)設(shè)置（1） 三相對稱交流電壓源的建模和參數(shù)設(shè)置（2） 晶閘管整流的建模和參數(shù)設(shè)置（3） 平波電抗器的建模和參數(shù)設(shè)置（4） 直流電動機的建模和參數(shù)設(shè)置（5） 同步脈沖觸發(fā)器的建模和參數(shù)設(shè)置3 控制電路的建模和參數(shù)設(shè)置4 系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)置5 系統(tǒng)的仿真，仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析6 打印說明書（B5），并交軟盤（一組）一張。注意事項：1 系統(tǒng)建模

2、時，將其分成主電路和控制電路兩部分分別進行2 在進行參數(shù)設(shè)置時，晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動機等的參數(shù)設(shè)計原則如下：如果針對某個具體參數(shù)設(shè)置，則對話框的有關(guān)參數(shù)應(yīng)取裝置的實際值；如果不針對某歌劇廳的裝置的一般情況，可先去這些裝置的參數(shù)默認值進行仿真。若仿真結(jié)果不理想，則通過仿真實驗，不斷進行參數(shù)優(yōu)化，最后確定其參數(shù)。3 給定信號的變化范圍、調(diào)節(jié)器的參數(shù)的反饋檢測環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)等可調(diào)參數(shù)的設(shè)置，其一般方法是通過仿真試驗，不斷進行參數(shù)優(yōu)化。4 仿真時間根據(jù)實際需要而定，以能夠仿真出完整的波形為前提。5 仿真算法的選擇：通過仿真實踐，從仿真能否進行、仿真的速度、仿真的精度等方面進行選擇。概述為

3、了提高直流調(diào)速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能指標，通常采用閉環(huán)系統(tǒng)。對調(diào)速指標要求不高的場合，采用單閉環(huán)系統(tǒng)，按反饋的方式不同分為轉(zhuǎn)速反饋、電流反饋、電壓反饋、本次設(shè)計中采用的為單閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)原理如圖1所示，圖中將反映轉(zhuǎn)速變化的電壓信號作為反饋信號，經(jīng)速度變換后接到電流調(diào)節(jié)器的輸入端，與給定的電壓相比較經(jīng)放大后，得到移相控制電壓Uct，用作控制整流橋的觸發(fā)電路，觸發(fā)脈沖經(jīng)功放后加到晶閘管的門極和陰極之間，以改變?nèi)笕卣麟娐返妮敵鲭妷海@就構(gòu)成了速度反饋閉環(huán)系統(tǒng)。電動機的轉(zhuǎn)速隨著給定電壓變化，電動機的最高轉(zhuǎn)速由電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅所決定，電流調(diào)節(jié)器為比例積分調(diào)節(jié)器，這是擋給定電壓

4、恒定時，閉環(huán)系統(tǒng)隊速度變化起到了抑制作用，當電動機負載或電源電壓波動時，電動機的轉(zhuǎn)速能穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)變化。1給定I2U2R-+LdU1I1U1fUct102213334測速發(fā)電機電流反饋與過流保護速度變 換觸發(fā)電路正橋功放三相全控整流三相電源輸出TG電流調(diào)節(jié)器VAM-勵磁電源G-AV圖1 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)原理圖原理該系統(tǒng)由給定信號、速度調(diào)節(jié)器、同步脈沖觸發(fā)器、晶閘管整流橋、平波電抗器，直流電動機速度反饋等部分組成。在仿真實驗設(shè)計中采用了面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖方法構(gòu)建的單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。1轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有下述三個基本特征，也就是反饋控制的基

5、本規(guī)律。1） 只用比例放大器的反饋控制系統(tǒng)，其被調(diào)量仍是有靜差的。2） 反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動，服從給定。3） 系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度。轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2. 三相全控橋式整流電路1) 系統(tǒng)原理如圖2（圖2為晶閘管直流調(diào)速實驗系統(tǒng)原理圖，實驗系統(tǒng)的主電路為三相全控橋式整流電路）LdG1 K1 G2 K2 G3 K3 G4 K4 G5 K5 G6 K6VT4VT5VT3VT6VT2VT1I1U1I2三相電源輸出M_VAU2RG-AV勵磁電源1UctUf給定觸發(fā)電路正 橋 功 放圖2 晶閘管直流調(diào)速實驗系統(tǒng)原理圖2) 工作

6、原理可控整流是把交流電變成大小可調(diào)的直流電，把晶閘管和整流二極管都堪稱理想元件，即導通時的正向電壓江和關(guān)斷時的漏電流均忽略不計，并且導通榆關(guān)斷都是瞬時完成的。共陰極組的自然換向點在wt1、wt3、wt5時刻，分別觸發(fā)晶閘管VT1,VT3,VT5共陰極組的自然換向點在wt2,wt4,wt6時刻分別VT2,VT4,VT6觸發(fā)晶閘管。兩族的自然換向點對應(yīng)相差60，電路對應(yīng)在本組內(nèi)換流，即vt1-vt3-vt5-vt1,vt2vt4vt6vt2,每個管子輪流導通120，對共陰極而言，其輸出電壓波形是三項相電壓波形的正半周的包絡(luò)線；對共陽極組而言其輸出電壓波形是三項相電壓波形的負半周的包絡(luò)線。三相橋式全

7、控整流的輸出電壓為兩組輸出電壓之和，是相電壓波形正負包絡(luò)線下的面積，當a60時，Ud的波形均為正值。所以本設(shè)計中a60。三相橋式全控整流電路在任何時刻必須保證有兩個晶閘管同時導通才能構(gòu)成電流回路晶閘管換流只在本組內(nèi)進行，每隔120度環(huán)流一次。三相橋式全控整流電路的負載電壓ud波形是六個不同的線電壓的組合，當a=0度時，為三相線電壓的正向包絡(luò)線，每周期脈動六次，基波頻率為30HZ，其脈動系數(shù)SU=0.05，基本是一個平穩(wěn)的直流。帶大電感負載時，其平均值為Ud=2.34U2COSa=135U2lCOSa (0a90) 三相全控橋式整流電路控制角a的起算點為相鄰相電壓的交點。由于線電壓超前相電壓30

8、。所以波形上a距波形原點的距離為a+30。平波電抗器再V-M系統(tǒng)中，脈動的電流會增加電機的發(fā)熱，同時也增加脈動轉(zhuǎn)矩，對機械產(chǎn)生不利。為了避免或減輕這種影響，需采用抑制電流脈動的措施，主要是：增加整流電路相數(shù)，或采用多重化技術(shù)。設(shè)置平波電抗器本次試驗中采用設(shè)置平波電抗器的方式。平波電抗器的電感一般按低速輕載時保證電流連續(xù)的條件來選擇。通常首先給定最小電流Idmin，再利用他計算所的總電感，減去電樞電感，即的平波電抗應(yīng)有的電感值。對于三相橋式整流電路，L=0693U2/Idmin Idmin一般為電動額定電流的5%到10% (此公式出自電力拖動自動控制系統(tǒng))經(jīng)計算可的平波電抗器的電感值為5e-3(

9、50.001)直流電動機在電動運行時，轉(zhuǎn)速稍低，EaU,電流方向由電網(wǎng)順電壓U方向流向電機。他勵直流電動機的等效電路圖額定勵磁下直流電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)圖在零初始條件下，去等式兩側(cè)的拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù)，電流與電動勢的傳遞函數(shù) 整個電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖當Idl=0時，結(jié)構(gòu)圖化簡為當Idl0時，結(jié)構(gòu)圖化簡為同步脈沖觸發(fā)器為了保證整流裝置能啟動，或在電流斷續(xù)后再導通，必須對兩組中應(yīng)導通的一對晶閘管同時加觸發(fā)脈沖，本次是設(shè)計中采用加寬脈沖的方式，使每個脈沖的寬度大于60，取脈沖的寬度為90。脈沖的移項范圍在大電感負載時為090由公式Ud=1.35U2lCOSa得，a=45（此公式出自電力拖動自

10、動控制系統(tǒng) ）控制與檢測環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)還有比例放大器和測速反饋環(huán)節(jié)，他們的相應(yīng)都可以認為是瞬時的，為此他們的傳遞函數(shù)就是他們的放大系數(shù)，即放大器 測速反饋 電流截止負反饋環(huán)節(jié)為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動和堵轉(zhuǎn)時電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個物理量的負反饋。那么，引入電流負反饋，應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值?？紤]到，限流作用只需在起動和堵轉(zhuǎn)時起作用，正常運行時應(yīng)讓電流自由地隨著負載增減。如果采用某種方法，當電流大到一定程度時才接入電流負反饋以限制電流，而電流正常時僅有轉(zhuǎn)速

11、負反饋起作用控制轉(zhuǎn)速。這種方法叫做電流截止負反饋，簡稱截流反饋。電流截止負反饋環(huán)節(jié) 如下圖：帶電流截止負反饋的閉環(huán)直流調(diào)速穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖由上圖可寫出該系統(tǒng)兩段靜特性的方程式如下： 當 Id Idcr 時，電流負反饋被截止，靜特性和只有轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性式相同，即： 當 Id Idcr時，引入了電流負反饋，靜特性變成帶電流截止負反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如下： 由曲線可以看出電流負反饋的作用相當于在主電路中串入一個大電阻 Kp Ks Rs ，因而穩(wěn)態(tài)速降極大，特性急劇下垂。比較電壓 Ucom 與給定電壓 Un* 的作用一致，好象把理想空載轉(zhuǎn)速提高到即把理想空載轉(zhuǎn)速提高到D。電流截止負反饋環(huán)節(jié)參

12、數(shù)設(shè)計：1、 Idbl應(yīng)小于電機允許的最大電流，一般取Idbl =（1.52） IN2、 從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看，希望穩(wěn)態(tài)運行范圍足夠大，截止電流應(yīng)大于電機的額定電流，一般取Idcr （1.11.2）IN6 控制電路工作原理： 工作時測速發(fā)電機與電動機安裝在同一電機導軌上，并且它們同軸運行。測速發(fā)電機分為直流測速發(fā)電機和交流測速發(fā)電機。我們此處用的測速發(fā)電機為直流發(fā)電機，測速發(fā)電機定子上裝有磁極，轉(zhuǎn)子上有電樞繞組，與普通的電機一樣，它的換向也由裝在轉(zhuǎn)子上的換向片與裝在定子上的電刷來完成。首先我們給勵磁繞組加一電壓Uf ,勵磁電流為If。 E, U, I分別為測速發(fā)電機的電動勢，電壓及電流，R

13、fz 為負載電阻。如果磁場不變，則有 U=EIRa=CenRa ，即為 ，從中我們可以看出，只要Rfz Ra 不變則輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比。所以我們將負載電阻取一總電阻不變的滑動變阻器，通過滑動變阻器取其部分電壓作為反饋電壓Un 。又因測速發(fā)電機與電機同軸，也即測速發(fā)電機與電機同速，測速發(fā)電機的輸出電壓與電機的轉(zhuǎn)速成正比。而Un又與測速發(fā)電機的輸出電壓U成正比，即Un與電機的轉(zhuǎn)速成正比，從而實現(xiàn)了速度反饋成對應(yīng)的反饋電壓，與給定電壓相疊加，從而影響主回路的輸入電壓進而影響電機兩端的電壓，改變電機的轉(zhuǎn)速，最終實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的反饋控制。建模與參數(shù)設(shè)置 在本課程設(shè)計中，選取了轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)并對其進行仿真實

14、驗設(shè)計。1）系統(tǒng)的建模包括主電路的建模和控制電路的建模兩部分。 主電路的建模和參數(shù)設(shè)置閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路由三相對稱交流電壓源、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動機、同步脈沖觸發(fā)器等部分組成，主電路見附圖。三相對稱交流電壓源的建模和參數(shù)設(shè)置：首先從電源模塊組中選取一個交流電壓源模塊，再用復制的方法得到三相電源的另兩個電壓源模塊，并用模塊標題名稱修改方法將模塊標簽分別改為“A相”、“B相”、“C相”，然后從連接器模塊組中選取“Ground”元件和“Bus Bar”元件。為了得到三相對稱交流電壓源，其參數(shù)設(shè)置方法及參數(shù)設(shè)置如下。雙擊A相交流電壓源圖標，打開電壓源參數(shù)設(shè)置對話框，在A相交流電源參

15、數(shù)設(shè)置中，幅值取220V，初相位設(shè)置為0，頻率為50Hz，其他為默認值，如圖所示。B、C相交流電源參數(shù)設(shè)置方法與A相基本相同，除了將初相位設(shè)置成互差120外，其他參數(shù)與A相相同。由此可得到三相交流電壓源。晶閘管整流橋的建模和參數(shù)設(shè)置。首先從電力電子模塊中選取“Univeral Bridge”模塊，并將模塊標簽改為“晶閘管整流橋”，然后雙擊模塊圖標，打開SCR整流橋參數(shù)設(shè)置對話框，參數(shù)設(shè)置如圖3所示。當采用三相整流橋時，橋臂數(shù)取3，A、B、C三相交流電源接到整流橋的輸入端，電力電子元件選擇晶閘管。參數(shù)設(shè)置的原則如下，如果是針對某個具體的變流裝置進行參數(shù)設(shè)置，對話框中的Rs、Cs、Ron、Lon、

16、Vf應(yīng)取該裝置中晶閘管元件的實際值，如果是一般情況，不針對某個具體的變流裝置，這些參數(shù)可先取默認值進行仿真。若仿真結(jié)果理想，就可認可這些設(shè)置的參數(shù)，若仿真結(jié)果不理想，則通過仿真實驗，不斷進行參數(shù)優(yōu)化，最后確定其參數(shù)。這一參數(shù)設(shè)置原則對其它環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)置也是適用的。故我們使用默認的參數(shù)。 圖3 晶閘管整流橋參數(shù)設(shè)置圖平波電抗器的建模和參數(shù)設(shè)置。首先從元件模塊中選取“Series RLC Branch”模塊，并將模塊標簽改為“平波電抗器”，然后打開平波電抗器參數(shù)設(shè)置對話框，參數(shù)設(shè)置如圖4所示，平波電抗器的電感值設(shè)為5e-3(510-3)H。圖4 平波電抗器參數(shù)設(shè)置圖直流電動機的建模和參數(shù)設(shè)置。首先

17、從電動機系統(tǒng)模塊中取“DC Machine”模塊，并將模塊標簽改為“直流電動機”。直流電動機的勵磁繞組“F+-F-”接直流恒定勵磁電源，勵磁電源可從電源模塊組中選取直流電壓模塊，并將電壓參數(shù)設(shè)置為220V,電樞繞組“A+-A-”經(jīng)平波電抗器接晶閘管整流橋的輸出，電動機經(jīng)TL端口接恒轉(zhuǎn)矩負載，直流電動機的輸出參數(shù)有轉(zhuǎn)速n、電樞電流Ia、勵磁電流If、電磁轉(zhuǎn)矩Te，通過“示波器”模塊觀察仿真輸出圖形。電動機的參數(shù)設(shè)置步驟如下，雙擊直流電動機圖標，打開滯留電動機的參數(shù)設(shè)置對話框，滯留電動機的參數(shù)設(shè)置如圖5所示。參數(shù)設(shè)置的原則與晶閘管整流橋相同。 圖5 直流電動機參數(shù)設(shè)置圖同步脈沖觸發(fā)器的建模和參數(shù)設(shè)

18、置。同步脈沖觸發(fā)器包括電源和6脈沖觸發(fā)器兩部分。6脈沖觸發(fā)器可從附加控制器（Extras Control Blocks）子模塊組獲得。6脈沖觸發(fā)器需用三相線電壓同步，所以同步電源與6脈沖觸發(fā)器及封裝后的子系統(tǒng)符號如圖6.1和6.2所示。 圖6.1同步電源余脈沖觸發(fā)器 圖6.2 封裝后的子系統(tǒng)符號至此，根據(jù)圖1主電路的連接關(guān)系，可建立起主電路的仿真模型，見附圖。圖中觸發(fā)器開關(guān)信號為“0”時，封鎖觸發(fā)器?？刂齐娐返慕：蛥?shù)設(shè)置單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)的控制電路由給定信號、速度調(diào)節(jié)器、速度反饋等組成。仿真模型中根據(jù)需要，另增加了限幅器、偏置、反相器等模塊。“給定信號”模塊的建模和參數(shù)設(shè)置方法與開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)相同，此處參數(shù)設(shè)置為100rad/s。有靜差調(diào)速系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)器采用比例調(diào)節(jié)器，系數(shù)選擇為10。通過對Uct參數(shù)變化范圍仿真實驗的探索而知，當Uct在50180范圍內(nèi)變化時，同步脈沖觸發(fā)器能夠正常工作，當Uct為50時，對應(yīng)的整流橋輸出電壓最大，而180對應(yīng)的輸出電壓反而最小，它們是單調(diào)下降的函數(shù)關(guān)系。因此，將限幅器的上、下限幅值設(shè)置為130，0，用加法器加上偏置“-180