直流调速系统的Matlab仿真(课程设计作业)-2

《电力电子技术》课程设计说明书直流调速系统设计院、部：电气与信息工程学院学生姓名：曾柏阳指导老师：陆秀令职称：教授专业：电气工程及其自动化班级：电气本1101班学号：11401240124摘要直流调速系统有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以获得了广泛应用。本文从直流电动机的工作原理入手，建立双闭环直流调速系统的数学模型。然后按照自动控制原理，利用SIMULINK对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。整流电路的种类有很多，有半波整流电路、单相桥式半控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路等。在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。采用MATLAB软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计，并用SIMULINK进行动态数字仿真,同时查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行。关键词：直流调速系统；调节器；双闭环系统；仿真；整流目录摘要1整流电路与双闭环直流调速系统的工作原理................11.1双闭环直流调速系统的介绍....................................11.2三相桥式全控整流电路的原理..................................22系统设计方法及步骤.....................................62.1三相桥式整流电路仿真模型建立和参数设置......................6(1)三相桥式全控整流电路的分析................................6(2)三相桥式整流电路的仿真....................................62.2系统设计参数................................................7(1)直流电机控制系统设计参数.................................7(2)环境条件.................................................72.3电流环设计..................................................7（1）确定时间常数.............................................7(2)选择电流调节器结构.......................................72.4转速环设计..................................................7(1)确定时间常数.............................................7(2)选择转速调节器结构.......................................73Matlab和Simulink简介..................................83.1Matlab简介.................................................83.2Simulink简介...............................................84Simulink环境中的系统模型、仿真结果及分析..............104.1带阻感性负载三相桥式全控整流电路的仿真分析.................104.2直流调速系统的仿真.........................................11(1)开环直流调速系统的仿真..................................11(2)单闭环有静差转速负反馈调速系统的建模与仿真..............12(3)双闭环直流调速系统定量仿真..............................145三相桥式全控整流直流不可逆调速系统的电气原理总图.......16总结....................................................17参考文献11整流电路与直流调速系统的工作原理1.1双闭环直流调速系统的介绍双闭环调速系统的工作过程和原理：启动阶段，电动机的实际转速低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器,此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值,电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流(堵转电流)可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在电动机转速上升到给定转速后,速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动,速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压相应变化,从而校正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数,还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节,可以在电动机转速还未来得及发生改变时,迅速使电流恢复到原来值,从而使速度更好地稳定于某一转速下运行。图1转速、电流双闭环直流调速系统21.2三相桥式全控整流电路的原理(1)主电路设计及原理图2三相桥式全控整理电路原理图将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。此外，习惯上希望晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。从后面的分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。整流电路的负载为带反电动势的阻感负载。假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况也就相当于晶闸管触发角α=0o时的情况。此时，对于共阴极组的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的3个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。此时电路工作波形如图3所示。3图3α=0o时波形α=0o时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二绕组相电压与线电压波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。在分析ud的波形时，既可从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。从相电压波形看，以变压器二次侧的中点n为参考点，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压ud1为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压ud2为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压ud=ud1－ud2是两条包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大（正得最多）的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小（负得最多）的相电压，输出整流电压ud为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压ud波形为线电压在正半周的包络线。由于负载端接得有电感且电感的阻值趋于无穷大，电感对电流变化有抗拒作用。流过电感器件的电流变化时，在其两端产生感应电动势Li，它的极性事阻止电流变化的。当电流增加时，它的极性阻止电流增加，当电流减小时，它的极性反过来阻止电流减小。电感的这种作用使得电流波形变得平直，电感无穷大时趋于一条平直的直线。为了说明各晶闸管的工作的情况，将波形中的一个周期等分为6段，每段为60o，如图1-4所示，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况如表所示。由该表可见，6个晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。4表1三相桥式全控整流电路电阻负载α=0o时晶闸管工作情况从ωt1角开始把一个周期等分为6段，每段为60o与α＝0o时的情况相比，一周期中ud波形仍由6段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合表1的规律。区别在于，晶闸管起始导通时刻推迟了30o,组成ud的每一段线电压因此推迟30o，ud平均值降低。晶闸管电压波形也相应发生变化如图所示。图中同时给出了变压器二次侧a相电流ia的波形，该波形的特点是，在VT1处于通态的120o期间，ia为正，由于大电感的作用，ia波形的形状近似为一条直线，在VT4处于通态的120o期间，ia波形的形状也近图4给出了α=30o时的波形。时段ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb5图4α=30o时的波形由以上分析可见，当α≤30o时，ud波形均连续，对于带大电感的反电动势id波形由于电感的作用为一条平滑的直线并且也连续。当α＞60o时，如α＝90o时电阻负载情况下的工作波形如图3-4所示，ud平均值继续降低，由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，使得ud的值出现负值，当电感足够大时，ud中正负面积基本相等，ud平均值近似为零。这说明带阻感的反电动势的三相桥式全控整流电路的α角的移相范围为90度。62系统设计方法及步骤2.1三相桥式整流电路仿真模型建立和参数设置（1）三相桥式全控整流电路的分析工业上广泛应用的三相桥式全控整流电路，是由两组三相半波可控整流电路串联而成的，一组为共阳极接线，一组为共阴极接线，它实际上是共阳极端的二极管换成晶闸管而得到的，VT1、VT3、VT5三个晶闸管由于阴极接到一块，所以称为共阴极组，VT4、VT2、VT6三个晶闸管的阳极接到一块，所以称为共阳极组。通常变压器采用Dy接法。其完成的功能是三相交流电源通过三相可控整流桥臂转换成为平均值可以控制改变的直流电源，而平均值的大小改变是通过同步六相脉冲触发器控制三组晶闸管的控制角的大小来实现的。同时电路的输出情况与负载的性能有关。（2）三相桥式整流电路的仿真启动MATLAB7.1，进入SIMLINK后新建文档，根据晶闸管三相桥式整流电路的结构，在模型窗口建立主电路仿真模型，绘制加入同步装置和脉冲触发器等的三相桥式整流系统模型如图2-1所示。双击各模块，在建立的对话框内设置相应的参数。图2-1晶闸管三相桥式整流电路仿真模型72.2系统设计参数(1)直流电机控制系统设计参数：（直流电机）输出功率：75kw电枢额定电压：220V电枢电阻：0.2Ω功率因素：0.85(2)环境条件：电网额定电压：380V/220V电网电压波动：10%环境温度：-40～+40摄氏度2.3电流环设计（1）确定时间常数整流装置滞后时间常数Ts≈0.0017ms。电流反馈滤波时间常数T=2ms。电流环小时间常数之和T∑i=Ts+T=0.0037ms。选择电流调节器结构根据设计要求：保证稳态电流无差，可按典型Ⅰ型设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，所以把电流调节器设计成PI型的。检查对电源电压的抗扰性能:，各项指标都可接受。2.4转速环设计(1)确定时间常数电流环等效时间常数2T∑i=0.0074s。转速滤波时