單閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)單閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師：學(xué)院：專業(yè)：班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：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(xiàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(duì)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(dòng)機(jī)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(xiàng)：1 系統(tǒng)建模

2、時(shí)，將其分成主電路和控制電路兩部分分別進(jìn)行2 在進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí)，晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)等的參數(shù)設(shè)計(jì)原則如下：如果針對(duì)某個(gè)具體參數(shù)設(shè)置，則對(duì)話框的有關(guān)參數(shù)應(yīng)取裝置的實(shí)際值；如果不針對(duì)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(rèn)值進(jìn)行仿真。若仿真結(jié)果不理想，則通過仿真實(shí)驗(yàn)，不斷進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，最后確定其參數(shù)。3 給定信號(hào)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(yàn)，不斷進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。4 仿真時(shí)間根據(jù)實(shí)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(shí)踐，從仿真能否進(jìn)行、仿真的速度、仿真的精度等方面進(jìn)行選擇。概述為

3、了提高直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo)，通常采用閉環(huán)系統(tǒng)。對(duì)調(diào)速指標(biāo)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(jì)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(hào)作為反饋信號(hào)，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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著給定電壓變化，電動(dòng)機(jī)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(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)隊(duì)速度變化起到了抑制作用，當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載或電源電壓波動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)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(jī)電流反饋與過流保護(hù)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(lì)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(hào)、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(dòng)機(jī)速度反饋等部分組成。在仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(fù)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(gè)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(dòng)，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(fù)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(dòng)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖，實(shí)驗(yàn)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(lì)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(shí)驗(yàn)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(dǎo)通時(shí)的正向電壓江和關(guān)斷時(shí)的漏電流均忽略不計(jì)，并且導(dǎo)通榆關(guān)斷都是瞬時(shí)完成的。共陰極組的自然換向點(diǎn)在wt1、wt3、wt5時(shí)刻，分別觸發(fā)晶閘管VT1,VT3,VT5共陰極組的自然換向點(diǎn)在wt2,wt4,wt6時(shí)刻分別VT2,VT4,VT6觸發(fā)晶閘管。兩族的自然換向點(diǎn)對(duì)應(yīng)相差60，電路對(duì)應(yīng)在本組內(nèi)換流，即vt1-vt3-vt5-vt1,vt2vt4vt6vt2,每個(gè)管子輪流導(dǎo)通120，對(duì)共陰極而言，其輸出電壓波形是三項(xiàng)相電壓波形的正半周的包絡(luò)線；對(duì)共陽極組而言其輸出電壓波形是三項(xiàng)相電壓波形的負(fù)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(fù)包絡(luò)線下的面積，當(dāng)a60時(shí)，Ud的波形均為正值。所以本設(shè)計(jì)中a60。三相橋式全控整流電路在任何時(shí)刻必須保證有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通才能構(gòu)成電流回路晶閘管換流只在本組內(nèi)進(jìn)行，每隔120度環(huán)流一次。三相橋式全控整流電路的負(fù)載電壓ud波形是六個(gè)不同的線電壓的組合，當(dāng)a=0度時(shí)，為三相線電壓的正向包絡(luò)線，每周期脈動(dòng)六次，基波頻率為30HZ，其脈動(dòng)系數(shù)SU=0.05，基本是一個(gè)平穩(wěn)的直流。帶大電感負(fù)載時(shí)，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(diǎn)為相鄰相電壓的交點(diǎn)。由于線電壓超前相電壓30

8、。所以波形上a距波形原點(diǎn)的距離為a+30。平波電抗器再V-M系統(tǒng)中，脈動(dòng)的電流會(huì)增加電機(jī)的發(fā)熱，同時(shí)也增加脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)機(jī)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(dòng)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(yàn)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(shí)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(jì)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(duì)于三相橋式整流電路，L=0693U2/Idmin Idmin一般為電動(dòng)額定電流的5%到10% (此公式出自電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng))經(jīng)計(jì)算可的平波電抗器的電感值為5e-3(

9、50.001)直流電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速稍低，EaU,電流方向由電網(wǎng)順電壓U方向流向電機(jī)。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的等效電路圖額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)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(dòng)勢的傳遞函數(shù) 整個(gè)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖當(dāng)Idl=0時(shí)，結(jié)構(gòu)圖化簡為當(dāng)Idl0時(shí)，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(dòng)，或在電流斷續(xù)后再導(dǎo)通，必須對(duì)兩組中應(yīng)導(dǎo)通的一對(duì)晶閘管同時(shí)加觸發(fā)脈沖，本次是設(shè)計(jì)中采用加寬脈沖的方式，使每個(gè)脈沖的寬度大于60，取脈沖的寬度為90。脈沖的移項(xiàng)范圍在大電感負(fù)載時(shí)為090由公式Ud=1.35U2lCOSa得，a=45（此公式出自電力拖動(dòng)自

10、動(dòng)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(rèn)為是瞬時(shí)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(fù)反饋環(huán)節(jié)為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動(dòng)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(gè)物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個(gè)物理量的負(fù)反饋。那么，引入電流負(fù)反饋，應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。考慮到，限流作用只需在起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)起作用，正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)讓電流自由地隨著負(fù)載增減。如果采用某種方法，當(dāng)電流大到一定程度時(shí)才接入電流負(fù)反饋以限制電流，而電流正常時(shí)僅有轉(zhuǎn)速

11、負(fù)反饋起作用控制轉(zhuǎn)速。這種方法叫做電流截止負(fù)反饋，簡稱截流反饋。電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié) 如下圖：帶電流截止負(fù)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(dāng) Id Idcr 時(shí)，電流負(fù)反饋被截止，靜特性和只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性式相同，即： 當(dāng) Id Idcr時(shí)，引入了電流負(fù)反饋，靜特性變成帶電流截止負(fù)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(fù)反饋的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個(gè)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(fù)反饋環(huán)節(jié)參

12、數(shù)設(shè)計(jì)：1、 Idbl應(yīng)小于電機(jī)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(yùn)行范圍足夠大，截止電流應(yīng)大于電機(jī)的額定電流，一般取Idcr （1.11.2）IN6 控制電路工作原理： 工作時(shí)測速發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)安裝在同一電機(jī)導(dǎo)軌上，并且它們同軸運(yùn)行。測速發(fā)電機(jī)分為直流測速發(fā)電機(jī)和交流測速發(fā)電機(jī)。我們此處用的測速發(fā)電機(jī)為直流發(fā)電機(jī)，測速發(fā)電機(jī)定子上裝有磁極，轉(zhuǎn)子上有電樞繞組，與普通的電機(jī)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(lì)磁繞組加一電壓Uf ,勵(lì)磁電流為If。 E, U, I分別為測速發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢，電壓及電流，R

13、fz 為負(fù)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(fù)載電阻取一總電阻不變的滑動(dòng)變阻器，通過滑動(dòng)變阻器取其部分電壓作為反饋電壓Un 。又因測速發(fā)電機(jī)與電機(jī)同軸，也即測速發(fā)電機(jī)與電機(jī)同速，測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。而Un又與測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓U成正比，即Un與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，從而實(shí)現(xiàn)了速度反饋成對(duì)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(jìn)而影響電機(jī)兩端的電壓，改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的反饋控制。建模與參數(shù)設(shè)置 在本課程設(shè)計(jì)中，選取了轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)并對(duì)其進(jìn)行仿真實(shí)

14、驗(yàn)設(shè)計(jì)。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(duì)稱交流電壓源、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)、同步脈沖觸發(fā)器等部分組成，主電路見附圖。三相對(duì)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(gè)交流電壓源模塊，再用復(fù)制的方法得到三相電源的另兩個(gè)電壓源模塊，并用模塊標(biāo)題名稱修改方法將模塊標(biāo)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(duì)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(biāo)，打開電壓源參數(shù)設(shè)置對(duì)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(rèn)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(biāo)簽改為“晶閘管整流橋”，然后雙擊模塊圖標(biāo)，打開SCR整流橋參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，參數(shù)設(shè)置如圖3所示。當(dāng)采用三相整流橋時(shí)，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(duì)某個(gè)具體的變流裝置進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，對(duì)話框中的Rs、Cs、Ron、Lon、

16、Vf應(yīng)取該裝置中晶閘管元件的實(shí)際值，如果是一般情況，不針對(duì)某個(gè)具體的變流裝置，這些參數(shù)可先取默認(rèn)值進(jìn)行仿真。若仿真結(jié)果理想，就可認(rèn)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(shí)驗(yàn)，不斷進(jìn)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(duì)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(rèn)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(biāo)簽改為“平波電抗器”，然后打開平波電抗器參數(shù)設(shè)置對(duì)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(dòng)機(jī)的建模和參數(shù)設(shè)置。首先

17、從電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)模塊中取“DC Machine”模塊，并將模塊標(biāo)簽改為“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(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n、電樞電流Ia、勵(lì)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(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)置步驟如下，雙擊直流電動(dòng)機(jī)圖標(biāo)，打開滯留電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，滯留電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(hào)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(hào)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(hào)為“0”時(shí)，封鎖觸發(fā)器?？刂齐娐返慕：蛥?shù)設(shè)置單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)的控制電路由給定信號(hào)、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(hào)”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(duì)Uct參數(shù)變化范圍仿真實(shí)驗(yàn)的探索而知，當(dāng)Uct在50180范圍內(nèi)變化時(shí)，同步脈沖觸發(fā)器能夠正常工作，當(dāng)Uct為50時(shí)，對(duì)應(yīng)的整流橋輸出電壓最大，而180對(duì)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