α=β配合控制的有環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真

1、目錄1 引言42 =配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的建模42.1 =配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的工作原理42.2 電力系統(tǒng)(Power System)工具箱52.3 =配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的建模62.3.1 移相控制器的封裝62.3.2 帶限幅的PI調(diào)節(jié)器的封裝62.3.3 =配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)整體的建模73 = 配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真實(shí)例及分析83.1 系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)的仿真參數(shù)83.2 仿真波形及分析94 結(jié)論1211內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生課程設(shè)計(jì)論文 題 目：=配合控制的有環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真 學(xué)生姓名：王孟哲 學(xué) 號(hào)：0967106209 專 業(yè)：自動(dòng)化 班 級(jí)：二班

2、指導(dǎo)教師：李琦 2012年 11月 2日內(nèi)蒙古科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程名稱控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)題目=配合控制的有環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真指導(dǎo)教師李琦時(shí)間2012年10月29日至11月2日一、教學(xué)要求1、理解直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的基本工作原理；2、通過(guò)=配合控制的有環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的建模，掌握使用Matlab/Simulink軟件及Power System工具箱對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真方法；3、理解=配合控制的有環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)中，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)速與電流的變化曲線，以及本橋逆變和反接制動(dòng)階段電樞電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)以及平波電感反電動(dòng)勢(shì)的變化曲線；4、掌握=配合控制的有環(huán)流直流可逆

3、調(diào)速系統(tǒng)中，兩組整流器的環(huán)流分析方法，理解電機(jī)從正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的機(jī)械特性。二、設(shè)計(jì)資料及參數(shù) 設(shè)計(jì)資料詳見電力電子與電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的Matlab仿真（洪乃剛主編）6.4.1節(jié)。 本設(shè)計(jì)涉及到的控制原理、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)等內(nèi)容參考相關(guān)專業(yè)課教學(xué)內(nèi)容。設(shè)計(jì)參數(shù)：見電力電子與電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的Matlab仿真（洪乃剛主編）6.4.1節(jié)。三、設(shè)計(jì)要求及成果1、利用Simulink及Power System工具箱建立基于Power System的=配合控制的有環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)模型；2、繪制并分析=配合控制的有環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)中，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)速與電流的變化曲線；3、繪制并分析=配合控制的有

4、環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)中，本橋逆變和反接制動(dòng)階段電樞電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)以及平波電感反電動(dòng)勢(shì)的變化曲線；4、繪制并分析=配合控制的有環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)中，兩組整流器的環(huán)流變化曲線，繪制并分析電機(jī)從正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的機(jī)械特性變化曲線；5、撰寫不少于3000字的設(shè)計(jì)報(bào)告。設(shè)計(jì)報(bào)告要求提交紙質(zhì)文檔，設(shè)計(jì)報(bào)告包括設(shè)計(jì)背景、設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)過(guò)程、結(jié)果分析等幾個(gè)部分，要求給出設(shè)計(jì)模型圖以及仿真結(jié)果圖。相關(guān)Matlab/Simulink設(shè)計(jì)文件要求提交電子文檔。四、進(jìn)度安排收集和查閱資料（一天）Matlab/Simulink建模（兩天）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化（一天）編寫技術(shù)設(shè)計(jì)書（一天）五、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)課程設(shè)計(jì)成績(jī)

5、評(píng)定依據(jù)包括以下幾點(diǎn)：1）工作態(tài)度（占10%）；2）基本技能的掌握程度（占20%）；3）方案的設(shè)計(jì)是否可行和優(yōu)化(40%)；4）課程設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)書編寫水平(占30%)。分為優(yōu)、良、中、合格、不合格五個(gè)等級(jí)?？己朔绞剑涸O(shè)計(jì)期間教師現(xiàn)場(chǎng)檢查；評(píng)閱設(shè)計(jì)報(bào)告。六、建議參考資料1、控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD，李國(guó)勇，電子工業(yè)出版社，2003年9月第1版2、電力電子與電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的Matlab仿真,洪乃剛，機(jī)械工業(yè)出版社，2006年5月第1版3、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，陳伯時(shí)，機(jī)械工業(yè)出版社，1991年，第2版4、自動(dòng)控制原理上、下冊(cè)，吳麒，清華大學(xué)出版社，1994. 5 第1版=配合控制的有環(huán)流直流可逆

6、調(diào)速系統(tǒng)仿真1 引言 我們知道品閘管反并聯(lián)的電樞可逆線路是可逆調(diào)速系統(tǒng)的典型線路之一。像這樣的線路有能實(shí)現(xiàn)叫逆運(yùn)行、回饋制動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)止轉(zhuǎn)制動(dòng)和反轉(zhuǎn)啟動(dòng)完全銜接起來(lái)，沒(méi)有間斷或死區(qū)，這是有環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，特別是用于要求快速止反轉(zhuǎn)的中小容量的系統(tǒng)。為保證系統(tǒng)安全，我們必須增加環(huán)流電抗器以消除其中的環(huán)流。=控制的有環(huán)流可逆調(diào)速方式，在實(shí)際應(yīng)用中由于難以準(zhǔn)確保持=的狀態(tài)，一旦出現(xiàn)時(shí)，就有可能產(chǎn)生直流環(huán)流，使整流器過(guò)載或損壞，故實(shí)際上并不采用，但研究=控制的有環(huán)流可逆系統(tǒng)，對(duì)理解直流電動(dòng)機(jī)的可逆過(guò)程有很大幫助。所以我們利用MATLAB 的Simulink和Power System工具箱，來(lái)實(shí)現(xiàn)=

7、配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真。2 =配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的建模我們是利用控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真是用傳遞函數(shù)方法來(lái)完成的，各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)是將實(shí)際模型經(jīng)過(guò)一定的簡(jiǎn)化而得到的，很多重要細(xì)節(jié)會(huì)被忽略Power System工具箱提供了利用物理模型仿真的可能，它的仿真建模方法與構(gòu)建實(shí)際電路相似，仿真結(jié)果非常真實(shí)。2.1 =配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的工作原理=配合控制的有環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理圖如圖1所示。圖中，主電路由兩組三相橋式.晶閘管全控型整流器反并聯(lián)組成，并共用同一路三相電源。由于采用=配合控制方式，在兩組整流器之間沒(méi)有直流環(huán)流，但還存在脈動(dòng)環(huán)流，為了限制脈動(dòng)環(huán)流的大

8、小，在主電路中串入了四個(gè)均衡電抗器Lc1Lc4，用于限制脈動(dòng)環(huán)流。平波電抗器Ld，用于減少電動(dòng)機(jī)電樞電流的脈動(dòng)，減少電樞電流的斷續(xù)區(qū)，改善電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。系統(tǒng)的控制部分采用了轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)控制。由于可逆調(diào)速電流的反饋信號(hào)小不僅要反映電樞電流的大小還需要反映電樞電流的方向，因此電流反饋一般用直流電流互感器或霍爾電流檢測(cè)器，在電樞端取電流信號(hào)。為了確保兩組整流器的工作狀態(tài)相反，電流調(diào)節(jié)器的輸出分兩路，路經(jīng)止組橋觸發(fā)器GTF控制正組橋整流器，另路經(jīng)倒相器AR、反組橋GTR控制反組橋整流器VR。圖1 =配合控制的有環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理圖2.2 電力系統(tǒng)(Power System)工具箱

9、 我們利用電力系統(tǒng)工具箱以Simulink為運(yùn)行環(huán)境，涵蓋了電工學(xué)科中常用的基本元件庫(kù)。它由電源、基本元件、電力電子、電機(jī)、連接件、測(cè)量等6個(gè)模塊庫(kù)組成，根據(jù)需要可以組合封裝出常用的更為復(fù)雜的模塊，添加到有關(guān)模塊庫(kù)中。 實(shí)驗(yàn)采用MATLAB 中模塊庫(kù)，其控制子模塊庫(kù)中有6脈沖觸發(fā)器、三相子模塊庫(kù)中有晶閘管三相全控橋模塊、附加電機(jī)子模塊庫(kù)中有直流電機(jī)模塊，如圖2所示。圖2 六脈沖觸發(fā)器、三相晶閘管整流橋、直流電動(dòng)機(jī)2.3 =配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的建模 =配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的主要子模塊包括：三相交流電源，正、反并聯(lián)的晶閘管三相全控整流橋、同步電源與6脈沖觸發(fā)器、速度和電流調(diào)節(jié)器ASR

10、 及ACR、倒相器、移相控制器，直流電動(dòng)機(jī)。除了PI調(diào)節(jié)器和移相控制器模塊需要自己封裝外，其余均可從有關(guān)模塊庫(kù)中直接復(fù)制。2.3.1 移相控制器的封裝 觸發(fā)器的控制角(alpha_deg端)通過(guò)了移相控制環(huán)節(jié)(shifter),移相控制模塊的輸入是移相控制信號(hào)Uc，輸出是控制角，移相控制信號(hào)Uc由常數(shù)模塊設(shè)定。移相特性如圖3所示。移相特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 圖3 移項(xiàng)特性及子函數(shù)模塊、2.3.2 帶限幅的PI調(diào)節(jié)器的封裝 在本模型中取 min=30°,Ucm =+lOV ，所以 =90°-(6*Uc) .仿真模型與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)構(gòu)圖的各個(gè)環(huán)節(jié)基本上是對(duì)應(yīng)的。需要指出的是。雙閉環(huán)系統(tǒng)

11、的轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器都是有飽和特性和帶輸山限幅的PI調(diào)節(jié)器，為了充分反映在飽和限幅非線性影響下調(diào)速系統(tǒng)的上作情況，需要構(gòu)建考慮飽和輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器，過(guò)程如下:線性PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為式中,Kp為比例系數(shù);Ki為積分系數(shù); = KpKi。上述PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)可以直接調(diào)用SIMULINK中的傳遞函數(shù)或零極點(diǎn)模塊。而考慮飽和和輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器模型如圖4所示。模型中比例和積分調(diào)節(jié)分為兩個(gè)通道，其中積分調(diào)節(jié)器 integrate 的限幅表示調(diào)節(jié)器的飽和限幅值，而調(diào)節(jié)器的輸出限幅值由飽和模塊 Saturation 設(shè)定。當(dāng)該調(diào)節(jié)器用作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR時(shí),在起動(dòng)中由于開始轉(zhuǎn)速偏差大，調(diào)節(jié)器

12、輸出很快達(dá)到輸出限幅值，在轉(zhuǎn)速超調(diào)后首先積分器退飽和，然后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出才從限幅值開始下降。為了使系統(tǒng)模型更簡(jiǎn)潔，利用了SIMULINK 的打包功能 (Great Subsystem) 將調(diào)節(jié)器模型縮小為一個(gè)分支模塊，如圖4所示。圖4 帶飽和和輸出限幅的PI 調(diào)節(jié)器及子系統(tǒng)模塊2.3.3 =配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)整體的建模 將封裝后的反組整流器與正組整流器，給定環(huán)節(jié)、ASR、ACR、直流電動(dòng)機(jī)等一起可構(gòu)成=配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。在電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩輸入端TL接入了階躍 (Step)模塊，用于設(shè)置負(fù)載轉(zhuǎn)加載的時(shí)刻，和用于限制負(fù)載轉(zhuǎn)矩的最大值，如圖5所示。圖5 = 配合控制的直流

13、可逆調(diào)速系統(tǒng)整體的模型3 = 配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真實(shí)例及分析 = 配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型中，交流電源( a u 、 b u 、 c u )兩組反并聯(lián)的整流器(VF、VR)和兩組觸發(fā)器(Synchronized 6-Pulse Generator)、環(huán)流電抗器( Lc1 Lc4 )、平波電抗器 Ld 和電動(dòng)機(jī)組成可逆系統(tǒng)的主電路?？刂苹芈酚赊D(zhuǎn)速給定、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR、倒相器Gain和移相控制器Shifter等模塊組成。其中給定環(huán)節(jié)可以通過(guò)切換開關(guān)(Manual Switch)選擇電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向，在需要改變轉(zhuǎn)向時(shí)， 雙擊該開關(guān)即可正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)到正傳的給定切

14、換。 轉(zhuǎn)速和電流的反饋信號(hào)均取自電動(dòng)機(jī)測(cè)量單元的輸出。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR由帶輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器分支電路來(lái)完成。3.1 系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)的仿真參數(shù) 電源：160（峰值）50Hz電機(jī)參數(shù)：電樞電阻Ra=0.21 ;電樞電感 La=0.00021H;轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.57kg·勵(lì)磁電阻Rf=146.7歐姆；勵(lì)磁電感Lf=0亨勵(lì)磁與電樞繞組互感Laf=0.84H； ASR 為PI調(diào)節(jié)器： Kp=10.49 ; Kn = 1/0.0083=120.5。 ACR 為PI調(diào)節(jié)器： Kp=2.48; Ki=1/0.0268=37.3。 電抗器： Lc1 Lc4 為0.02H,3.2 仿

15、真波形及分析 如圖5的可逆系統(tǒng)從正轉(zhuǎn)啟動(dòng)到反轉(zhuǎn)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和電流變化波形圖6，仿真了8s的變化過(guò)程。得到電樞轉(zhuǎn)速和電流的仿真波形如圖6所示。圖中電流和轉(zhuǎn)速為相對(duì)值。從仿真曲線知，當(dāng)系統(tǒng)給定信號(hào)變極性時(shí)：輸出轉(zhuǎn)速能夠很好地跟隨轉(zhuǎn)速給定信號(hào)，過(guò)渡過(guò)程性能較好；轉(zhuǎn)速極性也隨著給定信號(hào)改變極性；由于電機(jī)有機(jī)械慣性的濾波作用， 速度輸出響應(yīng)曲線諧波成分較少。 隨著給定信號(hào)改變極性電樞電流也改變極性(圖中b中有正、負(fù)變化)，說(shuō)明實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩可逆；電流波形上升和下降沿很陡，動(dòng)態(tài)性能較好；由于=配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)快速回饋制動(dòng)，轉(zhuǎn)速換向時(shí)減速很快，換向性能較優(yōu)，速度仿真曲線很好地證明了這一點(diǎn)。 (a)

16、電樞轉(zhuǎn)速 (b)電樞電流 圖6 仿真后系統(tǒng)轉(zhuǎn)速及電樞電流的波形 仿真了8s的變化過(guò)程，其中 0- 2.5s 為系統(tǒng)的正轉(zhuǎn)起動(dòng)過(guò)程，2.5 -4 為系統(tǒng)的加載過(guò)程， 4 - 8s 為系統(tǒng)的反轉(zhuǎn)過(guò)程。在起動(dòng)過(guò)程中可以看到，系統(tǒng)經(jīng)歷了電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個(gè)階段，在轉(zhuǎn)速超調(diào)后電流迅速下降并且出現(xiàn)負(fù)向電流，這與不可逆調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程不同，因?yàn)椴豢赡嬲{(diào)速系統(tǒng)不能產(chǎn)生反向電流，而可逆系統(tǒng)反轉(zhuǎn)整流器可以提供反向電流，并加快起動(dòng)的調(diào)節(jié)過(guò)程。因?yàn)槭抢硐肟蛰d起動(dòng)，起動(dòng)結(jié)束時(shí)電樞電流為零。在 2.5s 時(shí)，電動(dòng)機(jī)加上負(fù)載，轉(zhuǎn)速發(fā)生波動(dòng)，并且電流增加，經(jīng)過(guò)Is左右時(shí)間的調(diào)整，系統(tǒng)達(dá)到新的平衡狀態(tài)，轉(zhuǎn)速恢復(fù)到

17、 1450r/min，電流上升到120A 。在起動(dòng)后 4s 轉(zhuǎn)速給定轉(zhuǎn)速?gòu)?quot; + "切換到"-"，系統(tǒng)進(jìn)入反轉(zhuǎn)的調(diào)節(jié)狀態(tài)。電樞電流迅速改變方向，并從正變到負(fù)的最大值，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也由正變負(fù)，系統(tǒng)經(jīng)歷了本橋逆變和反接制動(dòng)兩個(gè)階段。這兩個(gè)階段的放大波形如圖7所示。 （a） （b） （c） （d）圖7 本橋逆變和反接制動(dòng)階段分析a) 電樞電流 b) 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 c) 電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)d) 平波電感反電動(dòng)勢(shì) 從3.998s反轉(zhuǎn)過(guò)程開始到8s時(shí)間內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的正向電流下降(見圖7a)，轉(zhuǎn)速?zèng)]有太大的變化(見圖7b) ，平波電感的反電動(dòng)勢(shì)為負(fù)，與電動(dòng)機(jī)電樞反電動(dòng)勢(shì)方向相反

18、，且平波電感的反電動(dòng)勢(shì)大于電動(dòng)機(jī)電樞電動(dòng)勢(shì)(見圖7c和圖7d)，因此是平波電感儲(chǔ)能釋放，維持電動(dòng)機(jī)的正向電流。這時(shí)，仍是正組橋?qū)?，其控制角為，系統(tǒng)進(jìn)入了本橋逆變階段。在4s之后，電樞電流開始改變方向，并反方向增加，反組橋進(jìn)入整流，系統(tǒng)開始反接制動(dòng)階段，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降。在 4.01s 左右，電流開始反向超調(diào)，這時(shí)在系統(tǒng)電流環(huán)的調(diào)節(jié)下反組整流器變?yōu)槟孀儬顟B(tài)，轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)一步減小，電動(dòng)機(jī)的慣性儲(chǔ)能釋放，并經(jīng)反組整流器流回電網(wǎng)，這是系統(tǒng)的回饋制動(dòng)階段。在4.3s 轉(zhuǎn)速下降為零時(shí)回饋制動(dòng)階段結(jié)束，系統(tǒng)叉開始反向恒流起動(dòng)過(guò)程，直到電動(dòng)機(jī)進(jìn)入反轉(zhuǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行階段。從圖8中可以= 可逆調(diào)速系統(tǒng)的環(huán)流

19、分析。其中圖 a 、 b 分別為正轉(zhuǎn)時(shí) 3.5 - 3.56s 內(nèi)正組和反組整流器的輸出流波形，正組整流器電流中包含了電動(dòng)機(jī)負(fù)載電流和環(huán)流，反組整流器電流中只有脈動(dòng)的環(huán)流成分，而電動(dòng)機(jī)的電樞電流基本上是平穩(wěn)的直流(Id=Ivr+Ivf。）從圖8c中所示為電動(dòng)機(jī)從正轉(zhuǎn)起動(dòng)到反轉(zhuǎn)過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速曲線(機(jī)械特性)。從機(jī)械特性可以看到正反轉(zhuǎn)過(guò)程經(jīng)歷了特性的三個(gè)象限，其中，第一象限電動(dòng)機(jī)工作于正轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)，并在起動(dòng)過(guò)程中電動(dòng)機(jī)基本保持了最大轉(zhuǎn)矩的升速;在第二象限電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩變?yōu)樨?fù)，轉(zhuǎn)速減小，電動(dòng)機(jī)工作于正轉(zhuǎn)發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降到零;在第三象限電動(dòng)機(jī)以最大反向轉(zhuǎn)矩反向升速，最后穩(wěn)定在反轉(zhuǎn)工作點(diǎn)上，因?yàn)檗D(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩均為負(fù)，所以電動(dòng)機(jī)工作在反轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)。 （a） （b）（c）圖8 兩組整流器的環(huán)流分析及電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)過(guò)程中的機(jī)械特性a )正組整流器輸出電流波形 b) 反組整流