開環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)

、緒論直流調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動自動控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術(shù)。在20世紀60年代，隨著晶閘管的出現(xiàn)，現(xiàn)代電力電子和控制理論、電腦的結(jié)合促進了電力傳動控制技術(shù)研究和應用的繁榮。晶閘管-直流電動機調(diào)速系統(tǒng)為現(xiàn)代工業(yè)提供了高效、高性能的動力。盡管目前交流調(diào)速的迅速發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)越趨成熟，以及交流電動機的經(jīng)濟性和易維護性，使交流調(diào)速廣泛受到用戶的歡送。但是直流電動機調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)良的調(diào)速性能仍有廣闊的市場，并且建立在反饋控制理論基礎上的直流調(diào)速原理也是交流調(diào)速控制的基礎。現(xiàn)在的直流和交流調(diào)速裝置都是數(shù)字化的，使用的芯片和軟件各有特點，但基本控制原理有其共性。長期以來，仿真領域的研究重點是仿真模型的建立這一環(huán)節(jié)上，即在系統(tǒng)模型建立以后要設計一種算法。以使系統(tǒng)模型等為電腦所接受，然后再編制成電腦程序，并在電腦上運行。因此產(chǎn)生了各種仿真算法和仿真軟件。MATLAB提供動態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simulink,則是眾多仿真軟件中最強大、最優(yōu)秀、最容易使用的一種。它有效的解決了以上仿真技術(shù)中的問題。在Simulink中，對系統(tǒng)進行建模將變的非常簡單，而且仿真過程是交互的,因此可以很隨意的改變仿真參數(shù),并且立即可以得到修改后的結(jié)果。另外,使用MATLAB中的各種分析工具，還可以對仿真結(jié)果進行分析和可視化。Simulink可以超越理想的線性模型去探索更為現(xiàn)實的非線性問題的模型，Simulink會使你的電腦成為一個實驗室，用它可對各種現(xiàn)實中存在的、不存在的、甚至是相反的系統(tǒng)進行建模與仿真。傳統(tǒng)的研究方法主要有解析法，實驗法與仿真實驗，其中前兩種方法在具有各自優(yōu)點的同時也存在著不同的局限性。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對電氣傳動在啟制動、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動態(tài)響應等方面提出了更高要求，這就要求大量使用調(diào)速系統(tǒng)。由于直流電機的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制性能好，從20世紀30年代起，就開始使用直流調(diào)速系統(tǒng)。它的發(fā)展過程是這樣的：由最早的旋轉(zhuǎn)變流機組控制發(fā)展為放大機、磁放大器控制；再進一步，用靜止的晶閘管變流裝置和模擬控制器實現(xiàn)直流調(diào)速；再后來，用可控整流和大功率晶體管組成的PWM控制電路實現(xiàn)數(shù)字化的直流調(diào)速，使系統(tǒng)快速性、可控性、經(jīng)濟性不斷提高。調(diào)速性能的不斷提高，使直流調(diào)速系統(tǒng)的應用非常廣泛。、開環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)組成及原理U-IRn? 直流電動機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速： cn 轉(zhuǎn)速〔r/min〕U 電樞電壓〔V〕I——電樞電流〔A〕 R——電樞回路總電阻（Q〕Ce 電動機在額定磁通下的電動勢系數(shù)。調(diào)節(jié)直流電動機轉(zhuǎn)速的方法有：〔1〕調(diào)節(jié)電樞供電電壓；〔2〕減弱勵磁磁通；〔3〕改變電樞回路電阻。自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。工作條件：保持勵磁①=€；保持電阻R=RaN調(diào)節(jié)過程：改變電壓UTU,；U,Tn,；n,N 0調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機械特性曲線平行下移，見圖1。圖2給出了晶閘管一電動機調(diào)速系統(tǒng)〔V—M系統(tǒng)〕的原理圖，圖中VT是晶閘管可控整流器，GT是觸發(fā)器，L是平波電抗器，M是直流電動機，給定信號Uc能控制GT觸發(fā)器的觸發(fā)角度，從而控制整流器VT的整流輸出電壓值，到達控制電機調(diào)速的目的。

圖2晶閘管一電動機調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖直流電動機電樞由三相晶閘管整流電路經(jīng)平波電抗器L供電，并通過改變觸發(fā)器移相控制信號Uc調(diào)節(jié)晶閘管的控制角，從而改變整流器的輸出電壓實現(xiàn)直流電動機的調(diào)速。該系統(tǒng)的仿真模型如圖3所示。在仿真中為了簡化模型，省略了整流變壓器和同步變壓器，整流器和觸發(fā)同步使用同一交流電源，直流電動機勵磁由直流電源直接供。圖3直流開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電氣原理任何一臺需要控制轉(zhuǎn)速的設備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要求。例如，最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之間的范圍，是有級調(diào)速還是無級調(diào)速，在穩(wěn)態(tài)運行時允許轉(zhuǎn)速波動的大小，從正轉(zhuǎn)運行變到反轉(zhuǎn)運行的時間間隔，突加或突減負載時允許的轉(zhuǎn)速波動，運行停止時要求的定位精度等等。歸納起來，對于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有以下三個方面：調(diào)速。在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地〔有級〕或平滑地〔無級〕調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。穩(wěn)速。以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。力口、減速。頻繁起、制動的設備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機械則要求起、制動盡量平穩(wěn)。為了進行定量的分析，可以針對前兩項要求定義兩個調(diào)速指標，叫做“調(diào)速范圍”和“靜差率”。這兩個指標合稱調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標。調(diào)速范圍生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示，即D€nnmin其中，和一般都指電動機額定負載時的最高和最低轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負載很輕的機械，例如精密磨床，也可用實際負載時的最高和最低轉(zhuǎn)速。靜差率當系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應的轉(zhuǎn)速降落，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱作靜差率S,即Ans€Nn0顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負載變化時轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。它和機械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。然而靜差率與機械特性硬度又是有區(qū)別的。一般變壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機械特性是互相平行的，對于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也就越差。由此可見，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。在調(diào)速過程中，假設額定速降相同，則轉(zhuǎn)速越低時，靜差率越大。如果低速時的靜差率能滿足設計要求，則高速時的靜差率就更能滿足要求了。因此，調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標應以最低速進所能到達的數(shù)值為準。直流變壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系在直流電動機變壓調(diào)速系統(tǒng)中，一般以電動機的額定轉(zhuǎn)速作為最高轉(zhuǎn)速，假設額定負載下的轉(zhuǎn)速降落為，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應該是最低速時的靜差率，即An Ans€n= N n n ,An0min min N于是，最低轉(zhuǎn)速為An G-s)Ann=n—An= nmin s N s而調(diào)速范圍為nnD=max=—4nnmin min將上面的式代入，得nsD=zn?N上式表示變壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應滿足的關(guān)系。對于同一個調(diào)速系統(tǒng)，值一定，由上式可見，如果對靜差率要求越嚴，即要求S值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。三、 數(shù)學模型建立與動態(tài)結(jié)構(gòu)圖假設用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)器與整流器的輸入—輸出關(guān)系為

U，KU-1(t-T)d0 sct s利用拉氏變換的位移定理，可求出晶閘管觸發(fā)器與整流器的傳遞函數(shù)為W(s)-Ud0(s)-Ke-Tsss U(s) ssct由于上式中包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng)，分析和設計都比較麻煩。為了簡化，將該指數(shù)函數(shù)按泰勒〔Taylor〕級數(shù)展開，則變成TOC\o"1-5"\h\zK kW(s)，Ke-卞,曠， 1 #——i s s叫1+Ts+-T2s2+1T3s3+€?\o"CurrentDocument"s2!s 3!s考慮到很小，因而可忽略高次項，則傳遞函數(shù)便近似成為一階線性環(huán)節(jié)。W(s)? 丁s 1+Tss3.2直流電動機數(shù)學模型他勵直流電動機在額定勵磁下的等效電路如圖5所示。圖4他勵直流電動機在額定勵磁下的等效電路假定主電路電流連續(xù)，動態(tài)電壓方程為：dIU，RI+L—+Ed0ddt電動機軸上的動力學方程：T_t,GD2dnel375dt額定勵磁下的感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩分別為：——包括電動機空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負載轉(zhuǎn)矩，GD2――電力拖動裝置折算到電動機軸上的飛輪慣量,電動機額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù),GDGD2R375CC電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)。在零初始條件下，取拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù)為U0(s)-E(s)RTs,11電流與電動勢間的傳遞函數(shù)為E(s)€R

I(sT~s

dmU(s)do — -1/RI(s)dTs,1i ?E(s)I(s)dRE(s)kTs■IFmIP(a)電壓電流間的結(jié)構(gòu)框圖(b)電流電動勢間的結(jié)構(gòu)框圖(c〕直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖5額定勵磁下直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖直流電動機的輸入量：施加在電樞上的理想空載電壓UdO,是控制量。3.3V-M開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖V-M開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。圖6V-M開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖四、 電路仿真4.1仿真原理圖圖4.1直流電動機開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)框圖4.2全壓啟動電動機的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩和電流的變化情況圖4.7全壓啟動后加額定負載時電動機的轉(zhuǎn)矩變化情況五、 總結(jié)本課程的課程設計是在學習完《電力拖動自動控制系統(tǒng)》課程后，進行的一次全面的綜合訓練，其目的在于加深對電力拖動自動控制系統(tǒng)理論知識的理解和對這些理論的實際應用能力，提高對實際問題的分析和解決能力，以到達理論學習的目的，培養(yǎng)應用電腦輔助設計和撰寫設計說明書的能力。熟悉電力拖動自動控制系統(tǒng)基本知識及Matlab仿真軟件。我通過這次的鍛煉學到了很多的東西，不僅鍛煉了自己的思考能力、計算能力、繪圖能力，還鍛煉了綜合運用知識的能力，不僅了解電動機如何調(diào)速，而且也會運用計算，直到如何選用適當?shù)碾妱訖C。同時,我也是在這次課程設計中看到了自己的不足，我還有許多未知的知識要學，直到學海無涯，知道了今后需要更加努力，使自我能夠不斷更加完善。通過這次的課程設計的鍛煉，我學到了很多的東西，可以說是收益非淺。知識就是力量，我會不斷充實自我，用知識武裝自我，做個有用的人！六、 參考文獻陳伯時.電力拖動自動控制.北京：機械工業(yè)出版社，2008馮信康，楊興瑤.電力傳動控制系統(tǒng)原理與應用.北京：水利水電出版社，1985周德澤.電氣傳動控制系統(tǒng)的設計.北京：機械工業(yè)出版社，1989林瑞光.電機與拖動基礎.杭州：浙江大學出版社，2007李華德.電力拖動控制系統(tǒng)?北京：電子工業(yè)出版社，2006閻治安，崔新藝，蘇少平.電機學.西安：西安交通大學出版社，2006孫亮，楊鵬.自動控制原理.北京：北京工業(yè)大學出版社，2006王兆安，黃俊.電力電子技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，2004目錄TOC\o"1-5"\h\z一、緒論 0二、開環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)組成及原理 12.1直流電