1、晶闸管直流电动机开环调速系统仿真3滨江学院电机与拖动控制综合实验报告题 目 晶闸管-直流电动机开环调速系统仿真院 系 滨江学院自动控制系 专 业 电气工程与自动化 班 级 小组成员 指导教师 二一三 年 十 月 十 日直流电动机开环调速系统仿真摘要摘 要：MATLAB仿真在科学研究中的地位越来越高，如何利用MATLAB仿真出理想的结果，关键在于如何准确的选择MATLAB的仿真。本文就简单的开环直流调速系统的MATLAB仿真这个例子，通过对MATLAB的仿真，得到不同的仿真结果。通过仿真结果的对比，对MATLAB的仿真进行研究。从而总结出如何在仿真过程中对MATLAB的仿真做到最优选择。 本文通
2、过MATLAB对晶闸管-直流电动机开环调速系统进行仿真，通过同步6脉冲发生器给三相晶闸管整流桥提供脉冲控制信号。alpha_deg是脉冲触发角，通过改变alpha_deg端对应的值的大小来改变整流输出电压。而直流电动机的速度由输入的电压进行控制，因此直流开环调速系统可以被仿真。关键词：直流电动机开环调速系统仿真;阶跃信号；1课题背景直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代，随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力传动控制技术研究和应用的繁荣。晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技
3、术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。现在的直流和交流调速装置都是数字化的，使用的芯片和软件各有特点，但基本控制原理有其共性。 长期以来，仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上，即在系统模型建立以后要设计一种算法。以使系统模型等为计算机所接受，然后再编制成计算机程序，并在计算机上运行。因此产生了各种仿真算法和仿真软件。由于对模型建立和仿真实验研究较少，因此建模通常需要很长时间，同时仿真结果的分析也必须依赖有关专家，而对决策者缺乏直
4、接的指导，这样就大大阻碍了仿真技术的推广应用。MATLAB提供动态系统仿真工具Simulink，则是众多仿真软件中最强大、最优秀、最容易使用的一种。它有效的解决了以上仿真技术中的问题。在Simulink中，对系统进行建模将变的非常简单，而且仿真过程是交互的，因此可以很随意的改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的结果。另外，使用MATLAB中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。Simulink可以超越理想的线性模型去探索更为现实的非线性问题的模型，如现实世界中的摩擦、空气阻力、齿轮啮合等自然现象；它可以仿真到宏观的星体，至微观的分子原子，它可以建模和仿真的对象的类型广泛，可以是机械
5、的、电子的等现实存在的实体，也可以是理想的系统，可仿真动态系统的复杂性可大可小，可以是连续的、离散的或混合型的。Simulink会使你的计算机成为一个实验室，用它可对各种现实中存在的、不存在的、甚至是相反的系统进行建模与仿真。传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。随着生产技术的发展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面提出了更高要求，这就要求大量使用调速系统。由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，从20世纪30年代起，就开始使用直流调速系统。它的发展过程是这样的：由最早的旋转变流机组控制发展
6、为放大机、磁放大器控制；再进一步，用静止的晶闸管变流装置和模拟控制器实现直流调速；再后来，用可控整流和大功率晶体管组成的PWM控制电路实现数字化的直流调速，使系统快速性、可控性、经济性不断提高。调速性能的不断提高，使直流调速系统的应用非常广泛。2直流电动机开环调速系统仿真的原理直流电动机电枢由三相晶闸管整流电路经平波电抗器L 供电，并通过改变触发器移相控制信号Uc 调节晶闸管的控制角，从而改变整流器的输出电压实现直流电动机的调速。该系统的仿真模型如图1-1 所示。在仿真中为了简化模型，省略了整流变压器和同步变压器，整流器和触发同步使用同一交流电源，直流电动机励磁由直流电源直接供。任何一台需要控
7、制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。例如，最高转速与最低转速之间的范围，是有级调速还是无级调速，在稳态运行时允许转速波动的大小，从正转运行变到反转运行的时间间隔，突加或突减负载时允许的转速波动，运行停止时要求的定位精度等等。归纳起来，对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面：(1) 调速。在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（有级）或平滑地（无级）调节转速。(2) 稳速。以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量。(3) 加、减速。频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。3
8、仿真过程3.1仿真原理图 图1-1 直流开环调速系统电气原理3.2仿真结构图图1-2 直流电动机开环调速系统结构图 3.3仿真参数明细根据实验原理图在MATLAB软件环境下查找器件、连线，接成入上图所示的线路图。仿真具体步骤a、点击图标，打开MATLAB软件，在工具栏里根据提示点击，点击MATLAB ，打开一个对话框，点击里的newmodel，创建一个新文件。b、点击工具栏的，打开元器件库查找新的元器件。C、原件库如下图所示图1-3 原件库如果不知在哪里找到元器件，可以在里输入元器件的名称，键入ENTER即可查找。1） 所用元器件及其参数设置 A）三相交流电源A、B、C 首先从Simpower
9、systes 中的Electrical sources 电源模块组中选取一个交流电压源模块 AC Voltage Source，再用复制的方法得到三相电源的另两个电压源模块，用 Format(格式设定)菜单中 Rotate block(Ctrl +R)将模块水平放置，并点击模块标题名称，将模块标签分别改为“Ua”、 “ Ub”、 “ Uc”， 然后从连接器模块 Connectors 中选取“Ground（output）”元件 ，按下图进行连接。 (1)Ua (2)Ub (3)Uc 图1-4 三相电源参数设置设置三相电压都为220V，两两之间相位差为120，分别为0、-120、-240。a) 6
10、-Pulse Generator 同步脉冲触发器包括同步电源和 6 脉冲触发器两部分。6 脉冲触发器从 Simpowersystes中选取 Extra Libray 中的 Contral Blocks 中取获得。6 脉冲触发器需用三相线电压同步，所以同步电源的任务是将三相交流电源的相电压转换成线电压。 图1-5 c）Universal Bridge三相整流桥起改变输出直流电压的作用。 图1-6 整流桥d) DC Machine（直流电动机）直流电动机的励磁绕组“F+F-”接直流恒定励磁电源，励磁电源可从电源模块组中选取直流电压源模块，并将电压参数设置为 220V，点数绕组“A+A-”经平波电抗
11、器接晶闸管整流桥的输出，电动机经 TL 端口接恒转矩负载，直流电动机的输出参数有转速、点数电流、励磁电流、电磁转矩，通过“示波器”模块观察仿真输出图形。修改参数电枢电阻和电感（Armature resistance and inductance）为0.21 0.0021，励磁电阻和电感（Field resistance and inductance）为146.7 0，励磁和电枢互感（Field-armature mutual inductance）为0.84，转动惯量（Total inertia）为0.572，粘滞摩擦系数（Viscous friction coefficient）为0.01，
12、库仑摩擦转矩（Coulomb friction torque）为1.9，初始角速度(initial speed)为0.1。 图1-7 直流电机e)直流电源 图1-8直流电源 f）放大器，设置放大系数。图1-9放大器g）阶跃信号图1-10阶跃信号 系统在阶跃函数输入作用下的工作条件是比较严峻的，同时比较具有代表性。如果系统在阶跃函数作用下的性能够满足要求，则在其他形式作用下也能满足要求。Step 提供在指定时间处在两个可定义的水平间的阶跃，当仿真时间小于Step time，则输出Initial value；当仿真时间大于或等于Step time输出Final value，且Step time不能
13、为0。4.仿真结果当建模和参数设置完成后，即 可开始进行仿真，在 MATLAB 模型窗口单击工具栏的按钮或打开“Simulation”菜单命令后，单击“start”， 系统开始仿真，仿真结束后可输出仿真结果。单击“示波器”观察仿真输出图形。观察仿真时间 1s 时得到的电动机转速、电动机电枢电流及电磁转矩曲线。由于直流电机的调速基于整流电路的输出电压，因此改变constant值即可对电机转速进行调节。（1）当控制电压为30，仿真时间为1s时的仿真波形为：A、电机转速nB、电枢电流IaC、转矩Te （2）当控制电压为50，仿真时间1s时的仿真波形为：A、电机转速nB、电枢电流IaC、转矩Te（3）
14、当控制电压为40，仿真时间为1s时的仿真波形为：A、电机转速nB、电枢电流IaC、转矩Te5.仿真分析及总结由波形可以看出：（1） 在一定的范围内当触发角增大时对应的电机转速、电枢电流、电机转速的值会减小。当触发角在060时，三相全控整流电路的输出电压与触发角的关系为：Ud=2.34U2cos,直流输出电压随触发角的增大而减小。实验结果为触发角越大，对应的直流输出电压越小。因此，实验结果与理论数据相符。（2） 当仿真时间在00.1s时，电机转速增大，而电机转矩也增大与公式T=9550P/n不符。这一现象出现的原因是：当电源电压不变时，电机的频率变化直接反应的结果就是转速的同比变化，频率增，转速
15、也增。当频率在60Hz以下时，转矩是和频率成正比的；当频率f达到60Hz时，电机达到最大输出功率，即额定功率。（3） 当仿真时间在0.10.7s时，频率超过60Hz，则电机转矩与转速成反比，正好与公式T=9550P/n相符。（4） 当仿真时间在0.7s及以后时，电机转速趋于稳定值，而电机转矩变为零，这是由于电机没有接负载。（但是如果电机接负载，使得转子磁场较定子磁场超前，同步电机作为发电机运行；但如果转子磁场超前角度超过电弧度时，反而形成了定子磁场超前的位置，发电机转变为电动机运行方式。）参考文献： 1 王兆安, 黄俊. 电力电子技术第4版M. 北京：机械工业出版社, 2000.2 任彦硕. 自动控制原理M. 北京：机械工业出版社, 2006.3 洪乃刚. 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真M. 北京：机械工业出版社, 2006.4 胡虔生，胡敏强. 电机学. 北京:中国电力出版社，2009.
