晶闸管—直流电动机调速仿真论文

第一章 晶闸管直流电动机调速系统概况 1.1晶闸管直流电动机调速方法为了使生产机械以最合理的速度工作，从而提高生产率和保证产品具有较高的质量，许多的生产机械（如各种机床，轧钢机、造纸机、纺织机械等）要求在不同的情况下以不同的速度工作。采用一定的方法来改变生产机械的工作速度，以满足生产的需要，这种人为地改变电动机的转速通常称为调速。 调速可用机械方法、电气方法或机械电气配合的方法。在用机械方法调速的设备上，速度调节是用改变传动机构的速比来实现，但是改变传动机构较复杂；用电气方法调速，电动机在一定负载情况下可获得多种转速，电动机可与工作机构同轴，或其间只用一套变速机构，机械上较简单，但电气上可能较复杂；在机械电气配合的调速设备上，用电动机获得几种转速，配合用几套（一般用三套左右）机械变速机构来调速。究竟采用何种方案，如何与机械电气配合，需要全面考虑。 由直流电动机的机械方程式： （1-1）n 电动机的转速；电枢端电压； 励磁磁通；电动势常数。由式（1-1）可得，主要通过改变电枢端电压或改变励磁磁通来改变电动机的转速。提高电动机电枢端电压受到绕组绝缘耐压的限制，根据规定，只允许比额定电压提高30%，因此提高的可能范围不大。实际上改变常应用在减压时，从额定转速向下调速。 而改变励磁磁通，由于一般电动机的额定磁通的铁心接近饱和，所以改变一般在减弱的方向，称为弱磁调速，使转速从额定值向上调节。 在调速的范围要求较宽等情况下，可结合应用上述两种方法，即在额定转速以下减压，而在额定转速以上弱磁。1.1.1 降低电枢端电压调速1.降低电源电压调速电动机的工作电压不允许超过额定电压，只能在额定电压以下进行调节。降低电源电压调速的原理及调速过程如图3-1说明，U1U2U3。图1-1降低电枢电压调速设电动机拖动恒转矩负载在固有特性上a点运行，其转速为。若电源电压由下降至，则达到新的稳态后，工作点将移到对应人为特性曲线上的c点，其转速下降为。如图所示，电压的下降使稳态转速降低。现以转速由下降至说明系统调速过程：电动机原来在a点稳定运行时，=，n=。当电源电压下降至后，电动机的机械特性变为直线n0c，在降压瞬间，转速n及 Ea一开始不能突变，所以和突变减小，工作点平移到b点。在b点，,所以电动机开始减速，随着n及Ea减小，和增大，工作点沿bc方向移动，到达B点时，=，转矩新的平衡又建立，系统以较低的转速下稳定运行，调速过程终了。降压调速的优点是：（1）电源电压能够平衡调节，可以实现无级调速；（2）调速前后机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时，速度稳定性好；（3）无论轻载还是重载，调速范围相同；（4）电能损耗较小。降压调速的缺点是，设备投资大，在G-M机组中，机组的运行效率不高。1.1.2减弱磁通调速额定运行的电动机，磁路已基本饱和，即使励磁电流增加很多，磁通也增加很少，然而电动机的性能考虑不允许磁路过饱和。所以，改变磁通只能从额定值往下调，即是弱磁调速，其调速原理及调速过程如图3-2说明，。 图1-2 弱磁通调速设电动机拖动恒转矩负载在固有特性曲线上a点运行，其转速为。若磁通由减小至，则达到新的稳态后，工作点将移到对应认为特性上的b点，其转速上升为。如图所示，磁通减弱使稳态转速升高。转速由上升到的调速过程如下：电动机原来在a点稳定运行时，。当磁通减弱到后，电动机的机械特性变为直线。在磁通减弱的瞬间，由于转速n一时来不及变化，电动势Ea将随着降低而降低，这样使电枢电流增大。尽管减小，但增大很多，所以电磁转矩还是增大的，因此工作点移到c点。在c点，电动机开始加速，随着n上升，Ea增大，和减小，工作点沿cb方向移动，到达b点时，转矩新的平衡又建立，系统以较高的转速下稳定运行，调速过程终了。弱磁调速的优点：在功率较小的励磁电路中进行调节，控制方便，能量损耗小，调速的平滑性较高。并且因为调速范围不大，与额定转速以下的减压调速配合，以扩大调速范围。弱磁调速的缺点：机械特性的斜率变大，特性变软；由于转速的升高受到电机换向能力和机械强度的限制，因此升速范围不是很大，一般D2。为了扩大调速范围，常常是降压与弱磁两种调速方法结合起来。在额定转速以下采用降压调速，在额定转速以上采用弱磁调速。1.1.3 调速指标对于一个调速系统，电动机需要不断地进行启动、制动、调速及突然加减负载的过渡过程。所以，必须研究电动机的调速范围、稳定性、快速性等。这对提高产品质量和劳动生产率，保证了系统的安全运行。（1） 调速范围 生产机械要求的调速范围D代表机械可能运行的最大转速与最小转速之比，或最大与最小线速度（ 与）之比，即 （1-2） D是生产机械总的调速范围，由机械、电气或机械电气配合的方法来实现。如果用机械电气配合的调速方案时，则D应为机械调速范围与电气调速范围的乘积。由D的表达式可见：要扩大调速范围，必须设法尽可能地提高及降低。电动机的受其机械强度、换向等方面的限制，一般在额定转速以上转速提高的范围是不大的。降低受低速运行时的相对稳定性的限制。所谓相对稳定性，是指负载转矩变化下转速变化的程度。负载转矩变化时，转速变化愈小，相对稳定性愈好，能得到的愈小，D也就愈高。 生产机械对机械特性相对稳定性的程度是有要求的，当低速时机械特性较软时，相对稳定性较差，低速就不稳定，负载变化时，电动机转速可能变得接近于零，甚至可能是生产机械停下来。所以，必须设法得到低速硬特性，以扩大调速范围。（2） 静差率 相对稳定性的程度用静差率来表示。其定义为：在一条机械特性上运行时，即电动机由理想空载加到额定负载，所出现的转速降与理想空载转速之比，用百分数表示为 （1-3）显然，电动机的机械特性愈硬，则静差率愈小，相对稳定性就愈高。生产机械调速时，为保持一定的稳定程度，要求静差率小于某一允许值。不同的生产机械，其允许的静差率是不同的。静差率和机械特性的硬度有关系，但又有区别。两条互相平行的机械特性，硬度相同，但静差率不同。静差率与调速范围是互有联系的两项指标，系统可能达到的最低速决定于低速特性的静差率，所以，低速特性的静差率制约着调速范围D。（3） 平滑性 在一定的调速范围内，调速的级数愈多则认为调速愈平滑。平滑的程度用平滑系数来衡量，它是相邻两级(如i与i-1级)转速或线速度之比，即 （1-4） 值愈接近于1，则平滑性愈好。=1时称为无级调速，即转速连续可调，级数接近无穷多，此时调速的平滑性最好。 电动机的调速方法不同，可能得到级数的多少与平滑性的程度也是不同的。（4） 调速时的容许输出（或调速时的功率与转矩） 容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，在调速过程中轴上所能输出的功率和转矩。 对于不同类型的电动机采用不同的调速方法时，容许输出的功率与转矩随转速变化的规律是有差别的。此外，负载需要由电动机稳定运行时的实际输出的功率与转矩决定。在不同转速下，不同的负载需要的功率与转矩也是不同的。应该是调速方法适应负载的要求。1.2晶闸管直流电动机调速原理 晶闸管直流调速系统是由整流变压器晶闸管整流调速装置平波电抗器电动机-发电机组等组成。晶闸管整流器通过调节触发装置控制电压来移动触发脉冲的相位，改变可控整流器平均输出直流电压 ，从而实现直流电动机调速，系统原理如图3-3。图3-3晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）当T=0时的理想情况下，和之间呈线性关系： （1-5）式中 平均整流电压； 控制电压； 晶闸管整流器放大系数。1.触发脉冲相位控制调节触发装置GT输出脉冲的相位，即改变可控整流器VT输出瞬时电压ud的波形，以及输出平均电压Ud的值。若把整流装置内阻移到装置外边，看成是其负载电路电阻的一部分，那么，整流电压便可用其理想空载瞬时值ud0和平均值Ud0来表示。瞬时电压平衡方程式： （1-6） 式中E为电动机反电动势；L为主电路总电感；id为整流电流瞬时值； R主电路等效电阻； 对ud0进行积分，即得理想空载整流电压平均值Ud0。用触发脉冲的相位角控制整流电压的平均值Ud0。Ud0与触发脉冲相位角的关系因整流电路的形式而异，对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时，Ud0=f()可用下式表示： （1-7）式中为从自然换相点算起的触发脉冲控制角；Um为=0时的整流电压波形峰值；m为交流电源一周内的整流电压脉波数；对于三相全波整流电路，其中U2是整流变压器二次侧额定相电压的有效值，Um= ,m=6, Ud0=2.34U2cos. 当时,晶闸管装置处于整流状态，电功率从交流侧输送到直流侧；当时，装置处于有源逆变状态，电功率反向传送。所以为避免逆变颠覆，应设置最大的移相角限制。2晶闸管-电动机系统机械特性：当电流连续时，V-M系统机械特性方程式为 （1-8）式中电机在额定磁通下的电动势系数。式等号右边Ud0表达式的适用范围如触发脉冲相位控制中所述。第二章 晶闸管-直流电动机转速系统仿真分析2.1晶闸管-直流电动机系统仿真模型根据仿真模型在Matlab软件环境下查找器件、连线，接成入上图4-1所示的线路图。 图 2-1 晶闸管三相全控桥供电的他励直流电机转速开环控制系统仿真模型具体步骤a、点击图标，打开Matlab软件，在工具栏里点击matlab help，打开一个对话框，点击里的newmodel，创建一个文件头为的新文件。b、点击工具栏的，打开元器件库查找新的元器件，如图4-2所示。 图2-2 MATLAB元器件库界面2.2晶闸管-直流电动机系统所用元件及其参数设置基本参数组：三相全控桥输入端电压峰值U2m =132.936V；电机带额定负载转矩为73.28N.m；飞轮惯量GD2 =49N.m2 ；转动惯量J=1.25kg.m2 。饱和非线性模块上限取35，下限取0，仿真时间为10s,仿真算法为ode15s。晶闸管-直流电动机的主电路由三相对称交流电压源、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。1.三相对称交流电压源的建模和参数设置。从电源模块组中选取一个交流电压源模块，并复制得到另两个相同的电压源模块，将模块标签分别改为“A相”、“B相”、“C相”，在A相交流电源参数设置中，幅值取220V，初相位设置为0，频率为50Hz，其他为默认值，如图4-3所示。B相、C相交流电源参数设置方法与A相基本相同，只是相角分别为120和240。图 2-3 设置A相交流电压源参数 2.晶闸管整流桥的建模和参数设置。从电力电子模块组中选取“Universal Bridge”模块，打开整流桥参数设置对话框，参数如图4-4所示。 图 2-4 晶闸管整流桥参数设置3.平波电抗器建模和参数设置。从元件模块组中选取“Series RLC Branch”模块，打开平波电抗器参数设置对话框，参数设置如图4-5所示。图 2-5平波电抗器参数设置4.直流电动机的建模和参数设置。从电机系统模块组中选取“DC Machine”模块。直流电动机的励磁绕组“F+-F-”接直流恒定励磁电源，即他励方式。励磁电源的电压参数设置为220V，电枢绕组“A+-A-”的输出参数有转速n、电枢电流Ia、电磁电流If、电磁转矩Te，通过示波器仿真输出图形，如图2-6所示。图2-6直流电动机参数设置 5.同步脉冲触发器的建模和参数设置。主要包括同步电源盒6脉冲触发器两个部分，如图2-7所示。该模块的“alpha_deg”口输入触发角，其余三个输入为三个线电压，在对话框中将其频率设为50Hz。图2-7 6脉冲触发器参数设置2.3晶闸管-直流电动机仿真、仿真结果的输出及结果分析完成参数设置后，开始进行仿真。在MATLAB的模型窗口，单击“Start Simulation”命令后，系统开始仿真，输出仿真结果。通过“示波器”模块仿真输出波形，图2-8转速的时间响应曲线图，图 2-9 电枢电流随时间变化的曲线，图 2-10 转矩随时间变化的曲线，图 2-11 调速过程起始时电枢电压的曲线。 图 2-8 转速的时间响应曲线图 图 2-9 电枢电流随时间变化的曲线图 2-10 转矩随时间变化的曲线图 2-11 调速过程起始时电枢电压的曲线若将整流桥触发角（某相电压触发角-60）值，即某相电压触发角由95改变为85和75两组对比，则转速波形如图2-12与图 2-13所示，与图2-8 转速的时间响应曲线图相比，转速提高，直流电压增加，这是降低电枢端电压调速的方法。 当电源电压升高后，在升压瞬间，转速n与 Ea不能突变，所以和电磁转矩突变增加，平移后的转矩小于负载转矩,所以电动机开始加速，随着n的增加，Ea增加，和电磁转矩减小，当转矩建立了新的平衡，系统以新的转速下稳定运行，调速过程终了。图 2-12改变后相电压触发角85的转速波形图 2-13改变后相