直流调速系统的Matlab仿真（课程设计作业）

1、电力电子技术课程设计说明书直流调速系统设计院 、部：电气与信息工程学院 学生姓名： 曾柏阳 指导老师：陆秀令 职称：教授专 业：电气工程及其自动化 班 级： 电气本1101班 学 号： 摘 要 直流调速系统有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以获得了广泛应用。本文从直流电动机的工作原理入手，建立双闭环直流调速系统的数学模型。然后按照自动控制原理，利用SIMULINK对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得

2、到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。整流电路的种类有很多，有半波整流电路、单相桥式半控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路等。在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。采用MATLAB软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计，并用SIMULINK进行动态数字仿真,同时查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行。 关键词： 直流调速系统；调节器；双闭环系统；仿真；整流目 录摘要

3、1 整流电路与双闭环直流调速系统的工作原理 .1 1.1双闭环直流调速系统的介绍.1 1.2三相桥式全控整流电路的原理.2 2 系统设计方法及步骤.62.1三相桥式整流电路仿真模型建立和参数设置.6 (1)三相桥式全控整流电路的分析.6 (2)三相桥式整流电路的仿真.62.2系统设计参数.7(1) 直流电机控制系统设计参数.7 (2) 环境条件.72.3电流环设计.7（1）确定时间常数.7 (2) 选择电流调节器结构.72.4转速环设计.7 (1) 确定时间常数.7 (2) 选择转速调节器结构.73 Matlab和Simulink简介.8 3.1 Matlab简介.8 3.2 Simulink

4、简介.84 Simulink环境中的系统模型、仿真结果及分析.10 4.1带阻感性负载三相桥式全控整流电路的仿真分析.104.2直流调速系统的仿真.11 (1) 开环直流调速系统的仿真.11 (2) 单闭环有静差转速负反馈调速系统的建模与仿真.12 (3) 双闭环直流调速系统定量仿真.145 三相桥式全控整流直流不可逆调速系统的电气原理总图.16总结.17 参考文献 1 整流电路与直流调速系统的工作原理1.1 双闭环直流调速系统的介绍双闭环调速系统的工作过程和原理：启动阶段，电动机的实际转速低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态

5、,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器, 此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值, 电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流(堵转电流)可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在电动机转速上升到给定转速后, 速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动,速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压相应变化,从而校正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数, 还能够对因电网

6、波动引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节,可以在电动机转速还未来得及发生改变时,迅速使电流恢复到原来值,从而使速度更好地稳定于某一转速下运行。图1 转速、电流双闭环直流调速系统1.2 三相桥式全控整流电路的原理 (1) 主电路设计及原理图2三相桥式全控整理电路原理图将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、 VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。此外，习惯上希望晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5， 共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3

7、个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。从后面的分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。整流电路的负载为带反电动势的阻感负载。假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况也就相当于晶闸管触发角=0o时的情况。此时，对于共阴极组的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的3个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。此时电路工作波形如图3所示。图3 =0o时波形=0o时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二绕组相电压与线电

8、压波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。在分析ud的波形时，既可从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。从相电压波形看，以变压器二次侧的中点n为参考点，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压 ud1为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压ud2为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压ud = ud1ud2是两条包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大（正得最多）的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小（负得最多）的相电压，输出整流电压 ud为这两个相

9、电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压ud波形为线电压在正半周的包络线。由于负载端接得有电感且电感的阻值趋于无穷大，电感对电流变化有抗拒作用。流过电感器件的电流变化时，在其两端产生感应电动势Li，它的极性事阻止电流变化的。当电流增加时，它的极性阻止电流增加，当电流减小时，它的极性反过来阻止电流减小。电感的这种作用使得电流波形变得平直，电感无穷大时趋于一条平直的直线。为了说明各晶闸管的工作的情况，将波形中的一个周期等分为6段，每段为60o，如图1-4所示，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况如表所示。 由该表可见，6个晶闸管的导通顺序为VT1VT2VT3VT4VT5VT6。表1 三

10、相桥式全控整流电路电阻负载=0o时晶闸管工作情况 时 段共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub- uc=ubcub- ua=ubauc- ua=ucauc-ub=ucb 从t1角开始把一个周期等分为6段，每段为60o与0o时的情况相比，一周期中ud波形仍由6段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合表1的规律。区别在于，晶闸管起始导通时刻推迟了30o,组成ud的每一段线电压因此推迟30o，ud平均值降低。晶闸管电压波形也相应发生变化如图所示。图中同时给出了变压

11、器二次侧a相电流ia的波形，该波形的特点是，在VT1处于通态的120o期间，ia为正，由于大电感的作用，ia波形的形状近似为一条直线，在VT4处于通态的120o期间，ia波形的形状也近图4给出了=30o时的波形。 图4 =30o时的波形由以上分析可见，当30o时，ud波形均连续，对于带大电感的反电动势id波形由于电感的作用为一条平滑的直线并且也连续。当60o时，如90o时电阻负载情况下的工作波形如图3-4所示，ud平均值继续降低，由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，使得ud的值出现负值，当电感足够大时，ud中正负面积基本相等，ud平均值近似为零。这说明带阻感的反电动势的三相桥式全控整流电路的角

12、的移相范围为90度。2 系统设计方法及步骤2.1 三相桥式整流电路仿真模型建立和参数设置 （1）三相桥式全控整流电路的分析工业上广泛应用的三相桥式全控整流电路，是由两组三相半波可控整流电路串联而成的，一组为共阳极接线，一组为共阴极接线，它实际上是共阳极端的二极管换成晶闸管而得到的，VT1、VT3、VT5三个晶闸管由于阴极接到一块，所以称为共阴极组，VT4、VT2、VT6三个晶闸管的阳极接到一块，所以称为共阳极组。通常变压器采用Dy接法。其完成的功能是三相交流电源通过三相可控整流桥臂转换成为平均值可以控制改变的直流电源，而平均值的大小改变是通过同步六相脉冲触发器控制三组晶闸管的控制角的大小来实现

13、的。同时电路的输出情况与负载的性能有关。 （2）三相桥式整流电路的仿真启动MATLAB7.1，进入SIMLINK后新建文档，根据晶闸管三相桥式整流电路的结构，在模型窗口建立主电路仿真模型，绘制加入同步装置和脉冲触发器等的三相桥式整流系统模型如图2-1所示。双击各模块，在建立的对话框内设置相应的参数。图2-1 晶闸管三相桥式整流电路仿真模型2.2系统设计参数 (1) 直流电机控制系统设计参数：（直流电机） 输出功率：75kw 电枢额定电压：220V 电枢电阻：0.2 功率因素：0.85(2) 环境条件： 电网额定电压：380V/220V 电网电压波动：10% 环境温度：-40+40摄氏度2.3电

14、流环设计（1）确定时间常数整流装置滞后时间常数Ts0.0017ms。电流反馈滤波时间常数T=2ms。电流环小时间常数之和Ti=Ts+T=0.0037ms。选择电流调节器结构根据设计要求：保证稳态电流无差，可按典型型设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，所以把电流调节器设计成PI型的。检查对电源电压的抗扰性能:，各项指标都可接受。 2.4 转速环设计 (1) 确定时间常数 电流环等效时间常数2Ti=0.0074s。转速滤波时间常数T=0.01s。 转速换小时间常数Tn=2Ti+T=0.0174s。（2） 选择电流调节器结构按跟随和抗扰性能都能较好的原则，在负载扰动点后已经有了一个积分环节，

15、为了实现转速无静差,还必须在扰动作用点前设置一个积分环节,因此需要设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故选用PI调节器。3 Matlab和Simulink简介3.1 Matlab简介MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和

16、仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。3.2 Simulink简介（1）简介Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用

17、于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。（2）功能Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完

18、成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 Simulink®是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。. 构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB® 紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定

19、制以及信号参数和测试数据的定义。 （3）特点 丰富的可扩充的预定义模块库 。 交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图。 以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理 。 通过Model Explorer 导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码。 提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成 。 使用Embedded MATLAB 模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法 。 使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式(Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式

20、来运行模型。 图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为 。 可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据 。 模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。4 Simulink环境中的系统模型、仿真结果及分析4.1 带阻感性负载三相桥式全控整流电路的仿真分析（1）波形分析：（如图所示）图4-1 a=0时晶闸管三相桥式整流变量输出波形图4-2 a=30时晶闸管三相桥式整流变量输出波形图4-3 a=60时晶闸管三相桥式整流变量输出波形4.2 直流调速系统仿真（1）开环直流调速系统的仿真开环直流调速系统的仿真模型：图4-4 开环直

21、流调速系统的仿真模型开环直流调速系统的仿真结果： 图4-5 图4-6分析：转速只能通过给定值进行调节，无法通过实际转速进行必要的调节，抗扰作用很弱。不能通过自身调节达到给定值。（2）单闭环有静差转速负反馈调速系统的仿真单闭环有静差转速负反馈调速系统的仿真模型： 图4-7 单闭环有静差转速负反馈调速系统的仿真模型单闭环有静差转速负反馈调速系统的仿真结果：图4-8 转速环图4-9电流环分析：图中是的仿真图形，减小，超调量随着减小，但静差越大；增大，静差随着减小，但还是很大，同时振荡也越剧烈。（3）双闭环直流调速系统定量仿真双闭环直流调速系统定量仿真模型：图4-10 双闭环直流调速系统定量仿真模型双

22、闭环直流调速系统定量仿真结果：图4-11 转速环空载高速启动图4-12 转速环满载高速启动图4-13 转速环的抗扰分析：可以使电流快速达到，并保持略低于的值，实现快速启动，最终达到恒速。且具有抗扰作用，使转速维持在给定值。空载能比满载更快速启动。5 三相桥式全控整流直流调速系统的原理图总 结 通过对电流环、电压环、转速环等的设计，利用MATLAB及其中的仿真工具SIMULINK，对所设计的电流环和转速环的阶跃信号进行了仿真计算，很容易绘制出各单位扰动曲线，并计算出阶跃扰动响应性能指标，从阶跃扰动响应曲线及其指标得出:对扰动信号，该系统具有很强的抗扰性能。通过对电力电子的仿真和分析，可知三相桥式全控整流电路的输出电压受控制角和负载特性的影响，在应用MATLAB的可视化仿真工具SIMULINK对三相桥式全控整流电路的仿真结果进行了详