带转速负反馈的有静差直流调速系统的原理与仿真分析

《直流调速系统》专题项目报告2项目名称：带转速负反馈的有静差直流调速系统的原理与仿真分析课堂小组：年级：课程名：学院：电气与电子工程学院年月日学生成绩评定课程小组编号姓名班级学生自评分（学生贡献）教师评分备注0-9分评分学生签名组长1．引言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。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。本文利用MATLAB仿真带转速负反馈的有差系统，分析其动态性能参数。2原理分析2.1方案比较方案一：直流电动机开环调速系统晶闸管-电动机系统和可逆直流脉宽调速系统都是开环调速系统，晶闸管-直流电动机系统可以通过调节晶闸管控制角改变电动机电枢电压实现调速，但是存在两个问题，第一，全压起动时，起动电流大。第二，转速随负载变化而变化，负载越大，转速降落越大，难以在负载变动时保持转速的稳定，而满足生产工艺的要求。图2.1方案一原理框图电压放大器整流触发装置电动机负载方案二：单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。在电动机轴上装一台测速发电机SF,引出与转速成正比的电压Uf与给定电压Ud比较后,得偏差电压ΔU,经放大器FD,产生触发装置CF的控制电压Uk,用以控制电动机的转速,如图2.1所示。图2.1方案一原理框图2.2方案选择1.在直流开环调速系统中用一个调节器信号，能实现一定范围内的无级调速，是系统有静差、控制不精确。2.速度反馈控制的闭环系统，它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差所以本文选择方案二作为设计的最终方案。2.3设计要求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。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电。带转速负反馈的有静差直流调速系统的结构如图1所示。系统由转速给电压放大器整流触发装置电动机负载速度检测定环节*nU，放大倍数为pK的放大器，移相触发器CF，晶闸管整流器和直流电动机M,测速发电机TG等组成。该系统在电机负载增加时，转速将下降，转速反馈nU减小，而转速的偏差nU将增大，同时放大器输出cU增加，并经移相触发器使整流输出电压dU增加，电枢电流dI增加，从而使电动机电磁转矩增加，转速也随之升高，补偿了负载增加造成的转速降。带转速负反馈的直流调速系统的稳定特性方程为*(1)(1)psndeeKKURInCKCK电动机转速降为(1)deRInCK图1带转速负反馈的有静差直流调速系统的结构图从稳定特性方程可以看到，如果适当增加放大器放大倍数pK，电机的转速降n将减小，电动机将有更硬的机械特性，也就是说在负载变化时，电动机的转速变化将减小，电动机有更好的保持速度稳定的性能。如果放大倍速过大，也可能造成系统运行的不稳定。3仿真建模1所用元器件及参数设定a)Un*给定b)放大器参数c)励磁电压d)触发脉冲参数2仿真结果a)脉冲给定b)励磁电流Ifc)转速nd)电枢电流Iae)转矩T4波形分析从上图仿真的波形可以看出，此仿真非常接近于理论分析的波形。系统转速曲线开始上升，然后转速上下波动，一会时间后趋于基本稳定不变，这样系统实现了工业的控制要求：转速在小范围波动甚至不变，控制精确、抑制了前向通道的扰动。5参考文献[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统第3版[M].北京：机械工业出版社,2007.[2]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.[3]张广溢，等.电机学[M].重庆：重庆大学出版社，2002.[4]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.[5]任彦硕.自动控制原理[M].北京：机械工业出版社,2006.