直流调速系统仿真

1第6章直流调速系统仿真6.1开环直流调速系统仿真开环直流调速系统的电气原理如图6-1所示。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ctU调节晶闸管的控制角，从而改变整流器的输出电压，实现直流电机的调速。图6-1晶闸管-电动机开环直流调速系统电气原理图实例1：现有一直流电动机调速系统，各环节参数如下：他励直流电动机额定参数为220VNU=，55ANI=，1000r/minNn=，六极，电枢电阻0.51aR=Ω。励磁电压220VfU=，励磁电流1.0AfI=。采用晶闸管三相桥式整流电路，设整流器内阻0.49recR=Ω。整流装置输出电流可逆，装置的放大系数44sK=，滞后时间常数0.00167sTs=。电枢回路总电阻1.0R=Ω，电枢回路电磁时间常数0.00167lTs=，电力拖动系统机电时间常数0.075mTs=。平波电抗器20mHdL=。仿真该晶闸管─电动机开环调速系统，观测电动机在全电压起动和起动后加额定负载时电动机的转速、转矩和电流变化情况。该系统有给定、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组2成，开环直流调速系统的仿真模型如图6-2所示。下面介绍各部分建模与参数设置过程。12kW220V55A1000rpmDC-MOTORud1udv+-u2v+-u1speedifidiAi+-i1v+-ca0blockv+-bcv+-abgABC+-VTBridgeUd10UctABCThree-PhaseSourceTeStepInMeanMeanValueLd30/piGain90-6*u[1]FcnemuTLmA+F+A-F-dcDCMachinealpha_degABBCCABlockpulses6-Pulse220V图6-2开环直流调速系统仿真模型1.系统的建模和模型参数设置系统的建模包括主电路和控制电路的建模两部分。（1）主电路的建模和参数设置开环直流调速系统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。在仿真中，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。由于同步脉冲触发器与晶闸管整流桥是不可分割的两个环节，通常作为一个组合体来讨论，所以将触发器归到主电路进行建模。①三相对称交流电压源的建模与参数设置。首先从图5-18的电源（Electricalsources）模块组中选取1个带内阻的三相对称交流电压源模块，再对其进行参数设置：双击三相交流电压源图标，打开电压源模块参数设置对话框，如图6-3所示。为了减小整流器谐波对同步信号的影响，宜设三相交流电源电感0sL=，其余参数设置参考表6-1。②脉冲触发器的建模和参数设置。脉冲触发器（6-Pulse）可从图5-25的ControlBlocks3子模块组的附加控制（ExtrasControlBlocks）子模块组获得，触发器的同步同步连接如图6-2所示。图中触发器开关信号Block为“0”时，开放触发器；为“1”时，封锁触发器。触发器的控制角（alpha-deg端）通过了移相控制环节（Fcn），移相控制模块的输入是移相控制信号cU，输出是控制角。移相控制模块特性如图6-4所示。移相特性的数学表达式为minmax9090ccUUαα°−=°−在本模型中取min30α=°，max10VcU=，所示906cUα=−图6-3三相对称电源参数设置4αmaxαminα0mincUmaxcUcU图6-4移相特性③晶闸管整流桥的建模和参数设置。首先从图5-20的电力电子（PowerElectronics）模块组中选取UniversalBridge模块，然后双击模块图标打开UniversalBridge参数设置对话框，参数设置如图6-5所示。图6-5UniversalBridge参数设置④平波电抗器的建模和参数设置。首先从图5-19元件模块组中选取SeriesRLC5Branch模块，然后打开参数设置对话框，类型直接选为电感即可得到电抗器。具体参数设置如图6-6所示，平波电抗器的电感值是通过仿真实验比较后得到的优化参数。⑤直流电动机的建模和参数设置。首先从图5-21电机系统（Machines）模块组中选取DCMachine模块；直流电动机的励磁绕组“F+—F-”接直流恒定励磁电源，励磁电源可从图5-18的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；电枢绕组“A+—A-”经平波电抗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n、电枢电流Ia、激磁电流If、电磁转矩Te，分别通过示波器模块观察仿真输出，再用绘图命令plot（tout，yout）在MATLAB命令窗口里绘制出输出图形。图6-6平波电抗器参数设置6图6-7直流电动机参数设置电动机的参数设置可按下述步骤进行：双击直流电动机图标，打开直流电动机的参数设置对话框，如图6-7所示。（2）控制电路的建模和参数设置开环直流调速系统的控制电路只有一个给定环节，它可从图5-15的Sources模块组中选取Constant模块，并将模块标签改为Uct；然后双击该模块图标，打开参数设置对话框，将参数设置为10。（3）开环直流调速系统参数计算①供电电源电压2min2200.4955121V2.34cos2.34cos30NrecNURIUα++×===°7②电动机参数励磁电阻：2201.0220fffRUI===Ω励磁电感在恒定磁场控制时可取0。电枢电阻：0.51aR=Ω电枢电感由下式估算：0.422019.119.10.0051H223100055NaNNCULpnI×===×××电枢绕组和励磁绕组之间互感afL因为2200.51550.192Vmin/1000NaNeNURICrn−−×===⋅60600.1921.83322EeKCππ==×=所以1.8331.01.833HafEfLKI===电机转动惯量：223753750.1929.550.1920.0750.252kgm44149.8etmCCTGDJgRg××××====⋅×××③额定负载转矩9.559.550.19255100.8NmLeNTCI==××=⋅④模型参考参数见表6-1。表6-1直流开环调速系统模型参数模块参数名参数三相电源（Three-PhaseSource）Phase-to-phasermsvoltage/V121*sqrt(3)PhaseangleofphaseA/degrees0Frequency/Hz50InternalconnectionYgSourceresistance/Ω0.001Sourceinductance/H0直流电动机（DCMachine）电枢电阻Ra/Ω0.51电枢电感La/H0.0051励磁电阻Rf/Ω220励磁电感Lf/H08磁场与电枢互感Laf/H1.833转动惯量J（kg·m2）0.252平波电抗器（inductance）电感Ld/H0.022.系统的仿真参数设置在Simulink的模型窗口中进行Simulationparameters设置，可以选择Simulation→Configurationparameters…菜单项，可得到仿真参数设置对话框，如图6-8所示。仿真算法为ode23s，仿真Starttime一般设为0，Stoptime为2s，电动机空载起动，起动0.6s后加额定负载100.8NmLT=⋅。图6-8仿真参数设置对话框及参数设置3．系统的仿真结果的输出及结果分析启动仿真并观察结果：仿真结果如图6-9所示。其中图6-9（a）为整流器输出端的电压波形（局部），图6-9（b）是经平波电抗器后电动机电枢两端电压波形，该波形较整流器输出端的电压波形脉动减少了许多，电压平均值在220V左右，符合设计要求。图6-9（c）和图6-9（d）是电动机电枢回路电流和转速变化过程，在全电压直接起动情况下，起动电流很大，在1.0s左右起动电流下降为零（空载起动），起动过程结束，这时电动机转速上升到最高值。在起动2.0s后加额定负载，电动机的转速下降，电流增加。9Ud/Vt/s11.011.021.031.04050100150200250300UdL/Vt/s00.511.5250100150200250300（a）整流器输出电压（b）电枢两端电压id/At/s00.511.5250100150200n/(r/min)t/s00.511.5250010001500（c）电枢电流（d）电动机转速图6-9晶闸管-直流电动机系统仿真结果106.3转速电流双闭环直流调速系统仿真转速、电流双闭环直流调速系统是最典型的直流调速系统，其电气原理图如图6-13所示。图6-13转速电流双闭环直流调速系统电气原理图双闭环控制直流调速系统的特点是：电动机的转速和电流分别由两个独立的调节器分别控制，且转速调节器的输出就是电流调节器的给定，因此电流环能够随转速的偏差调节电动机电枢的电流。当转速低于给定转速时，转速调节器的积分作用使输出增加，即电流给定上升，并通过电流环调节使电动机电流增加，从而使电动机获得加速转矩，电动机转速上升。当实际转速高于给定转速时，转速调节器的输出减小，即电流给定减小，并通过电流环调节使电动机电流下降，电动机将因为电磁转矩减小而减速。在当转速调节器饱和和输出达到限幅值时，电流环即以最大电流限制dmI实现电动机的加速，使电动机的起动时间最短，在可逆调速系统中实现电动机的快速制动。在图6-13所示的不可逆调速系统中，由于晶闸管整流器不能通过反向电流，因此不能产生反向制动转矩而使电动机快速制动。转速电流双闭环直流调速系统可以依据系统的动态结构图进行仿真，也可以用SimPowerSystem的模块来搭建模型来仿真。两种仿真不同在于主电路，前者晶闸管和电11动机用传递函数来表示，后者晶闸管和电动机使用SimPowerSystem工具箱的模块，而控制部分是相同的。下面对两种方法分别介绍。1、按直流双闭环系统动态结构图的仿真根据转速电流双闭环直流系统的动态结构图如图6-14所示，仿真模型与系统动态结构图的各个环节基本上是对应的，需要指出的是，双闭环系统的转速和电流两个调节器都是有饱和特性和带输出限幅的PI调节器，为了充分反映在饱和和限幅非线性影响下调速系统的工作情况，需要构建考虑饱和和输出限幅的PI调节器，过程如下：图6-14转速电流双闭环直流调速系统的动态结构图线性PI调节器的传递函数为11()PIppisWsKKKssττ+=+=式中，pK为比例系数，iK为积分系数，piKKτ=。上述PI调节器的传递函数可以直接调用Simulink中的传递函数或零极点模块，而考虑饱和和输出限幅的PI调节器模型如图6-15（a）所示。模型中比例和积分调节分为两个通道，其中积分调节器intergrate的限幅表示调节器的饱和限幅值，而调节器的输出限幅值由饱和模块Saturation设定。当该调节器用作转速调节器ASR时，在起动中由于开始转速偏差大，调节器输出很快达到输出限幅值，在转速超调后首先积分器退饱和，然后转速调节器输出才从限幅值开始下降。为了使系统模型更简洁，利用子系统封装技术将调节器模型创建为一个子系统，如图6-15（b）所示。12Saturation1sIntegrator1/kikpU*+-UfIn1In2OutPISubsystemU*UfOut(a)（b）图6-15带饱和和输出限幅的PI调节器及封装后的图标实例3：以实例2为基础设计一个晶闸管供电的转速电流双闭环控制的调速系统，采用三相桥式晶闸管整流电路，基本数据如下：直流电动机：220VNU=，136ANI=，1460r/minNn=，0.132Vmin/eCr=⋅，允许过载倍数1.5λ=。励磁电压220VfU=，励磁电流1.5AfI=。晶闸管装置放大系数：40sK=。整流器内阻0.3recR=Ω；电枢回路总电阻0.5R=Ω。电枢回路电磁时间常数0.03slT=，电力拖动系统机电时间常数。设计指标为电流超调量5%iσ≤，要求转速