1、目錄1 引言42 =配合控制的直流可逆調速系統的建模42.1 =配合控制的直流可逆調速系統的工作原理42.2 電力系統(Power System)工具箱52.3 =配合控制的直流可逆調速系統的建模62.3.1 移相控制器的封裝62.3.2 帶限幅的PI調節器的封裝62.3.3 =配合控制的直流可逆調速系統整體的建模73 = 配合控制的直流可逆調速系統仿真實例及分析83.1 系統主要環節的仿真參數83.2 仿真波形及分析94 結論1211內蒙古科技大學本科生課程設計論文 題 目：=配合控制的有環流直流可逆調速系統仿真 學生姓名：王孟哲 學 號：0967106209 專 業：自動化 班 級：二班

2、指導教師：李琦 2012年 11月 2日內蒙古科技大學課程設計任務書課程名稱控制系統仿真設計題目=配合控制的有環流直流可逆調速系統仿真指導教師李琦時間2012年10月29日至11月2日一、教學要求1、理解直流可逆調速系統的基本工作原理；2、通過=配合控制的有環流直流可逆調速系統的建模，掌握使用Matlab/Simulink軟件及Power System工具箱對直流調速系統的建模與仿真方法；3、理解=配合控制的有環流直流可逆調速系統中，正轉、反轉過程中轉速與電流的變化曲線，以及本橋逆變和反接制動階段電樞電流、電機轉速、電機反電動勢以及平波電感反電動勢的變化曲線；4、掌握=配合控制的有環流直流可逆

3、調速系統中，兩組整流器的環流分析方法，理解電機從正轉到反轉的機械特性。二、設計資料及參數 設計資料詳見電力電子與電力拖動控制系統的Matlab仿真（洪乃剛主編）6.4.1節。 本設計涉及到的控制原理、電力拖動自動控制系統等內容參考相關專業課教學內容。設計參數：見電力電子與電力拖動控制系統的Matlab仿真（洪乃剛主編）6.4.1節。三、設計要求及成果1、利用Simulink及Power System工具箱建立基于Power System的=配合控制的有環流直流可逆調速系統模型；2、繪制并分析=配合控制的有環流直流可逆調速系統中，正轉、反轉過程中轉速與電流的變化曲線；3、繪制并分析=配合控制的有

4、環流直流可逆調速系統中，本橋逆變和反接制動階段電樞電流、電機轉速、電機反電動勢以及平波電感反電動勢的變化曲線；4、繪制并分析=配合控制的有環流直流可逆調速系統中，兩組整流器的環流變化曲線，繪制并分析電機從正轉到反轉的機械特性變化曲線；5、撰寫不少于3000字的設計報告。設計報告要求提交紙質文檔，設計報告包括設計背景、設計原理、設計過程、結果分析等幾個部分，要求給出設計模型圖以及仿真結果圖。相關Matlab/Simulink設計文件要求提交電子文檔。四、進度安排收集和查閱資料（一天）Matlab/Simulink建模（兩天）控制系統設計與優化（一天）編寫技術設計書（一天）五、評分標準課程設計成績

5、評定依據包括以下幾點：1）工作態度（占10%）；2）基本技能的掌握程度（占20%）；3）方案的設計是否可行和優化(40%)；4）課程設計技術設計書編寫水平(占30%)。分為優、良、中、合格、不合格五個等級。考核方式：設計期間教師現場檢查；評閱設計報告。六、建議參考資料1、控制系統數字仿真與CAD，李國勇，電子工業出版社，2003年9月第1版2、電力電子與電力拖動控制系統的Matlab仿真,洪乃剛，機械工業出版社，2006年5月第1版3、電力拖動自動控制系統，陳伯時，機械工業出版社，1991年，第2版4、自動控制原理上、下冊，吳麒，清華大學出版社，1994. 5 第1版=配合控制的有環流直流可逆

6、調速系統仿真1 引言 我們知道品閘管反并聯的電樞可逆線路是可逆調速系統的典型線路之一。像這樣的線路有能實現叫逆運行、回饋制動等優點，同時止轉制動和反轉啟動完全銜接起來，沒有間斷或死區，這是有環流調速系統的優點，特別是用于要求快速止反轉的中小容量的系統。為保證系統安全，我們必須增加環流電抗器以消除其中的環流。=控制的有環流可逆調速方式，在實際應用中由于難以準確保持=的狀態，一旦出現時，就有可能產生直流環流，使整流器過載或損壞，故實際上并不采用，但研究=控制的有環流可逆系統，對理解直流電動機的可逆過程有很大幫助。所以我們利用MATLAB 的Simulink和Power System工具箱，來實現=

7、配合控制的直流可逆調速系統的建模與仿真。2 =配合控制的直流可逆調速系統的建模我們是利用控制系統傳統的計算機仿真是用傳遞函數方法來完成的，各環節的傳遞函數是將實際模型經過一定的簡化而得到的，很多重要細節會被忽略Power System工具箱提供了利用物理模型仿真的可能，它的仿真建模方法與構建實際電路相似，仿真結果非常真實。2.1 =配合控制的直流可逆調速系統的工作原理=配合控制的有環流直流可逆調速系統的電氣原理圖如圖1所示。圖中，主電路由兩組三相橋式.晶閘管全控型整流器反并聯組成，并共用同一路三相電源。由于采用=配合控制方式，在兩組整流器之間沒有直流環流，但還存在脈動環流，為了限制脈動環流的大

8、小，在主電路中串入了四個均衡電抗器Lc1Lc4，用于限制脈動環流。平波電抗器Ld，用于減少電動機電樞電流的脈動，減少電樞電流的斷續區，改善電動機的機械特性。系統的控制部分采用了轉速和電流的雙閉環控制。由于可逆調速電流的反饋信號小不僅要反映電樞電流的大小還需要反映電樞電流的方向，因此電流反饋一般用直流電流互感器或霍爾電流檢測器，在電樞端取電流信號。為了確保兩組整流器的工作狀態相反，電流調節器的輸出分兩路，路經止組橋觸發器GTF控制正組橋整流器，另路經倒相器AR、反組橋GTR控制反組橋整流器VR。圖1 =配合控制的有環流直流可逆調速系統的電氣原理圖2.2 電力系統(Power System)工具箱

9、 我們利用電力系統工具箱以Simulink為運行環境，涵蓋了電工學科中常用的基本元件庫。它由電源、基本元件、電力電子、電機、連接件、測量等6個模塊庫組成，根據需要可以組合封裝出常用的更為復雜的模塊，添加到有關模塊庫中。 實驗采用MATLAB 中模塊庫，其控制子模塊庫中有6脈沖觸發器、三相子模塊庫中有晶閘管三相全控橋模塊、附加電機子模塊庫中有直流電機模塊，如圖2所示。圖2 六脈沖觸發器、三相晶閘管整流橋、直流電動機2.3 =配合控制的直流可逆調速系統的建模 =配合控制的直流可逆調速系統的主要子模塊包括：三相交流電源，正、反并聯的晶閘管三相全控整流橋、同步電源與6脈沖觸發器、速度和電流調節器ASR

10、 及ACR、倒相器、移相控制器，直流電動機。除了PI調節器和移相控制器模塊需要自己封裝外，其余均可從有關模塊庫中直接復制。2.3.1 移相控制器的封裝 觸發器的控制角(alpha_deg端)通過了移相控制環節(shifter),移相控制模塊的輸入是移相控制信號Uc，輸出是控制角，移相控制信號Uc由常數模塊設定。移相特性如圖3所示。移相特性的數學表達式為： 圖3 移項特性及子函數模塊、2.3.2 帶限幅的PI調節器的封裝 在本模型中取 min=30°,Ucm =+lOV ，所以 =90°-(6*Uc) .仿真模型與系統動態構圖的各個環節基本上是對應的。需要指出的是。雙閉環系統

11、的轉速和電流兩個調節器都是有飽和特性和帶輸山限幅的PI調節器，為了充分反映在飽和限幅非線性影響下調速系統的上作情況，需要構建考慮飽和輸出限幅的PI調節器，過程如下:線性PI調節器的傳遞函數為式中,Kp為比例系數;Ki為積分系數; = KpKi。上述PI調節器的傳遞函數可以直接調用SIMULINK中的傳遞函數或零極點模塊。而考慮飽和和輸出限幅的PI調節器模型如圖4所示。模型中比例和積分調節分為兩個通道，其中積分調節器 integrate 的限幅表示調節器的飽和限幅值，而調節器的輸出限幅值由飽和模塊 Saturation 設定。當該調節器用作轉速調節器 ASR時,在起動中由于開始轉速偏差大，調節器

12、輸出很快達到輸出限幅值，在轉速超調后首先積分器退飽和，然后轉速調節器輸出才從限幅值開始下降。為了使系統模型更簡潔，利用了SIMULINK 的打包功能 (Great Subsystem) 將調節器模型縮小為一個分支模塊，如圖4所示。圖4 帶飽和和輸出限幅的PI 調節器及子系統模塊2.3.3 =配合控制的直流可逆調速系統整體的建模 將封裝后的反組整流器與正組整流器，給定環節、ASR、ACR、直流電動機等一起可構成=配合控制的直流可逆調速系統的仿真模型。在電動機的負載轉矩輸入端TL接入了階躍 (Step)模塊，用于設置負載轉加載的時刻，和用于限制負載轉矩的最大值，如圖5所示。圖5 = 配合控制的直流

13、可逆調速系統整體的模型3 = 配合控制的直流可逆調速系統仿真實例及分析 = 配合控制的直流可逆調速系統的仿真模型中，交流電源( a u 、 b u 、 c u )兩組反并聯的整流器(VF、VR)和兩組觸發器(Synchronized 6-Pulse Generator)、環流電抗器( Lc1 Lc4 )、平波電抗器 Ld 和電動機組成可逆系統的主電路。控制回路由轉速給定、轉速調節器ASR、電流調節器ACR、倒相器Gain和移相控制器Shifter等模塊組成。其中給定環節可以通過切換開關(Manual Switch)選擇電動機轉向，在需要改變轉向時， 雙擊該開關即可正轉到反轉或反轉到正傳的給定切

14、換。 轉速和電流的反饋信號均取自電動機測量單元的輸出。 轉速調節器ASR和電流調節器ACR由帶輸出限幅的PI調節器分支電路來完成。3.1 系統主要環節的仿真參數 電源：160（峰值）50Hz電機參數：電樞電阻Ra=0.21 ;電樞電感 La=0.00021H;轉動慣量J=0.57kg·勵磁電阻Rf=146.7歐姆；勵磁電感Lf=0亨勵磁與電樞繞組互感Laf=0.84H； ASR 為PI調節器： Kp=10.49 ; Kn = 1/0.0083=120.5。 ACR 為PI調節器： Kp=2.48; Ki=1/0.0268=37.3。 電抗器： Lc1 Lc4 為0.02H,3.2 仿

15、真波形及分析 如圖5的可逆系統從正轉啟動到反轉過程的轉速和電流變化波形圖6，仿真了8s的變化過程。得到電樞轉速和電流的仿真波形如圖6所示。圖中電流和轉速為相對值。從仿真曲線知，當系統給定信號變極性時：輸出轉速能夠很好地跟隨轉速給定信號，過渡過程性能較好；轉速極性也隨著給定信號改變極性；由于電機有機械慣性的濾波作用， 速度輸出響應曲線諧波成分較少。 隨著給定信號改變極性電樞電流也改變極性(圖中b中有正、負變化)，說明實現了轉矩可逆；電流波形上升和下降沿很陡，動態性能較好；由于=配合控制的直流可逆調速系統可實現快速回饋制動，轉速換向時減速很快，換向性能較優，速度仿真曲線很好地證明了這一點。 (a)

16、電樞轉速 (b)電樞電流 圖6 仿真后系統轉速及電樞電流的波形 仿真了8s的變化過程，其中 0- 2.5s 為系統的正轉起動過程，2.5 -4 為系統的加載過程， 4 - 8s 為系統的反轉過程。在起動過程中可以看到，系統經歷了電流上升、恒流升速和轉速調節三個階段，在轉速超調后電流迅速下降并且出現負向電流，這與不可逆調速系統的起動過程不同，因為不可逆調速系統不能產生反向電流，而可逆系統反轉整流器可以提供反向電流，并加快起動的調節過程。因為是理想空載起動，起動結束時電樞電流為零。在 2.5s 時，電動機加上負載，轉速發生波動，并且電流增加，經過Is左右時間的調整，系統達到新的平衡狀態，轉速恢復到

17、 1450r/min，電流上升到120A 。在起動后 4s 轉速給定轉速從" + "切換到"-"，系統進入反轉的調節狀態。電樞電流迅速改變方向，并從正變到負的最大值，電動機轉速也由正變負，系統經歷了本橋逆變和反接制動兩個階段。這兩個階段的放大波形如圖7所示。 （a） （b） （c） （d）圖7 本橋逆變和反接制動階段分析a) 電樞電流 b) 電動機轉速 c) 電動機反電動勢d) 平波電感反電動勢 從3.998s反轉過程開始到8s時間內，電動機的正向電流下降(見圖7a)，轉速沒有太大的變化(見圖7b) ，平波電感的反電動勢為負，與電動機電樞反電動勢方向相反

18、，且平波電感的反電動勢大于電動機電樞電動勢(見圖7c和圖7d)，因此是平波電感儲能釋放，維持電動機的正向電流。這時，仍是正組橋導通，其控制角為，系統進入了本橋逆變階段。在4s之后，電樞電流開始改變方向，并反方向增加，反組橋進入整流，系統開始反接制動階段，電動機轉速下降。在 4.01s 左右，電流開始反向超調，這時在系統電流環的調節下反組整流器變為逆變狀態，轉速和電動機反電動勢進一步減小，電動機的慣性儲能釋放，并經反組整流器流回電網，這是系統的回饋制動階段。在4.3s 轉速下降為零時回饋制動階段結束，系統叉開始反向恒流起動過程，直到電動機進入反轉的穩定運行階段。從圖8中可以= 可逆調速系統的環流

19、分析。其中圖 a 、 b 分別為正轉時 3.5 - 3.56s 內正組和反組整流器的輸出流波形，正組整流器電流中包含了電動機負載電流和環流，反組整流器電流中只有脈動的環流成分，而電動機的電樞電流基本上是平穩的直流(Id=Ivr+Ivf。）從圖8c中所示為電動機從正轉起動到反轉過程中的轉矩/轉速曲線(機械特性)。從機械特性可以看到正反轉過程經歷了特性的三個象限，其中，第一象限電動機工作于正轉電動狀態，并在起動過程中電動機基本保持了最大轉矩的升速;在第二象限電動機轉矩變為負，轉速減小，電動機工作于正轉發電制動狀態，這時電動機轉速迅速下降到零;在第三象限電動機以最大反向轉矩反向升速，最后穩定在反轉工作點上，因為轉速轉矩均為負，所以電動機工作在反轉電動狀態。 （a） （b）（c）圖8 兩組整流器的環流分析及電動機正轉到反轉過程中的機械特性a )正組整流器輸出電流波形 b) 反組整流