1、東北大學秦皇島分校控制工程學院自動控制系統課程設計設計題目：直流電動機開環調速系統設計與仿真專業名稱自動化班級學號學生姓名指導教師設計時間2015.7.132014.7.24目錄1 .設計任務書32 .概述42.1 前言42.2 系統原理52.3 simulink框圖63 .元件參數設置83.1 相交流電壓源設置83.2 同步六脈沖觸發器83.3 三相全控橋整流電路93.4 直流電動機設計94 .仿真結果分析104.1 當30o時124.2 當600時154.3 當900時174.4 勵磁電流205 .結論206 .參考文獻237 .結束語23東北大學秦皇島分校控制工程學院自動控制系統課程設計

2、任務書專業自動化班級姓名設計題目：直流電動機開環調速系統設計與仿真一、設計實驗條件地點：實驗室實驗設備：PC機二、設計任務直流電動機的額定數據為220V,136A,1460r/min,4極，Ra=0.21,GD2=22.5Ngm2;勵磁電壓為220V,勵磁電流為1.5A。采用三相橋式全控整流電路。平波電抗器Lp=200mH。設計要求：設計并仿真該晶閘管-電動機（V-M）開環調速系統。觀察電動機在全壓起動和起動后加額定負載時電動機的轉速、轉矩和電流變化。三、設計說明書的內容1、設計題目與設計任務（設計任務書）2、前言（緒論）（設計的目的、意義等）3、主體設計部分4、參考文獻5、結束語四、設計時間

3、與設計時間安排1、設計時間：7月13日7月24日2、設計時間安排：熟悉課題、收集資料：3天（7月13日7月15日）具體設計（含上機實驗）：6編寫課程設計說明書：2答辯：1天（7月16日7月21日）天（7月22日7月23日）大（7月24日）2 .概述2.1 前言直流電動機是將直流電能轉換為機械能的電動機，因其良好的調速性能而在電力拖動中得到廣泛應用。直流電動機有著優良的調速性能和啟動性能，具有寬廣的調速范圍，平滑的無級調速特性，可實現頻繁的無級快速啟動、制動和反轉；過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載；能滿足自動化生產系統中各種特殊運行的要求。常用于對啟動和調速有較高要求的場合，如大型可逆式軋鋼機、

4、礦井卷揚機、高速電梯、龍門刨床、電力機車、地鐵列車、電動自行車、造紙和印刷機械、船舶機械、大型精密機床和大型起重機等生產機械中。直流調速是現代電力拖動自動控制系統中發展較早的技術。隨著晶閘管的出現，現代電力電子和控制理論、計算機的結合促進了電力傳動控制技術研究和應用的繁榮。晶閘管-直流電動機調速系統為現代工業提供了高效、高性能的動力。盡管目前交流調速迅速發展，交流調速技術趨于成熟以及交流電動機的經濟性和易維護性，使交流調速廣泛受到用戶的歡迎，且直流電動機制造工藝復雜，消耗有色金屬多，生產成本高，電刷與換向器之間容易產生火花，維護困難，在一些對調速性能要求不高的領域中已被交流變頻調速系統所取代。

5、但是在某些要求調速范圍大、快速性高、精密度好、控制性能優異的場合，直流電動機的應用目前仍占有較大的比重。此次課程設計中，我們組采用MATLAB寸直流電動機開環調速系統進行設計與仿真。MATLA更美國MathWorks公司出品的商業數學軟件，用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境，主要包括MATLAB口Simulink兩大部分。Simulink是MATLA呻的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB勺框圖設計環境，是實現動態系統建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。MATLAB1供的動態系統仿

6、真工具Simulink,有效地解決了仿真技術中出現的各種問題，在Simulink中，有著各種電力電子器件以及直流電動機模型，使得對系統進行建模變得快捷簡單，可以比較方便地改變各個器件的參數，并且能快速地得到所期望的仿真結果。2.2 系統原理系統由三相交流電壓源供電，經晶閘管三相全控橋式整流電路整流后得到直流輸出電壓，再經平波電抗器Lp抑制紋波后給直流電動機電樞回路供電。調節三相全控橋整流觸發電路移相控制電壓UCt可以改變晶閘管的控制角，即改變晶閘管的導通時間，使整流器的輸出電壓增大或減小，電樞回路電壓變化從而實現直流電動機的調速功能。圖2-1直流電機開環調速系統原理框圖系統采用降低電樞電壓調速

7、，電樞電壓可以由三相全控橋整流觸發電路的移相控制電壓Ut控制。三相全控橋式整流電路圖如下：帶感性負載時，三相全控橋式整流電路的控制角a的移相范圍為0-90°,設定Ut最大值為+15V,a最小值為0°,得移相特性a=90-6Uct。當UCt為最大值+15V時，控制角a為最小值0°,由U=2.34U2COSa可知，此時整流輸出電壓U為最大值，Ut減小則控制角a增大，整流輸出電壓U減小，當UCt為0V時，控制角a為最大值90o,整流輸出電壓U為最小值2.3 simulink框序圖2-3simulink框圖3 .元件參數設置3.1 三相交流電壓源設置圖3-1三相交流電壓源

8、參數設置設a=0°時整流輸出電壓平均值U最大，為直流電動機額定電壓220V,根據U=2.34U2COSa可得，止匕時L2=94.02V,即三相交流電壓相電壓有效值為94.02V。3.2 .同步六脈沖觸發器圖3-2同步六脈沖觸發電路設置六脈沖觸發器由三相交流電源供電，頻率為50HZ產生的脈沖寬度為10°。3.3,三相全控橋整流電路圖3-3三相全控橋式整流器設置3.4,直流電動機設計參數計算:圖3-4直流電動機參數設置電樞電阻：Ra0.21CUN0.4220電樞電感：La19.1*-19.10.000212pnNIN221460136勵磁電阻：RfU"1，220/1.

9、5146.7電樞繞組和勵磁繞組互感：CeUN-RN0.132V.min/rnN-60cCTCe1.26T2eLafCT/If1.26/1.50.8422轉動慣量：JGD/4g22.5/4/9.80.57kggm額定轉矩：TL9.55CeIN171.4Ngm4 .仿真結果分析4.1 當0o時轉速理論值：n(UIaRa)/Ce(2201360.21)/0.1311460r/min圖4-1a=0o時直流電動機轉速轉矩FN3I68101214161020t/s圖4-2a=0°時直流電動機轉矩整流電壓平均電壓理論值：Ud2.34U2cos0°220V-2003004ua300，口01

10、00§。100400000050.010.0150020C250.03003503th圖4-3a=0°時整流器輸出電壓上士口IIIIIII式口-ISO-An100-r50-rQIIIIIIIIII02168101214161820Vs圖4-4a=0°時整流器輸出電壓平均值電樞電流圖4-5a=0°時直流電動機電樞電流4.2當30°時轉速理論值：n(UIaRa)/Ce(190.51360.21)/0.1311236.2r/min圖4-6a=30°時直流電動機轉速轉矩圖4-7a=30°時直流電動機轉矩整流電壓平均電壓理論值：Ud2

11、.34U2cos30o190.5V4CUiii300UabUa:UbeUbaUcaUeb-30040011111111000050010.01500200260.030.0350.0JMs圖4-8a=30°整流器輸出電壓2CUiiiiiii10-電-140-120-匚100-ISO-r60-I40-r20-rQIIIIIIIIII02168101214161020Vs圖4-9a=30°時整流器輸出電壓平均值電樞電流圖4-10a=30°時直流電動機電樞電流4.3當60°時轉速理論值：n(UIaRa)/Ce(1101360.21)/0.131621.7r/m

12、in圖4-11a=60°時直流電動機轉速O2C?復卷一1012141613氫I圖4-12a=60°時直流電動機轉矩整流電壓平均電壓理論值：Ud2.34U2cos60°110V4004C030021口1C0-1C0-2CQ-3C00.00600100150.020.0250.0300350J4t/s圖4-13a=60°時整流器輸出電壓uu150100L-&0-Iu60-40-20-QI|0246101214161820Vs圖4-14a=60°時整流器輸出電壓平均值電樞電流圖4-15a=60°時直流電動機電樞電流4.4當90

13、76;時轉速理論值：n(UIaRa)/Ce(01360,21)/0.131218r/min46S1012141618Ve4CQ20圖4-16a=90°時直流電動機轉速2+681012141610Vs0035020021JJ20圖4-17a=90°時直流電動機轉矩整流電壓平均電壓理論值：Ud2.34U2cos90o0V400iiir300UatUacUtx:UbaUcaUcbt,S圖4-18a=90°時整流器輸出電壓圖4-19a=90°時整流器輸出電壓平均值電樞電流圖4-20a=90°時電樞電流4.5勵磁電流2151218hR141fi1。tr5

14、0圖4-21勵磁電流5.結論3000Te/(N*m)圖5-1降壓調速機械特性控制角圖5-2控制角與轉速關系曲線150CUetA/圖5-3控制電壓與轉速關系曲線系統采用降低電樞電壓調速方法，用品閘管可控整流器實現，通過改變控制角a的大小，使直流電動機電樞電壓改變，達到降壓調速的目的。改變控制角a使輸出整流電壓平均值從最大值降到最小值，a從0°到90°變化，對a為0O,30O,60o,90O時進行仿真，可以得出：降壓調速的機械特性是幾條斜率相同的平行直線，隨著整流輸出電壓的降低，直線下移。(1)當a=0°時，整流電壓平均值約為220V,在額定轉矩Tl=Tn=171(N

15、*m),電樞電流Ia=In=136A時，對應額定轉速約為1460r/min；(2)當a=30°時，整流電壓平均值約為190.5V,在額定轉矩Tl=Tn=171(N*m),電樞電流Ia=In=136A時，對應額定轉速約為1236r/min;(3)當a=60°時，整流電壓平均值約為110V,在額定轉矩Tl=Tn=171(N*m),電樞電流Ia=In=136A時，對應額定轉速約為622r/min;(4)當a=90°時，整流電壓平均值約為0V,在額定轉矩Tl=Tn=171(N*m),電樞電流Ia=In=136A時，對應額定轉速約為-218r/min,此時電機反轉。經過對比

16、分析可以得出：隨著控制角a的增大，整流電壓平均值降低，電機轉速降低，其中a=90°時，整流電壓平均值為0V,電機在額定負載Tn=171(N*m),作用下以-218r/min的速度反轉。由于所加負載始終為額定負載Tl=Tn=171(N*m)恒定，又Tl=9.55Ce*Ia,所以電樞電流Ia=In=136A,即在額定負載下，電樞電流Ia與轉速n無關。當電源電壓為不同值時，機械特性的斜率都與固有機械特性的斜率相等，特性較硬，當降低電源電壓在低速下運行時，轉速隨負載變化的幅度較小，與電樞回路用電阻調速方法比較，轉速的穩定性要好得多。6 .參考文獻1金海明，鄭安平.電力電子技術M.北京：北京郵

17、電大學出版社，2005.2張家生.電機原理與拖動基礎M.北京：北京郵電大學出版社，2005.3任彥碩，趙一丁.自動控制系統M.北京：北京郵電大學出版社，2007.4顧春雷.電力拖動自動控制系統與MATLAB真M.北京：清華大學出版社.2011.7 .結束語在本次課程設計中，對晶閘管相控整流技術有了更加深入的了解，通過實踐驗證了理論知識，解答了之前課堂中關于晶閘管相控整流技術存在的一些疑惑；也對直流他勵電機工作原理、降壓調速原理、機械特性等有了更加全面的認識；同時又學習了matlab仿真軟件的一些課堂上沒有涉及到的功能，對matlab仿真軟件有了進一步的了解和應用。這次課設還讓我們懂得了看上去簡單的東西，實際動手去做就不一定像想象的那樣簡單了。剛開始拿到課設題目，感覺還是