αβ配合控制的直流可逆调速系统的工作原理.docx

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αβ配合控制的直流可逆调速系统的工作原理

１α　=β　　配合控制的直流可逆调速系统的工作原理

2　α＝β配合控制的有环流直流可逆调速系统的仿真模型及参数

3　仿真结果及分析

4　心得体会

5　参考文献

摘要:

针对面向系统传递函数结构图仿真方法的不足,提出了一种基于MＡTＬAB的Ｓｉmulink和

PｏwerSyｓteｍ　工具箱、面向系统电气原理结构图的仿真新方法,实现了转速与电流双闭环α　=β配合控制的直流可逆调速系统的建模与仿真。

分别介绍了同步脉冲触发器、移相器控制器和PI调节器的建模，给出了直流可逆调速系统的仿真模型和仿真结果,仿真结果表明了仿真算法可信度较高。

关键词:

α　=　β配合控制;直流电机；ＭATLAB仿真;移项控制器

Absｔｒaｃt:

A　ｎoveｌmethod　oｆｃonｓｔructioｎ&simｕｌaｔiｏnwasputforｗardfoｒthemodｅｌoｆα＝β　moderaｔingcｏntrｏｌDC　SR

sysｔemｂasｅｄｏnＭaｔｌabＳimuｌｉｎk&　PowerSyｓteｍBlocksｅｔ，　ｂecaｕseｉt　wasshｏrtagｅforfａｃｉngsystemｔranｓｆｅｒfuｎｃtion

constructiｏn　dｒawinｇ　ｔo　siｍulaｔe.Thｅmｏdelofsｙｎchronizｅｄ6－pulsｅgenerａtor,ｓhiftｅr　andＰIcｏntｒoｌlerweｒeｉntroduced,

ａｎd　ｔhesimulａtioｎ　reｓｕlts　＆mｏdelsｆortheα　=β　mｏｄeratｉngconｔｒｏlDCSＲｓystemwｅｒeｐrovideｄ.Ｓiｍｕlaｔionｒesultsshow

thatｓimulａtionmetｈoｄis　correｃtｗiｔｈ　ｈｉgｈ　ｃredｉｂiliｔy.

Ｋey　woｒｄs:

　α=　βmoderating　contｒol;DCmoｔｏr;MAＴＬＡBsｉmulatiｏn；ｓhiｆter

引言

晶闸管反并联的电枢可逆线路是可逆调速系统的典型线路之一。

这种线路有能实现可逆运行、回馈制动等优点，同时正转制动和反转启动完全衔接起来，没有间断或死区，这是有环流调速系统的优点，特别是用于要求快速正反转的中小容量的系统。

为保证系统安全，必须增加环流电抗器以消除其中的环流[1－2］。

本文采用MATLAＢ的Simulｉｎｋ和PowerSｙstem工具箱，介绍如何实现α　＝β　配合控制的直流可逆调速系统的建模与仿真。

α　=β　配合控制的直流可逆调速系统的建模

控制系统传统的计算机仿真是用传递函数方法来完成的，各环节的传递函数是将实际模型经过一定的简化而得到的，很多重要细节会被忽略［3]。

PoｗeｒSystｅm工具箱提供了利用物理模型仿真的可能，其仿真建模方法与构建实际电路相似,仿真结果非常接近于实际。

1α＝　β配合控制的直流可逆调速系统的工作原理

α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统的电气原理图如图1所示。

图中,主电路由两组三相桥式晶闸管全控型整流器反并联组成,并共用同一路三相电惊。

由于采用α=卢配合控制方式，在两组整流器之间没有直流环流，但还存在脉动环流,为了限制脉动环流的大小,在主电路中串入了四个均衡电抗器Lc1-Ｌc4，用于限制脉动环流。

平波电抗器Ld用于减小电动机电枢电流的脉动,减小电枢电流的断续区，改善电动机的机械特性。

系统的控制部分采用F转速和电流的双闭环控制。

由于可逆调速电流的反馈信号不仅要反映电枢电流的大小还需要反映电枢电流的方向,因此电流反馈一般用直流电流互感器或霍尔电流检测器，在电枢端取电流信号。

为了确保两组整流器的工作状态相反,电流调节器的输出分两路,一路经正组桥触发器GTF控制正组桥整流器,另一路经倒相器ＡR、反组桥触发器GTR控制反组桥整流器。

　　图1　α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统的电气原理图

系统的起动和运行过程与不可逆双闭环调速系统相同,在突加给定信号V：

为正时,正组桥工作于整流状态,反组桥工作于逆变状态,由正组桥向电动机提供正向电流,电动机经历电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段后,进入正转稳定运行阶段，反组桥仅有少量脉动环流通过。

在突加给定信号V:

为负时,正组桥工作于逆变状态,反组桥工作于整流状态，由反组桥向电动机提供反向电流，电动机同样经历电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段后,进入反转稳定运行阶段,而正组桥仅有少量脉动环流。

可逆系统的特点在于反转制动过程，电动机反转需要改变转矩的方向，由Ｔｅ　＝emφ＇ld＇　改变转矩方向即需要改变电枢电流的方向,由于电枢回路存在着电感,电枢电流的流向改变则要经历电流的下降，和反向电流上升和建立的过程。

由于电感是储能元件，电感储能与电流有关ＱL=U~/2，因此电流下降就意味着电感储能的释放，电流上升就意味着电感的储能增加的过程。

因此,电动机的反转制动过程可以分为本桥逆变、反接制动（反向建流）和回馈制动三个主要阶段，现以正转到反转的过程给予说明。

（1）本桥边变阶段。

在这阶段中正转回路的电感释放能量,正向电流F　降直到零，电动机转速基本不变。

当转速给定由正变负时，转速调节器的输出即电流调节器的输入Vi"　改变极性,从而电流调节器的输出Vc改变符号,使正组桥从整流改变为逆变状态，反组桥从逆变改变为整流状态，正转回路的电感能量释放,由电感反电动势ｅＬ　=L～dｉ/dｔ维持电枢正转回路电流的流通,电动机的正向电流下降，电感储能经正组桥（逆变状态）流向交流电源，而反组整流器由于不能通过反向电流,除少量脉动环流外，没有负载电流通过,处于待整流状

（2）反接制动阶段。

当电动机的正向电流下降到零后,电感反电动势作用消失,处于整流状态的反组整流器开始输出电流,电枢电流开始反向,由于整流器输出电压与电动机反电动势的方向相间,电动机处于反接制动状态,电流上升很快。

在这阶段中,电动机的转速开始下降，反向电流开始上升，正组整流器同样由于不能通过反向电流,除少量脉动环流外,没有负载电流通过,处于待逆变状态,电感的储能开始增加。

（3）回馈制动阶段。

在反接制动阶段中由于电流上升很快，当电流反馈大于电流给定值时,电流调节器的输出Ｕｃ又改变极性,使正组整流器处于整流状态，反组整流器处于逆变状态，这时由于电枢反电动势与整流器输出电压反向相反，且电枢反电动势大于整流器输出电压，这时回路的电流由电枢电动势产生,且经反组整流器（逆变状态）流向交流电源,电动机进入发电回馈制动阶段。

这阶段的特点是电动机转速不断下降，电动机的惯性储能经反组整流器回输电网,产生良好的节能效果。

随着转速的下降,电枢电动势也不断下降，但由于转速调节器的输出在电动机转速没有反向超调时，始终保持着最大限幅状态,这时电流调节器发挥作用，维持电动机以最大电流回馈制动，即电流调节

器的输出随转速的下降而减小,相应晶闸管的控制角不断加大,整流器输出电压随之减小,从而保持最大的制动电流,取得最快的制动效果。

α＝卢控制的有环流可逆调速方式，在实际应用中由于难以准确保持α＝卢的状态，一旦出现α#　卢时，就有可能产生直流环流，使整流器过载或损坏,故实际上并不采用,但研究α=卢控制的有环流可逆系统,对理解直流电动机的可

逆过程有很大帮助。

下面通过α=　卢配合控制可逆系统的仿真，研究直流电动机的可逆过程。

2α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统的仿真模型及参数

α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统的仿真模型如图２所示。

模型中交流电源（ua　、ub、ｕc）、两组反井联的整流器（VF,　VＲ）和触发器（6-Ｐulse、6-Ｐulsel）、环流电抗器Ld１－Ｌd4、平波电抗器Ld和电动机组成可逆系统的主电路。

控制回路由转速给定、转速调节器ASR、电流调节器ＡCR、倒相器Gainｌ　、移相控制模块ｓｈifｔer、sｈｉfｔer!

和转速、电流反馈等模块组成其中给定环节可以通过切换开关（ＭａnualSwitｃh）选择电动机转向,在需要改变转向时,双击该切换开关即可完成正转到反转或反转到正转的给定切换。

转速和电流的反馈信号均取自电动机测量单元的输出。

转速调节器ASR和电流调节器ACR　由带输出限幅的ＰＩ调节器分支电路组成。

图2　α=　β　配合控制的有环流直流可逆调速系统的仿真模型

图3子系统图

１PIACR-F参数

2PI　ＡCＲ-R参数

3PI-ASＲ参数

表1　α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统的模型参数

３　仿真结果及分析

图2的可逆系统从正转启动到反转启动过程的转速和电流的变化波形如图４（a）（b）所示。

方针了8秒的变化过程，其中0－2.3ｓ为系统的正转启动过程,2.３-4s为系统的加载过程，4-8s为系统的反转过程。

在启动过程中，可以看到系统经历了电流上升,恒流升速和转速调节三个阶段,在转速超调后电流迅速下降，并出现负相电流，这与不可逆调速系统的启动过程不同,应为不可逆调速系统不能产生反向电流，而可逆系统反转整流器可以提供反转电流，并加快启动的调节过程。

因为是理想的空载启动，启动结束时电枢电流为零。

在２.3ｓ时电动机加上负载，转速发生波动，并且电流增加，经过1ｓ左右的时间调整，系统达到新的平衡，专属恢复到14５0r/ｍｉn，电流上升到1５０A。

图4—a，b如下

（a）转速曲线

（b）电流曲线

在启动４ｓ后,转速给定

从“＋”切换到“-－”，系统进入反转的调节状态。

电枢电流迅速改变方向，并从正变到负的最大值，电动机转速也从正变到负,系统经历了本桥逆变和反接制动两个阶段，因为电动机是带载反转,反转时转速的上升时间较正转启动时间长。

这两个阶段的放大波如图5所示。

从3．９9s反转过程开始到4s时间内,电动机的正向电流下降（见图5-a）,转速没有太大的变化（见图5-ｂ），平波电感的反电动势为负与电动机电枢反电动势方向相反，且平波电感的反电动势大于电动势电枢电动势（见图5-c和图5-ｄ），因此是平波电感储能释放，维持电动机的正向电流，这是仍是正组桥导通,其控制角为

系统进入了本桥逆变阶段。

在4s之后电枢电流开始改变方向，并反向增加，反组桥进入整流，系统开始反接制动阶段，电动机转速下降。

在4.01ｓ左右电流开始反向超调，这是在系统电流环的调节下，反组整流器变为逆变状态,转速和电动机反电动势进一步减小,电动机的惯性储能释放,并经反组整流器流回电网，这是系统的回馈制动阶段。

在4.7s转速下降为零时，回馈制动阶段结束，系统又开始反向恒电流启动过程,直到电动机进入翻转的稳定运行阶段,读者可以通过仿真波形,更细致地分析系统各阶段工作的特点。

图5—ａ,b，c，ｄ如下

（a）电枢电流

（b）电动机转速

（c）电动机反电动势

（d）平波电感反电动势

图6是上述

可逆调速系统的环流分析。

其中图6-ａ分别为正转时３.５~3.56ｓ内正组输出电压波形,从波形可以看到,两组整流器的输出电压平均值相等，但是电压瞬时值并不相等,在正组电压瞬时值uｆ　大于反组电压瞬时值ｕr　时，就可以产生不经过电动机的直流环流。

图６-b为正反组整流器反并联后的点数之路电压波形,由于限制环流电抗器的均衡作用,该电压

。

图6－ｃ分别为反组整流器的输出电流波形，正组整流器电流中包含了电动机负荷电流和环流，反组整流器电流中只有脉动的环流成分，而电动机的电枢电流基本上是平稳的直流（见图６-c）,且

。

图6-a,b,c如下所示

（a）正组桥输出电压

（b）反组桥输出电流

图6是电动机从正传启动到反转启动过程中的转矩/转速曲线.从机械特性可以看到,正反转过程经历了特性得三个象限，其中第一象限电动机工作于正转电动状态,并在启动过程中电动机基本保持了最大转速的升速;在第二象限电动机转速变为负，转速减小，电动机工作与正转发电制动状态，这是电动机转速迅速下降到零．；在第三象限电动机一转眼\最大反向转矩反向生速,最后稳定在反转工作点,因为转速转矩均为负，所以电动机工作在反转电动状态．

电动机从正传启动到反转启动过程中的转矩/转速曲线.从机械特性可以看到，正反转过程经历了特性得三个象限，其中第一象限电动机工作于正转电动状态,并在启动过程中电动机基本保持了最大转速的升速；在第二象限电动机转速变为负,转速减小,电动机工作与正转发电制动状态，这是电动机转速迅速下降到零.；在第三象限电动机一转眼\最大反向转矩反向生速,最后稳定在反转工作点,因为转速转矩均为负,所以电动机工作在反转电动状态。

4心得体会

　　通过这两星期的电力拖动自动控制系统论文设计,这是我第一次做关于电力方面的课程设计，在两个星期的日子里，学到了很多很多的东西，也是我认识到MＡTＬAB是集数值运算,符号运算及图形处理等强大功能于一体的科学计算语言。

作为一个强大的科学计算平台,它几乎能够满足所有的计算需求。

当然,ＭATLAB本生就是一个功能强大的数据可视化工具，可以通过各种形式显示分析的数据，例如灰度直方图、等高线、蒙太奇混合、像素分析、图层变换以及材质贴图等。

利用可视化的图形,不仅能够评估图形图像的特性,还能够分析图像中的色彩分布等情况。

MATLＡB的应用范围非常广,包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。

附加的工具箱（单独提供的专用MATLAＢ函数集）扩展了　MＡTLAＢ　环境,以解决这些应用领域内特定类型的问题。

在这次的α=β配合控制的有环流可逆调速系统的仿真中经过调试证明仿真结果非常接近实际情况。

5　参考文献

[1]洪乃刚.《电力电子、电机控制系统的建模和仿真[Ｍ]》北京：

机械工业出版社，20１0

[2］陈坚．《电力电子学［M]》．北京：

高等教育出版社,200２.

［3]陈伯时.《电力拖动自动控制系统［M]》．北京:

机械工业出版社，2003.

[4]洪乃刚.《电力电子技术基础［M］》.北京：

清华大学出版社，2008

[5]陈坚.《交流电机数学模型及调速系统［Ｍ]》.北京:

国防工业出版社,1９89等。