晶闸管直流电动机单闭环调速系统.docx
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晶闸管直流电动机单闭环调速系统
题目：
晶闸管-直流电动机单闭环调速系统
第一章绪论
直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速，已满足工作机械的要求。
从机械特性上看就是通过改变电动机的参数或外加电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机机械特性和负载机械特性的的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化。
运动控制系统中应用最普遍的是自动调速系统。
直流调速系统的控制方式包括，开环控制-按给定值操纵，开环控制—按干扰补偿，闭环控制系统—按偏差调节，复合控制系统。
本文着重对晶闸管电动机调速系统的开环工作机械特性，单闭环有静差和无静差工作的系统静特性，双闭环机械特性和该系统闭环控制特性进行试验研究。
并应用MATLAB软件对系统模型进行了仿真研究。
关键词：
直流电机调速；开环；单闭环；双闭环；MATLAB仿真
第二章晶闸管直流调速系统开环特性
2.1直流调速系统的动态指标
对于一个调速系统，电动机要不断地处于启动、制动、反转、调速以及突然加减负载的过渡过程，此时，必须研究相关电机运行的动态指标，如稳定性、快速性、动态误差等。
这对于提高产品质量和劳动生产率，保证系统安全运行是很有意义的。
（1）跟随指标：
系统对给定信号的动态响应性能，称为“跟随”性能，一般用最大超调量σ，超调时间ts和震荡次数N三个指标来衡量，图2.1是突加给定作用下的动态响应曲线。
最大超调量反映了系统的动态精度，超调量越小，则说明系统的过渡过程进行得平稳。
不同的调速系统对最大超调量的要求也不同。
一般调速系统σ可允许10%~35%；轧钢机中的初轧机要求小于10%，连轧机则要求小于2%~5%，；而在张力控制的卷曲机系统（造纸机），则不允许有超调量。
调整时间ts反映了系统的快速性。
例如，连轧机ts为0.2s~0.5s，造纸机为0.3s。
振荡次数也反映了系统的稳定性。
例如，磨床等普通机床允许震荡3次，龙门刨与轧机则允许振荡1次，而造纸机不允许有振荡。
图2.1突加给定作用下的动态响应曲线
（2）抗扰指标：
对扰动量作用时的动态响应性能，称为“抗扰”性能。
一般用最大动态速降Δnmax，恢复时间tf和振荡次数N三个指标来衡量。
用图2.2是突加负载时的动态响应曲线。
最大动态速降反映了系统抗扰动能力和系统的稳定性。
由于最大动态速降与扰动量的大小是有关的，因此必须同时注明扰动量的大小。
恢复时间反映了系统的抗扰动能力和快速性。
振荡次数N同样代表系统的稳定性与抗扰动能力
图2.2突加负载时的动态响应曲线
2.2晶闸管电动机直流调速系统存在的问题
图2.3V-M系统的运行范围
晶闸管整流器也有它的缺点。
首先，由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。
由半控整流电路构成的V-M系统只允许单象限运行（图2.3a），全控整流电路可以实现有源逆变，允许电动机工作在反转制动状态，因而能获得二象限运行（图2.3b）。
必须进行四象限运行时（图2.3c），只好采用正、反两组全控整流电路，所用变流设备要增加一倍。
最后，谐波与无功功率造成的“电力公害”是晶闸管可控整流装置进一步普及的障碍。
当系统处于深调速状态，即在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使得系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流，引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，这就是所谓的“电力公害”。
在这种情况下，必须添置无功补偿和谐波滤波装置。
2.3晶闸管开环直流调速系统与开环机械特性
图2.4晶闸管直流调速系统电气原理图
图2.5闸管触发与整流装置动态结构图
晶闸管直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机-发电机组等组成。
在本系统中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制电路可直接由给定电压Ug作为触发器的移相控制电压Uct，改变Ug的大小即可改变控制角α，从而获得可调电压，以实现直流电动机的调速。
系统原理如图2.4。
1，系统的组成及调节原理
系统的组成图如2.5，调节
→改变移相角α→改变Ud→n改变
2，触发脉冲的相位控制
调节触发装置GT输出脉冲的相位，即可很方便地改变可控整流器VT输出瞬时电压ud的波形，以及输出平均电压Ud的数值。
如果把整流装置内阻移到装置外边，看成是其负载电路电阻的一部分，那么，整流电压便可以用其理想空载瞬时值ud0和平均值Ud0来表示，瞬时电压平衡方程：
（式2.2）
式中E为电动机反电动势；id为整流电流瞬时值；L为主电路总电感；R主电路等效电阻；
第三章转速负反馈单闭环直流调速系统
3.1转速负反馈单闭环直流调速系统的问题的提出
晶闸管-电动机开环调速系统，调节控制电压就可以改变电动机的转速。
如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，可以找到一些用途。
但是，许多需要调速的生产机械常常对静差率有一定的要求。
例如龙门刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工时负载大小常有波动，但是，为了保证工件的加工精度和加工后的表面光洁度，加工过程中的速度却必须基本稳定，也就是说，静差率不能太大，一般要求，调速范围D=20~40，静差率5%。
又如热连轧机，各机架轧辊分别由单独的电动机拖动，钢材在几个机架内连续轧制，要求各机架出口线速度保持严格的比例关系，使被轧金属每秒流量相等，才不致造成钢材拱起或拉断，根据工艺要求，须使调速范围D=3~10时，保证静差率0.2%~0.5%。
在这些情况下，开环调速系统往往不能满足要求。
为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统（包括单闭环系统和多闭环系统。
对于调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标要求较高的则采用多闭环系统。
按反馈方式不同可分为转速反馈、电流反馈、电压反馈等。
在单闭环系统中，转速反馈单闭环使用较多。
3.2闭环调速的特性
1，系统的稳态特性
下面分析闭环调速系统的稳态特性，以确定它如何能够减少转速降落。
为了突出主要矛盾，先作如下的假定：
忽略各种非线性因素：
假定系统中各环节的输入-输出关系都是线性的，或者只取其线性工作段。
忽略控制电源和电位器的内阻：
这样，图3.2所示的转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：
电压比较环节：
，放大器：
电力电子变换器：
，调速系统开环机械特性：
，测速反馈环节：
。
以上各关系式中：
Kp为放大器的电压放大系数；Ks为电力电子变换器的电压放大系数；α为转速反馈系数（V.min/r）；Ud0为电力电子变换器理想空载输出电压；R为电枢回路总电阻从上述五个关系式中消去中间变量，整理后，即得转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式
图3.2采用转速负反馈的闭环调速系统
n=
=
-
（式3.1）
其中，K=
，称作闭环系统的开环放大系数，它相当于在测速反馈电位器输出端把反馈回路断开后，从放大器输入起直到测速反馈输出为止总的电压放大系数，是各环节单独的放大系数的乘积。
须注意，这里是以
=
作为电动机环节放大系数的。
闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）间的稳态关系，它在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大不同，故定名为“静特性”，以示区别。
根据各环节的稳态关系式可以画出闭环系统的稳态结构框图，如图3.3a所示，图中各方框内的文字符号代表该环节的放大系数。
运用结构图运算法同样可以推出式（3.1）所表示的静特性方程式，方法如下：
将给定量Un*和扰动量-IdR看成是两个独立的输入量，先按它们分别作用下的系统（图3.3b和c）求出各自的输出与输入关系式，由于已认为系统是线性的，可以把二者叠加起来，
3.3开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系
比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静特性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。
如果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为
n=
=
-
=
（式3.2）
而闭环时的静特性可写成
n=
-
=
（式3.3）
其中，n0op和n0c1分别表示开环和闭环系统的理想空载转速；比较式（3.2）和式（3.3）不难得出以下的论断。
1，闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多。
在同样的负载扰动下，开环系统和闭环系统的转速降落分别为
和
它们的关系是：
ΔnC1=
（式3.4）
显然，当K值较大时，ΔnC1比
小得多，也就是说，闭环系统的特性要硬得多。
2，闭环系统的静差率要比开环系统小得多。
闭环系统和开环系统的静差率分别为
和
按理想空载转速相同的情况比较，则
时
sc1=
（式3.5）
3，如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围。
如果电动机的最高转速都是nN，而对最低速静差率的要求相同
开环时
，闭环时
，再考虑式（3.4），得
Dc1=（1+K）
（式3.6）
4，要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。
上述三项优点若要有效，都取决于一点，即K要足够大，因此必须设置放大器。
把以上四点概括起来，可得下述结论：
闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。
在开环系统中，当负载电流增大时，电枢压降也增大，转速只能降下来；闭环系统装有反馈装置，转速稍有降落，反馈电压就会降低，通过比较和放大，提高电力电子装置的输出电压Udo，使系统工作在新的机械特性上。
图3.4闭环系统静特性和开环系统机械特性的关系
3.4转速负反馈控制的规律
转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有以下三个基本特征，也就是反馈控制的基本控制规律。
1，被调量有静差
从静特性分析中可以看出，由于采用了比例放大器，闭环系统的开环放大系数K值越大，系统的稳态性能越好。
然而，Kp=常数，稳态速差就只能减小，却不可能消除。
因为闭环系统的稳态速降为
只有K=∞，才能使∆ncl=0，而这是不可能的。
因此，这样的调速系统叫做有静差调速系统。
实际上，这种系统正是依靠被调量的偏差进行控制的。
2.，抵抗扰动,服从给定
反馈控制系统具有良好的抗扰性能，它能有效地抑制一切被负反馈环所包围的前向通道上的扰动作用，但对给定作用的变化则唯命是从。
扰动——除给定信号外，作用在控制系统各环节上的一切会引起输出量变化的因素都叫做“扰动作用”。
调速系统的扰动源包括：
负载变化的扰动（使Id变化）；交流电源电压波动的扰动（使Ks变化）；电动机励磁的变化的扰动（造成Ce变化）；放大器输出电压漂移的扰动（使Kp变化）；温升引起主电路电阻增大的扰动（使R变化）；检测误差的扰动（使α变化）。
在图3.5中，各种扰动作用都在稳态结构框图上表示出来了，所有这些因素最终都要影响到转速。
3.5反馈控制闭环直流调速系统的动态分析
闭环调速系统的动态结构：
图3.6反馈控制闭环调速系统的动态结构图
调速系统的开环传递函数
由图可见，反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是
W（s）=
（式3.7）
式中K=Kp·Ks·α/Ce，调速系统的闭环传递函数
=
=
（式3.8）
第四章硬件实验部分
4.1不可逆单闭环直流调速系统静特性实验
4.1.1实验前的准备
1，本实验的目的及进行试验前需了解的知识：
本实验目的为研究晶闸管直流电动机调速系统在反馈控制下的工作；研究直流调速系统中速度调节器ASR的工作及其对系统静特性的影响；学习反馈控制系统的调试技术。
之前应了解速度调节器在比例工作与比例—积分工作时的输入—输出特性；弄清不可逆单闭环直流调速系统的工作原理。
实验线路及原理见附录Ⅰ。
2，实验设备及仪表
MCL系列教学实验台主控制屏。
MCL—18组件（适合MCL—Ⅱ）或MCL—31组件（适合MCL—Ⅲ）。
MCL—33（A）组件或MCL—53组件。
MEL-11挂箱MEL—03三相可调电阻（或自配滑线变阻器）。
电机导轨及测速发电机、直流发电机M01（或电机导轨及测功机、MEL—13组件）。
直流电动机M03。
双踪示波器。
3，注意事项
直流电动机工作前，必须先加上直流激磁。
接入ASR构成转速负反馈时，为了防止振荡，可预先把ASR的RP3电位器逆时针旋到底，使调节器放大倍数最小，同时，ASR的“5”、“6”端接入可调电容（预置7μF）。
测取静特性时，须注意主电路电流不许超过电机的额定值（1A）。
三相主电源连线时需注意，不可换错相序电源开关闭合时，过流保护发光二极管可能会亮，只需按下对应的复位开关SB1即可正常工作。
系统开环连接时，不允许突加给定信号Ug起动电机。
4.1.2实验的操作
1．移相触发电路的调试（主电路未通电）
（a）用示波器观察MCL—33的双脉冲观察孔，应有双脉冲，且间隔均匀，幅值相同；观察每个晶闸管的控制极、阴极电压波形，应有幅值为1V～2V的双脉冲。
（b）触发电路输出脉冲应在30°～90°范围内可调。
可通过对偏移电压调节单位器及ASR输出电压的调整实现。
2．求取调速系统在无转速负反馈时的开环工作机械特性。
a．断开ASR的“3”至Uct的连接线，G（给定）直接加至Uct，且Ug调至零，直流电机励磁电源开关闭合。
b．合上主控制屏的绿色按钮开关，调节三相调压器的输出，使Uuv、Uvw、Uwu=200V。
c．调节给定电压Ug，使直流电机空载转速n0=1500转/分，调节测功机加载旋钮，在空载至额定负载的范围内测取7～8点，读取整流装置输出电压Ud，输出电流id以及被测电动机转速n。
表4.1V-M系统开环机械特性
id（A）
0.074
0.122
0.153
0.214
0.243
0.281
0.313
0.354
Ud（V）
220
208
208
207
208
209
200
195
n（r/min）
1500
1422
1403
1382
1372
1361
1342
1330
表4.2带转速负反馈有静差工作的系统静特性
id（A）
0.065
0.076
0.115
0.159
0.214
0.231
0.261
0.312
Ud（V）
164
164
144
136
122
128
121
119
n（r/min）
1370
1316
1201
1058
1007
977
945
824
表4.3带转速负反馈无静差工作的系统静特性
id（A）
0.062
0.090
0.112
0.134
0.160
0.202
0.231
0.243
Ud（V）
170
156
142
137
125
125
122
126
n（r/min）
1402
1270
1219
1131
1023
1000
965
947
4.2系统特性测试
将ASR,ACR均接成PI调节器接入系统，形成双闭环不可逆系统。
ASR的调试：
（a）反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小；
（b）“5”、“6”端接入MEL—11电容器，预置5～7μF；
（c）调节RP1、RP2使输出限幅为±5V。
（1）机械特性n=f（Id）的测定
（a）调节转速给定电压Ug，使电机空载转速至1500r/min，再调节测功机加载旋钮（或发电机负载电阻Rg），在空载至额定负载范围内分别记录7～8点，可测出系统静特性曲线n=f（Id）
表4.5系统静特性
n（r/min）
1425
1378
1251
1103
1050
981
I（A）
0.061
0.072
0.115
0.144
0.165
0.270
（2）闭环控制特性n=f（Ug）的测定
调节Ug，记录Ug和n，即可测出闭环控制特性n=f（Ug）。
表4.6系统闭环控制特性
n（r/min）
1500
1500
1500
1500
1500
1502
Ug（V）
0
2
4
6
10
14
第五章直流调速系统的软件仿真部分
利用MATLAB下的SIMULINK软件和电力系统模块库（SimPowerSystems）进行系统仿真是十分简单和直观的，用户可以用图形化的方法直接建立起仿真系统的模型。
利用SIMULINK软件仿真能对调节器的参数进行更为方便的调整，可以更为直观地得到系统仿真的结果，从而加深对工程设计方法的理解。
关于Matlab的Simulink仿真工具箱将在附录Ⅲ中详细介绍。
5.1晶闸管开环直流调速系统仿真
5.1.1系统的建模和参数设置
晶闸管开环直流调速系统的原理在本文第三章已经介绍过了。
本系统由给定信号、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成。
图5.1是采用面向电气原理图方法构成的晶闸管直流调速系统的仿真模型。
图5.1晶闸管开环直流调速系统仿真模型
2，三相对称交流电压源的建模和参数设置。
首先从电源模块组中选取一个交流电压源模块，再用复制的方法得到三相电源的另两个电压源模块，并用模块标题名称修改方法将模块标签分
3，平波电抗器建模和参数设置。
首先从元件模块组中选取“SeriesRLCBranch”模块，然后打开平波电抗器参数设置对话框，平波电抗器电感式通过仿真实验比较后得到的优化参数。
4，晶闸管整流桥的建模和参数设置。
首先从电力电子模块组中选取“UniversalBridge”模块，然后双击模块图标，打开SCR整流桥参数设置对话框，参数设置如图5.4。
当采用三相整流桥时，桥臂数取3，A、B、C三相交流电源接到整流桥的输入端，电
5，直流电动机的建模和参数设置。
首先从电机系统模块组中选取“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，
6．系统的仿真参数设置：
在MATLAB的模型窗口打开“Simulation”菜单，单击该菜单下的“ConfigurationParameters”，选项进行设置。
仿真时间设为2s，仿真算法采用Ode23tb。
其他为默认参数。
Simulink仿真参数的设置如图5.7所示。
5.1.2系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析
当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。
在MATLAB的模型窗口，单击“StartSimulation”命令后，系统开始仿真，仿真介绍后可输出仿真结果。
单击“示波器”命令后，通过“示波器”模块观察仿真输出图形，图5.8为电机转速波形，图5.9为电枢电流波形，图5.10为电机转矩波形，5.11为改变触发角后的转速波形。
图5.7Simulink仿真参数设置
图5.8晶闸管开环直流调速系统的转速波形
图5.9晶闸管直流调速系统的电枢电流波形
图5.10晶闸管开环直流调速系统的转矩波形
图5.11改变触发角后的转速波形
5.1.3仿真的结论
电机转速波形，突加负载后转速下降。
电枢电流波形与电机转矩波形的变化趋势一致。
若将触发角改为30°，则转速提高，这是因为直流电压增大的原因。
从仿真系统输出的电流曲线和转速曲线。
可以看出，这个结果和实际电动机运行的结果相似，系统的建模与仿真式成功的。
心得体会
通过这次课程设计，我对晶闸管-电动机直流调速系统在开环控制，单闭环控制有静差、无静差，及双闭环控制有了深入的了解。
本实验还有着其不足之处：
只能粗劣的测出温度值，不能精确的测出温度，温度有一定的限度。
通过此次设计，我们进一步加深了对数字电路知识的认识与理解，掌握了数字率计的设计、组装与调试方法。
更加熟练的运用仿真软件，并学习了运用软件测试、调试、改进电路。
培养了独立思考、分析、解决问题的能力，并培养了我们的动手能力。
参考文献
[1]王建辉．自动控制原理．清华大学出版社，2005
[2]陈伯时．电力拖动自动控制系统．机械工业出版社，2000
[3]洪乃刚．电力电子技术基础．清华大学出版社，2005
[4]顾绳谷．电机及拖动基础．机械工业出版社，2007
[5]叶斌．电力电子应用技术．清华大学出版社，2006
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