【正文】 .....................................2 MATLAB 概述 ..............................................................................................2 Simulink 概述 .................................................................................................4 小結(jié) .............................................................................................................5第 2 章 同步電機(jī)基本原理 ..........................................6 理想同步電機(jī) ..............................................。正是有了這次設(shè)計，讓我在大學(xué)四年的最后一個學(xué)期過的豐富而又充實，我應(yīng)該拿出作畢業(yè)設(shè)計的這份精神和態(tài)度去面對以后工作中所面臨的難題，為以后的發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。1. 掌握電機(jī)傳動的工作原理及應(yīng)用。目前應(yīng)用的比較多的是 MATLAB ,它包含了強(qiáng)大的仿真器和仿真庫。轉(zhuǎn)動慣量 J=*m。所以由上式可畫出直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)。這個交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電動機(jī)的損耗，這是雙極式控制的缺點。 相當(dāng)于一般負(fù)載的情1dI況，脈動電流的方向始終為正； 相當(dāng)于輕載情況，電流可在正負(fù)方向之間脈動，但2dI平均值仍為正，等于負(fù)載電流。VT1 和 VT4 同時導(dǎo)通和關(guān)斷，VT2 和 VT3 同時通斷，使電動機(jī) M 的電樞兩端承受電壓+ Us 或 Us。過去用切換電樞回路電阻來控制電機(jī)的起動、制動和調(diào)速，在電阻中耗電很大。二. 速度環(huán)的設(shè)計（1）確定時間常數(shù) ①電流環(huán)等效時間常數(shù) IK1： I= sTi ???②轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)： sTon04.?③轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理： sonin 0214..??。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。 轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的確定一般說來典型Ⅰ型系統(tǒng)在動態(tài)跟隨性能上可以做到超調(diào)小,但抗憂性能差。自動控制理論證明,0 型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時是有差的,而Ⅲ型及Ⅲ型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。在圖 2—7 所示的雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。（3）準(zhǔn)時間最優(yōu)控制：在設(shè)備允許條件下實現(xiàn)最短時間的控制稱作“時間最優(yōu)控制”,對于電力拖動系統(tǒng)，在電動機(jī)允許過載能力限制下的恒流起動，就是時間最優(yōu)控制。在這個階段中 ASR 與 ACR 同時發(fā)揮作用，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外環(huán)，ASR 處于主導(dǎo)地位，而 ACR 的作用則力圖使 aI盡快地跟隨 ASR 輸出 giU的變化。從電流升到最大值 amI開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，這是啟動過程的主要階段，在這個階段中，ASR 一直是飽和的，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不起調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)。全控式整流在穩(wěn)態(tài)下，觸發(fā)器控制電壓 Uct 與整流輸出電壓 Ua0 的關(guān)系為：)cos(cs220 cta KUAU??其中：A整流器系數(shù)； 整流器輸入交流電壓； ? 整流器觸發(fā)角；ct 觸發(fā)器移項控制電壓；K觸發(fā)器移項控制斜率；整流與觸發(fā)關(guān)系為余弦，工程中近似用線性環(huán)節(jié)代替觸發(fā)與放大環(huán)節(jié)，放大系數(shù)為：K= ctaU/0。圖 2—6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性三、　各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作時，當(dāng)兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有以下關(guān)系：*Un= = ??= 0ni= i= dI?= dlc= sdK0= sdeRInC??= sdlneKRIU???上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉(zhuǎn)速 n 是由給定電壓 *Un決定，ASR 的輸出量*iU是由負(fù)載電流 dlI決定的，而控制電壓 cU的大小則同時取決 于n 和 dI，或者說，同時取決于 *和 dlI。與此同時，由于 ASR 不飽和， *Ui*imU可知 dI m，這就是說，CA 段特性從理想空載狀態(tài)的 Id=0 一直延續(xù)到 dI= m。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。圖 2—3 電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論分析 雙閉環(huán)調(diào)速的工作過程和原理雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過程和原理: 電動機(jī)在啟動階段 ,電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)速( 電壓)低于給定值,速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個偏差信號,經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值,速度調(diào)節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài),速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調(diào)節(jié)器, 此時則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號,直流電壓迅速上升,電流也隨即增大直到等于最大給定值, 電動機(jī)以最大電流恒流加速啟動。二、抗擾性能指標(biāo)一般是以系統(tǒng)穩(wěn)定運行中，突加負(fù)載的階躍擾動后的動態(tài)過程作為典型的抗擾過程，并由此定義抗擾動態(tài)性能指標(biāo)，可見圖 2—3。一般希望在階躍響應(yīng)中輸出量 c(t)與其穩(wěn)態(tài)值 ?c的偏差越小越好，達(dá)到 ?c的時間越快越好。一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所提靜差率要求的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。具體是指電動機(jī)穩(wěn)定工作時，在一條機(jī)械特性線上，電動機(jī)的負(fù)載由理想空載增加到額定值時，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 edn?與理想空載轉(zhuǎn)速 0n之比，用百分?jǐn)?shù)表示為 %1100?????seded （2—3）顯然，機(jī)械特性硬度越大，機(jī)械特性硬度越大， edn?越小，靜差率就越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。在上式中， e是常數(shù)，電流 I 是由負(fù)載決定的，因此，調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可以有三種方法：（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U；（2） 減弱勵磁磁通 ?；（3） 改變電樞回路電阻 R。 本文的研究內(nèi)容本文從直流電動機(jī)的工作原理入手，建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并詳細(xì)分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能。但就目前而言，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式，在許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、紡織、造紙等需要高性能調(diào)速的場合得到廣泛的應(yīng)用。到了 19 世紀(jì)末，出現(xiàn)了三相電源和結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用的交流籠型電動機(jī)以后，交流電動機(jī)傳動在不調(diào)速的場合才代替了直流電動機(jī)傳動裝置。例如高精度穩(wěn)速系統(tǒng)的穩(wěn)速精度達(dá)數(shù)十萬分之一，寬調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速比達(dá) 1：10000 以上，快速響應(yīng)系統(tǒng)的響應(yīng)時間已縮短到幾毫秒以下。早期直流傳動采用有接點控制，通過開關(guān)設(shè)備切換直流電動機(jī)電樞或磁場回路電阻實現(xiàn)有級調(diào)速。本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計和仿真 學(xué) 生 姓 名： 班 級： 學(xué) 號： 指 導(dǎo) 教 師： 所 在 單 位： 電氣工程學(xué)院 答 辯 日 期： 2022 年 6 月 25 日摘 要直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、精度高、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點，所以在電氣傳動中獲得了廣泛應(yīng)用。 直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展史直流傳動具有良好的調(diào)速特性和轉(zhuǎn)矩控制性能，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較早并沿用至今。直流傳動之所以經(jīng)歷多年發(fā)展仍在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，關(guān)鍵在于它能以簡單的手段達(dá)到較高的性能指標(biāo)。自 19 世紀(jì) 80 年代起至 19 世紀(jì)末以前，工業(yè)上傳動所用的電動機(jī)一直以直流電動機(jī)為唯一方式。國際上許多國家交流電力拖動系統(tǒng)已進(jìn)入工業(yè)實用化階段，大有取代直流電力拖動系統(tǒng)的勢頭。并以此為基礎(chǔ)，再對交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究，最終掌握各種交、直流調(diào)速系統(tǒng)的原理，使之能夠應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各個生產(chǎn)領(lǐng)域。直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和其它參量的關(guān)系和用式（2—1）表示 ???eKIRUn （2—1）式中 n——電動機(jī)轉(zhuǎn)速；U——電樞供電電壓； I——電樞電流； R——電樞回路總電阻，單位為 ? eK——由電機(jī)機(jī)構(gòu)決定的電勢系數(shù)。一、靜態(tài)性能指標(biāo)1） ．調(diào)速范圍 生產(chǎn)機(jī)械要求電動機(jī)在額定負(fù)載運行時，提供的最高轉(zhuǎn)速 maxn與最低轉(zhuǎn)速 min之比，稱為調(diào)速范圍，用符號 D 表示 minax? （2—2）2） ．靜差率靜差率是用來表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時，轉(zhuǎn)速變化的程度，用系數(shù) s 來表示。 圖 2—1事實上，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。通常以輸出量的初始值為零，給定信號階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，這時的動態(tài)響應(yīng)又稱為階躍響應(yīng)。因此，一般在階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，取 ??%25?或 的范圍作為允許誤差帶，以響應(yīng)曲線達(dá)到并不再超出該誤差帶所需的最短時間定義為調(diào)節(jié)時間，可見圖 2—2。一般來說，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器 UPE。1．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此， *n= = n??= 0 Ui= = dI?由第一個關(guān)系式可得：n= ?*nU= 0從而得到圖 25 所示靜特性曲線的 CA 段。然而，實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，因此，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，見圖 2—6中虛線。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動態(tài)性能分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立涉及到可控硅觸發(fā)器和整流器的相關(guān)內(nèi)容，這里僅作簡單介紹，具體的內(nèi)容將在第三章內(nèi)加以說明。 第二階段是恒流升速階段。到 LaI?時，電動機(jī)才開始在負(fù)載的阻力下減速，知道穩(wěn)定（如果系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)不夠好，可能振蕩幾次以后才穩(wěn)定） 。轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是容許的，對于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其他控制方法來抑制超調(diào)。2． 抗電網(wǎng)電壓擾動電網(wǎng)電壓變化對調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生擾動作用。 Ⅰ型系統(tǒng)與Ⅱ型系統(tǒng)的性能比較 許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可表示為 ??????nijrmjjsTKsW1?根據(jù) W(s)中積分環(huán)節(jié)個數(shù)的不同,將該控制系統(tǒng)稱為 0 型、Ⅰ型、Ⅱ型……系統(tǒng)。這種差別可以作為調(diào)節(jié)器選擇的原則。如前所述 ,轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)設(shè)計成Ⅱ型系統(tǒng),所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也就設(shè)計成 PI型調(diào)節(jié)器,如下式所示: （5）sKW?)1()?? 電流環(huán)、速度環(huán)的設(shè)計 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快的跟隨給定電壓 Un*的變化；穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用 PI 調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差；2) 對負(fù)載變化起抗擾作用；3) 其輸出限幅值決定電動機(jī)允許的最大電流；1) 為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓 Ui*（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化；2) 對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用；在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電動機(jī)允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程；當(dāng)電動機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護(hù)作用。電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)指標(biāo)為： %???，也滿足設(shè)計要求。 脈寬調(diào)制變換器 在干線鐵道電力機(jī)車、工礦電力機(jī)車、城市電車和地鐵電機(jī)車等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵或復(fù)勵電動機(jī)，由恒壓直流電網(wǎng)供電。圖 3—1 脈寬調(diào)制變換器電動機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形圖 a）原理圖 b)電壓波形圖 如圖 3—2 a)所示，給出了一種可逆脈寬調(diào)速系統(tǒng)的基本原理圖，由 VT1—VT2 共4 個電力電子開關(guān)器件構(gòu)成橋式（或稱 H 形）可逆脈沖寬度調(diào)制（ PULSE WIDTH MODULATION，簡稱 PWM）變換器。圖 3—6 也繪出了雙極式控制時的輸出電壓和電流波形。但電動機(jī)停止時電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而，電流也是交變的。 寫出平衡方程式、拉普拉斯變換由上圖可寫出下列基本關(guān)系式： aUE= R(1+ aTS?) dI eT l=J?S ω fU= fR??ffIT?1 E= ????feMpK Te= dfdmII?其中: aRLT? 為電樞電路時間常數(shù)； ffRLT? 為勵磁電路時間常數(shù)；p 為電動機(jī)磁極對數(shù)；M 為勵磁繞組和電樞繞組的互感； 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖將 S=d/dt 看作算子，則上述諸式也就是它們的拉氏變換。 本設(shè)計中電動機(jī)部分的數(shù)據(jù)采集和計算已知：電動機(jī)部分 [9，10] ：電動機(jī)電樞端電壓 aU =220V，電動機(jī)的電樞電流 dI =，電樞電路電阻 aR =，轉(zhuǎn)速 n=1600r/min,額定功率 nP=185w，電樞電路電感 aL=，極對數(shù) p=2，電磁轉(zhuǎn)矩 M=,角速度 ω=1600*2 π/60=,頻率 W=50HZ； 勵磁部分：勵磁電壓 fU=220V，勵磁電流 fI=,勵磁電路電阻fR=, 勵磁電路電感 fL=。系統(tǒng)仿真就是用模型代替實際系統(tǒng)進(jìn)行實驗和研究，而計算機(jī)仿真能夠為各種試驗提供方便、靈活可靠的數(shù)學(xué)模型。論文的主要工作如下。畢業(yè)設(shè)計是學(xué)生在校期間最后一個重要的綜合性實踐環(huán)節(jié)，是學(xué)生全面運用所學(xué)基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識基本技能，對實際問題進(jìn)行設(shè)計和研究的綜合訓(xùn)