【正文】 生器 的建 模 .............................................................................................21 H 型變換器的建模 ................................................................................................22 直流電機(jī)的建模 ....................................................................................................23 5 系統(tǒng)的調(diào)試及仿真結(jié)果分析 .........................................................................................24 系統(tǒng)空載運(yùn)行時(shí)仿真結(jié)果 ....................................................................................24 電機(jī)串電感運(yùn)行時(shí)仿真結(jié)果 ................................................................................25 系統(tǒng)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)仿真結(jié)果 ................................................................................25 系統(tǒng)帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋時(shí)仿真結(jié)果 ....................................................................26 6 總結(jié) .................................................................................................................................28 致 謝 ...................................................................................................................................29 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................................30 I I I I 摘 要 在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)電壓的直流調(diào)速是應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)速方法，除了利用晶閘管整流器獲得可調(diào)直流電壓外，還可利用其它電力電子元件的可控性，采用脈寬調(diào)制技術(shù)，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成極性可變 、 大小可調(diào)的直流電壓，用以實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓的平滑調(diào)節(jié)，構(gòu)成直流脈寬調(diào)速系統(tǒng) 。 本文 在 介紹 雙閉環(huán)直流PWM 調(diào)速 系統(tǒng)原理基礎(chǔ)上 ， 根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能指標(biāo)采用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器參數(shù)。并運(yùn)用 MATLAB 的 Simulink 和 Power System 工具箱、面向系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖的仿真方法 ， 實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速電流 雙閉環(huán)直流 II II II II PWM 調(diào)速 系統(tǒng)的建模與仿真。給出了 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)的仿 真 模型和仿真結(jié)果 ，驗(yàn)證了仿真模型及調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置的正確性。 PWM。 MATLAB VI VI VI 1 1 1 1 緒論 本課題研究的意義 直流電機(jī)是最常見(jiàn)的一種電機(jī)，在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。不同領(lǐng)域?qū)τ陔姍C(jī)的調(diào)速性能有著不同的要求，因此，不同的調(diào)速方法有著不同的應(yīng)用場(chǎng)合 [1]。 而直流電機(jī)的調(diào)速一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，如何更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)化控制更是重中之中 。從機(jī)械特性上看 ,就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或外加電壓等方法來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 ,從而改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和工作特性的交點(diǎn) ,使電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。近年來(lái)，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動(dòng)系統(tǒng)無(wú)論在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來(lái)看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用。 采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。 通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的了解，使我們能夠更好的掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論及相關(guān)內(nèi)容。并以此為基礎(chǔ)，再對(duì)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(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域。我國(guó)在直流調(diào)速產(chǎn)品的研 3 3 3 發(fā)上取得了一 定的成就，但和國(guó)外相比仍有很大差距。而國(guó)外進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴，也給國(guó)產(chǎn)的全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置提供了發(fā)展空間。隨著全球科技日新月異的發(fā)展，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)總的發(fā)展趨勢(shì)也向著控制的數(shù)字化，智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。國(guó)外主要電氣公司如瑞典的 ABB 公司、德國(guó)的西門子公司、 AEG 公司、日本的三菱公司、東芝公司、美國(guó)的 GE 公司、西屋公司等，均已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多個(gè)數(shù)字直流調(diào)速裝置，有成熟的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模板化的應(yīng)用產(chǎn)品。目前，晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門得到廣泛的應(yīng)用。隨著新型電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展， IGBT(絕緣柵雙極型晶體管 )具有開(kāi)關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單和可以自關(guān)斷等優(yōu)點(diǎn) ， 克服了晶閘管的主要缺點(diǎn)。 本課題研究的主要內(nèi)容 本 課題 設(shè)計(jì)了一個(gè)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速外環(huán)飽和不起作用，電流內(nèi)環(huán)起主要作用，調(diào)節(jié)起動(dòng)電流保持最大值，使轉(zhuǎn)速線性變化，迅速達(dá)到給定值；穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋外環(huán)起主要作用，使轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速給定電壓的變化而變化，電流內(nèi)環(huán)跟隨轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)節(jié)電機(jī)的電樞電流以平衡負(fù)載電流。 5 5 5 2 直流電機(jī)調(diào)速理論 直流電機(jī)調(diào)速方法 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速。它在理論上實(shí)踐上都比較成熟，而且從閉環(huán)控制的角度看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ) [2]。各種系統(tǒng)往往都是通過(guò)控制轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和其它參量的關(guān)系可用式 21 表示 6 6 6 ??? KeIRUn 由上式 可知直流調(diào)速方法有三種： (1) 改變電樞回路電阻調(diào)速 該方法的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,缺點(diǎn)是效率低。一般應(yīng)用于電動(dòng)玩具中。現(xiàn)已很少單獨(dú)使用，通常以非獨(dú)立 控制勵(lì)磁的方式出現(xiàn)。改變電樞電壓主要從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動(dòng)機(jī)額定向下變速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。 比較上面三種直流調(diào)速方法可看出，改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多，目前很少使用，僅???KeIRUn 7 7 7 在一些起重機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長(zhǎng)的傳動(dòng)系統(tǒng)中采用。因此自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為 主，必要時(shí)把調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速配合使用。歸納起來(lái)，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求有以下三個(gè)方面： （ 1） 調(diào)速：在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地（有級(jí)）或平滑地（無(wú)級(jí)）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 。 （ 3） 加、減速：頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起，制動(dòng)盡量平穩(wěn)。 這兩個(gè)指標(biāo)合稱調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo) [3]。 靜差率 當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落Nn? ，與理想空載轉(zhuǎn)速之比 0n ，稱作靜差率 S，即 ??? KeIRUn??? KeIRUn ???KeIRUn???KeIRUn 9 9 9 或用百分?jǐn)?shù)表示 顯然，靜差率 是 用來(lái)衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。 然而靜差率和機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。對(duì)于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定度也就越差。 調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系 在直流電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)中， 一般以電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速 Nn 為最高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降落為 Nn? ，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即 ??? K e IRUn ???KeIRUn??? K e IRUn ???KeIRUn 10 10 10 于是，最低轉(zhuǎn)速為 而調(diào)速范圍為 將式 26 代入 minn ，得 上式表示調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。 PWM 系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性： （ 1）主電路線路非常簡(jiǎn)單，需要用到的功率器件比較少。 （ 3）功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗比較小，裝置效率比較高。 （ 5）若與快速響應(yīng) 的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較快，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。 由于有上述優(yōu)點(diǎn)，直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，特別是在中、小容量的高動(dòng)態(tài)性能系統(tǒng)中，已經(jīng)完全取代了其他調(diào)速系統(tǒng)， 這 也 是我們選取它作為研究對(duì)象的重要原因。直流電動(dòng)機(jī) PWM 控制系統(tǒng)分為不可逆和可逆系統(tǒng)。對(duì)于可逆系統(tǒng)，又可以分 為單極性驅(qū)動(dòng)和雙極性驅(qū)動(dòng)兩種方式。本設(shè)計(jì)采用雙極性驅(qū)動(dòng)可逆 PWM 變換器。它包含有 4 個(gè) IGBT 管和 4 個(gè)續(xù)流二極管。同一組的 IGBT 管同時(shí)導(dǎo)通或截止，不同組的 IGBT 管的導(dǎo)通與截止是不相同的。在每一個(gè) PWM 周期 的負(fù)脈沖區(qū)間， VT VT3 導(dǎo)通， VTVT4 截止，電流的方向仍然不變，只不過(guò)電流幅值的下降速率比不可逆控制系統(tǒng)的要大，因此電流的波動(dòng)較大。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹 在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截 止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來(lái)控制電流的。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖 22（ a）所示。 16 16 16 圖 22 直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形 (a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程 (b)理想快速起動(dòng)過(guò)程 在實(shí)際工作中，我們希望在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，最好是在過(guò) 渡 過(guò)程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來(lái)，使轉(zhuǎn)IdL n t Id O Idm IdL n t Id O Idm Idcr n n (a) (b) 17 17 17 矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩） 受限 的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過(guò)程。問(wèn)題是希望在啟動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不 再靠 電流負(fù)反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，如圖 23 所示，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)