电力电子控制系统仿真论文教材

1、河南理工大学万方科技学院电力电子及电机拖动控制系统的仿真课程论文题目：直流电动机开环调速系统的仿真姓名：高尚昆班级：自动化1班学号：1316306115题目：直流电动机开环调速系统的仿真摘要：本文分析了开环控制直流调速系统的控制器与被控对象的控制 现象，以及开环控制系统对被控对象的控制的问题。同时给出解决减小扰动的控制方案。MATLAB仿真在科学研究中的地位越来越高，如何利用MATLAB仿真出理想的结果，关键在于如何准确的选择 MATLAB的仿真。 本文就简单的开环直流调速系统的 MATLAB仿真这个例子， 通过对MATLAB的仿真，得到不同的仿真结果。通过仿真结果的对比， 对MATLAB的仿

2、真进行研究。从而总结出如何在仿真过程中对 MATLAB的仿真做到最优选择。一、选题意义及研究价值直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代，随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理 论、计算机的结合促进了电力传动控制技术研究和应用的繁荣。 晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的 动力。尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟， 以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔 的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交 流调速控制的基础。现在的直流和交流调速装置都是

3、数字化的， 使用的芯片和软件各有特点，但基本控制原理有其共性。长期以来，仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上， 即在系统模型建立以后要设计一种算法。 以使系统模型等为计算机所 接受，然后再编制成计算机程序，并在计算机上运行。因此产生了各 种仿真算法和仿真软件。由于对模型建立和仿真实验研究较少，因此建模通常需要很长时 间，同时仿真结果的分析也必须依赖有关专家， 而对决策者缺乏直接 的指导，这样就大大阻碍了仿真技术的推广应用。MATLAB提供动态系统仿真工具 Simulink，则是众多仿真软件 中最强大、最优秀、最容易使用的一种。它有效的解决了以上仿真技 术中的问题。在Simulink中，

4、对系统进行建模将变的非常简单，而 且仿真过程是交互的，因此可以很随意的改变仿真参数， 并且立即可 以得到修改后的结果。另外，使用 MATLAB中的各种分析工具，还 可以对仿真结果进行分析和可视化。Simulink可以超越理想的线性模型去探索更为现实的非线性问 题的模型，如现实世界中的摩擦、空气阻力、齿轮啮合等自然现象； 它可以仿真到宏观的星体，至微观的分子原子，它可以建模和仿真的 对象的类型广泛，可以是机械的、电子的等现实存在的实体，也可以 是理想的系统，可仿真动态系统的复杂性可大可小，可以是连续的、 离散的或混合型的。Simulink会使你的计算机成为一个实验室， 用它 可对各种现实中存在的

5、、不存在的、甚至是相反的系统进行建模与仿 真。传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法 在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。随着生产技术的发 展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特 性、动态响应等方面提出了更高要求，这就要求大量使用调速系统。由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，从 20世纪30年代起， 就开始使用直流调速系统。它的发展过程是这样的：由最早的旋转变 流机组控制发展为放大机、磁放大器控制；再进一步，用静止的晶闸 管变流装置和模拟控制器实现直流调速； 再后来，用可控整流和大功 率晶体管组成的PWM控制电路实现数字化的直流调速，使系统

6、快速 性、可控性、经济性不断提高。调速性能的不断提高，使直流调速系 统的应用非常广泛。二、系统仿真原理直流电动机电枢由三相晶闸管整流电路经平波电抗器 L供电，并 通过改变触发器移相控制信号Uc调节晶闸管的控制角，从而改变整 流器的输出电压实现直流电动机的调速。该系统的仿真模型如图1-1所示。在仿真中为了简化模型，省略了整流变压器和同步变压器，整 流器和触发同步使用同一交流电源，直流电动机励磁由直流电源直接 供。任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定 的要求。例如，最高转速与最低转速之间的范围，是有级调速还是无 级调速，在稳态运行时允许转速波动的大小， 从正转运行变到反转运 行

7、的时间间隔，突加或突减负载时允许的转速波动， 运行停止时要求 的定位精度等等。归纳起来，对于调速系统转速控制的要求有以下三 个方面：(1) 调速。在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地(有级) 或平滑地(无级)调节转速。(2) 稳速。以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量。(3) 力口、减速。频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提 高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。为了进行定量的分析，可以针对前两项要求定义两个调速指标， 叫做“调速范围”和“静差率”。这两个指标合称调速系统的稳态性 能指标。(1)调速范围生产机械要求

8、电动机提供的最高转速nmax和最低转速n min之比叫 做调速范围，用字母D表示，即Dn max=nmin(22)其中，nmax和nmin 一般都指电动机额定负载时的最高和最低转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的最高和最 低转速。(2)静差率当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落Bn，与理想空载转速no之比，称作静差率S,即nNno(23)或用百分数表示s=- 100%n。显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的。它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越 高。然而静差率与机械特性硬度又是有区别的。

9、一般变压调速系统在 不同转速下的机械特性是互相平行的， 对于同样硬度的特性，理想空 载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。由此可见，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。在调速过程中，若额定速降相同，则转速越低时， 静差率越大。如果低速时的静差率能满足设计要求， 则高速时的静差 率就更能满足要求了。因此，调速系统的静差率指标应以最低速进所 能达到的数值为准。(3)直流变压调速系统中调速范围、静差率和额定速降之间的关 系在直流电动机变压调速系统中，一般以电动机的额定转速乐作为最高转速，若额定负载下的转速降落为 Fn ,则按照上面分析的结果, 该系统的静差率

10、应该是最低速时的静差率，即nNn0minnNnmin nN于是，最低转速为nmin而调速范围为n maxnNnminnmin将上面的nmin式代入，得(24)n“sn N 1 _ s式（24）表示变压调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所 应满足的关系。对于同一个调速系统，你值一定，由式（24）可 见，如果对静差率要求越严，即要求s值越小时，系统能够允许的调 速范围也越小。三、仿真过程1.仿真原理图uCiu |:rgUv召路k发脉冲VT3kVTkVT?VT6L2匚2S1-1直流开环调速系统电气原理40 Cortantlr J iirhd&Plhat SourttfdDCACUnb史恬日I

11、Bridge*FHW3944B-+16XIUdialphadeg 邮90-0Juults*CABlockchrcnizedS- PvIm GenerirtoiijoinjojUa图1-2直流电动机开环调速系统结构图根据实验原理图在MATLAB件环境下查找器件、连线，接成入上图所示的线路图1) 仿真具体步骤MATLAB 7.1a、点击图标，打开MATLAB件，在工具栏里根据提示点击5 ,点击MATLAB,打开一个对话框，点击凶D里的new model， 创建一个新文件。b、点击工具栏的列，打开元器件库查找新的元器件。C原件库如下图所示UU Slniulink Library BrowserFil

12、e Edit View Hefci1 K七耐|厂CZoikl t* Used EEX th c lcs :s intiLil i rJk./Commonl tVs td Bio elksSimulink还Comimonty Used BlocksContinwouisDiscontinuitiies DisizreteLogic and Bit Operations Lookup T ablesMath OperationsModel Verifi匚ation Model-Wide utilitiesPorts ：& Sjmb5y3tiernr& Signal Attributes Signa

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14、1“Lookup T&Si grLil At. tr 1 but. kU1111tx esMl宴th Opair iF&rtt *Sizb sys t cmi sModelVar-a. iEi c-at. i oxiLci C andL Bi.比 Op av -A,t. i on e图1-3原件库2)所用元器件及其参数设置a)三相交流电源A、B、C图1-4三相电源参数设置设置三相电压都为220V,两两之间相位差为120,分别为0、-120、-240。b) 6-Pulse Generator图1-5c) Universal Bridge普通的桥电路起着过载保护作用，防止电流过大烧坏电机Block

15、 Parameters；: Universal BridgeUniversal bri dee (mraskj (1 i nk)Th.1 s bio ek Impl ement a i de e of s e 1 e e t e： d poimr el ect routes dLevi ces. Merles BC snub b e r ci i cni t s are connect ed in pa ral 1 el iwi th eacii swi t ch device. Press Help for suee #stdva 1 uestb m9dl i s dii Eciret i

16、zd Fqt mosta ppi i Col t 1 Oiiis t lie int rzia 1 ikdu.C t .n.C4fr Lcxi Of di o des azid. t hj .ar i s t CiI* s slkoul d be s c 1： to zeroPftTanft*! ersNiunber of lbr i de. A pp i y图1-6d) DC Machi ne (直流电动机)直流电动机的运行特性主要有两条：一条是工作特性，另一 条是机械特性，即转速-转矩特性。分析表明，运行性能因励磁方 式不同而有很大差异。F+和F-是直流电机励磁绕组的连接端，A+和A-是电

17、机电枢 绕组的联结端，TL是电机负载转矩的输入端。m端用于输出电机 的内部变量和状态，在该端可以输出电机转速、电枢电流、励磁 电流和电磁转矩四项参数。修改参数电枢电阻和电感(Armature resista nee and inductanee )为0.21 0.0021，励磁电阻和电感(Field resista nee and in ducta nee )为146.7 0，励磁和电枢互感 (Field-armature mutual inductanee )为 0.84，转动惯量(Total inertia )为 0.572 ，粘滞摩擦系数(Viscous frictioncoeffici

18、ent )为 0.01 ,库仑摩擦转矩(Coulombfriction torque )为 1.9，初始角速度(initial speed) 为 0.1。图1-7直流电机e)参数设置图1-8f）镇流桥设置匸巧1曲厂疝屁tBr責氐Math州亡1DC chi ns (ma sk) (1 inHk)Illis Tbloclc impleim&iits.鱼 separately excited. DC nn鱼citing. Access, is prai led to th电 f iel d. coiuiectioils so that the m且亡hine can be used 宜生 a Ehu

19、mt * conne c t e d or a est i es connect se d. DC ma chine.ParametersPreset model MbMechanical inrut： Torque TLV Ehoiff detai led pair&nietrEArrmatiLiift resiEtance 鱼血江 inductan亡电 Ra Cohms;) L& (lO 0. 21 0. 00021Fi el d r e：Eis ta.nc：宝nd inductance Rf (ohms;) Lf (H) 146 7 0TTi * 1 由一奋 rm* tiivaffrlltll-Q 1 TV 白1 r + J 叭戶* T &丰 ftflrn-J OKCancelKeLpApply图1-9g）直流电源图 1-10n）放大器，设置放大