直流电动机开环调速系统设计与仿真设计

1、东北大学秦皇岛分校控制工程学院自动控制系统课程设计设计题目：直流电动机开环调速系统设计与仿真自动化专业名称 班级学号 学生姓名 指导教师设计时间成 绩目录1. 设计任务书32. 概述42.1前言42.2系统原理5.2.3 simulink 框图7.3. 元件参数设置93.1三相交流电压源设置 93.2 .同步六脉冲触发器1.03.3 .三相全控桥整流电路 103.4.直流电动机设计 .1.14. 仿真结果分析114.2 当：=30o 时1.4.4.3 当：=60° 时1.7.4.4 当：-90° 时1.9.5. 结论236. 参考文献2.5.7.结束语25东北大学秦皇岛分校

2、控制工程学院自动控制系统课程设计任务书专业自动化班级姓名设计题目：直流电动机开环调速系统设计与仿真一、设计实验条件地 点：实验室实验设备：PC机二、设计任务直流电动机的额定数据为 220V, 136A , 1460r/min , 4极，Ra=0.21, GD2=22.5N|_h2 ;励磁电压为220V ,励磁电流为1.5A。采用三相桥式全控整流 电路。平波电抗器Lp=200mH。设计要求：设计并仿真该晶闸管-电动机（V-M ）开环调速系统。观察电动 机在全压起动和起动后加额定负载时电动机的转速、转矩和电流变化。三、设计说明书的内容1、设计题目与设计任务（设计任务书）2、前言（绪论）（设计的目的

3、、意义等）3、主体设计部分4、参考文献5、结束语四、设计时间与设计时间安排1、设计时间：7月13日7月24日2、设计时间安排：熟悉课题、收集资料：具体设计（含上机实验）：编写课程设计说明书：答辩：3天（7月13日7月15日）6天（7月16日7月21日）2天（7月22日7月23日）1天（7月24日）2. 概述2.1前言直流电动机是将直流电能转换为机械能的电动机,因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用。直流电动机有着优良的调速性能和启动性能，具有宽广的调速范围，平滑的无级调速特性，可实现频繁的无级快速启动、制动 和反转；过载能力大，能承受频繁的冲击负载；能满足自动化生产系统中各种 特殊运行的

4、要求。常用于对启动和调速有较高要求的场合 ，如大型可逆式轧钢 机、矿井卷扬机、高速电梯、龙门刨床、电力机车、地铁列车、电动自行车、 造纸和印刷机械、船舶机械、大型精密机床和大型起重机等生产机械中。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。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 管目前交流调速迅速发展，交流调速技术趋于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，且直流电动机制造工艺复杂，消耗有色金属多，生产成本高，电刷与换向器之间容易产生火

5、花，维护困难，在 一些对调速性能要求不高的领域中已被交流变频调速系统所取代。但是在某些要求调速范围大、快速性高、精密度好、控制性能优异的场合，直流电动机的 应用目前仍占有较大的比重。此次课程设计中，我们组采用MATLAB对直流电动机开环调速系统进行设 计与仿真。MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开 发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。Simulink是MATLAB中的一种可视化 仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真 和分析的一个软件包，被广泛应用

6、于线性系统、非线性系统、数字控制及数字 信号处理的建模和仿真中。MATLAB提供的动态系统仿真工具 Simulink，有效 地解决了仿真技术中出现的各种问题，在Simulink中，有着各种电力电子器件 以及直流电动机模型，使得对系统进行建模变得快捷简单，可以比较方便地改 变各个器件的参数，并且能快速地得到所期望的仿真结果。2.2系统原理系统由三相交流电压源供电，经晶闸管三相全控桥式整流电路整流后得到 直流输出电压，再经平波电抗器Lp抑制纹波后给直流电动机电枢回路供电。调 节三相全控桥整流触发电路移相控制电压Uct可以改变晶闸管的控制角，即改变晶闸管的导通时间，使整流器的输出电压增大或减小，电枢

7、回路电压变化从 而实现直流电动机的调速功能。图2-1直流电机开环调速系统原理框图系统采用降低电枢电压调速，电枢电压可以由三相全控桥整流触发电路的移相控制电压图2-2三相全控桥式整流电路图带感性负载时，三相全控桥式整流电路的控制角a的移相范围为0-90°,设 定Uct最大值为+15V ,口最小值为0° ,得移相特性a=90-6Uct。当Uct为最大值 + 15V时，控制角a为最小值0° ,由Ud=2.34U 2COS a可知，此时整流输出电压Ud 为最大值，Uct减小则控制角 册大，整流输出电压Ud减小，当Uct为0V时，控制角a为最大值90。，整流输出电压Ud为最

8、小值2.3 simuli nk框图咅 且世nbd宅書-W-会一! s§ IV =疋五ia4IJTJRL寺 <|答汽£昱3>图 2-3 simulink 框图3. 元件参数设置3.1三相交流电压源设置图3-1三相交流电压源参数设置设a=0o时整流输出电压平均值 Ud最大，为直流电动机额定电压 220V，根 据Ud=2.34U2COS a可得，此时U2=94.02V，即三相交流电压相电压有效值为 94.02V。Function Block Parameters： pluserSynchronized 6-pulse fenerator (mask) (link)Us

9、e this block 七口 fire the 6 thyristazs 口f a 6-pulse converter Ths output iw a vectou £ 6 pulses (0-1) individually syrichronized <on the 6 conmut at ion volt ages Pulses are generated alpha degrees after the increasin; zero-crossings of the commutation voltagesParimst trsFrequency 口:f synchro

10、nisat ion volt ages (Hz):50Pulse width (degrees):m|'P I Double pulsing-OKCancelHelpApply32同步六脉冲触发器图3-2同步六脉冲触发电路设置六脉冲触发器由三相交流电源供电,频率为50HZ,产生的脉冲宽度为10。3.3.三相全控桥整流电路图3-3三相全控桥式整流器设置工 Block PaDC MachineDC machine inask) (link)*iRplements a (woundfield o-r permanent magnet) DC machine,For the wound-fie

11、ld DC Machine access is provided to the field coimectiQrts so that the Machine can be used as a separat ely escit ed, shuntc onnect ed or a seriesconnect ed DC machine | Confiiguract i-otn Parsoieters| Adrancisd |Amature resistanae and inductance Ra (ohjis) La (H) 0- 210* D0021Field resist once and

12、induct ance Rf (otins) Lf (H) 146,70Ficld-rnature miutual induct ance- Laf (H):0.84Tot al inertia J (kg- n"2)0» 57Viscous friction coeff icient Bm. (W- m.u s訂Coulomb friction t arque Tf (HL it)0Initial pccd (radl/s): 缈 |EleipI Apply34直流电动机设计图3-4直流电动机参数设置CeU N Rai NnN= 参数计算：电枢电Ra = 021"

13、; 阻：电枢电感:La =19.1* CUn =19.10.4 2200.00021：2p nNiN2x2x1460 汉 136励磁电Rf 二U f /I f =220/1.5 =146.7门阻：电枢绕组和励磁绕组互感：60CTCe = 1.262兀Laf =CT / I f =1.26/1.5 =0.84HJ 二GD2/4g =22.5/4/9.8 =0.57kgLm2 卓惯里转 TL = 9.55CeI N =171.4NLm 矩.4. 仿真结果分析4.1 当=0° 时 转速理论值：n =(U -la Ra)/Ce =(220 -136 0.21)/0.13 1460r /min

14、200 I-Q【iIiIiIIII02466101211161G20t/s图4-1 a=0 0时直流电动机转速 转矩图4-2 a=0 0时直流电动机转矩 整流电压平均电压理论值：Ud =2.34U2cos0o =220VJOO250200150NZDWO60q IiIiIiIIIII0246810121411820t/s图4-4 a=O。时整流器输岀电压平均值 电枢电流图4-5 a=0。时直流电动机电枢电流4.2 当=30° 时 转速理论值：n =(U -la Ra)/Ce =(190.5 -136 0.21)/0.131 =1236.2r/min1B00图4-6 a=30 0时直流

15、电动机转速转矩图4-7 a=30 0时直流电动机转矩整流电压平均电压理论值：Ud =2.34U2cos30o =190.5VUab Uac Ubc Uba Uca Ucb200eo18C160MO1201006040200246312U161G2010IsJOO 3002001001 0-100-200-3001-胡 00 111111100 0050 01D.0150 020 0250.030 0350 04t/s图4-8 a=30 0整流器输岀电压图4-9 a=30 0时整流器输岀电压平均值电枢电流4.3 当=60° 时 转速理论值：n =(U -la Rj/Ce =(110 -

16、136 0.21)/0.131 = 621.7r / min图4-11 a=60 o时直流电动机转速 转矩0 OOOS 0 010.0150 020 025 D.Q3 0 0350 04t/s图4-12 a=60 0时直流电动机转矩 整流电压平均电压理论值：Ud =2.34U2cos60° =110V4皿3002001001 °100-200-300图4-13 a=60 0时整流器输出电压100 -20ie soQIIIiIII02466101214t/s图4-14 a=60 0时整流器输岀电压平均值 电枢电流图4-15 a=60 0时直流电动机电枢电流4.4 当=90&#

17、176; 时转速理论值：n =(U -la Ra)/Ce =(0 -136 0.21)/0.131 一218r/min图4-16 a=90 0时直流电动机转速 转矩图4-17 a=90 0时直流电动机转矩 整流电压平均电压理论值：Ud =2.34U2 cos90° =0VJOO300Ucb2001000-100/-20Q-300000 0050.0100250.030 0350 040 02t s八Uab Use UbcUt>a Uca图4-18 a=90 0时整流器输出电压 电枢电流图4-20 a=90。时电枢电流0.5024661012 1J 161820t/s4.5励磁电

18、流5.结论Te/(N*m)图5-1降压调速机械特性控制甬图5-2控制角与转速关系曲线150010006000-500-10001610UcVV图5-3控制电压与转速关系曲线系统采用降低电枢电压调速方法，用晶闸管可控整流器实现，通过改变控制角a的大小，使直流电动机电枢电压改变，达到降压调速的目的。改变控制角 a使输出整流电压平均值从最大值降到最小值，口从0。到90。变化，对a为0。，30。，60。，90。时进行仿真，可以得出：降压调速的机械特性是几条斜率相同 的平行直线，随着整流输出电压的降低，直线下移。(1) 当a=0。时，整流电压平均值约为 220V，在额定转矩TI=Tn=171(N*m),

19、电枢电流Ia=In=136A 时，对应额定转速约为1460r/min ；(2) 当a =30。时，整流电压平均值约为190.5V，在额定转矩 TI=Tn=171(N*m),电枢电流Ia=In=136A 时，对应额定转速约为 1236r/min ；(3) 当a=60。时，整流电压平均值约为110V，在额定转矩TI=Tn=171(N*m), 电枢电流Ia=In=136A 时，对应额定转速约为622r/min ;(4) 当a =90。时，整流电压平均值约为 0 V，在额定转矩TI=Tn=171(N*m)，电枢电流Ia=In=136A 时，对应额定转速约为 -218r/min ，此时电机反转。经过对比分析可以得出：随着控制角a的增大，整流电压平均值降低，电机 转速降低，其中a=90。时，整流电压平均值为0V,电机在额定负载Tn=171(N*m)，作用下以-218r/min的速度反转。由于所加负载始终为额定负载TI=Tn=171(N*m)恒定，又TI=9.55Ce*la，所以电枢电流Ia=In=136A,即在额定 负载下，电枢电流la与转速n无关。当电源电压为不同值时，机械特性的斜率 都与固有机械特性的斜率相等，特性较硬，当降低电源电压在低速下运行时， 转速随负载变化的幅度较小，与电枢回路串电阻调速方法比较，转