直流調(diào)速及恒壓頻比課程設(shè)計論文

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　目 錄1</b></p><p>　　第一章 直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計及仿真1</p><p><b>　　1 綜 述1</b></p><p>　　2 系統(tǒng)方案的選擇和總體結(jié)構(gòu)2</p>

2、<p>　　2.1調(diào)速方案的選擇2</p><p>　　2.1.1系統(tǒng)控制對象的確定2</p><p>　　2.1.2電動機(jī)供電方案的選擇3</p><p>　　2.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計3</p><p>　　3主電路設(shè)計與參數(shù)計算4</p><p>　　3.1整流變壓器的設(shè)計5</p>

3、<p>　　4 雙閉環(huán)的動態(tài)設(shè)計和校驗11</p><p>　　5 控制電路的設(shè)計13</p><p>　　5.1 給定環(huán)節(jié)的選擇13</p><p>　　5.2控制電路的直流電源13</p><p>　　5.3反饋電路參數(shù)的選擇與計算13</p><p>　　6 系統(tǒng)MATLAB仿真15&l

4、t;/p><p>　　6.1 系統(tǒng)的建模與參數(shù)設(shè)置15</p><p>　　6.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果的輸出及分析15</p><p>　　第二篇 轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真18</p><p>　　第七章 轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制基本原理及方案18</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)3

5、4</b></p><p>　　第一章 直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計及仿真</p><p><b>　　1 綜 述</b></p><p>　　我們的生產(chǎn)和生活離不開直流電機(jī)，由于對其的需要,促進(jìn)了直流電機(jī)的發(fā)展,但其發(fā)展較為緩慢,而且出現(xiàn)過起伏。如二次世界大戰(zhàn)前夕,以及六十年代中期,出現(xiàn)了以交流電機(jī)取代直流電機(jī)的趨勢,認(rèn)為直流電機(jī)無發(fā)展前途

6、,個別學(xué)者甚至認(rèn)為將被淘汰。進(jìn)入七十年代,直流電機(jī),特別是直流電動機(jī)出現(xiàn)了從未有的迅速發(fā)展,如直流電動機(jī)的需要量在整個旋轉(zhuǎn)電機(jī)總產(chǎn)量中所占的比例增長了兩倍,其生產(chǎn)量增加了一倍。近年來,隨著電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展,工業(yè)自動化要求寬調(diào)速、反應(yīng)靈敏的驅(qū)動裝備,對此,直流電動機(jī)具有“得天獨厚”的優(yōu)越性,如它具有優(yōu)良的調(diào)速性能、較大的過載能力和快速起動等特點,因此,自動控制的發(fā)展為直流電動機(jī)的應(yīng)用創(chuàng)造了更加有利的條件。 六十年代后期,可控硅

7、整流裝置的出現(xiàn)和迅速的發(fā)展,直流電動機(jī)日益應(yīng)用可控硅整流器作為直流電源,從而擴(kuò)大了直流電動機(jī)的使用范圍。</p><p>　　直流電動機(jī)具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來看，直流調(diào)速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎(chǔ)。早期直流電動機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜

8、，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy，阻礙了直流電動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。隨著單片機(jī)技術(shù)的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成，為直流電動機(jī)的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達(dá)到更高的性能。采用單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。本設(shè)計主電路采用晶閘管三相全控橋整流電路供電方案，控制電路由集成電路實現(xiàn)，系統(tǒng)中有速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)器和電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器等。

9、 </p><p>　　本設(shè)計主電路采用晶閘管三相全控橋整流電路供電方案，控制電路由集成電路實現(xiàn)，系統(tǒng)中有速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)器和電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器等。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：單片機(jī) 雙閉環(huán) 直流調(diào)速系統(tǒng) </p><p>　　2 系統(tǒng)方案的選擇和總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.1調(diào)速方案的選擇</p>&

10、lt;p>　　2.1.1系統(tǒng)控制對象的確定</p><p>　　本次設(shè)計選用的電動機(jī)型號Z2-51型，額定功率4.2KW，額定電壓230V，額定電流18.25A,額定轉(zhuǎn)速1450r/min, 勵磁電壓220V,運轉(zhuǎn)方式連續(xù)。其具體參數(shù)如下表1所示：</p><p>　　表1 Z2-51型電動機(jī)具體參數(shù)</p><p>　　由于電機(jī)的容量較大，又要求電流的脈動

11、小，故選用三相全控橋式整流電路供電方案。電動機(jī)額定電壓為230V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相減壓變壓器將電源電壓降低。</p><p>　　2.1.2電動機(jī)供電方案的選擇</p><p>　　本設(shè)計主電路采用晶閘管三相全控橋整流電路供電方案，控制電路由集成電路實現(xiàn)，系統(tǒng)中有速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)器、鎖零單元和電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器等。</p><p><b&g

12、t;　　2.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計</b></p><p>　　若采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雖然可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，不過當(dāng)對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動，突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)難以滿足要求，因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩，在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流值以后，靠

13、強(qiáng)烈的負(fù)反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形，當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減少，因而加速過程必然拖長。</p><p>　　若采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，則可以近似在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過載能力，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又可以讓電流迅速降低下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行，此時起動電流近似呈方形波，而轉(zhuǎn)速近似是

14、線性增長的，這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受到限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，這樣就可以實現(xiàn)在起動過程中只有電流負(fù)反饋，而它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，只靠轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動態(tài)性能[4]。</p><p>　　與帶電流截止負(fù)反饋的單閉

15、環(huán)系統(tǒng)相比，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主調(diào)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差。得到過電流的自動保護(hù)。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。在動態(tài)性能方面，雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動和升速過程中表現(xiàn)出很快的動態(tài)跟隨性，在動態(tài)抗擾性能上，表現(xiàn)在具有較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動，抗電網(wǎng)電壓擾動。</p><p>　　直流調(diào)速系統(tǒng)的框圖如圖1所示： </p><p>　　3主電路設(shè)計與

16、參數(shù)計算</p><p><b>　　圖2主電路圖電路</b></p><p>　　3.1整流變壓器的設(shè)計</p><p>　　3.1.1整流變壓器二次側(cè)電壓U2的計算</p><p>　　是一個重要的參數(shù)，選擇過低就會無法保證輸出額定電壓。選擇過大又會造成延遲角α加大，功率因數(shù)變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本

17、。在要求不高場合或近似估算時，可用下式計算，即：</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　由表查得 A=2.34；取ε=0.9；α角考慮10°裕量，則 B=cosα=0.985</p><p><b>　　取=125V。</b></p><p>　　電壓比K=/

18、=380/125=3.04。</p><p>　　3.1.2一次、二次相電流I1、I2的計算</p><p>　　由表查得 =0.816, =0.816</p><p>　　考慮變壓器勵磁電流得：</p><p>　　=A=4.9A </p><p><b>　　=A=14.89A</b>&l

19、t;/p><p>　　3.1.3變壓器容量的計算</p><p>　??； （3-2）</p><p>　??； （3-3）</p><p>　?。?（3-4）</p><p>　　式中m1、m2

20、--一次側(cè)與二次側(cè)繞組的相數(shù)；</p><p>　　由表查得m1=3，m2=3</p><p>　　=3×380×4.9=5.6 KVA</p><p>　　=3×125×14.89=5.58KVA </p><p>　　=1/2（5.6+5.58）=5.59

21、 KVA </p><p><b>　　取=10KVA</b></p><p>　　3.1.4晶閘管的額定電流</p><p>　　選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值大于實際流過管子電流最大有效值[8]，即</p><p><b>　?。?-5）</b></p>

22、<p>　　由表查得 K=0.368，考慮1.5～2倍的裕量</p><p>　?。?-6） </p><p><b>　　=A</b></p><p>　　取=20A。故選晶閘管的型號為KP20-6。</p><p>　　3.1.5晶閘管的額定電壓</p><p>　　

23、晶閘管實際承受的最大峰值電壓，乘以（2～3）倍的安全裕量，參照標(biāo)準(zhǔn)電壓等級，即可確定晶閘管的額定電壓，即</p><p>　　==V=V （3-7）</p><p><b>　　取=800V。</b></p><p>　　3.1.6晶閘管保護(hù)環(huán)節(jié)的計算 </p><p>　　（1）交流側(cè)過電壓保護(hù)

24、</p><p>　　阻容保護(hù) 即在變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻R和電容C進(jìn)行保護(hù)。</p><p>　　本系統(tǒng)采用D-Y連接。S=5.59kvA, U2=125V</p><p>　　Iem取值：取Iem=10。</p><p>　　=µF=21.47µF</p><p>　　耐壓≥1.5Um =1.5

25、××125=265V</p><p>　　選取25µF,耐壓300V的CZDJ-2型金屬化紙介電容器。</p><p><b>　　取=5V，</b></p><p>　　=Ω=4.55Ω，選5Ω</p><p><b>　　==0.98A</b></p>

26、<p><b>　　=W=W</b></p><p>　　選取5、20W的金屬膜電阻。</p><p><b>　　壓敏電阻的計算</b></p><p><b>　　=V=230V</b></p><p>　　流通量取5KA。選MY31-230/5型壓敏電阻。&l

27、t;/p><p>　?。?）直流側(cè)過電壓保護(hù)</p><p>　　一般不采用阻容保護(hù)，而只用壓敏電阻作過電壓保護(hù)。</p><p>　　=(1.8～2.2)×230V=414～460V </p><p>　　選MY-430/3型壓敏電阻。允許偏差+10％（484V）。</p><p>　　（3）晶閘

28、管兩端的過電壓保護(hù) </p><p><b>　　查下表：</b></p><p>　　表2 阻容保護(hù)的數(shù)值一般根據(jù)經(jīng)驗選定</p><p>　　抑制晶閘管關(guān)斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護(hù)電路方法。電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值的1.1～1.15倍。</p><p>　　由上表得C=0.15&

29、#181;F，R=80Ω，</p><p>　　電容耐壓≥1.5==1.5××125=460V</p><p>　　選C為0.2µF的CZJD-2型金屬化紙介質(zhì)電容器, 耐壓為500V。</p><p>　　=W=0.46W </p><p>　　選R為10普通金屬膜電阻器，RJ-0.5。</p>

30、<p>　　3.1.7過電流保護(hù)</p><p>　　快速熔斷器的斷流時間短，保護(hù)性能較好，是目前應(yīng)用最普遍的保護(hù)措施?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側(cè)、交流側(cè)和直接與晶閘管串聯(lián)。</p><p>　　快速熔斷器的選擇：接有電抗器的三相全控橋電路，通過晶閘管的有效值===10.54A</p><p>　　選取RLS-50快速熔斷器，熔體額定電流25A。<

31、;/p><p>　　3.1.8平波電抗器的計算</p><p>　?。?）算出電流連續(xù)的臨界電感量 （3-8）</p><p>　　式中為與整流電路形式有關(guān)的系數(shù)，可由表查得；為最小負(fù)載電流，常取電動機(jī)額定電流的5％～10％計算。根據(jù)本電路形式查得=0.695所以</p><p>　　=0.05=0.05

32、15;18.25A=0.91A</p><p>　　=mH=105mH </p><p>　　（2）限制輸出電流脈動的臨界電感量</p><p>　　平波電抗器的臨界電感量 （3-9）</p><p>　　式中－系數(shù)，與整流電路形式有關(guān)，－電流最大允許脈動系數(shù)，通常三相電路≤（5～1

33、0）％。</p><p>　　根據(jù)本電路形式查得=1.045, 所以</p><p>　　==71.58mH </p><p>　　（3）實際串入平波電抗器的電感量</p><p>　　考慮輸出電流連續(xù)時的實際電感量：</p><p>　　mH （3-10）</p>

34、<p>　　（5) 電樞回路總電感:</p><p>　　=67.58＋34.76＋2×1.33 mH =105mH</p><p>　　3.1.9觸發(fā)電路選擇</p><p>　　晶閘管的觸發(fā)電流為＜250mA,觸發(fā)電壓。由已知條件計算出 </p><p><b>　　，</b></p&g

35、t;<p><b>　　，</b></p><p><b>　　V=5.22V。</b></p><p>　　因為=5.22V，3V，所以觸發(fā)變壓器的匝數(shù)比為</p><p>　　取3:1。設(shè)觸發(fā)電路的觸發(fā)電流為250mA，則脈沖變壓器的一次側(cè)電流只需大于250/3=83.3mA即可。這里選用3DG12B作為

36、脈沖功率放大管，其極限參數(shù).</p><p>　　觸發(fā)電路需要三個互差120°，且與主電路三個電壓U、V、W同相的同步電壓，故要設(shè)計一個三相同步變壓器。這里用三個單相變壓器接成三相變壓器組來代替，并聯(lián)成DY型。同步電壓二次側(cè)取30V，一次側(cè)直接與電網(wǎng)連接，電壓為380V,變壓比為380/30=12.7。</p><p>　　觸發(fā)器的電路圖如下圖3所示：</p>&l

37、t;p>　　4 雙閉環(huán)的動態(tài)設(shè)計和校驗</p><p><b>　　（1）確定時間常數(shù)</b></p><p>　　已知s，s，所以電流環(huán)小時間常數(shù)</p><p>　　=0.0017+0.002=0.0037s。</p><p>　?。?）選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)</p><p>　　因為電流

38、超調(diào)量，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，故可用PI型電流調(diào)節(jié)器</p><p><b>　　。</b></p><p>　?。?）電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計算：</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)==0.0038s，又因為設(shè)計要求電流超調(diào)量，查得有=0.5，所以==，所以ACR的比例系數(shù)=。</p

39、><p><b>　　（4）校驗近似條件</b></p><p>　　電流環(huán)截止頻率==135.1。</p><p>　　晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：</p><p><b>　　> ，滿足條件。</b></p><p>　　忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響條件：&l

40、t;/p><p><b>　　，滿足條件。</b></p><p>　　電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：</p><p><b>　　，滿足條件。</b></p><p>　　（5） 計算調(diào)節(jié)器的電阻和電容</p><p>　　取運算放大器的=40，有=6.1640=246.4，取

41、45，</p><p><b>　　，取0.9，，</b></p><p>　　取0.2，故=，其結(jié)構(gòu)圖如下所示：</p><p><b>　　圖4 電流調(diào)節(jié)器</b></p><p>　?。?）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容：</p><p>　　取=40，則，取3700。<

42、/p><p><b>　　，取0.02</b></p><p><b>　　，取1</b></p><p><b>　　故。其結(jié)構(gòu)圖如下：</b></p><p><b>　　圖5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</b></p><p>　　5 控制電

43、路的設(shè)計</p><p>　　5.1 給定環(huán)節(jié)的選擇</p><p>　　已知觸發(fā)器的移相控制電壓為正值，給定電壓經(jīng)過兩個放大器它的輸入輸出電壓極性不變，也應(yīng)是正值。為此給定電壓與觸發(fā)器共用一個15V的直流電源，用一個2.2、1W的電位器引出給定電壓。</p><p>　　5.2控制電路的直流電源</p><p>　　這里選用CM7815和C

44、M7915三端集成穩(wěn)壓器作為控制電路電源，如下圖所示</p><p>　　圖6 直流穩(wěn)壓電源原理圖</p><p>　　5.3反饋電路參數(shù)的選擇與計算</p><p>　　本設(shè)計中的反饋電路有轉(zhuǎn)速反饋和電流截止負(fù)反饋兩個環(huán)節(jié)，電路圖見主電路。</p><p>　　5.2.1測速發(fā)電機(jī)的選擇</p><p>　　因為，

45、故這里可選用ZYS-14A型永磁直流測速發(fā)電機(jī)。它的主要參數(shù)見下表。</p><p>　　表5-1 ZYS-14A型永磁直流測速發(fā)電機(jī)</p><p>　　取負(fù)載電阻=2,P=2W的電位器，測速發(fā)電機(jī)與主電動機(jī)同軸連接。</p><p>　　5.2.2 電流截止反饋環(huán)節(jié)的選擇</p><p>　　選用LEM模塊LA100-S電流傳感器作為

46、檢測元件，其參數(shù)為：額定電流100A，匝數(shù)比1：1000，額定輸出電流為0.1A。選測量電阻=47,，P=1W的繞線電位器。</p><p>　　負(fù)載電流為1.2時。讓電流截止環(huán)節(jié)起作用，此時LA100-S的輸出電流為1.2/1000=1.2×18.25/1000=0.022A，輸出電壓為47×0.25=11.75V，再考慮一定的余量，可選用1N4240A型的穩(wěn)壓管作為比較電壓，其額定值為10

47、V。</p><p>　　6 系統(tǒng)MATLAB仿真</p><p>　　本次系統(tǒng)仿真采用目前比較流行的控制系統(tǒng)仿真軟件MATLAB，使用MATLAB對控制系統(tǒng)進(jìn)行計算機(jī)仿真的主要方法有兩種，一是以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用MATLAB的Simulink工具箱對其進(jìn)行計算機(jī)仿真研究。另外一種是面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖，使用Power System工具箱進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)仿真的新方法。本次系統(tǒng)

48、仿真采用后一種方法。</p><p>　　6.1 系統(tǒng)的建模與參數(shù)設(shè)置</p><p>　　轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路模型主要由交流電源、同步脈沖觸發(fā)器、晶閘管直流橋、平波電抗器、直流電動機(jī)等部分組成。采用面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖方法構(gòu)成的雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型如圖7所示。</p><p>　　圖7 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型</p>

49、<p>　　6.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果的輸出及分析</p><p>　　當(dāng)建模和參數(shù)設(shè)置完成后，即可開始進(jìn)行仿真。圖8-2是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速曲線。從仿真結(jié)果可以看出，它非常接近于理論分析的波形。</p><p>　　圖6-2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速曲線</p><p>　　圖6-3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電樞電流曲線</p><p

50、>　　圖6-4雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速曲線</p><p>　　圖6-5雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)矩曲線</p><p>　　啟動過程的第一階段是電流上升階段，突加給定電壓，ASR的輸入很大，其輸出很快達(dá)到限幅值，電流也很快上升，接近其最大值。第二階段，ASR飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電流基本上保持不變，拖動系統(tǒng)恒加速，轉(zhuǎn)速線形增長。第三階段，當(dāng)

51、轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值后。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零，但是由于積分作用，其輸出還很大，所以出現(xiàn)超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入端出現(xiàn)負(fù)偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，進(jìn)入線性調(diào)節(jié)階段，使轉(zhuǎn)速保持恒定，實際仿真結(jié)果基本上反映了這一點。由于在本系統(tǒng)中，單片機(jī)系統(tǒng)代替了控制電路的絕大多數(shù)控制器件，所以各項數(shù)據(jù)處理和調(diào)整都是在單片機(jī)內(nèi)完成的，控制效果要好于本次的仿真結(jié)果。</p><p>　　第二篇 轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比

52、控制交流電機(jī) 調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真</p><p>　　第七章 轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制基本原理及方案</p><p><b>　　7 綜述</b></p><p>　　異步電動機(jī)的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡稱為變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于在調(diào)速是轉(zhuǎn)差功率不隨轉(zhuǎn)速而變化，調(diào)速范圍寬，無論高速還是低速是效率都較高，在采取一定的技術(shù)措施后能實現(xiàn)高動態(tài)性能，可與直

53、流調(diào)速系統(tǒng)媲美。因此現(xiàn)在它的應(yīng)用面很廣，目前交流異步電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、風(fēng)機(jī)、泵類、傳送帶、給料系統(tǒng)、空調(diào)器等設(shè)備的電力源和動力源，并起到了節(jié)省電能，提高設(shè)備自動化，提高產(chǎn)品質(zhì)量的良好效果. 本文對交流系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，可以更加熟悉交流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，掌握各種調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)缺點，選擇合理的方案，解決實際中的問題。</p><p>　　在進(jìn)行電動機(jī)調(diào)速時，常須考慮的一個重要因素，就是希望保持電動機(jī)

54、中每極磁通量為額定值不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機(jī)的鐵芯，是一種浪費；如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴(yán)重時會因繞組過熱而損壞電機(jī)。對于直流電機(jī)，勵磁系統(tǒng)是獨立的，只要對電樞反應(yīng)有恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，保持不變是很容易做到的。在交流異步電機(jī)中，磁通由定子和轉(zhuǎn)子磁動勢合成產(chǎn)生，要保持磁通恒定就要費一些周折。</p><p><b>　　8 變頻調(diào)速的原理</b></

55、p><p>　　在異步電動機(jī)調(diào)速時，總希望保持主磁通為額定值。由異步電機(jī)定子每相電動勢有效值可知，如果略去定子阻抗下降，有 </p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　由(1)式知，若定子端電壓不變，隨著升高，將減小。又由轉(zhuǎn)矩公式知，在相同的情況下，減小會導(dǎo)致電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩下降，嚴(yán)重時會使電動機(jī)堵轉(zhuǎn)。因此，在變頻調(diào)速過程中應(yīng)

56、該同時改變定子電壓和頻率，以保持主磁通不變。而如何按比例改變電壓和頻率，要分基頻以下和基頻以上兩種情況。</p><p><b>　　8.1基頻以下調(diào)速</b></p><p>　　恒定壓頻比調(diào)速要求；當(dāng)相對較高時，可忽略定子電阻那么最大實用轉(zhuǎn)矩公式為；由于，為了保證變頻調(diào)速時電動機(jī)過載能力不變，需要滿足變頻前后，即

57、 （2）</p><p>　　對于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速,采用恒壓頻比調(diào)速控制，既保證了電機(jī)的過載能力不變，又滿足了主磁通保持不變, 而電磁轉(zhuǎn)矩表示為；據(jù)(2)式，不同頻率下的最大轉(zhuǎn)</p><p>　　矩 保持不變，則最大轉(zhuǎn)差率為 （3）</p><p>　　不同頻率時最大轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落為 （4

58、）</p><p>　　因此，恒壓頻比控制變頻調(diào)速時，因最大轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落均為常數(shù)，故此時異步電動</p><p>　　機(jī)的機(jī)械特性是一組互相平行硬度相同的曲線，如圖1 所示.</p><p><b>　　8.2基頻以上調(diào)速</b></p><p>　　基頻以上調(diào)速應(yīng)采取保持定子電壓不變的控制策略，即。由于

59、較高，可以忽略定子電阻，則最大轉(zhuǎn)矩；其對應(yīng)的最大轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)速降落同式(3)和式(4)為常數(shù)。由此可見，保持定子電壓不變，升高頻率調(diào)速時，最大轉(zhuǎn)矩隨頻率升高而減小，最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落為常數(shù)。但是越高，最大轉(zhuǎn)矩越起效，如圖2所示，基頻以上變頻調(diào)速時異步電動機(jī)的電磁功率為 （5）</p><p>　　在異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率s 很小時，式(5)中的均可以忽略，即基頻以上變頻調(diào)速時異步電動機(jī)的電磁功率近

60、似為 （6） </p><p>　　由式(6)知，在變頻調(diào)速過程中，若保持不變，轉(zhuǎn)差率s 變化也很小，故可以近似認(rèn)為不變，即恒功率調(diào)速。</p><p><b>　　9 仿真過程</b></p><p>　　綜合以上分析，制定出U-f 曲線如圖3 所示. </p>&l

61、t;p>　　關(guān)系式為 ，式中是電動機(jī)額定電壓，是電動機(jī)額定頻率，是初始電壓補(bǔ)償值. 那是因為如果頻率較低，定子阻抗壓降所占比重較大，電動機(jī)難以保持氣隙磁通不變，電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩將隨著頻率的下降而減小. 為了使電動機(jī)在低頻低速時仍有較大的轉(zhuǎn)矩，需要低頻補(bǔ)償電壓以提高定子電壓. 恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖4 所示，</p><p>　　系統(tǒng)由升降速時間設(shè)定、U-f 曲線、SPWM 調(diào)制和驅(qū)動等環(huán)節(jié)組成。其中

62、升降速時間設(shè)定用來限制電動機(jī)的升頻速度，避免轉(zhuǎn)速上升過快而造成電流和轉(zhuǎn)矩的沖擊，相當(dāng)于軟起動的作用。 U-f 曲線用于根據(jù)頻率確定相應(yīng)的電壓，以保持壓頻比不變，并且低頻時進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾妷貉a(bǔ)償。SPWM 和驅(qū)動環(huán)節(jié)將會根據(jù)頻率和電壓要求產(chǎn)生按正弦脈寬調(diào)制的驅(qū)動信號，控制逆變器以實現(xiàn)電動機(jī)的變壓變頻調(diào)速。根據(jù)實驗原理圖在Matlab軟件環(huán)境下查找器件、連線，接成入上圖所示的線路圖。</p><p><b>　

63、　9.1 具體步驟</b></p><p>　　a、點擊圖標(biāo)，打開Matlab軟件，在工具欄里根據(jù)提示點擊，再點擊matlab help，打開一個對話框，點擊里的newmodel，創(chuàng)建一個文件頭為的新文件。</p><p>　　b、點擊工具欄的，打開元器件庫查找新的元器件。</p><p><b>　　圖5</b></p>

64、;<p>　　如果不知在哪里找到元器件，可以在里輸入元器件的名稱，鍵入ENTER即可查找。</p><p>　　9.2 所用元器件及其參數(shù)設(shè)置</p><p>　　轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真MATLAB/SIMULINK 模型如下圖所示。其中給定積分器(GI，GivenIntegrator)的模型如圖7 所示，對它設(shè)定恰當(dāng)?shù)姆e分時間常數(shù)可以控制頻率上升的速率，從而設(shè)定電動機(jī)的

65、起動時間. 給定積分器后接取整環(huán)節(jié)(integer)使頻率為整數(shù). U-f 曲線、三相調(diào)制信號ua、ub、uc 均由Fcn模塊產(chǎn)生</p><p>　　圖6 轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的交流異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖7給定積分器(GI，GivenIntegrator)的模型圖</p><p>　　a.DC Voltage Source(直流電源)

66、</p><p><b>　　點擊中的找到</b></p><p>　　圖8 直流電源參數(shù)設(shè)置圖</p><p>　　電壓值設(shè)置為514V</p><p>　　b．Universal Bridge（多功能橋式電路）</p><p><b>　　點擊中的找到</b></p

67、><p>　　圖9多功能橋是電路參數(shù)設(shè)置圖</p><p>　　選擇3橋臂，選擇IGBT管。普通的橋電路起著過載保護(hù)作用，防止電流過大燒壞電機(jī)。</p><p>　　c.AC Machine（交流電機(jī)）</p><p><b>　　點擊中的找到</b></p><p>　　圖10交流電機(jī)參數(shù)設(shè)置圖&l

68、t;/p><p>　　A、B、C端分別與多功能橋式電路的A、B、C端連接，TM端接個階躍脈沖，M端輸出接電動機(jī)測量單元</p><p>　　d. MachinesMeasurementDemux（電動機(jī)測量單元）</p><p><b>　　點擊中的找到</b></p><p>　　輸入端接交流電機(jī)的M端，輸出端接示波器等測

69、量儀器</p><p>　　圖11 電機(jī)測量單元參數(shù)設(shè)置圖</p><p>　　Machine type選擇Asychronous,點選要測量的數(shù)據(jù)，分別為Stator currents[ia ib ic]、Rotor speed[wm]、Electromagnetic torque[Te]這三個。輸出分別接電流測量ia、ib、ic,和經(jīng)放大后測量的轉(zhuǎn)速n 放大倍數(shù)為9.55倍。還有就是測

70、量轉(zhuǎn)矩Te。</p><p>　　e. Constant（信號發(fā)生器）</p><p>　　輸入一個信號，參數(shù)值各不一樣，以一種情況為例。</p><p>　　圖12 信號發(fā)生器參數(shù)設(shè)置圖</p><p>　　輸入為50Hz的信號。</p><p>　　f.傳遞函數(shù)（Transfer Fcn）</p>&

71、lt;p>　　式中，為電動機(jī)額定電壓，為電動機(jī)額定頻率，。為初始電壓補(bǔ)償值。電壓U 、頻率f、時間t 經(jīng)匯總為一維量 ，其中的u (1)、u(2) 、u (3) 以次表示電壓、</p><p>　　頻率和時間。函數(shù)模塊ua 、ub 、ue 分別用于產(chǎn)生三相調(diào)制信號u. 、u b 、u c ' 即 </p><p>　　圖13 函數(shù)Ua模塊參數(shù)設(shè)置圖</p>

72、<p>　　圖14 函數(shù)Ub模塊參數(shù)設(shè)置圖</p><p>　　圖15 函數(shù)Uc模塊參數(shù)設(shè)置圖</p><p>　　f. Demux（分接器）</p><p>　　圖16 分接器參數(shù)設(shè)置圖</p><p>　　g. scope（示波器）</p><p>　　圖17示波器參數(shù)設(shè)置圖</p>&

73、lt;p>　　h. 仿真環(huán)境參數(shù)設(shè)置</p><p><b>　　點擊</b></p><p>　　圖18 仿真參數(shù)設(shè)置圖</p><p><b>　　仿真算法 仿真精度</b></p><p><b>　　9.3仿真結(jié)果</b></p><p>

74、　　根據(jù)上面的步驟查找器件，連線，即可畫出原理圖，運行之后，得到如下波形。</p><p>　　分別為ia、ib、ic、n、Te。</p><p><b>　　圖a</b></p><p><b>　　圖b</b></p><p><b>　　圖c</b></p>

75、<p>　　圖19 ia、ib、ic 、Uab、n、Te、n-Te的波形</p><p><b>　　10 仿真分析</b></p><p>　　從上圖仿真的波形可以看出，它非常接近于理論分析的波形。根據(jù)三相調(diào)制信號，由PWM 發(fā)生器產(chǎn)生逆變器驅(qū)動脈沖，經(jīng)逆變器得到頻率和幅值可調(diào)的三相電壓，使交流電動機(jī)按給定要求起動和運行。在給定頻率為50Hz ，起動時間

76、為6s 的情況下，仿真結(jié)果如圖19所示。其中a圖所示為電動機(jī)輸入的一相線電壓(有效值) ，b圖所示為轉(zhuǎn)速變化曲線，圖c所示為轉(zhuǎn)速·轉(zhuǎn)矩特性。從圖中可以看到電動機(jī)電壓基本按曲線的設(shè)定上升，但是起動中轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的波動很大。為分析轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大波動的原因，將起動過程中一段（3-4s）的電壓、轉(zhuǎn)速等波形展開如圖20所示。從逆變器輸出電壓的波形(見圖20b) 中可以看到，輸出電壓的頻率變化呈現(xiàn)出不規(guī)則，電壓頻率不是均勻地上升，中間部

77、分時段電壓波形的周期變大，頻率減小。將起動過程中的升頻曲線(見圖20d)和相應(yīng)時段的正弦調(diào)制信號(見圖20b)，以及轉(zhuǎn)速曲線(見圖20a)相比較，在頻率變化的邊界上，正弦調(diào)制信號和轉(zhuǎn)速都發(fā)生了畸變，這是因為頻率變化的時刻不一定是發(fā)生在調(diào)制信號一個完整周期的末尾，在調(diào)制正弦信號一周期尚未結(jié)束時，頻率發(fā)生了變化就可能使下一周期信號的前半周期變寬或變窄，使相應(yīng)的</p><p>　　在給定頻率為50Hz，啟動時間為5s

78、的情況下，仿真結(jié)果如下圖所示：</p><p>　　圖9-3 恒壓比 Ia，Ib，Ic輸出波形</p><p>　　圖9-4 轉(zhuǎn)速波形</p><p>　　圖9-5電磁轉(zhuǎn)矩Te波形</p><p><b>　　圖9-6恒壓比波形</b></p><p><b>　　11 總結(jié)</

79、b></p><p>　　恒壓頻比的轉(zhuǎn)速開環(huán)工作方式能滿足大多數(shù)場合交流電動機(jī)調(diào)速控制的要求，并且使用方便，是通用變頻器的基本模式。采用恒壓頻比控制，在基頻以下的調(diào)速過程中可以保持電動機(jī)氣隙磁通基本恒定，在相同轉(zhuǎn)矩條件下電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率基本不變，所以電動機(jī)有較硬的機(jī)械特性，使電動機(jī)有較好的調(diào)速性能。但是如果頻率較低，定子阻抗壓降所占比重較大，電動機(jī)難以保持氣隙磁通不變，電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩將隨頻率的下降而減小。為

80、了使電動機(jī)在低頻低速時仍有較大的轉(zhuǎn)矩，需要進(jìn)行低頻電壓補(bǔ)償，在低頻時適當(dāng)提高定子電壓，使電動機(jī)仍有較大的轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　我更加深刻的了解到直流斬波電路的功能及其在現(xiàn)實中的運用。直流斬波也稱作直流-直流變換器（DC/DC Converter），一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姷那闆r，而不包括直流-交流-直流的情況，糾正了以前的錯誤認(rèn)識。而直流變換器主要分為降壓、升壓、升降壓、Cuk、Sepic和zet

81、a電路，其中降壓和升壓是最基本的電路，可以幫助理解其他的電路。讓我又一次認(rèn)識到掌握了最基礎(chǔ)的知識才是最根本的，復(fù)雜的知識都是在一個個基礎(chǔ)知識的堆積，抓住了基礎(chǔ)，再難的問題都可以拆解開來簡化處理，都能夠很快的掌握。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)—運動控制系統(tǒng)第3版[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,

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