基于matlab的直流电机调速系统

基于matlab的直流电机调速系统内容摘要：

统的具体设计说明 双闭环直流调速系统总体设计方案 （ 1） 供电方案 选择 ： 变电压调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有 3 种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。 旋转变流机组简称 GM 系统，用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。 适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。 用静止的可控整流器，例如，晶闸管可控整流器，以获得可调直流静止可控整流器又 称 VM系电压。 通过调节触发装置 GT 的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变 dU ，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。 直流斩波器和脉宽调制交换器采用 PWM，用恒定直流或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压。 受器件各量限制，适用于中、小功率的系统。 根据本此设计的技术要求和特点选 VM 系统。 在 VM系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置 GT 输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压 dU。 由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。 考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。 因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。 并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省。 而且工作可靠，能耗小，效率高。 同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。 综上 ， 选 用 晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。 （ 2） 总 体结构选择 电动机额定电压 为 220V，为保证供电质量，应采用三相减压变压器将电源电压降低，为避免三次谐波对电源干扰，主变压器采用 D/Y 联结。 为使线路简单、工作可靠、装置体积小，宜选用 KC04 组成的六脉冲集成触发电路。 因调速精度要求高，为获得良好的静、动态性能，故选用转速、电流双闭环调速系统，且两个调节器采用 PI 调节器，电流反馈进行限流保护，出现故障电流时由快速熔断器切断这电路电源。 该 双闭环调速 系统采用减压调速方案，故励磁应该保持恒定，励磁绕组采用三相 15 不 控桥式整流电路供电，电源可从主变压器二次侧引入。 整体电路原理图见附录 1。 转速、电流双闭环调速系统原理框图如 图 所示。 转速、电流双闭环调速系统原理图如图 所示。 图 双闭环调速系统的原理图 ASR— 转速环节 ACR— 电流环节 TG— 测速发电机 TA— 电流互感器 UPE— 电力电子变换器 GT— 触发装置 nU / nU — 转速给定电压和转速反馈电压 iU / iU — 电流给定电压和电流反馈电压 转速、电流双闭环调速系统动态结构图如图 所示。 主电路设计与参数计算 主电路原理图 直流调速系统 由晶闸管 — 直流电机组成的主电路部分包括以下几部分：交流电源、晶闸管可控整流器、同步 6 脉冲触发器、移相控制环节和电动机等。 主电路原理图如图。 电源接入主回路之前先要接一个空气开关，以保护主回路。 再经过整流变压器 T降压，电源由 380V(AC)变为 220V(AC)，再经过各相一个快速熔断器接入晶闸管全桥整流电路。 这三个熔断器主要保护晶闸管，作为过电 流保护器件。 变压器一次侧和二次侧过电压保护均采用阻容吸收保护电路。 16 R7C7 C8 C9G5R6G3R5C5G1R4C4R2C6R13L1VG4 G6R7 R7G2d2d1k4k6 k2KMTQR1 R2 R3C1 C2 C3R10 R11 R12C10 C11 C12WVU+W1V1U1abUnC 18 C 19D5R 16D3R 15C 15D1R 12C 16D 1 D6R 17 R 17D2R 14C 14R 17C 17+W1V1U1baKMG1G2G3G4G5G6d1k2k4k6+15v15vU ctu sUu sVu sWu sUu sVu sWN图 主电路原理图 整流变压器的设计 工业供电电压为 AC 380V，而电动机的额定电压为 220V，所以必须通过降压变压器使之达到系统要求。 本设计采用的是直流电机，故还须通过整流电路使之变成连续的直流电压。 为避免三次谐波对电源的干扰， 整流变压器采用 D/Y11 联结的三相全控桥式接法，如图 ： 17 V T 2V T 6V T 4V T 1V T 3 V T 5ianabcTd 1d 2G 1k 4 k 6 k 2G 3 G 5G 4G 6 G 2 图 整流变压器三相全控桥式连接图 （ 1） 变压器二次侧电压 U2的计算 2U 是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。 选择过大又会造成延迟角 α 加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。 要比较精确地计算二次相电压必须考虑以下因素： ① 最小控制角 min。 在一般可逆传动系统的 min 取 30 35 的范围。 ② 电网电压波动。 根据规定电网允许波动 5% 10%，考虑在电网电压最低时要求能保证最大整流输出电压，故通常取波动系数 。 ③ 变压器漏抗产生的换相压降： 2222L d s h dr em X I m U U IU I  ④ 晶闸管或整流二极管的正向导通压降 1U。 考虑了以上因素后，变压器二次电压的计算公式 为：  m a x2 m i n 2 2c o s /d s h NU n UU A C U I I         „„„„„„ „ 式中， maxdU — 整流电路输出电压最大值； U — 为主电路中电流经过几个串联晶闸管的正向压降； A— 理想情况 0  时整流电压 0dU 与二次电压 2U 之比， 即 02dA U U ，三相桥式整流 A为 ； C— 线路接线方式系数，三相桥式整流 C为 ； shU — 变压器短路电压比， 10 100KVA 取  ，容量越大， shU 也越大； 22NII — 变压器二次侧实际工作电流与变压器二次侧额定电流之比 ，应取最大值。 所以，根据设计 要求取 min 30  ， 1VU ， 2n ， 221NII ，m ax 22 0 VdNUU,  ,  ,  ,代入式 得： 18    m a x2 m i n 2 2 2 2 0 2 1 128Vc o s / 2 . 3 4 0 . 9 0 . 8 6 6 0 . 5 0 . 0 5 1d s h NU n UU A C U I I                 电压比 12380 2 .9 7128UK U  。 （ 2） 一次侧电流 1I 和二次侧相电流 2I 的计算 在可控硅整流电路中，交流侧电流有效值 1I 与直流侧整流电流 dI 之间，存在着固定的比例关系，即 1 IdI KI ；其中比例系数 IK 因整流电路而异，例如三相桥式整流电路带大电感负载变压器二次电流有效值 2I 为： 222 1 2 2 2( ) 0 . 8 1 62 3 3 3d d d dI I I I I        „„„„„„„ 由 式 此可 得 ： 1  , 2  ； dI 取电动机额定电流 ， 考虑变压器励磁电流 和变比 K ， 得： 22 0. 81 6 13 6 11 0. 98 AIdI K I    11 1 . 0 5 1 . 0 5 0 . 8 1 6 1 3 6 3 9 . 2 3 A2 . 9 7IdKII K    （ 3） 变压器容量的计算 一次侧的容量为： 1 1 13S U I „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 二次侧的容量为： 2 2 23S U I „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 变压器平均容量：121 ()2S S S„„„„„„„„„„„„„„„„ „„„„ 式中 ， 1 380VU  ， 2 128VU  ， 1  ， 2  ； 1 1 13 3 3 8 0 3 9 .2 3 2 5 .8 2 K V AS U I     2 2 23 3 128 110 .98 24. 60 K V AS U I     1211( ) ( 2 5 . 8 2 2 4 . 6 0 ) 2 5 . 2 1 K V A22S S S     从上述数据可得变压器参数如下表 所示： 表 变压器参数 相数 接线 容量 一次侧电压 一次侧电流 二次侧电压 二次侧电流 3 D/Y11 380 V 128V 晶闸管元件选择 （ 1） 晶闸管的额定电压 晶闸管实际承受的最大峰值电压 TMU ，乘以 (2～ 3)倍的安全裕量，参照标准电压 19 等级，即可确定晶闸管的额定电压 TNU ，即 (2 3)TN TMUU „„„„„„„„„„„„„„„„ 整流电路形式为三 相全控桥，而 222 3 6TMU U U， 代入式 ,则 2( 2 3 ) ( 2 3 ) 6 ( 2 3 ) 6 12 8 62 6. 96 94 0. 43 VTN TMU U U        取 1000VTNU  （ 2） 晶闸管的额定电流 选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值 TNI 大于实际流过管子电流最大有效值 TI ，即 1. 57 ( )T N T TI I av I[8]。 晶闸管电流有效值： 3 d dI I I„„„„„„„„„„„„„„ 考虑 (～ 2)倍的裕量 ，则晶闸管的额定电流：  ( 1 . 5 2 ) ( 1 . 5 2 ) 0 . 5 7 7 0 . 3 6 8 1 . 5 21 . 5 7 1 . 5 7TdT N dIIII     „„„„„ 式中 ， dI 取电动机额定电流 136A，代入式 得：  ( 1 . 5 2 ) ( 1 . 5 2 ) 0 . 5 7 7 0 . 3 6 8 1 . 5 21 . 5 7 1 . 5 7TdT N dII       1. 5 2 0. 36 8 13 6 75 .0 7 10 0. 10 A     取 100ATNI 。 故选晶闸管的型号为 KP100— 10D。 此外，还需注意以下几点： ① 当周围环境温度超过 +40C 时，应降低元件的额定电流值。 ② 当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。 ③ 关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。 电抗器参数的计算 为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗器 dL ，称平波电抗器。 其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知的，因此电抗 器参数计算主要是电感量的计算。 （ 1） 维持输出电流连续的临界电 感量 1L 121mindKUL I „„„„„„„„„„„„„„ 式中， K1— 与整流电路有关的计算系数，三相全控桥式 K1=； 2U — 变压器二次侧相电压， 2 128VU  ； mindI — 电路所需 的最低电流，一般为 5% 10% dI ，在此取 5%。 所以， 121 m i n 0 . 6 9 3 1 2 8 1 3 . 0 4 m H0 . 0 5 1 3 6dKUL I    20 （ 2） 限 制输出电流脉动的电感量 2L m ax 2 22 /2dd i dU U UL f S I   „„„„„„„„„„ 式中， maxdU — 整流电路输出电压最大值； 2U — 变压器二次侧相电压， 2 128VU  ； df — 输出最低频率分量的频率值，三相全控桥式电路 300Hzdf  ； iS — 给定的允许电流脉动系数，通常三相整流电路中 iS 取到 5% 10% 之间，此处取 5%iS ； dI — 取电流有效值，即 136AdI 。 可得： m a x 2 22 / 2 2 0 1 2 8 1 2 8 1 7 . 1 7 m H2 2 3 . 1 4 3 0 0 0 . 0 5 1 3 6d d i dU U UL f S I          （ 3） 电动机电感量 DL 电动机的电感 DL 可按下式计算： 3( 1。