单闭环不可逆直流调速系统仿真实验设计
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任务书⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5 建模与参数设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 12 仿真结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 16 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 17 附图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 18
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任务书
单闭环不可逆直流调速系统仿真实验设计 1． 画出系统的仿真模型
2． 主电路的建模和模型的参数设置
（1） 三相对称交流电压源的建模和参数设置 （2） 晶闸管整流的建模和参数设置 （3） 平波电抗器的建模和参数设置 （4） 直流电动机的建模和参数设置
（5） 同步脉冲触发器的建模和参数设置 3． 控制电路的建模和参数设置 4． 系统的仿真参数设置
5． 系统的仿真，仿真结果的输出及结果分析
6． 打印说明书（ B5），并交软盘（一组）一张。 注意事项：
1． 系统建模时，将其分成主电路和控制电路两部分分别进行
2． 在进行参数设置时， 晶闸管整流桥、 平波电抗器、 直流电动机等的参数设 计原则
如下： 如果针对某个具体参数设置， 则对话框的有关参数应取装置 的实际值； 如果不针对某歌剧厅的装置的一般情况， 可先去这些装置的参 数默认值进行仿真。 若仿真结果不理想， 则通过仿真实验， 不断进行参数 优化，最后确定其参数。
3． 给定信号的变化范围、调节器的参数的反馈检测环节的反馈系数等可调 参数的设
置，其一般方法是通过仿真试验，不断进行参数优化。
4． 仿真时间根据实际需要而定，以能够仿真出完整的波形为前提。
5． 仿真算法的选择：通过仿真实践，从仿真能否进行、仿真的速度、仿真的 精度等方
面进行选择。
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概述
为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环系统。对调速指 标要求不高的场合， 采用单闭环系统， 按反馈的方式不同分为转速反馈、 电流反 馈、电压反馈、本次设计中采用的为单闭环不可逆直流调速系统。
转速单闭环系统原理如图 1 所示，图中将反映转速变化的电压信号作为反 馈信号，经速度变换后接到电流调节器的输入端， 与给定的电压相比较经放大后， 得到移相控制电压 Uct ，用作控制整流桥的触发电路，触发脉冲经功放后加到晶 闸管的门极和阴极之间， 以改变三象全控整流电路的输出电压， 这就构成了速度 反馈闭环系统。 电动机的转速随着给定电压变化， 电动机的最高转速由电流调节 器的输出限幅所决定，电流调节器为比例积分调节器，这是挡给定电压恒定时， 闭环系统队速度变化起到了抑制作用， 当电动机负载或电源电压波动时， 电动机 的转速能稳定在一定的范围内变化。
三相电源输出 电流反馈与 过流保护 3
3
给定 电流调节器
Uct 触
发 10
电
路
Ld
速 1 度 3 变 换 TG 测速发电机
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图 1 转速单闭环系统原理图
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原理
该系统由给定信号、速度调节器、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波 电抗器，直流电动机速度反馈等部分组成。 在仿真实验设计中采用了面向电气原 理结构图方法构建的单闭环转速负反馈直流调速系统的仿真模型。 1．转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有下述三个基本特 征，也就是反馈控制的基本规律。
1）只用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍是有静差 的。
2）反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定。
3）系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。
转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图
反馈控制闭环调速系统的动态结构框图
2. 三相全控桥式整流电路
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1) 系统原理如图 2(图 2 为晶闸管直流调速实验系统原理图， 实验系统
的主电路为三相全控桥式整流电路)
图 2 晶闸管直流调速实验系统原理图
2) 工作原理
可控整流是把交流电变成大小可调的直流电， 把晶闸管和整流二极管都堪称 理想元件， 即导通时的正向电压江和关断时的漏电流均忽略不计， 并且导通榆关 断都是瞬时完成的。
共阴极组的自然换向点在 wt1、wt3、wt5 时刻，分别触发晶闸管 VT1,VT3,VT5 共阴极组的自然换向点在 wt2,wt4,wt6 时刻分别 VT2,VT4,VT6 触发晶闸管。两族 的自 然换 向点 对应 相差 60°，电 路对 应在 本组内 换流 ，即 vt1-vt3-vt5-vt1 ⋯,vt2 —vt4 –vt6 –vt2 ⋯, 每个管子轮流导通 120°，对共阴极 而言，其输出电压波形是三项相电压波形的正半周的包络线； 对共阳极组而言其 输出电压波形是三项相电压波形的负半周的包络线。 三相桥式全控整流的输出电 压为两组输出电压之和，是相电压波形正负包络线下的面积，当 a≤60°时， Ud 的波形均为正值。所以本设计中 a≤60°。
三相桥式全控整流电路在任何时刻必须保证有两个晶闸管同时导通才能构 成电流回路．晶闸管换流只在本组内进行，每隔 120 度环流一次。 三相桥式全控整流电路的负载电压 ud 波形是六个不同的线电压的组合，当 a=0 度时，为三相线电压的正向包络线，每周期脉动六次，基波频率为 30HZ，其脉 动系数 SU=0.05 ，基本是一个平稳的直流。带大电感负载时，其平均值为
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Ud=2.34U2ΦCOSa=．1 35U2l COSa (0 °≤a≤90°) 三相全控桥式整流电路控制角 a 的起算点为相邻相电压的交点。由于线电压 超前相电压 30°。所以波形上 a 距波形原点的距离为 a+30°。 ⒉平波电抗器
再 V-M系统中， 脉动的电流会增加电机的发热， 同时也增加脉动转矩， 对机 械产
生不利。为了避免或减轻这种影响，需采用抑制电流脉动的措施，主要是：
⑴增加整流电路相数，或采用多重化技术。 ⑵设置平波电抗器
本次试验中采用设置平波电抗器的方式。 平波电抗器的电感一般按低速轻载 时保证电流连续的条件来选择。通常首先给定最小电流 Idmin ，再利用他计算所 的总电感，减去电枢电感， 即的平波电抗应有的电感值。 对于三相桥式整流电路， L=0．693U2/Idmin Idmin 一般为电动额定电流的 5%到10% ( 此公式出自《电 力拖动自动控制系统》 )经计算可的平波电抗器的电感值为 5e-3(5 ×0.001) ⒊直流电动机
在电动运行时，转速稍低， Ea﹤U, 电流方向由电网顺电压 U 方向流向电机。 ⑴．他励直流电动机的等效电路图
⑵．额定励磁下直流电动机动态结构图
在零初始条件下，去等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数，
电流与电动势的传递函数
⑶．整个电动机的动态结构图
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当 Idl=0 时，结构图化简为 当 Idl ≠ 0 时，结构图化简为
⒋同步脉冲触发器
为了保证整流装置能启动， 或在电流断续后再导通， 必须对两组中应导通的 一对晶闸管同时加触发脉冲， 本次是设计中采用加宽脉冲的方式， 使每个脉冲的 宽度大于 60°，取脉冲的宽度为 90°。脉冲的移项范围在大电感负载时为 0°～ 90°由公式
Ud=1.35U2lCOSa得，a=45°（此公式出自《电力拖动自动控制系统》 ） ⒌控制与检测环节的传递函数
直流闭环调速系统中的其他环节还有比例放大器和测速反馈环节， 他们的相 应都可以认为是瞬时的，为此他们的传递函数就是他们的放大系数，即 放大器
测速反馈
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⒍ 电流截止负反馈环节 为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题， 系
统中必须有 自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变， 就应该引入那个物理量的负反馈。 那么，引入电流负反馈， 应该能够保持电流基 本不变，使它不超过允许值。考虑到，限流作用只需在起动和堵转时起作用，正 常运行时应让电流自由地随着负载增减。 如果采用某种方法， 当电流大到一定程 度时才接入电流负反馈以限制电流， 而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转 速。这种方法叫做电流截止负反馈，简称截流反馈。
电流截止负反馈环节 如下图：
由上图可写出该系统两段静特性的方程式如下：
带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态结构图
当 Id ≤ I dcr 时，电流负反馈被截止，静特性和只有转速负反馈调速系 统的静特性式相同，即：
当 I d I dcr 时，引入了电流负反馈，静特性变成
带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性如下：
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由曲线可以看出电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻 Kp Ks Rs ，因而稳态速降极大， 特性急剧下垂。 比较电压 Ucom 与给定电压 Un* 的作 用一致，好象把理想空载转速提高到
即把理想空载转速提高到 D。 电流截止负反馈环节参数设计： 1、 Idbl 应小于电机允许的最大电流，一般取 I dbl = (1.5~2 ) I N 2、 从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电 机的额定电流，一般取 I dcr ≥( 1.1~1.2 )I N 6 控制电路工作原理：
工作时测速发电机与电动机安装在同一电机导轨上，并且它们同轴运行。测 速发电机分为直流测速发电机和交流测速发电机。 我们此处用的测速发电机为直 流发电机，测速发电机定子上装有磁极， 转子上有电枢绕组， 与普通的电机一样， 它的换向也由装在转子上的换向片与装在定子上的电刷来完成。 首先我们给励磁 绕组加一电压 Uf , 励磁电流为 I f 。 E, U, I 分别为测速发电机的电动势，
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电压及电流，Rfz 为负载电阻。如果磁场不变，则有 U=E—I×Ra=Ce n— RUfz Ra ，
Ce
即为 U Ra
1 Rfz
，从中我们可以看出，只要 Rfz Ra 不变则输出电压与转速成
正比。所以我们将负载电阻取一总电阻不变的滑动变阻器， 通过滑动变阻器取其 部分电压作为反馈电压 Un 。又因测速发电机与电机同轴，也即测速发电机与电 机同速，测速发电机的输出电压与电机的转速成正比。而 Un 又与测速发电机的 输出电压 U成正比，即 Un 与电机的转速成正比，从而实现了速度反馈成对应的 反馈电压， 与给定电压相叠加， 从而影响主回路的输入电压进而影响电机两端的 电压，改变电机的转速，最终实现对转速的反馈控制。
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建模与参数设置
在本课程设计中，选取了转速单闭环系统并对其进行仿真实验设计。 1）系统的建模包括主电路的建模和控制电路的建模两部分。
⑴ 主电路的建模和参数设置 闭环直流调速系统的主电路由三相对称交流电压源、晶闸管整流桥、平波 电抗器、直流电动机、同步脉冲触发器等部分组成，主电路见附图Ⅰ。
① 三相对称交流电压源的建模和参数设置：首先从电源模块组中选取一个 交流电压源模块，再用复制的方法得到三相电源的另两个电压源模块，并用模 块标题名称修改方法将模块标签分别改为“ A 相”、“B相”、“C相”，然后从连 接器模块组中选取“ Ground”元件和“ Bus Bar ”元件。
为了得到三相对称交流电压源，其参数设置方法及参数设置如下。 双击 A 相交流电压源图标，打开电压源参数设置对话框，在 A相交流电源 参数设置中，幅值取 220V，初相位设置为 0°，频率为 50Hz，其他为默认值， 如图Ⅲ所示。 B、C相交流电源参数设置方法与 A 相基本相同，除了将初相位设 置成互差 120°外，其他参数与 A 相相同。由此可得到三相交流电压源 。
② 晶闸管整流桥的建模和参数设置。 首先从电力电子模块中选取 “Univeral Bridge ”模块，并将模块标签改为“晶闸管整流桥” ，然后双击模块图标，打开 SCR整流桥参数设置对话框，参数设置如图 3 所示。当采用三相整流桥时，桥臂 数取 3，A、B、C三相交流电源接到整流桥的输入端，电力电子元件选择晶闸管。 参数设置的原则如下， 如果是针对某个具体的变流装置进行参数设置， 对话框中 的 Rs、 Cs、Ron、 Lon、Vf 应取该装置中晶闸管元件的实际值，如果是一般情况， 不针对某个具体的变流装置， 这些参数可先取默认值进行仿真。 若仿真结果理想， 就可认可这些设置的参数， 若仿真结果不理想， 则通过仿真实验， 不断进行参数 优化，最后确定其参数。这一参数设置原则对其它环节的参数设置也是适用的。 故我们使用默认的参数。
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图 3 晶闸管整流桥参数设置图
③ 平波电抗器的建模和参数设置。首先从元件模块中选取“ Series RLC Branch”模块，并将模块标签改为“平波电抗器” ，然后打开平波电抗器参数设 置对话框，参数设置如图 4 所示，平波电抗器的电感值设为 5e-3(5 ×10-3 )H。
图 4 平波电抗器参数设置图
④ 直流电动机的建模和参数设置。 首先从电动机系统模块中取 “ DCM achine” 模块，并将模块标签改为“直流电动机” 。直流电动机的励磁绕组“ F+-F- ”接直 流恒定励磁电源， 励磁电源可从电源模块组中选取直流电压模块， 并将电压参数 设置为 220V,电枢绕组“ A+-A-”经平波电抗器接晶闸管整流桥的输出，电动机 经 TL 端口接恒转矩负载，直流电动机的输出参数有转速 n 、电枢电流 Ia 、励磁
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电流 If 、电磁转矩 Te，通过“示波器”模块观察仿真输出图形。 电动机的参数设置步骤如下， 双击直流电动机图标， 打开滞留电动机的参数 设置对话框，滞留电动机的参数设置如图 5 所示。参数设置的原则与晶闸管整流 桥相同。
图5 直流电动机参数设置图
⑤ 同步脉冲触发器的建模和参数设置。 同步脉冲触发器包括电源和 6 脉冲触 发器两部分。 6 脉冲触发器可从附加控制器( Extras Control Blocks )子模块 组获得。 6脉冲触发器需用三相线电压同步，所以同步电源与 6 脉冲触发器及封 装后的子系统符号如图 6.1 和 6.2 所示。
图 6.1 同步电源余脉冲触发器
图 6.2 封装后的子系统符
号
至此，根据图 1主电路的连接关系， 可建立起主电路的仿真模型， 见附图Ⅰ。 图
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中触发器开关信号为“ 0”时，封锁触发器。
⑵控制电路的建模和参数设置 单闭环转速负反馈直流调速系统的控制电路由给定信号、 速度调节器、 速度 反馈等组成。仿真模型中根据需要，另增加了限幅器、偏置、反相器等模块。
① “给定信号” 模块的建模和参数设置方法与开环调速系统相同， 此处参数 设置为 100rad/s 。有静差调速系统的速度调节器采用比例调节器，系数选择为 10。
② 通过对 Uct 参数变化范围仿真实验的探索而知， 当 Uct 在 50° —180°范 围内变化时，同步脉冲触发器能够正常工作，当 Uct 为 50°时，对应的整流桥 输出电压最大，而 180°对应的输出电压反而最小， 它们是单调下降的函数关系。 因此，将限幅器的上、下限幅值设置为 [130 ，0] ，用加法器加上偏置“ -180”后 调整为[-50 ，-180] ，再经反相器转换为 [50 ，180] 。这样，在单闭环有静模块的 应用，就可将速度调节器的输出限制在使同步脉冲触发器能够正常工作的范围内 了。
③ 速度调节器、限幅器、偏置、反相器等模块的建模与参数设置都比较简单， 只要分别在 SIMULINK的“ Math”、“Nonlinear ”、“Source”模块库中找到相应 的模块，并按要求设置好参数即可。限幅器参数设置如图 7 所示。
图7 限幅器参数设置图 将主电路和控制电路的仿真模型按照单闭环转速负反馈调速系统电气原理 图的连接关系进行连接，即可得到附图Ⅱ所示的仿真模型。
2）系统的仿真参数设置 系统仿真参数设置方法与开环系统相同。 仿真中所选择的算法为 ode23s, 仿 真“ Start time ”设为 0 ，“Stop time ”设为 2，其它与开环系统相同。
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仿真结果及分析
单击工具栏的 按钮或“ Simulation ”菜单下的“ Start ”命令进行仿真， 得到图 8 所示仿真结果。
图 8 仿真结果
可以看出， 这个仿真结果的转速曲线比开环系统有了较明显的改善， 过渡过 程时间大为减小。
通过分析仿真结果不难得出以下论断： 闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性， 闭环系统静特性 可以比开环系统机械特性硬得多， 为此所需付出的代价是须增设电压放大器 及检测与反馈装置。
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参考文献
1. 莫正康主编 . 半导体变流技术 . 机械工业出版社， 1992 2. 陈伯时主编 . 电力拖动自动控制系统——运动控制系统 出版社， 2003
. 机械工业
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附图
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Va
V
b
SCoPe
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