三闭环调速系统的matlab计算算及仿真

闭环直流调速系统的matlab的计算及仿真

摘要:直流电动机因其良好的调速性能在电力拖动中得到广泛应用,因此在今后相当长的一段时期内直流调速和交流调速并存,未来直流调速系统还将获得更大的发展并发挥重要的作用。直流电动机电流、转速双闭环调速系统存在当转速上升时,电流变化率高,使电动机换向条件恶化的问题,而三环调速系统是在电流、转速双闭环直流控制系统中,再加上一个电流变化率内环,在众多的控制方式中,三环调速系统是性能最佳的控制方式。本文对直流电动机三闭环调速系统做了仿真分析,结果表明它具有更好的整体性能。

本文在分析三闭环直流调速系统原理基础上,根据系统的动、静态性能指标采用工程设计方法设计调节器参数,并运用Matlab 的Simulink 和Power System 工具箱、面向系统电气原理结构现了转速电流三闭环直流调速系统的建模与仿真;重点介绍了电流变化率环建模、转速环和电流环等参数的设置,给出了直流可逆调速系统的仿真模型和结果,仿真结果验证了仿真模型图的仿真方法,实及参数设置的正确性,表明电流变化率得到抑制,同时又能保持允许的最大变化率,使整个电流波形更接近于理想波形。

关键词:直流电动机,三闭环调速系统,参数设置,MATLAB,系统仿真

Loop DC speed control system matlab calculation and simulation Abstract: DC motor speed control because of its good performance in electric drive has beenwidely used, so in the future for a long period of time, AC variable speed DC drive and coexistence, the future DC speed control system will achieve greater development and play an important role. DC motor current, speed dual-loop speed control system exists when the speed increases, the current change rate, the motor commutation condition worsening problem, and tricyclic speed control system is current, speed Double Loop DC control system, coupled with current rate of change on an inner ring, in many control mode, the ring system is the best performance speed control mode. In this paper, three closed-loop DC motor speed control system to do a simulation analysis, the results show that it has better overall performance.

This paper analyzes the three principles of the closed-loop DC speed control system based on the system dynamic and static performance indicators engineering design methods using the control parameters, and the use of Matlab Simulink and Power System Toolbox, system-oriented electrical schematic diagram of the simulation method to achieve a speed of current three-Loop DC speed control system modeling and simulation; focuses on the current rate of change modeling loop, speed loop and current loop parameters such settings, gives the DC SR system simulation models and results the simulation results validate the simulation model and parameter settings are correct, indicating that the current rate of change can be suppressed while maintaining the maximum allowable rate of change, so that the entire current waveform closer to the ideal waveform.

Keywords: DC motor; three loop speed control system; parameter settings; MATLAB; system simulation

目录

1 引言 (1)

1.1 直流调速系统的研究背景和意义 (1)

1.2 国内外研究现状和应用前景 (2)

1.3 论文主要研究内容 (3)

2 Matlab+Simulink简介 (4)

2.1 simulink的功能 (4)

2.2 simulink的仿真步骤 (5)

3 直流调速系统的控制原理 (6)

3.1 直流调速系统的方案 (6)

3.2 直流电动机的调速方法 (7)

3.2.1调节电枢供电电压U (7)

3.2.2 改变电动机主磁通Ф (7)

3.2.3 改变电枢回路电阻R (8)

3.3直流调速系统用的可控直流电源 (8)

3.3.1 旋转变流机组 (9)

3.3.2 静止可控整流器 (10)

3.3.3 PWM调速系统有以下优点: (11)

3.4 直流电机的构成及工作原理 (12)

3.4.1直流电动机的构成 (12)

3.4.2 直流电机励磁方式 (12)

3.4.3 直流电动机工作原理 (12)

3.5 电动机调速指标 (13)

3.5.1 调速范围 (13)

3.5.2 静差率 (13)

3.5.3 调速的平滑性 (14)

4 单闭环直流调速系统的组成及仿真 (15)

4.1 转速负反馈闭环直流调速系统 (15)

4.1.2转速负反馈闭环调速系统的matlab仿真: (16)

4.2电流负反馈闭环调速系统 (17)

5 转速、电流双闭环直流调速系统 (20)

5.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成 (20)

5.1.1 系统电路结构 (21)

5.1.2 系统稳态结构 (22)

5.1.3 系统动态结构 (22)

5.2 起动过程分析 (23)

5.3 动态抗扰性能分析 (25)

5.4 双闭环调速系统的工作原理 (25)

5.4.1. 以电流调节器ACR为核心的电流环工作原理 (25)

5.4.2. 以转速调节器ASR为核心的转速环工作原理 (25)

5.5 双闭环调速系统的建模与仿真 (26)

5.5.1 Simulink仿真: (26)

5.5.2 仿真结果及抗干扰性能仿真图: (27)

6 三闭环直流调速系统的设计原理及方案 (28)

6.1 转速、电流、电流变化率三闭环调速系统的设计方案 (28)

6.1.1电流变化率环的设计 (29)

6.1.2 电流调节器的设计 (30)

6.1.3 转速环的设计 (31)

6.1.4参数设置结果: (32)

6.2 系统仿真 (33)

6.2.1.三闭环直流调速系统simulink建模与仿真结果 (33)

6.3 三闭环与双闭环直流调速系统的对比 (36)

6.4 三闭环与双闭环直流调速系统抗干扰性能的对比 (37)

7 结论 (40)

参考文献 (40)

致谢 (42)

1 引言

1.1 直流调速系统的研究背景和意义

计算机技术的发展正在影响着人类生活的各个方面,计算机的应用随着软件和硬件技术日益发展,出现了前所未有的繁荣。特别是一些具有新技术的计算机芯片的出现,给计算机技术在工业控制方面的应用提供了新的开发环境。例如:C8051单片机就比以前的8051单片机增加了许多功能,特别是使用了流水线指令执行结构,速度很快;数字信号处理器DSP的出现和新功能的不断开发,在工业控制领域的应用有后来居上的势头。

用计算机控制电力拖动控制系统是计算机应用的一个重要内容。直流调速系统在工农业生产中有着广泛的应用。随着计算机技术和电力电子技术的飞速发展,两者的有机结合使电力拖动控制产生了新的变化。计算机技术、电力电子技术和直流拖动技术的组合是技术领域的交叉,具有广泛的应用前景。直流调速控制系统的控制方法经历了机械式的、双机组式的、分立元件电路式的、集成电路式的、单片机式的发展过程。随着数字信号处理器DSP的出现,给直流调速控制提供了新的手段和方法。将计算机技术的最新发展成果运用在直流调速系统中,在经典控制的基础之上探讨一种新的控制方法,为计算机技术在电力拖动控制系统中的应用做些研究性的工作]1[。

用计算机技术实现直流调速控制系统,计算机的选型很多。直流调速系统的内容十分丰富,有开环控制系统,有闭环控制系统:有单闭环控制系统,有双闭环控制系统和多闭环控制系统;有可逆调速系统,有不可逆调速系统等。目前,对于控制对象的研究和讨论很多,有比较成熟的理论,但实现控制的方法和手段随着技术的发展,特别是计算机技术的发展,不断地进行技术升级]2[。这个过程经历了从分立元件控制,集成电路控制和单片计算机控制等过程。每一次的技术升级都使控制系统的性能有较大地提高和改进。随着新的控制芯片的出现,给技术升级提供了新的可能。

本研究的理论基础有电机控制、电力电子技术、自动控制原理、计算机控制技术等理论。研究设想是:通过研究提出合理的硬件方案和算法,主要进行的是理想情况下的可行性研究,具有工程应用的可能和超前性。由于不具备实现条件,在系统参数选择和调试方法上,运用MATLAB软件进行了仿真。

1.2 国内外研究现状和应用前景

我国直流调速传动装置经历了三个发展阶段:第一阶段,66年~76年可控硅直流调速传动装置应用技术的创始阶段。第二阶段,78年~92年,不少设计、研究、制造单位吸取了前一阶段的经验教训,学习和借鉴国外厂家先进设计经验,表现在三个方面,1.系统设计学习德国西门子公司双环理论及开发MODULPACC系列先进设计方法。2.元件筛选及选用上注意了半导体元件质量(特别是印板工艺进行了改革一大板结构),控制系统的可靠性大大提高。3.整机制造技术工艺上的改进。第三阶段,92~03年,世界各国的外商向开放的中国市场推销技术先进、性能良好的全数字直流调速传动装置,比较典型的是西门子公司6R24~27系列的直流调速传动装置及ABB公司推出的DCV700系列和英国欧陆公司SSD-590系列。

直流调速控制系统具有良好的启制动、正反转及调速等性能,目前在调速领域中仍占主要地位。按供电方式,它可分交流机组供电、水银整流供电和晶闸管供电三类。晶闸管供电的直流调速控制系统具有良好的技术经济指标。因此,在国内外已取代了其他两种供电方式。目前,我国的直流调速控制主要在以下几个方面进行着研究]3[。

①提高调速的单机容量。我国现有最大单机容量为7000kW,国外单机容量已达14500kW。

②提高电力电子器件的生产水平,增加品种。20世纪50年代末出现的无自关断能力的半控型普通晶闸管是第一代电力电子器件。70年代以后,出现了能自关断的全控型器件,如电力晶体管(GTR)、电力场效应管(MOSFET)、静电感应晶体管(SIT)和静电感应晶闸管(SITH)等称之为第二代电力电子器件,使得变流器结构变得简单、紧凑。80年代后,出现了电力集成电路(PIC),属于第三代电力电子器件,在PIC中,不仅含有主电路的器件,而且把驱动电路以及过压、过电流保护、电流检测甚至温度自动控制等电路都集成在一起,形成一个整体。当今,电力电子器件正在向大功率化、高频化、模块化、智能化发展。

③提高控制单元水平。目前国内使用较多的仍是小规模集成运放和组件构成的交直流调速控制系统,触发装置甚至仍是分立元件的,目前,国外的第四代产品以微处理机为基础,具有控制、监视、保护、诊断及自复原等多种功能。

1.3 论文主要研究内容

在分析三闭环直流调速系统原理基础上,根据系统的动、静态性能指标采用工程设计方法设计调节器参数,并运用Matlab 的Simulink 和Power System 工具箱、面向系统电气原理结构图的仿真方法,实现了转速电流三闭环直流调速系统的建模与仿真;重点介绍了电流变化率环建模、直流电机模块互感等参数的设置,给出了直流可逆调速系统的仿真模型和结果,仿真结果验证了仿真模型及参数设置的正确性]4[。

2 Matlab+Simulink简介

Matlab是由MathWorks公司于1984年推出的一套数值计算软件,分为总包和若干个工具箱,可以实现数值分析、优化、统计、偏微分方程数值解、自动控制、信号处理、图像处理等若干个领域的计算和图形显示功能。他将不同数学分支的算法以函数的形式分类成库,使用时直接调用这些函数并赋予实际参数就可以解决问题,快速而准确。该软件有简单易学、代码短小高效、计算功能强大、强大的图形表达功能、可扩展性。

Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。使用Simulink 来建模分析和仿真各种动态系统(包括连续系统,离散系统和混合系统),将是一件非常轻松的事情。它提供了一种图形化的交互环境,只需用鼠标拖动的方法便能迅速地建立起系统框图模型,甚至不需要编写一行代码。它和Matlab的无缝结合使得用户可以利用Matlab丰富的资源,建立仿真模型,监控仿真过程,分析仿真结果。

2.1 simulink的功能

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。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模,它也支持多速率系统,也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型,Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ,这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成,它提供了一种更快捷、直接明了的方式,而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统,包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统,Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。.

构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能,也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB紧密集成,可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。

2.2 simulink的仿真步骤

(1) 在MATLAB的命令窗口运行simulink命令,或单击工具栏中的图标,就可以打开Simulink模块库浏览器(Simulink Library Browser) 窗口

(2)单击工具栏上的图标或选择菜单“File”——“New”——“Model”,新建一个名为“untitled”的空白模型窗口。

(3)(3) 在上图的右侧子模块窗口中,单击“Source”子模块库前的“+”(或双击Source),或者直接在左侧模块和工具箱栏单击Simulink下的Source子模块库,便可看到各种输入源模块。

(4)用鼠标单击所需要的输入信号源模块“Sine Wave”(正弦信号),将其拖放到的空白模型窗口“untitled”,则“Sine Wave”模块就被添加到untitled窗口;也可以用鼠标选中“Sine Wave”模块,单击鼠标右键,在快捷菜单中选择“add to 'untitled'”命令,就可以将“Sine Wave”模块添加到untitled窗口。

(5)用同样的方法打开接收模块库“Sinks”,选择其中的“Scope”模块(示波器)拖放到“untitled”窗口中。

(6)在“untitled”窗口中,用鼠标指向“Sine Wave”右侧的输出端,当光标变为十字符时,按住鼠标拖向“Scope”模块的输入端,松开鼠标按键,就完成了两个模块间的信号线连接,一个简单模型已经建成。

(7)开始仿真,单击“untitled”模型窗口中“开始仿真”图标,或者选择菜单“Simulink”——“Start”,则仿真开始。双击“Scope”模块出现示波器显示屏,可以看到黄色的正弦波形。

(8)保存模型,单击工具栏的图标,将该模型保存为“Ex0701.mdl”文件]5[。

3 直流调速系统的控制原理

3.1 直流调速系统的方案

电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备,所以需要根据工艺要求调节其转速。比如:在加工毛坯工件时,为了防止工件表面对生产刀具的磨损,因此加工时要求电机低速运行;而在对工件进行精加工时,为了要缩短工加时间,提高产品的成本效益,因此加工时要求电机高速运行。所以,我们就将调节电动机转速,以适应生产要求的过程就称之为调速;而用于完成这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统。目前调速系统分交流和直流调速系统,由于直流调速系统的调速范围广,静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能。因此在相当长的时期内,高性能的调速系统几乎都采用了直流调速系统。

稳态指标:主要是要求系统能在最高和最低转速内进行平滑调节,并且在不同转速下工作时能稳定运行,而在某一转速下稳定运行时,尽量少受负载变化及电源电压波动的影响。因此它的指标就是调速系统的调速范围和静差率。

动态性能指标:主要是平稳性和抗干扰能力。

直流电机的电磁转矩的大小常用下式表示:

a t e I C T Φ= 式(3.1)

式中,e T ——电动机的电磁转矩,单位为N ·m ; Ф——励磁磁通,单位为Wb ;

a I ——电枢电流,单位为A ;t C ——由电机结构决定的转矩常数。

以上分析表明,直流电动机电磁转矩中的两个可控参量和a I 是互相独立的,可以非常方便地分别调节,这种机理使直流电动机具有良好的转矩控制特性,从而有优良的转速调节性能。

由直流电动机的转速特性知道,直流电动机的转速和其他参量的关系用下式表示:

Φ

-=e a C R I U n 式(3.2) 式中,n ——电动机转速,单位为r/min ; U ——电枢供电电压,单位为v ;

e C ——由电机结构决定的电势常数,t C =9.55e C

在式(2-2)中,e C 为常数,a I 的大小取决于负载转矩。

B A 1 B A 3.2 直流电动机的调速方法

3.2.1调节电枢供电电压U

改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压,从电动机额定转速向下变速,属恒转矩调速方法.对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说,这种方法最好。a I 变化遇到的时间常数较小,能快速响应,但是需要大容量可调直流电源。

3.2.2 改变电动机主磁通Ф 改变磁通可以实现无级平滑调速,但只能减弱磁通,从电动机额定转速向上调速,属恒功率调速方法,f I 变化时遇到的时间常数同a I 变化遇到的相比要大得多,响应速度较慢,但所需电源容量小。

图3.1 降压调速原理

3.2.3 改变电枢回路电阻R

在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法,设备简单,操作方便。但是只能有级调速,调速平滑性差,机械特性较软;空载时几乎没什么调速作用;在调速电阻上消耗大量电能。

改变电阻调速缺点很多,目前很少采用,仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大,往往是和调压调速配合使用,在额定转速以上作小范围的升速。因此,自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主,必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。

图3.3 电枢回路串电阻调速

3.3直流调速系统用的可控直流电源

改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法,调节电枢供电电压或者改变励磁磁通,都需要有专门的可控直流电源,常用的可控直流电源有以下三种:

1. 旋转变流机组。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。

2. 静止可控整流器。用静止的可控整流器,如汞弧整流器和晶闸管整流装置,产生可调的直流电压。

3. 直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不控整流电源供电,利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压]6[。

下面分别对各种可控直流电源以及由它供电的直流调速系统作概括性介绍

3.3.1 旋转变流机组

以旋转变流机组作为可调电源的直流电动机调速系统的原理图如图3.4所示。

图3.4 旋转变流机组供电的直流调速系统

由交流电动机(称原动机,通常采用三相交流异步电动机)拖动直流发电机G实现变流,由G给需要调速的直流电动机M供电,调节发电机的励磁电流i的大小,就能够方便地改变其输出电压U,从而调节电动机的转速n。这种调速系统叫做发电机—电动机系统,简称G-M系统,国际上通称Ward-Leonard系统。为了供给直流发电机G和电动机M的励磁,还需专门设置一台并励的直流励磁发电机GE,可装在变流机组同轴上由原动机拖动,也可另外单用一台交流电动机拖动。

对系统的调速性能要求不高时,i可直接由励磁电源供电,要求较高的闭环直流调速系统一般都通过放大装置(G-M系统的放大装置多采用交磁放大机或磁放大器)进行控制。如果改变i的方向,则U的极性和n的转向都跟着改变,因此G-M系统的可逆运行是很容易的,图3.5给出了采用旋转变流机组供电时电动机可逆运行的机械特性,它们基本上都是相互平行的直线,由图3.5可见,G-M系统可以在允许转矩范围内实现四象限运行]7[。

图3.5 G-M系统的机械特性

G-M系统具有很好的调速性能,在20世纪50年代曾广泛地使用,至今在尚未进行设备更新的地方仍然使用这种系统。但是这种由机组供电的直流调速系统需要旋转变流机组,至少包含两台与调速直流电动机容量相当的旋转电机(原动机和直流发电机)和一台容量小一些的励磁发电机,因而设备多、体积大、效率低、安装需打地基、运行有噪音、维护不方便。为了克服这些缺点,在20世纪50年代开始采用静止变流装置来代替旋转变流机组,直流调速系统进入了由静止变流装置供电的时代。

3.3.2 静止可控整流器

在20世纪50年代,开始采用汞弧整流器和闸流管这样的静止变流装置来代替旋转变流机组,形成所谓的离子拖动系统。离子拖动系统克服了旋转变流机组的许多缺点,而且缩短了响应时间,但是由于汞弧整流器造价较高,体积仍然很大,维护麻烦,尤其是水银如果泄漏,将会污染环境,严重危害身体健康。因此,应用时间不长,到了20世纪60年代又让位给更经济可靠的晶闸管整流器。

1957年,晶闸管问世,它是一种大功率半导体可控整流元件,俗称可控硅整流元件,简称“可控硅”,20世纪60年代起就已生产出成套的晶闸管整流装置。晶闸管问世以来,变流技术出现了根本性的变革]8[。目前,采用晶闸管整流供电的直流电动机调速系统(即晶闸管—电动机调速系统,简称V-M系统,又称静止的Ward-Leonard系统)己经成为直流调速系统的主要形式。图3.6所示为V-M系统的原理框图。

图3.6 V-M系统的原理框图

图3.6中VT是晶闸管可控整流器,它可以是任意一种整流电路,通过调节触发装置

GT的控制电压来移动触发脉冲的相位,从而改变整流输出电压平均值

U,实现电动机

d

的平滑调速。和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比,晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高,而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管可控整流器的控制功率小,有利于微电子技术引入到强电领域;在控制作用的快速性上也大大提高,有利于改善系统的动态性能]9[。但是,晶闸管整流器也有它的缺点,主要表现在以下方面:

1) 晶闸管一般是单向导电元件,晶闸管整流器的电流是不允许反向的,这给电动机实现可逆运行造成困难。必须实现四象限可逆运行时,只好采用开关切换或正、反两组全控型整流电路,构成V-M可逆调速系统,后者所用变流设备要增多一倍。

2) 晶闸管元件对于过电压、过电流以及过高的dt

du和dt

di十分敏感,其中任一指标超过允许值都可能在很短时间内使元件损坏,因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件,而且在选择元件时还应保留有足够的余量,以保证晶闸管装置的可靠运行。

3) 晶闸管的控制原理决定了只能滞后触发,因此晶闸管可控整流器对交流电源来说相当于一个感性负载,吸取滞后的无功电流,因此功率因数低,特别是在深调速状态,即系统在较低速运行时,晶闸管的导通角很小,使得系统的功率因数很低,并产生较大的高次谐波电流,引起电网电压波形畸变,殃及附近的用电设备。如果采用晶闸管整流装置的调速系统在电网中所占容量比重较大,将造成所谓的“电力公害”。为此,应采取相应的无功补偿、滤波和高次谐波的抑制措施。

4) 晶闸管整流装置的输出电压是脉动的,而且脉波数总是有限的,如果主电路电感不是非常大,则输出电流总存在连续和断续两种情况,因而机械特性也有连续和断续两段,连续段特性比较硬,基本上还是直线;断续段特性则很软,而且呈现出显著的非线性]11[。

3.3.3 PWM调速系统有以下优点:

1) 采用全控型器件的PWM调速系统,其脉宽调制电路的开关频率高,一般在几kHz,因此系统的频带宽,响应速度快,动态抗扰能力强]12[。

2) 由于开关频率高,仅靠电动机电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流

电流,电枢电流容易连续,系统的低速性能好,稳速精度高,调速范围宽,同时电动机的损耗和发热都较小。

3) PWM系统中,主回路的电力电子器件工作在开关状态,损耗小,装置效率高,而且对交流电网的影响小,没有晶闸管整流器对电网的“污染”,功率因数高,效率高。

4) 主电路所需的功率元件少,线路简单,控制方便]13[。

目前,受到器件容量的限制,PWM直流调速系统只用于中、小功率的系统。

3.4 直流电机的构成及工作原理

3.4.1直流电动机的构成

(1)定子:主磁极、换向磁极、端盖、机座、电刷装置;

(2)转子:电枢绕组、电枢铁心、换向装置、转轴、风扇;

(3)气隙:

3.4.2 直流电机励磁方式

励磁绕组的供电方式称为励磁方式。按照励磁方式,直流电机分成他励和自励两大类,其中自励式又分为并励、串励和复励三种。图2.1给出了这四种励磁方式的电路图。

图3.7直流电动机按励磁方式分类

a)他励式 b)并励式 c)串励式 d)复励式

3.4.3 直流电动机工作原理

如果将直流电压直接加到线圈上,导体中就有直流电流通过。设导体中的电流为i,载流导体在磁场中将受到电磁力f,f=bil,作用于线圈上的电磁转矩T则等于2倍的电磁力乘上力臂,即

22

D T f bilD == 式(3.3) 式(3.3)中,D 为电枢外径。

若电流i 为恒定,转子旋转一周时,气隙磁通密度b 的方向为一正一负,因此电磁转矩T 将是交变的,一个周期的平均值为0,无法使电枢持续旋转,然而在直流电动机中,电流并非直接接入线圈,而是通过两个电刷和换向器再接入线圈,这样情况就不同了。因为两个电刷静止不动,电流i 总是从正极性电刷流入,经过旋转的换向片,由另一个电刷负极性电刷流出。故当导体旋转而交替的处于两个磁极下时,导体中的电流将随其所处磁极极性的改变而同时改变其方向,从而使电磁转矩的方向始终保持不变,并使电动机持续旋转。此时电刷和换向器起到把外部电源流入的直流,改变成线圈内的交流的“逆变”作用。这就是直流电动机的工作原理]14[。

3.5 电动机调速指标

稳态指标:主要是要求系统能在最高和最低转速内进行平滑调节,并且在不同转速下工作时能稳定运行,而在某一转速下稳定运行时,尽量少受负载变化及电源电压波动的影响。因此稳态指标就是调速系统的调速范围和静差率]15[。

3.5.1 调速范围

生产机械要求电动机提供的最高转速max n 和最低转速min n 之比叫做调速范围,用字母D 表示,即

max min

n D n = 式(3.4) 其中max n 和min n 一般都指电机额定负载时的转速,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转速。

3.5.2 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所对应的转速降落nom n ?与理想空载转速0n 之比,称作静差率s ,即

nom n s n ?= 式(3.5)

静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度。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。

调速范围和静差率两项指标并不是彼此孤立的必须同时提才有意义,一个调速系统的调速范围,是指在最低速时还能满足所提静差率要求的转速可调范围。脱离了对静差率的要求,任何调速系统都可以得到极高的调速范围;反过来,脱离了调速范围,要满足给定的静差率也就容易得多了]16[。

3.5.3 调速的平滑性

相邻两级转速的接近程度叫做调速的平滑性,可用平滑系数来衡量,它是相邻两级转速之比,即

1

i i n n ?-= 式(3.6) 越接近于1,平滑性越好。在1.06以下时,可认为转速基本上连续可调,级数接近无穷多,称作无级调速。

4 单闭环直流调速系统的组成及仿真

要维持电动机的转速稳定,可引入该物理量的反馈量,构成反馈闭环控制系统。常用的反馈系统有转速反馈、电压反馈和电流反馈系统

4.1 转速负反馈闭环直流调速系统

在电动机轴上安装一台测速发电机TG ,从而引出与被调量—转速成正比的负反馈电压与转速给定电压相比较后,得到偏差电压经过放大器A ,产生触发装置GT 的控制电压,用以控制电动机转速]17[。

只要转速出现偏差,该系统就会自动产生纠正偏差的作用。转速降落正是由负载引起的转速偏差,显然,该系统可大大减少转速降落。

下面分析这个闭环调速系统的稳定性。为了突出主要矛盾,先作如下的假定:

(1)忽略各种非线性因素,假定各环节的输入输出关系都是线性的;

(2) 假定只工作在V-M 系统开环机械特性的连续段;

(3) 忽略直流电源和电位器的内阻。

转速负反馈闭环调速系统的静特性方程式:

**(1/)(1)(1)

p s n d p s n d e p s e e e K K U I R

K K U RI n C K K C C K C K α-==-+++ 式(4.1) 上式中K=/p s e K K C α为闭环系统的开环放大系数,此处以1//e C n U =作为电动机环

图4.1采用转速负反馈的闭环调速系统

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