直流电动机开环调速系统设计与仿真.doc
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直流电动机开环调速系统设计与仿真.doc
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东北大学秦皇岛分校课程设计用纸
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
专业名称
自动化
班级学号
学生姓名
指导教师
设计时间
2015.7.13~2014.7.24
成绩
目录
1.设计任务书 3
2.概述 4
2.1前言 4
2.2系统原理 4
2.3simulink框图 5
3.元件参数设置 7
3.1三相交流电压源设置 7
3.2.同步六脉冲触发器 7
3.3.三相全控桥整流电路 8
3.4.直流电动机设计 8
4.仿真结果分析 9
4.2当时 12
4.3当时 14
4.4当时 17
4.5励磁电流 19
5.结论 20
6.参考文献 22
7.结束语 22
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,,;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。
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、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:
3天(7月13日~7月15日)
具体设计(含上机实验):
6天(7月16日~7月21日)
编写课程设计说明书:
2天(7月22日~7月23日)
答辩:
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,电枢回路电压变化从而实现直流电动机的调速功能。
三相交流电源
三相桥式全控整流电路
直流电动机
Uct
六脉冲触发器
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Uct控制。
三相全控桥式整流电路图如下:
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α的移相范围为0-90o,设定Uct最大值为+15V,α最小值为0o,得移相特性α=90-6Uct。
当Uct为最大值+15V时,控制角α为最小值0o,由Ud=2.34U2cosα可知,此时整流输出电压Ud为最大值,Uct减小则控制角α增大,整流输出电压Ud减小,当Uct为0V时,控制角α为最大值90o,整流输出电压Ud为最小值。
2.3simulink框图
图2-3simulink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α=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=2.34U2cosα可得,此时U2=94.02V,即三相交流电压相电压有效值为94.02V。
3.2.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10o。
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
3.4.直流电动机设计
图3-4直流电动机参数设置
参数计算:
电枢电阻:
电枢电感:
励磁电阻:
电枢绕组和励磁绕组互感:
转动惯量:
额定转矩:
4.仿真结果分析
4.1当时
①转速
理论值:
图4-1α=0o时直流电动机转速
②转矩
图4-2α=0o时直流电动机转矩
③整流电压
平均电压理论值:
图4-3α=0o时整流器输出电压
图4-4α=0o时整流器输出电压平均值
④电枢电流
图4-5α=0o时直流电动机电枢电流
4.2当时
①转速
理论值:
图4-6α=30o时直流电动机转速
②转矩
图4-7α=30o时直流电动机转矩
③整流电压
平均电压理论值:
图4-8α=30o整流器输出电压
图4-9α=30o时整流器输出电压平均值
④电枢电流
图4-10α=30o时直流电动机电枢电流
4.3当时
①转速
理论值:
图4-11α=60o时直流电动机转速
②转矩
图4-12α=60o时直流电动机转矩
③整流电压
平均电压理论值:
图4-13α=60o时整流器输出电压
图4-14α=60o时整流器输出电压平均值
④电枢电流
图4-15α=60o时直流电动机电枢电流
4.4当时
①转速
理论值:
图4-16α=90o时直流电动机转速
②转矩
图4-17α=90o时直流电动机转矩
③整流电压
平均电压理论值:
图4-18α=90o时整流器输出电压
图4-19α=90o时整流器输出电压平均值
④电枢电流
图4-20α=90o时电枢电流
4.5励磁电流
图4-21励磁电流
5.结论
图5-1降压调速机械特性
图5-2控制角与转速关系曲线
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α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α使输出整流电压平均值从最大值降到最小值,α从0o到90o变化,对α为0o,30o,60o,90o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α=0o时,整流电压平均值约为220V,在额定转矩Tl=Tn=171(N*m),电枢电流Ia=In=136A时,对应额定转速约为1460r/min;
(2)当α=30o时,整流电压平均值约为190.5V,在额定转矩Tl=Tn=171(N*m),电枢电流Ia=In=136A时,对应额定转速约为1236r/min;
(3)当α=60o时,整流电压平均值约为110V,在额定转矩Tl=Tn=171(N*m),电枢电流Ia=In=136A时,对应额定转速约为622r/min;
(4)当α=90o时,整流电压平均值约为0V,在额定转矩Tl=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α的增大,整流电压平均值降低,电机转速降低,其中α=90o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Tl=Tn=171(N*m)恒定,又Tl=9.55Ce*Ia,所以电枢电流Ia=In=136A,即在额定负载下,电枢电流Ia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,转速的稳定性要好得多。
6.参考文献
[1]金海明,郑安平.电力电子技术[M].北京:
北京邮电大学出版社,2005.
[2]张家生.电机原理与拖动基础[M].北京:
北京邮电大学出版社,2005.
[3]任彦硕,赵一丁.自动控制系统[M].北京:
北京邮电大学出版社,2007.
[4]顾春雷.电力拖动自动控制系统与MATLAB仿真[M].北京:
清华大学出版社.2011.
7.结束语
在本次课程设计中,对晶闸管相控整流技术有了更加深入的了解,通过实践验证了理论知识,解答了之前课堂中关于晶闸管相控整流技术存在的一些疑惑;也对直流他励电机工作原理、降压调速原理、机械特性等有了更加全面的认识;同时又学习了matlab仿真软件的一些课堂上没有涉及到的功能,对matlab仿真软件有了进一步的了解和应用。
这次课设还让我们懂得了看上去简单的东西,实际动手去做就不一定像想象的那样简单了。
刚开始拿到课设题目,感觉还是很简单的,但是我们实际去做的时候还是遇到了这样那样的问题,单单仿真那块就遇到了很多问题,由于我们之前课上学的matlab只是学到了非常基础的功能,这次课设用到的一些matlab就得要先自学。
把simlink框图搭建好后,开始仿真,又出现了很多问题,仿真结果总是与理论值相差很多,对一些参数的设定也拿不准,于是又查资料、向老师和同学请教,经过几天的研究,对一些参
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- 关 键 词:
- 直流电动机 开环 调速 系统 设计 仿真