晶闸管单闭环直流调速主电路设计与MATLAB仿真的课程设计.doc

目录
一.课程设计的目的 (3)
二.课程设计的任务、指标内容及要求 (3)
三．MATLAB软件开发系统功能简介及函数应用..........................................3～4 四．调速控制系统的性能指标 (4)
五. 单闭环直流电动机系统………………………………………………………………4～5
六.电路设计和仿真 (5)
6.1 电路原理………………………………………………………………………5～6
6.2 参数设定及Matlab 的仿真…………………………………………………6～8
6.3 仿真结果………………………………………………………………………8～9
七.总结 (10)
八．参考文献 (10)
一. 课程设计的目的
在学习完《电力电子技术》相关课程之后进行的一个重要的实践性教学环节，是电气自动化专业学生在整个学习过程中一项综合性实践环节，是工程技术应用型人才培养目标的重要组成部分，是走向工作岗位、从事专业技术之前的一项综合性技能训练，对学生的职业能力培养和实践技能训练具有相当重要的意义。

1、通过课题设计，可提高学生综合运用知识的能力，能巩固课程知识，加深对理论知识的理解，巩固和扩展学生的知识领域、训练学生综合运用所学的理论知识，培养学生严谨的科学态度和提高独立工作的能力，提升学生发现问题和解决问题的能力，从而能初步解决一些实际问题。

2、通过设计，能初步掌握电力电子系统设计方法，培养学生查阅资料，文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。

独立获取新知识、新信息的能力，熟悉国家有关技术和经济方面的方针政策和安全规程，训练使用设计手册的技术资料的能力；
3、提高学生课程设计报告撰写水平，为以后其它学科写课程设计实验报告积累经验。

4、培养学生设计和绘制电路图的能力。

二. 设计的任务、指标内容及要求。

本课题的设计任务是利用MATLAB 6.5软件设计晶闸管单环直流调速主电路，设计主电路控制参数和PID调节器参数。

设计要求是：
1、掌握MATLAB软件开发系统常用控件和SIMULINK控件的使用、属性设置、事件处理。

2、掌握MATLAB软件开发系统中常数、变量、语句和常用函数。

3、掌握晶闸管单环直流调速主电路的组成和仿真模型
4、设计主电路参数和仿真参数
5、对仿真结果进行分析，并优化设计参数和控制效果
6、主要参数：电压220V，电流5A，频率：50HZ，稳态误差小于2% 三．MATLAB软件开发系统功能简介及函数应用。

MATLAB在控制系统的分析和仿真方面，既功能强大又灵活多样。

使用MATLAB既可以以系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱搭建系统模型对其进行仿真研究；也可以编制系统的MATLAB语言程序，通过执行程序而得到仿真结果：还可以在Simutink模块搭建的系统模型中嵌入MATLAB函数进行仿真，非常灵活。

控制系统仿真中常用的函数介绍：
1．G=tf(num，den)
建立传递函数模型。

num是分子多项式系数行向量，den是分母多项式系数行向量。

2．[num，den]=series(numl，denl，num2，den2)
表示将串联连接的两个单输入单输出系统0l(s)和G2(s)的传递函数进行相乘。

3．[nm，den]=feedback(auraI,denI,num2，den2，sign)
表示将两个系统按反馈方式连接，一般而言，系统1为对象，系统2为
反馈控制器。

sign 用来指示系统2输出到系统1输入的连接符号，sign 默认为负值，即sign=--I ．
4．[numc ，denc]=cloop(num ，den ，sign)
表示由传递函数表示的开环系统构成闭环系统sign 的意义与上述相同。

注意这里的闭环连接指的是通常意义下的单位反馈连接，因这种连接在实际中大量存在。

5．sysd----e2d(syso ，"Is ，‘method ’)
连续时间LTI 系统模型转换成离散时间系统模型，Ts 是采样周期。

6．svsc=d2c(sysd ，，‘method ’)
第5、6两个函数中的‘melhod ’表示转换是选用的变换方法，鲡其值为‘zoh ’，表示对输入信号加零阶保持器；如为‘foh ’，表示对输入信号加一阶保持器：如为‘tustin ’，表示采用双线性变换方法；等等。

四．调速控制系统的性能指标
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。

（1）调速范围
生产机械在额定负载时要求电动机提供的最高转速Nmax 与最低转速Nmin 之比称为调速范围，用D 表示。

即 （2）静差率
调速系统在某一转速下稳定运行时，负载由理想空载增加到规定负载时，所对应
的转速降落Δn 与理想转速n0之比，用s 表示。

即： 或百分数表示： （3）调速方向
调速方向指调速后比原来的额定转速高还是低，有上调，和下调之分。

（4）调速的平滑性
调速的平滑性由一定调速范围内能得到的转速级数来说明。

调速可分为有级调速和无级调速。

五．单闭环直流电动机系统
晶闸管直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机-发电机组成。

直流电动机负载除本身有电阻、电感外，还有一个反电动势E ，如果不考虑电动机的电枢电感时，则只有当晶闸管导通相的变压器二次侧电压瞬时值大于反电动势时才有电流输出。

由于整流电路带反电动势负载工作时，负载电流是断续的，所以在实际应用中要考虑到这一点，应尽量避免出现负载电流断续的现象。

为了平稳负载电流的脉动，通常在电枢回路串联一个平波电抗器，保证整流电路在较大范围内连续。

触发晶闸管，待电动机工作稳定时，由于电动机有较大的机械惯量，故其转速和反电动势都基本无脉动。

此时整流电压的平均值由电动机的反电动势和电路中负载平均电流I d 所引起的各种电压降所平衡。

直流电压min max n n D =000N N
n n n s n n ∆-==0100%N n s n ∆=⨯
的交流分量全部落在电抗器上。

为了提高直流调速系统的性能，通常采用闭环控制系统（单闭环和多闭环）。

对于速度调节要求不高的场合，采用单闭环系统，就能符合一般的设计要求。

按反馈的方式不同可分为转速反馈、电压反馈、电流反馈等。

本文就是以转速反馈设计的直流调速系统。

六．电路设计和仿真
该系统的控制对象是直流电动机M，被控量是电动机的转速n，晶闸管触发及整流电路为功率放大和执行环节，和晶闸管同步脉冲触发电路，用来调节晶闸管的控制角。

测速模块把测得的转速反馈到输入中。

6.1 电路原理
系统的原理图如图6.1 所示
图6.1 单闭环转速负反馈直流调速原理图
本系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机-发电机和测速反馈组成。

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U ct 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。

以改变三相全控整流的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环控制。

电动机的转速随给定电压变化，电动机最高转速由电流调节器的输出限幅所决定，电流调节器采用比例（P)调节，对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则须将调节
器换成比例积分（PI）调节。

这时当给定电压恒定时，闭环系统起到了抑制所用，当电动机负载或电源电压波动时，电动机的转速稳定在一定的范围之中。

6.2 参数设定及Matlab 的仿真
6.2.1 系统仿真图
单闭环直流调速系统的原理图如图6.1 所示，该系统由给定型号、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。

图6.2 是采用面向电气原理方法构成的转速负反馈直流调速系统的仿真模型。

图6.2 单闭环转速负反馈直流调速系统仿真图
6.2.2 系统的建模和参数的设定
系统的建模包括主电路的建模和控制电路的建模。

(1) 主电路的建模和参数设定
由仿真图可知，前向通路中由三相对称交流电压源、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电机组成。

整流桥后面并联一个二极管桥，所用是加快电动机的减速过程，同时避免在整流桥输出端出现负电压而使波形畸变。

三相电路的电压为220V，频率50Hz，相角相差120°。

晶闸管整流桥的建模和参数设定，如图6.3 所示。

平波电抗器的设置。

电感的值为5e-03。

直流电动机的参数设定如图6.4 所示。

图6.3 晶闸管参数图6.4 电动机参数
同步脉冲触发器的建模和参数设定。

同步脉冲触发器的构成如图图6.5 所示。

图6.5 同步电源与6脉冲触发器
（2）控制电路的建模和参数设定
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。

仿真时根据需要增加了限幅器、偏置、反相器等模块。

6.3 仿真结果
仿真后角频率的波形如图6.6 所示
图6.6 角频率w的波形图
转矩的波形图如图6.7 所示
图6.7 转矩Te的波形图电流的波形图如图6.8 所示
图6.8 电流Ie的波形图
七．总结
本设计为单闭环不可逆直流调速系统，通过调试和仿真，该系统能够很好的实现直流电机的调速，并且调速具有一定的稳定性。

采用闭环控制，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变化范围内。

当然，系统也存在一定的不足，由于运用的是单闭环控制，所以在调速的过程中，系统的稳态性能还不尽如人意，在一定的调速范围内能满足要求，而在一些要求比较高的系统中，就很难实现。

这时就应该采用双闭环调速系统，即由电流和转速两个调节器进行综合的调节。

另外，系统是不可逆的，所以电动机的机械特性不能在四象限中实现。

电动机在1/3 象限转到2/4 象限时，表明电动机运行转入发电制动状态，由于没有逆变电路，电能就不能回馈到电网中，这样就造成了电能的浪费，而直流电机的可逆拖动系统就能解决这种问题。

还应值得注意的是，当使用直流可逆电力拖动系统时，还应当注意，电路有无环流。

环流是指只在两组变流器之间流动而不经过负载的电流。

环流对系统的影响是致命的，可能造成电源的短路，因此设计时当注意这一点。

二周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。

在设计过程中，与同学共同分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。

学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，在这次设计过程中，体现出自己单独设计的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。

通过这次课程设计，我增强自己的能力，累积了经验，在以后的职业生涯中可以更好的定位我自己，感谢同学和老师对我的帮助和支持，我会在今后的道路上更加努力的。

八．参考文献
1、《MATLAB程序设计教程》,柳青主编
2、《交直调速系统与MATLAB仿真》周渊深编
3、李传琦.电力电子技术计算机仿真实验. 北京：电子工业出版社.2006.2
4、王兆安，黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社.2010.1
5、林飞，杜欣.电力电子应用技术的MATLAB 仿真.北京;中国电力出版社.2009.1
6、李维波.MATLAB 在电气工程中的应用. 北京;中国电力出版社.2009.6。