α_=_β__配合控制的直流可逆调速系统的工作原理

目录１α= β配合控制的直流可逆调速系统的工作原理2 α ＝β配合控制的有环流直流可逆调速系统的仿真模型及参数3 仿真结果及分析4 心得体会5 参考文献摘要:针对面向系统传递函数结构图仿真方法的不足,提出了一种基于MＡTＬAB的Ｓｉmulink和Pｏwer Syｓteｍ工具箱、面向系统电气原理结构图的仿真新方法,实现了转速与电流双闭环α= β 配合控制的直流可逆调速系统的建模与仿真。

分别介绍了同步脉冲触发器、移相器控制器和PI调节器的建模，给出了直流可逆调速系统的仿真模型和仿真结果,仿真结果表明了仿真算法可信度较高。

关键词: α= β 配合控制;直流电机；ＭATLAB仿真;移项控制器Absｔｒaｃt: Aｎoveｌmethod oｆｃonｓｔructioｎ& simｕｌaｔiｏn was put forｗard foｒthe modｅｌoｆα ＝βmoderaｔing cｏntrｏｌDC SRsysｔem ｂasｅｄｏn Ｍaｔｌab Ｓimuｌｉｎk &Power SyｓteｍBlocksｅｔ，ｂeca ｕse ｉt was shｏrtagｅfor fａｃｉng system ｔranｓｆｅｒfuｎｃtionconstructiｏn dｒawinｇｔo siｍulaｔe.Thｅmｏdel of sｙｎchronizｅｄ6－pulsｅgenerａtor, ｓhiftｅr and ＰI cｏntｒoｌler weｒe ｉntroduced,ａｎdｔhe simulａtioｎreｓｕlts＆mｏdels ｆor theα= βmｏｄeratｉng conｔｒｏl DC SＲｓystem wｅｒe ｐrovideｄ. Ｓiｍｕlaｔion ｒesults showthat ｓimulａtion metｈoｄis correｃt ｗiｔｈｈｉgｈｃredｉｂiliｔy.Ｋey woｒｄs:α =β moderating contｒol; DC moｔｏr; MAＴＬＡB sｉmulatiｏn；ｓhiｆter引言晶闸管反并联的电枢可逆线路是可逆调速系统的典型线路之一。

这种线路有能实现可逆运行、回馈制动等优点，同时正转制动和反转启动完全衔接起来，没有间断或死区，这是有环流调速系统的优点，特别是用于要求快速正反转的中小容量的系统。

为保证系统安全，必须增加环流电抗器以消除其中的环流[1－2］。

本文采用MATLAＢ的Simulｉｎｋ和PowerS ｙstem工具箱，介绍如何实现α＝β配合控制的直流可逆调速系统的建模与仿真。

α= β配合控制的直流可逆调速系统的建模控制系统传统的计算机仿真是用传递函数方法来完成的，各环节的传递函数是将实际模型经过一定的简化而得到的，很多重要细节会被忽略［3]。

PoｗeｒSystｅm 工具箱提供了利用物理模型仿真的可能，其仿真建模方法与构建实际电路相似,仿真结果非常接近于实际。

1 α ＝β 配合控制的直流可逆调速系统的工作原理α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统的电气原理图如图1所示。

图中,主电路由两组三相桥式晶闸管全控型整流器反并联组成,并共用同一路三相电惊。

由于采用α= 卢配合控制方式，在两组整流器之间没有直流环流，但还存在脉动环流,为了限制脉动环流的大小,在主电路中串入了四个均衡电抗器Lc1-Ｌc4，用于限制脉动环流。

平波电抗器L d 用于减小电动机电枢电流的脉动,减小电枢电流的断续区，改善电动机的机械特性。

系统的控制部分采用F 转速和电流的双闭环控制。

由于可逆调速电流的反馈信号不仅要反映电枢电流的大小还需要反映电枢电流的方向,因此电流反馈一般用直流电流互感器或霍尔电流检测器，在电枢端取电流信号。

为了确保两组整流器的工作状态相反,电流调节器的输出分两路,一路经正组桥触发器GTF 控制正组桥整流器,另一路经倒相器ＡR 、反组桥触发器GTR 控制反组桥整流器。

图1α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统的电气原理图系统的起动和运行过程与不可逆双闭环调速系统相同,在突加给定信号V：为正时,正组桥工作于整流状态,反组桥工作于逆变状态,由正组桥向电动机提供正向电流,电动机经历电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段后,进入正转稳定运行阶段，反组桥仅有少量脉动环流通过。

在突加给定信号V: 为负时,正组桥工作于逆变状态,反组桥工作于整流状态，由反组桥向电动机提供反向电流，电动机同样经历电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段后,进入反转稳定运行阶段,而正组桥仅有少量脉动环流。

可逆系统的特点在于反转制动过程，电动机反转需要改变转矩的方向，由Ｔｅ＝emφ＇ld＇改变转矩方向即需要改变电枢电流的方向,由于电枢回路存在着电感,电枢电流的流向改变则要经历电流的下降，和反向电流上升和建立的过程。

由于电感是储能元件，电感储能与电流有关ＱL=U~ /2，因此电流下降就意味着电感储能的释放，电流上升就意味着电感的储能增加的过程。

因此,电动机的反转制动过程可以分为本桥逆变、反接制动(反向建流)和回馈制动三个主要阶段，现以正转到反转的过程给予说明。

(1)本桥边变阶段。

在这阶段中正转回路的电感释放能量,正向电流F 降直到零，电动机转速基本不变。

当转速给定由正变负时，转速调节器的输出即电流调节器的输入Vi" 改变极性,从而电流调节器的输出V c 改变符号,使正组桥从整流改变为逆变状态，反组桥从逆变改变为整流状态，正转回路的电感能量释放,由电感反电动势ｅＬ=L～dｉ/dｔ维持电枢正转回路电流的流通,电动机的正向电流下降，电感储能经正组桥(逆变状态)流向交流电源，而反组整流器由于不能通过反向电流,除少量脉动环流外，没有负载电流通过,处于待整流状(2) 反接制动阶段。

当电动机的正向电流下降到零后,电感反电动势作用消失,处于整流状态的反组整流器开始输出电流,电枢电流开始反向,由于整流器输出电压与电动机反电动势的方向相间,电动机处于反接制动状态,电流上升很快。

在这阶段中,电动机的转速开始下降，反向电流开始上升，正组整流器同样由于不能通过反向电流,除少量脉动环流外,没有负载电流通过,处于待逆变状态,电感的储能开始增加。

（3)回馈制动阶段。

在反接制动阶段中由于电流上升很快，当电流反馈大于电流给定值时,电流调节器的输出Ｕｃ又改变极性,使正组整流器处于整流状态，反组整流器处于逆变状态，这时由于电枢反电动势与整流器输出电压反向相反，且电枢反电动势大于整流器输出电压，这时回路的电流由电枢电动势产生,且经反组整流器（逆变状态)流向交流电源,电动机进入发电回馈制动阶段。

这阶段的特点是电动机转速不断下降，电动机的惯性储能经反组整流器回输电网,产生良好的节能效果。

随着转速的下降,电枢电动势也不断下降，但由于转速调节器的输出在电动机转速没有反向超调时，始终保持着最大限幅状态,这时电流调节器发挥作用，维持电动机以最大电流回馈制动，即电流调节器的输出随转速的下降而减小,相应晶闸管的控制角不断加大,整流器输出电压随之减小,从而保持最大的制动电流,取得最快的制动效果。

α＝卢控制的有环流可逆调速方式，在实际应用中由于难以准确保持α＝卢的状态，一旦出现α# 卢时，就有可能产生直流环流，使整流器过载或损坏,故实际上并不采用,但研究α= 卢控制的有环流可逆系统,对理解直流电动机的可逆过程有很大帮助。

下面通过α= 卢配合控制可逆系统的仿真，研究直流电动机的可逆过程。

2 α = β配合控制的有环流直流可逆调速系统的仿真模型及参数α= β配合控制的有环流直流可逆调速系统的仿真模型如图２所示。

模型中交流电源（ua 、ub 、ｕc) 、两组反井联的整流器(VF , VＲ) 和触发器(6-Ｐulse 、6-Ｐulse l）、环流电抗器Ld １－Ｌd4 、平波电抗器Ld和电动机组成可逆系统的主电路。

控制回路由转速给定、转速调节器ASR 、电流调节器ＡCR 、倒相器Gainｌ、移相控制模块ｓｈifｔer 、sｈｉfｔer!和转速、电流反馈等模块组成其中给定环节可以通过切换开关(Ｍａnual Switｃh）选择电动机转向,在需要改变转向时,双击该切换开关即可完成正转到反转或反转到正转的给定切换。

转速和电流的反馈信号均取自电动机测量单元的输出。

转速调节器ASR 和电流调节器ACR 由带输出限幅的ＰＩ调节器分支电路组成。

图2 α =β配合控制的有环流直流可逆调速系统的仿真模型图3子系统图１ PI ACR-F参数2 PI ＡCＲ-R参数3 PI-ASＲ参数表1 α = β配合控制的有环流直流可逆调速系统的模型参数３仿真结果及分析图2的可逆系统从正转启动到反转启动过程的转速和电流的变化波形如图４（a）（b)所示。

方针了8秒的变化过程，其中0－2.3ｓ为系统的正转启动过程,2.３-4s为系统的加载过程，4-8s为系统的反转过程。

在启动过程中，可以看到系统经历了电流上升,恒流升速和转速调节三个阶段,在转速超调后电流迅速下降，并出现负相电流，这与不可逆调速系统的启动过程不同,应为不可逆调速系统不能产生反向电流，而可逆系统反转整流器可以提供反转电流，并加快启动的调节过程。

因为是理想的空载启动，启动结束时电枢电流为零。

在２.3ｓ时电动机加上负载，转速发生波动，并且电流增加，经过1ｓ左右的时间调整，系统达到新的平衡，专属恢复到14５0r/ｍｉn，电流上升到1５０A。

图4—a，b如下(a) 转速曲线(b)电流曲线U从“＋”切换到“-－”，系统进入在启动４ｓ后,转速给定*i反转的调节状态。

电枢电流迅速改变方向，并从正变到负的最大值，电动机转速也从正变到负,系统经历了本桥逆变和反接制动两个阶段，因为电动机是带载反转,反转时转速的上升时间较正转启动时间长。

这两个阶段的放大波如图5所示。

从3．９9s反转过程开始到4s时间内,电动机的正向电流下降（见图5-a),转速没有太大的变化（见图5-ｂ)，平波电感的反电动势为负与电动机电枢反电动势方向相反，且平波电感的反电动势大于电动势电枢电动势（见图5-c和图5-ｄ），因此是平波电感储能释放，维持电动机的正向电流，这是仍是正组桥导通,其控制角为,系统进入了本桥逆变阶段。

在4s之后电枢电流开始改变方向，并反向增加，反组桥进入整流，系统开始反接制动阶段，电动机转速下降。

在4.01ｓ左右电流开始反向超调，这是在系统电流环的调节下，反组整流器变为逆变状态,转速和电动机反电动势进一步减小,电动机的惯性储能释放,并经反组整流器流回电网，这是系统的回馈制动阶段。

在4.7s转速下降为零时，回馈制动阶段结束，系统又开始反向恒电流启动过程,直到电动机进入翻转的稳定运行阶段,读者可以通过仿真波形,更细致地分析系统各阶段工作的特点。