直流调速系统的仿真

直流调速系统的仿真

1、直流电动机开环调速系统仿真

直流开环调速系统的电气原理如图1所示。直流电动机电枢由三相晶闸管整流电路经平波电抗器L供电，并通过改变触发器移相控制信号U c调节晶闸管的控制角，从而改变整流器的输出电压实现直流电动机的调速。该系统的仿真模型如图2所示。

在仿真中为了简化模型，省略了整流变压器和同步变压器，整流器和触发同步使用同一交流电源，直流电动机励磁由直流电源直接供电。触发器（6-Pulse

图1 直流开环调速系统电气原理

图2 直流电动机开环调速系统的仿真模型

图3 移相特性

Generator)的同步电压连接。触发器的控制角（alpha —deg 端）通过了移相控制环节（shifter ），移相控制模块的输入是移相控制信号Uc （图2中Uc ），输出是控制角，移相控制信号Uc 由常数模块设定。移相特性如图3所示。移相特性的数学表达式为

Uc Uc a a max

min 9090-︒+︒= 在本模型中取︒=30min a ，V Ucm 10±=，所以Uc a 690+︒=。在电动机的负载转矩输入端TL 接入了斜坡（Ramp ）和饱和(Satutration)两个串联模块，斜坡模块用于设置负载转矩上升速度和加载的时刻，饱和模块用于限制负载转矩的

最大值。

【例1】 已知直流电动机额定参数为U nom =220V ,I nom =136A ，nnom =1460r/min ，4级，Ra=0.21Ω，GD2=22.5N ·㎡。励磁电压U f =220V ，励磁电流I f =1.5A 。采用三相桥式整流电路，整流器内阻Rrec =1.3Ω。平波电抗器Lp =200mH 。仿真该晶闸管-整流电动机开环调速系统，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。

仿真步骤如下：

（1）绘制系统的仿真模型如图2所示。

（2）设置模块参数

1）供电电源电压为

V V I R U U nom rec nom 12330cos 34.213621.0220cos 34.2min 2=︒

⨯++=α 2）电动机参数如下：

励磁电阻为

Ω===7.1465.1/220/f f f I U R 励磁电感在恒定磁场控制时可取0。 电枢电阻Ω=21.0a R ，电枢电感由下式估算，即

H H I pn CU L nom nom nom a 00021.0136

1460222204.01.1921.19=⨯⨯⨯⨯⨯== 电枢组和励磁

af L 组互感为 因为r V r V n I R U C n o n

o

a n o e m 132.0min/146013621.0220⋅=⋅⨯-=-=

26.1132.0260260=⨯∑=∑e C K π

所以

H I K L f af 84.05.1/26.1/===∑ 电动机转动惯量为 22257.08.94/5.224/m kg m kg g GD J ⋅=⋅⨯==

3）额定负载转矩为

m N m N I C T n o m e L ⋅=⋅⨯⨯==225.17132.055.955.9

（3）设置仿真参数。仿真算法采用ode15s ，仿真时间为4s ，电动机空载起动，起动2.5s 后突加额定负载。

（4）启动真并观察结果。仿真的结果如图4所示。其中图4 所示为整流器输出端的电压波形（局部），图4 所示为经平波电抗器后电动机电枢两端电压波形，该波形较整流器输出端的电压波形脉动减少了许多，电压平均值在225V 左右符合设计要求。图4c 和图4d 所示为电动机电枢回路电流和转速变化过程，在全压直接起动情况下，起动电流很大，在2.5s 左右起动电流下降为零（空载起动），起动过程结束，这时电动机转速上升到最高值。在起动0.5s 后加额定负载，电动机的转速下降，电流增加。图4e 所示为电动机的转矩变化曲线，转矩曲线与电流曲线成比例。图4f 给出了工作过程中电动机的转矩-转速特性曲线。通过仿真反映了开环晶闸

管-直流电动机系统的空载起动和加载工作情况。

图4 晶闸管-直流电动机系统仿真结果

a）整流器输出电压b）电枢两端电压c）电枢电流d）电动机转

速

e）电动机转矩曲线f）转矩-转速特性

2、转速闭环控制的直流调速系统仿真

晶闸管-直流电动机系统可以通过调节晶闸管控制角改变电动机电枢电压实现调速，但是存在两个问题，第一，全压起动时，起动电流大。第二，转速随负载变化而变化，负载越大，转速降落越大，难以在负载变动时保持转速的稳

定，而满足生产工艺的要求。为了减小负载波动对电动机转速的影响可以采取带转速负反馈的闭环调速系统，根据转速的偏差来自动调节整流器的输出电压，从而保持转速的稳定。

带转速负馈的有静差直流调速系统的结构如图5所示。系统由转速给定环节Un ，放大倍数为Kp的放大器、移相触发器CF、晶闸管整流器和直流电动机M、测速发电机TG等组成。该系统在电机负载增加时，转速将下降，转速反馈Un减小，而转速的偏差△Un将增大(△Un=Un-Un)，同时放大器输出Uc增加，并经移相触发器使整流器输出电压Ud增加，电枢电流Id增加，从而使电动机电磁转矩增加，转速也随之升高，补偿了负载增加造成的转

速降。带转速负反馈的直流调速系统的稳态特性方程为

图5 带转速负反馈的有静差直流调速系统的结约

)1()1(K C RI K C U K K n e d e n s p +-+*=

电动机转速降为

)1(K C RI n e d +=

∆

式中，K=KpKs α/Ce ，Kp 为放大器放大倍数；Ks 为晶闸管整流器放大倍数；Ce 为电动机电动势常数；α为转速反馈系数；R 为电枢回路总电阻。

从稳态特性方程可以看到，如果适当增加放大器放大倍数Kp ，电机的转速降△n 将减小，电动机将有更硬的机械特性，也就是说在负载变化时，电动机的转速变化将减小，电动机有更好的保持速度稳定的性能。如果放大倍数过大，也可能造成系统运行的不稳定。

转速负反馈有静差调速系统的仿真模型如图6所示。模型在图2所示的开环调速系统的基础上增加了转速给定un 、转速反馈n-feed 、放大器Gain1和反映放大器输出限幅的饱和特性模块Saturation1，饱和限幅模块的输出是移相触发器的输入uc ，其中转速反馈直接取自电动机的转速输出，没有另加测速发电机，取转速反馈系数α=Un/nN 。