逻辑无环流可逆调速系统的设计及仿真研究

引言

电气传动是以电动机作为原动机驱动生产机械的系统的总称。电气传动系统由电动机、控制装置以及被拖动的生产机械所组成，它是将电能转换为机械能的装置，用以实现生产机械的起动、停止、速度调节以及各种生产工艺过程的要求。电气传动系统广泛用于冶金、机械、机械、轻工、矿山、港口、石化、航空航天等各个行业以及日常生活之中。它既有轧钢机、起重机、泵、风机、精密机床等大型调速系统，也有空调机、电冰箱、洗衣机等小容量调速系统。

电力拖动自动控制系统是把电能转换成机械能的装置，它被广泛地应用于一般生产机械需要动力的场合，以及精密机械等需要高性能电气传动的设备中，用以控制位置、速度、加速度、压力、X力和转矩等。应用电力拖动自动控制系统不仅改善了生产过程中的工作条件、节约劳动力和减少原材料和能源的消耗，而且提高了生产设备的利用率、可靠性﹑安全性及其寿命，减少故障率和重大故障的可能性。

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大X围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到应用，它的优点在于：容易控制，能在很宽的X围内平滑而准确的调速，以及快速响应等。晶闸管使直流电力拖动的调速技术发生巨大变化。相对于原有的直流发电机组对直流电动机供电的直流拖动系统，采用晶闸管静止变流器供电的系统具有体积小﹑无噪声﹑效率高等一系列优点。目前，晶闸管控制的直流拖动普遍地应用于轧机拖动﹑纺织机械﹑造纸机械和电力机车等场合。用晶闸管变流器控制的他励直流拖动机调速系统若采用电枢电压控制，可以得到低于基速的转速调节；若采用削弱磁场控制，可以得到高于基速的转速调节，可以通过晶闸管的串联和并联，来达到高电压和大电流。

直流调速系统的设计要完成开环调速、单闭环调速和双闭环调速等过程，需要使用MATLAB中的Simulink工具箱来进行辅助设计，因为它可以构建被控制系统的动态模型，直接观察各观测点的波形，所以调速系统性能的完善可以通过反复修改动态模型来完成，而不必对实物进行拆装和调试。

第一章系统简介

1.1 电力拖动系统的简介

电力拖动系统由电动机及其供电电源、传动机构、执行机构、电气控制装置四部分组成。电动机及其供电电源的作用是把电能转换成机械能；传动机构的作用是把机械能转化成所需要的运动形式并进行传递与分配；执行机构是完成生产工艺任务的；电气控制装置是控制系统按着生产工艺的要求来动作，并对系统起保护作用或进行更高层次的自动化控制。电力拖动系统的发展按着从低级到高级、从简单到复杂的一般规律，从最初的成组拖动，经过单电动机拖动以至发展为现代电力拖动的解百纳形式—多电机拖动。电力拖动自动化的发展，为工业发展和科学技术进步打开了更广阔的前景。

1.2无环流调速系统

采用两组晶闸管反并联的可逆调速系统解决了许多生产系机械要求电动机既能正传，又能反转，而且常常还需要快速的启动和制动的问题，但是，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称做环流。这样的环流只会加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，因此应该予以抑制或消除。

当工艺过程对系统过度特性的平滑性要求不高时，特别是对于大容量的系统，常采用既没有直流平均环流又没有瞬时脉动环流的无环流可逆系统。无环流可逆调速系统可按实现无环流原理的不同而分为两大类：逻辑无环流系统和错位控制无环流系统。而错位无环流系统在目前的生产中应用很少，逻辑无环流系统目前生产中应用最为广泛的可逆系统。当一组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路，这就是逻辑控制的无环流可逆系统。

任何时候只触发一组整流桥，另一组整流桥封锁，完全杜绝了产生环流的可能。这就是组成逻辑无环流系统的基本思路，至于选择哪一组工作，就看电动机组需要的转矩方向。若需正向电动，应触发正组桥；若需反向电动，就应触发反组桥，可见，触发的选择应决定于电动机转矩的极性，在恒磁通下，就决定于*

U信号。同时还要

i

考虑何时封锁原来工作桥的问题，有电流时不应封锁，否则，开放另一组桥时容易造成二桥短路。可见，只要用*

U信号极性和电流“有”、“无”信号可以判定应封锁哪一

i

组桥，开放哪一组桥。

1.3 控制系统的计算机仿真

计算机仿真是指通过计算机运行真实系统或预研系统的仿真模型。计算机仿真包括系统建模、仿真算法、计算机程序设计与仿真结果显示、分析与验证等。它是分析评价现有系统运行状态或设计优化未来系统性能与功能的一种技术手段，在工程设计、航空航天、交通运输、经济管理、生态环境、通信网络和计算机集成等领域中有着广泛的应用。

MATLAB中的Simulink提供的面向框图的仿真即概念性仿真功能使得用户能容易地建立复杂系统模型，准确地对其进行仿真分析，而且Simulink的概念性仿真模块允许用户在一个框架下对含有控制环节、机械环节和电子电机环节的系统进行建模与仿真。

第二章 系统总体设计方案

电动机是拖动控制系统实现把电能转换成机械能的关键元件。本设计的技术条件、技术参数等：

调速X 围D=10，静差率小于±5%，动态速降小于±10%；工作台电动机为一台容量为60 千瓦的直流电动机，技术数据如下：

KW P ed 60=，V U ed 220=，A I ed 305=，min 1000r

n ed =，他激，V U jed 220=，

A I jed 5=。 2.1 系统组成方案选择

2.1.1 供电方案

60千瓦工作台拖动电动机采用可控硅整流装置直接供电的系统，考虑到对电网三相电压的平衡和整流电压脉动小，决定采用三相可控整流电路。常用的三相整流电路有两种，即三相0式整流电路和三相桥式整流电路，三相0式整流电路的优点是简单，用的可控硅元件少，触发器也少，对220伏电动机整流装置可直接接380伏电网而不需要另设整流变压器。但缺点是要求可控硅元件耐压高；整流电压脉动率大，需要平波电抗器大；电源变压器副边电流有直流分量，增加了发热和损耗。

三相桥式整流电路的特点是：当要求最大整流输出电压相同时，电源相电压可较三相0式整流电路小一半，因此显著减轻了对变压器和可控硅的耐压要求；变压器副边绕组中电流没有直流分量，同时变压器每相在两个半波内均导电，因此利用率较高；输出整流电压脉动率小，所以平波电抗器就可以小一些。鉴于以上比较，并考虑到本台装置为探讨省掉平波电抗器进一步简化可控硅传动装置的可能性，不致由于整流电压脉动率大因而严重影响直流电动机的换向等，故决定采用三相桥式整流电路，针对现用的220伏直流电动机采用一台整流变压器，由于变压器的隔离作用，也提高了系统运行的可靠性。鉴于三相半控桥通常用于不可逆拖动系统中，故本拖动系统采用三相全控桥整流供电方案。

2.1.2 调速方案

调节电动机的转速有三种方法：调节电枢供电电压U 、改变电枢回路电阻R 和减弱励磁磁通Φ。对于要求在一定X 围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好，其主要特点是：在整个调速X 围内均有较大的硬度，此种方法的调速X 围较宽，如采用各种反馈或转速控制系统，调速X 围可达几百至几千。改变电