晶闸管双闭环直流调速系统的设计与仿真毕业设计.doc
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2015届本科毕业设计
晶闸管双闭环直流调速系统的设计与仿真
院（系）名称
物理与电子信息学院
专业名称
电气工程及其自动化（过程控制方向）
学生姓名
赵晓东
学号
指导教师
苗峰讲师
晶闸管双闭环直流调速系统的设计与仿真
赵晓东
物理与电子信息学院电气工程及其自动化（过程控制方向）专业学号：
指导教师：
苗峰
摘要：
电动机是一种将电能转换为机械能的动力装置，现已广泛应用于工业、农业、交通运输、国防工业等各个领域。
而电动机的调速性能，对于提高产品质量、提高劳动生产率、节约电能等方面有着直接的决定性的影响。
所以研究电机的调速控制的先进理论和技术，不仅满足工业生产的要求，而且能提高能源的利用率。
MATLAB是目前流行的控制系统仿真软件，使用MATLAB软件对电机调速系统进行仿真设计和分析，有利于选择参数和设计的最合理的系统方案。
本文利用MATLAB软件中的Simulink工具箱，构建电机调速系统的仿真模型，对多种智能调速方法的仿真实现、性能分析和算法设计等方面进行了深入研究
关键词：
晶闸管；双闭环；ASR；ACR；Simulink
DesignandSimulationofthyristorDoubleLoopDCSpeedControlSystem
ZhaoXiao-dong
PhysicsandElectronicInformationElectricalEngineeringandAutomation（ProcessControldirection）
No:
Tutor:
MiaoFeng
Abstract:
Nownooneneedstocontrolthespeedofthedevice,anditsproductionprocessonthespeedperformancehavecertainrequirements.Iftheproductionprocessofthestaticloadofsliprunningdemanding,thistimeusingthespeedclosed-loopsystemcanreducelandingspeed,canresisttheloadfluctuationtosomeextent.Butthecurrentandtorquecontrolloopsystemdynamicprocesscannotbearbitrary,andifyouwanttoimprovethespeedofsystemashighaspossible,thekeyistogetthemaximumperiodofelectriccurrenttomaintainconstantprocess,whichmustrequirethesystemtohaveaveryspeedandcurrentGoodregulationandcontrolaction.Accordingtothesystemoffeedbackandcontrol,theuseofaphysicalquantityofnegativefeedbackcankeepthisamountbasicallyunchanged.afterreachingsteadystatespeed,speedandwantonlynegativefeedback,negativefeedbackwillnotallowcurrentoccurs,thisproblemcanbesolvedusingthespeedandcurrenttworegulatorswerecontrolled.Finally,throughtheSimulinksystem,analysisfeaturesdual-loopDCspeedcontrolsystemandmakesummary.
Keywords:
Thyristor;Dual-loop;Speedregulator;Currentregulator;Simulink
目录
1引言 4
1.1直流电机调速系统的发展史 4
1.2直流电机调速系统的研究现状 5
1.3研究双闭环直流调速系统的目的和意义 7
1.4本设计的主要研究内容 7
2双闭环直流调速系统理论分析 8
2.1直流调速系统的调速原理 8
2.2直流调速系统的性能指标 9
2.3双闭环直流调速系统的组成 13
2.4双闭环直流调速的工作过程和原理 14
2.5双闭环直流调速系统的数学模型和静、动态性能分析 15
3总体工程设计框图 18
3.1单闭环直流调速系统的原理框图 18
3.2双闭环直流调速系统的原理框图 19
4调节器工程设计方法 19
4.1调节器的设计方法 19
4.2转速、电流调节器在调速系统中的作用 20
4.3转速、电流调节器结构的确定 21
4.4转速、电流调节器的设计和校验 22
5单元模块设计 25
5.1晶闸管元件的选择 25
5.2整流变压器的设计 26
5.3平波电抗器的计算 27
6双闭环直流调速系统仿真 29
6.1控制系统的仿真说明 29
6.2系统的建模与参数设置 29
6.3系统的仿真结论 33
7结论 33
8致谢 34
9参考文献 34
1引言
大约在20世纪90年代前50年内，由于直流电机优良的启动、制动和调速性能。
直流电机基本上成为唯一能实现高性能拖动控制的电动机，虽然这些年交流电机发展相当迅速，直流电动机也不断受到交流电机及其他类型电机的对比与竞争。
但目前绝大多数变速运控系统和闭环位控系统仍将直流电机作为首要选择。
直流电机控制具有很高的精确性、稳定性和较高的抗扰性能等优点，而且直流电机的发展理论也较为成熟，故如今直流调速非常可靠，它的应用也相当广泛。
直流电机经常被应用于电力机车、无轨电车等交通领域，机床、轧钢车等机械领域以及起重设备和经常启动并调速的电气传动装置当中。
所以提高直流电机调速性能意义重大。
对于调速系统而言，抗扰性能是体现系统稳定性的最重要指标，一是抗负载扰动，二个是抗电网电压扰动。
而双闭环调速系统二者兼顾，它具有较为满意的调速性能和抗扰性能。
根据多环控制系统的工程设计方法，运行过程中外环的响应会比内环慢，这也是多环控制系统设计的显著特点，虽然在一定程度上它是不利于快速性的，但是每个控制环本身都是稳定的，这样有利于对系统进行调试工作。
1.1直流电机调速系统的发展史
19世纪20年代，法拉第发明了第一台永磁电机之后，人们开始认识电机并逐步了解电机的基本概念和基本理论。
第一次工业革命结束之后，第一台直流电机出现并经历了三个阶段，探索阶段、开发应用阶段和实用商品阶段。
到1870年，第二次工业革命爆发使经济迅速发展，当时的社会迫切需要更加优质的直流电机进行工业生产。
20世纪60年代末，晶闸管的出现，采用晶闸管相控装置的可变直流电源一直在直流传动系统中占据核心位置。
随着电力电子技术与电子器件的发展，晶闸管系统显现出良好动态性能，大大提高了直流调速系统的可靠性、快速性和适用性。
成为了很长一段时间第二十世纪内调速的主流。
当今直流电机的发展是朝着基于微机控制的，具有精度高、大范围的全数字的直流调速系统。
直流传动设备经历多年的应用与发展，能被广泛应用于工业生产，关键在于它可以用一个简单的方法实现更高的性能指标。
很多直流传动系统属于高精度稳速系统，它的稳速精度可达五十万分之一，大范围调速系统的调速比超过1：
11000，而且其实响应时间也得到大大的缩短，甚至低于几毫秒。
1880年之后的20年，直流电机广泛应用于工业领域，也是带动工业生产唯一的电动机。
1990年左右，交流笼型电动机问世，其结构简单，坚固耐用，在工业生产日益提高的年代发展迅速。
在某些无需调速的工业要求当中，直流电机传动会被简单耐用的交流电动机所取代。
然而随着工业革命对经济的推动作用，工业设备对电机的调速范围和静差率都有了一定要求，许多当代应用的变速传动系统，已经可以保持良好的稳定性和瞬态性能，而且在大大增加调速范围的同时也能实现连续无级的调速。
直流调速技术不断得到提高和应用，其相关理论也渐渐成熟、完善、系统化和标准化，直流调速技术已经难以被取代，在PWM调速、精确高的电气传动系统中也是如此。
由电机的机械特性理论方程上看,要想改变的电机的机械特性，一是改变电动机的参数，二是改变外加工电压,从而能转移电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电机的稳态运行速度发生改变，即人为方式或系统自动地改变直流电动机的转速,以满足工业生产的需求。
虽然直流电动机的运行和维护各方面仍存在缺陷，比如容量的限制、体积过大、成本过高、制造和维护繁琐等，但直流电机控制具有很高的精确性、稳定性和较高的抗扰性能是毋庸置疑的，而且直流电机的发展理论也相当成熟。
所以就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，被广泛应用于电力机车、无轨电车等交通领域，机床、轧钢车等机械领域以及起重设备和经常启动并调速的电气传动装置当中。
1.2直流电机调速系统的研究现状
一、采用晶闸管等新型电力电子器件
从1960年之后的10年间，主要是半控型为代表的电力电子器件问世并得到广泛应用，大多应用在相控电路和整流电路中。
这样的整流方式与传统的汞弧整流方法相比，体积较小，可靠性较高，而且有着十分明显的节能效果（一般可节电20%左右，从中国的实际看，因风机的实际看，风机和泵类负载约占全国用电量的1/3，若采用交流电机调速传动，可节约20%以上，每年可节电400亿千瓦时），因此电力电子技术的发展也越来越受到人们的重视。
所以这些相控和整流电路被十分广泛地用在电解、电镀、直流电机传动、发电机励磁应用当中。
1970年之后全控型可关断晶闸管和功率晶体管出现了，这种全控型器件弥补了半控型电力电子器件的不足，它的开关频率高，控制方式简单，逆导可关断晶闸管甚至兼具可关断晶闸管和快速整流二极管的各种功能。
电力电子技术的应用领域被拓宽到一个新的高度，其中主要以逆变、斩波为中心作用于实现电能的输送和变换，如今在变频调速、开关电源、静止变频等电力电子装置已得到广泛应用。
目前电力电子器件正向耐高压，大功率，高频化和智能化方向发展，为电机控制系统的完善提供了硬件保证。
智能功率模块的开发与应用，促使新型电动机自动控制系统的体积更小、精确度更高、应用更加广泛和可靠性更强。
传统直流电动机是采用晶闸管的相控方式，虽然这种方式在经济、可靠性上都能满足工业要求，但是它的相控方法复杂，在散热方面也有很高的要求。
鉴于此，第二代电力电子器件之一的大功率晶体管应运而生。
这种大功率晶体管是全控型器件，既能控制导通又能控制其关断，有良好的控制性能和稳定性能，晶体管脉宽调制（PWM）直流调速系统就是由大功率晶体管为基础构成的，由于大功率晶体管的优势使这种调速系统在直流传动中的使用愈来愈广泛。
二、采用现代控
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