MATLAB在直流調(diào)速系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用

王麟珠 戴立慶

福建船政交通職業(yè)學(xué)院 福建福州 350007

在軋鋼機(jī)、挖掘機(jī)、金屬切削機(jī)床等電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，直流電動(dòng)機(jī)不僅具有良好的啟動(dòng)和制動(dòng)性能，而且兼具大范圍內(nèi)的平滑調(diào)速等特點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛。而交流調(diào)速系統(tǒng)的研究又是以直流調(diào)速系統(tǒng)為基礎(chǔ)的，因此，在自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)中，直流調(diào)速系統(tǒng)具有不可替代的作用。

直流調(diào)速系統(tǒng)課程綜合性較強(qiáng)，要求學(xué)生具備“自動(dòng)控制原理”“電力電子技術(shù)”“電力拖動(dòng)基礎(chǔ)”等專業(yè)課程的基礎(chǔ)知識(shí)，因此，在教學(xué)過(guò)程中，教師授課難度大，學(xué)生接受效果差。將MATLAB軟件應(yīng)用于直流調(diào)速系統(tǒng)課程的教學(xué)中，不僅可以使抽象知識(shí)形象化，有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的吸收，而且便于分析各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響。與采用實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)相比較，軟件仿真更容易進(jìn)行參數(shù)設(shè)置與調(diào)試，可以觀察到動(dòng)態(tài)過(guò)程中參數(shù)的變化，且易于故障分析和排除，并能夠進(jìn)行線上教學(xué)。在傳統(tǒng)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，改進(jìn)課程教學(xué)模式，采用“三位一體”的教學(xué)模式，即課堂理論知識(shí)講解、軟件模擬仿真、實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物接線調(diào)試，能夠使學(xué)生更加深入地理解直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理，增強(qiáng)學(xué)生分析問(wèn)題的能力，鍛煉學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力。

1 開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速方程式為：

式中：n為轉(zhuǎn)速，U為電樞電壓，I為電樞電流，R為電樞回路總電阻，Ke為電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，Φ為勵(lì)磁磁通。

從轉(zhuǎn)速方程式可知，調(diào)節(jié)電樞電壓可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，這也是最常用的調(diào)速方法。開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是最簡(jiǎn)單的調(diào)速系統(tǒng)，由主電路和控制電路兩大部分組成，主電路部分有三相交流電源、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)，控制電路由給定電壓和脈沖觸發(fā)電路組成。

運(yùn)用MATLAB/Simulink/simPowerSystems進(jìn)行電氣元件建模仿真，圖1所示為開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型。建立電氣元件模塊仿真模型的過(guò)程，相當(dāng)于學(xué)生進(jìn)行了虛擬仿真接線，也讓學(xué)生明白在實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的接線步驟和注意事項(xiàng)，加深學(xué)生對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理的理解。

圖1 開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

由于開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性軟，無(wú)法滿足生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求，為提高直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性硬度，可引入單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。

2 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

與開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)相比較，保持主電路不變，控制電路增加了轉(zhuǎn)速檢測(cè)、比較和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，就可完成單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)建，原理框圖如圖2所示。通過(guò)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)，將實(shí)際轉(zhuǎn)速和期望轉(zhuǎn)速做比較，采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)單閉環(huán)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。

2.1 有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)

在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為比例調(diào)節(jié)器(即P調(diào)節(jié)器)時(shí)，系統(tǒng)為有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)，即系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，實(shí)際轉(zhuǎn)速值和期望轉(zhuǎn)速值存在一個(gè)差值，圖2所示為單閉環(huán)有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)組成框圖。與開(kāi)環(huán)系統(tǒng)相比，單閉環(huán)系統(tǒng)具有靜特性硬和靜差率小的特點(diǎn)，并且調(diào)速范圍和抗干擾能力得到有效提高。系統(tǒng)對(duì)前向通道上的擾動(dòng)(如電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載變化等)能起到有效抑制作用，在軟件仿真時(shí)，可實(shí)現(xiàn)在任意環(huán)節(jié)加上干擾信號(hào)，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)抗干擾性能進(jìn)行分析。

圖2 單閉環(huán)有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)組成框圖

2.2 無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)

為了使系統(tǒng)達(dá)到實(shí)際轉(zhuǎn)速值與期望轉(zhuǎn)速值一致，采用比例積分調(diào)節(jié)器(即PI調(diào)節(jié)器)取代單閉環(huán)有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)中的比例調(diào)節(jié)器，這一系統(tǒng)即為無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)。與有靜差系統(tǒng)相比，無(wú)靜差系統(tǒng)增加了積分調(diào)節(jié)作用，積分調(diào)節(jié)器可使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差恒速穩(wěn)定運(yùn)行，但由于積分調(diào)節(jié)為滯后環(huán)節(jié)，會(huì)大大降低系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，因此，采用比例積分調(diào)節(jié)器，綜合比例控制滿足快速性要求和積分控制滿足準(zhǔn)確性要求的優(yōu)點(diǎn)。仿真時(shí)，通過(guò)改變PI調(diào)節(jié)器Kp、Ki兩個(gè)系數(shù)的大小，可觀察兩個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，匹配出最優(yōu)參數(shù)，以便實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)使用。采用軟件仿真，參數(shù)修改快捷簡(jiǎn)便，可細(xì)致觀察系統(tǒng)響應(yīng)曲線，能有效提高實(shí)驗(yàn)效率。

2.3 帶電流截止負(fù)反饋的無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)

直流電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中會(huì)形成過(guò)大的沖擊電流，損壞過(guò)載能力低的晶閘管，此外，部分生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中可能會(huì)遭遇堵轉(zhuǎn)狀況，因此，在無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)。當(dāng)電樞電流在正常范圍工作時(shí)，電流截止負(fù)反饋未啟動(dòng)，此時(shí)系統(tǒng)就是無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)；當(dāng)電樞電流超過(guò)允許值時(shí)，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)將電流反饋信號(hào)送至比較器，通過(guò)閉環(huán)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，達(dá)到有效降低電樞電流的目的。

3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

雖然帶電流截止負(fù)反饋的無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)靜差調(diào)速和限制過(guò)大電流，但同時(shí)也使電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流受限，因此影響了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的快速性。為解決這一問(wèn)題，在單閉環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加電流檢測(cè)器和電流調(diào)節(jié)器，構(gòu)成雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，即系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋外環(huán)和電流負(fù)反饋內(nèi)環(huán)兩個(gè)閉環(huán)。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器。在啟動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器很快進(jìn)入飽和狀態(tài)，輸出達(dá)到最大限幅值，該限幅值即為電流環(huán)的給定值，電流負(fù)反饋發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，使電流保持最大值，轉(zhuǎn)速以最快速度增大達(dá)到目標(biāo)值；當(dāng)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)超調(diào)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器得以退飽和，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋外環(huán)發(fā)揮閉環(huán)調(diào)節(jié)作用，電流環(huán)跟隨轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)；系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，轉(zhuǎn)速達(dá)到目標(biāo)值，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，電樞電流與負(fù)載電流相等，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)達(dá)到了穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性的控制要求，但在啟動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速會(huì)出現(xiàn)超調(diào)，為了解決這一問(wèn)題，可通過(guò)增加一個(gè)轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)的抑制。

圖3 雙閉環(huán)直流系統(tǒng)仿真模型

圖3所示為基于MATLAB的雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型，運(yùn)用MATLAB軟件便于觀察系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中各參數(shù)的變化情況，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的Kp、Ki參數(shù)，學(xué)生可以總結(jié)出兩個(gè)調(diào)節(jié)器對(duì)系統(tǒng)的影響。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋參數(shù)的調(diào)節(jié)，可匹配出最優(yōu)參數(shù)使系統(tǒng)達(dá)到最佳性能指標(biāo)。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速反饋線接反或反饋線突然斷線等各種故障情況的仿真，學(xué)生能夠較容易觀察出系統(tǒng)各環(huán)節(jié)及參數(shù)的變化情況，對(duì)在實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的排故有了充分的經(jīng)驗(yàn)積累，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)前做到心中有數(shù)、輕松應(yīng)對(duì)。

圖4 各系統(tǒng)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

圖4為各系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，從曲線中可以看出，單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)、單閉環(huán)無(wú)靜差系統(tǒng)、雙閉環(huán)系統(tǒng)是直流調(diào)速系統(tǒng)的不斷改進(jìn)過(guò)程，使直流調(diào)速系統(tǒng)不僅具有良好的啟動(dòng)特性和抗干擾能力，而且穩(wěn)態(tài)性能好，可以達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械的性能指標(biāo)要求。

4 雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)

4.1 有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)已能夠較好地滿足性能指標(biāo)要求，但由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕麟娐分挥幸唤M晶閘管整流裝置，只能提供單方向的電流，因此，無(wú)法實(shí)現(xiàn)電機(jī)的可逆運(yùn)行，即電機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)切換和制動(dòng)。因此，主電路需要采用正反兩組晶閘管整流裝置，正組晶閘管整流裝置提供正向電流，反組晶閘管整流裝置提供反向電流。通過(guò)對(duì)兩組晶閘管整流裝置控制角的調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)晶閘管裝置處于整流或逆變狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)四象限運(yùn)行。

由于主電路回路采用了兩組晶閘管整流裝置，因此，電路中存在環(huán)流問(wèn)題，即使控制回路在雙閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上加上配合控制，也只能消除直流平均環(huán)流，無(wú)法消除瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流。為此，主電路回路必須串入環(huán)流電抗器，以抑制脈動(dòng)環(huán)流。

4.2 無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)

為徹底消除可逆直流調(diào)速系統(tǒng)中的環(huán)流，在雙閉環(huán)控制回路中增加無(wú)環(huán)流邏輯控制器，通過(guò)對(duì)電機(jī)四象限運(yùn)行的分析，可知處于工作狀態(tài)的晶閘管裝置只有一組，無(wú)環(huán)流邏輯控制器開(kāi)放處于工作狀態(tài)的晶閘管裝置觸發(fā)脈沖，封鎖另一組處于待工作狀態(tài)的晶閘管裝置觸發(fā)脈沖，從而切斷環(huán)流回路，實(shí)現(xiàn)無(wú)環(huán)流控制，主電路回路也就不再需要串入環(huán)流電抗器，圖5所示為邏輯無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真模型。

圖5 無(wú)環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)存在機(jī)械特性軟的問(wèn)題，引入單閉環(huán)系統(tǒng)。對(duì)單閉環(huán)系統(tǒng)啟動(dòng)快速性不足問(wèn)題，引入雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)滿足調(diào)速范圍大、靜差率低等性能指標(biāo)要求的直流調(diào)速系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)電機(jī)可逆運(yùn)行，主電路采用兩組晶閘管裝置。為消除可逆系統(tǒng)中的環(huán)流，在控制回路增加無(wú)環(huán)流邏輯控制器，最終實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制的無(wú)環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)。將直流調(diào)速系統(tǒng)課程由簡(jiǎn)單到復(fù)雜進(jìn)行剖析，建立各系統(tǒng)間有機(jī)統(tǒng)一體的關(guān)系，使學(xué)生更加系統(tǒng)性地掌握直流調(diào)速系統(tǒng)的知識(shí)點(diǎn)。同時(shí)，運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行建模仿真，通過(guò)仿真模型的搭建，學(xué)生可以更好地掌握系統(tǒng)的組成原理；通過(guò)對(duì)比各系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，學(xué)生可以直觀地看出系統(tǒng)得到了一步步的改善；通過(guò)對(duì)各種故障情況模擬仿真，學(xué)生能夠更加快速地對(duì)故障情況進(jìn)行分析和排查，結(jié)合“三位一體”的教學(xué)模式，教學(xué)效果得到有效改善。