电力电子应用设计模板2019.doc
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东北石油大学
课程设计
课程电力电子应用设计
题目
院系电气信息工程学院电气工程系
专业班级电气16-班
学生姓名
学生学号
指导教师
2019年10月11日
东北石油大学课程设计任务书
课程电力电子应用设计
题目
专业电气工程及其自动化姓名学号
主要内容：
（不能出现“了”“本文”等字眼儿，注意错别字）
设计双闭环晶闸管不可逆直流调速系统，包括主电路和控制回路。
主电路由晶闸管构成，控制回路主要由检测电路，驱动电路构成，检测电路又包括转速检测和电流检测等部分。
稳态指标是无静差，动态指标是电流超调量为5%以下，采用转速微分负反馈使转速超调量等于0。
通过仿真验证系统具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。
参考资料：
[1]王兆安.电力电子技术[M].北京:
机械工业出版社,2000.
[2]郭晓红.电机与拖动课程教学中的创新探讨[J].电力学报,2008,23（3）:
249-251.
完成期限2019.9.30至2019.10.11
指导教师
专业负责人徐建军
2019年9月30日
目录（黑体小三、居中）
1设计要求 1
2直流调速系统设计 1
2.1直流调速系统的调速原理及性能指标 1
2.2电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析 4
2.3双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析 8
2.4调节器的工程设计方法 10
2.5电流环、速度环的设计 12
3双闭环直流调速系统仿真 14
3.1软件仿真 14
3.2仿真结果 15
4结论 17
参考文献 18
附录 19
一级标题黑体小四、二级标题宋体小四、固定值20磅
只写两级标题
电力电子应用设计（报告）
1设计要求（一级标题黑体小三，段前段后1行；这一部分主要写系统功能、性能、参数指标）
1）该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围，系统工作范围内能稳定运行。
2）系统静特性良好，无静差。
3）动态指标：
电流超调量5%，采用转速微分负反馈使转速超调量等于0。
正文宋体小四、英文和数字TimesNewRoman小四；段前段后0行；行距固定值20磅。
2直流调速系统设计（这一部分要求有系统结构框图、系统的原理，主电路和控制电路原理图及原理，元器件的选择过程及相关计算）
2.1直流调速系统的调速原理及性能指标（二级，黑体四号，段前段后0.5行）
2.1.1直流调速系统的调速原理（三级，黑体小四，无段前段后）
直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广范围内平滑调速，所以由晶闸管—直流电动机（V—M）组成的直流调速系统是目前应用较普遍的一种电力传动自动化控制系统。
它在理论上实践上都比较成熟，而且从闭环控制的角度看，它又是交流调速系统的基础。
从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统（伺服系统）、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此，调速系统是最基本的电力拖动控制系统。
直流电动机的转速和其它参量的关系用式（2-1）表示：
（2-1）
公式要用公式编辑器，居中；编号居右
式中：
n——电动机转速；
U——电枢供电电压；
I——电枢电流；
R——电枢回路总电阻，单位为；
——由电机机构决定的电势系数。
在上式中，是常数，电流I是由负载决定的，因此，调节电动机的转速可以有三种方法：
1）调节电枢供电电压U；
2）减弱励磁磁通；
3）改变电枢回路电阻R。
对于要求在一定范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最好。
改变电阻只能实现有级调速；减弱励磁磁通虽然能够平滑调速，但调速的范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上做小范围的弱磁升速。
因此，自动控制的直流调速系统往往以改变电压调速为主。
根据生产机械的实际情况，为了实现无级调速，必须满足，，的精度要求，选用晶闸管整流装置为电动机供电的方案。
如果有表格，格式如下；表居中，表题在表上，表题黑体5号
表1-1引脚功能描述
管脚名称
功能
A0z、A1、A2
器件地址选择
SDA
串行数据/数址
SCL
串行时钟
WP
写保护
Vcc
1.8V～6.0V
Vss
地
2.1.2直流调速系统的性能指标
根据各类典型生产机械对调速系统提出的要求，一般可以概括为静态和动态调速指标。
静态调速指标要求电力传动自动控制系统能在最高转速和最低转速范围内调节转速，并且要求在不同转速下工作时，速度稳定；动态调速指标要求系统启动、制动快而平稳，并且具有良好的抗扰动能力。
抗扰动性是指系统稳定在某一转速上运行时，应尽量不受负载变化以及电源电压波动等因素的影响。
1．静态性能指标
1）调速范围
生产机械要求电动机在额定负载运行时，提供的最高转速与最低转速之比，称为调速范围，用符号D表示，如式（2-2）所示：
（2-2）
2）静差率
静差率是用来表示负载转矩变化时，转速变化的程度，用系数s来表示。
具体是指电动机稳定工作时，在一条机械特性线上，电动机的负载由理想空载增加到额定值时，对应的转速降落与理想空载转速之比，用式（2-3）表示：
（2-3）
显然，机械特性硬度越大，机械特性硬度越大，越小，静差率就越小，转速的稳定度就越高。
然而静差率和机械特性硬度又是有区别的。
两条相互平行的直线性机械特性的静差率是不同的。
它们有相同的转速降落，但由于，因此。
这表明平行机械特性低速时静差率较大，转速的相对稳定性就越差。
在1000r/min时降落10r/min，只占1%；在100r/min时也降落10r/min，就占10%；如果只有10r/min，再降落10r/min时，电动机就停止转动，转速全都降落完了。
2.1.3动态性能指标
生产工艺对控制系统动态性能的要求经折算和量化后可以表达为动态性能指标。
自动控制系统的动态性能指标包括对给定信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。
1．跟随性能指标
在给定信号（或称参考输入信号）R（t）的作用下，系统输出量C（t）的变化情况可用跟随性能指标来描述。
当给定信号表示方式不同时，输出响应也不一样。
通常以输出量的初始值为零，给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，这时的动态响应又称为阶跃响应。
一般希望在阶跃响应中输出量与稳态值的偏差越小越好，达到的时间越快越好。
常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间，超调量和调节时间：
1）上升时间
在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值所经过的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性。
2）超调量
在典型的阶跃响应跟随系统中，输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量，用式（2-4）表示：
（2-4）
超调量反映系统的相对稳定性。
超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。
3）调节时间
调节时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个调节过程的快慢。
原则上它应该是从给定量阶跃变化起到输出量完全稳定下来为止的时间。
对于线性控制系统来说，理论上要到才真正稳定，但是实际系统由于存在非线性等因素并不是这样。
因此，一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，取（或）的范围作为允许误差带，以响应曲线达到并不再超出该误差带所需的最短时间定义为调节时间。
2．抗扰性能指标
一般是以系统稳定运行中，突加负载的阶跃扰动后的动态过程作为典型的抗扰过程，并由此定义抗扰动态性能指标，常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间：
1）动态降落
系统稳定运行时，突加一定数值的扰动（如额定负载扰动）后引起转速的最大降落值叫做动态降落，用输出量原稳态值的百分数来表示。
输出量在动态降落后逐渐恢复，达到新的稳态值，是系统在该扰动作用下的稳态降落。
动态降落一般都大于稳态降落（即静差）。
调速系统突加额定负载扰动时的动态降落称作动态降落。
2）恢复时间
从阶跃扰动作用开始，到输出量基本上恢复稳态，距新稳态值之差进入某基准量的（或）范围之内所需的时间，定义为恢复时间，其中称为抗扰指标中输出量的基准值。
实际系统中对于各种动态指标的要求各有不同，要根据生产机械的具体要求而定。
一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主。
2.2电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析
2.2.1双闭环调速的工作过程和原理
双闭环调速系统的工作过程和原理：
电动机在启动阶段，电动机的实际转速低于给定值，速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值，速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器，此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号，直流电压迅速上升，电流也随即增大直到等于最大给定值，电动机以最大电流恒流加速启动。
电动机的最大电流（堵转电流）可通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。
在电动机转速上升到给定转速后，速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零，速度调节器和电流调节器退出饱和状态，闭环调节开始起作用。
对负载引起的转速波动，速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压，使整流桥输出的直流电压相应变化，从而校正和补偿电动机的转速偏差。
另外电流调节器的小时间常数，还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节，可以在电动机转速还未来得及发生改变时，迅速使电流恢复到原来值，从而使速度更好地稳定于某一转速下运行。
由于以Ued=220V，Ied=330A，Imax≤2Ied，ts＜2s的电动机为负载，为了实现他可逆运行和无环流控制，综合运行可靠和经济等因素采用三相桥式反并联可逆整流电路。
2.2.2双闭环直流调速系统的组成及其静特性
1．双闭环直流调速系统的组成
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。
两者之间实行嵌套连接，如图1所示。
把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。
从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。
这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。
（图居中，图题黑体5号，图里字5号）
-
+
TA
L
V
TG
M
n
UPE
ACR
ASR
+
-
-
+
+
-
图2-1转速、电流双闭环直流调速系统
其中：
ASR-转速调节器ACR-电流调节器TG-测速发电机TA-电流互感器UPE-电力电子变换器-转速给定电压-转速反馈电压-电流给定电压-电流反馈电压
2．双闭环直流调速系统的静特性分析
分析静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征，一般是存在两种状况：
饱和的时候是输出达到限幅值，不饱和的时候是输出未达到限幅值。
当调节器达到饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，换句话说，也就是饱和的调节器暂时隔断了输入和输出的联系，相当于使该调节环开环。
当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压在稳态时总为零。
实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。
因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况：
1．转速调节器不饱和
稳态时，输入偏差电压都是零。
，，由第一个关系式如（2-5）所示：
（2-5）
从双闭环直流调速系统的稳态结构系统图中可以看出，图3所示静特性曲线的CA段。
同时，由于ASR不饱和，可知，CA段特性从理想空载状态的一直延续到。
而，一般都是大于额定电流的。
这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。
R
E
n
ASR
UPE
ACR
+
+
+
-
-
-
图2-2双闭环直流调速系统的稳态结构框图
2．转速调节器饱和
这时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。
双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。
所以稳态时：
。
其中，最大电流取于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度，由上式可得静特性的AB段，是一条垂直的直线。
这样的特性只适合于的情况，因为如果，则，ASR将退出饱和状态。
双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，转速负反馈起主要调节作用，但负载电流达到时，对应于转速调节器的饱和输出，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流自动保护。
这采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。
运算放大器开环放大系数不是无穷大的，静特性的两段实际上都略有很小的静差，具体情况见图3中虚线。
O
B
A
C
图2-3双闭环直流调速系统的静特性
3．各变量的稳态工作点和稳态参数计算
由稳态结构图可知，双闭环调速系统在稳态工作时，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有以下关系如式（2-6）、（2-7）、（2-8）所示：
（2-6）
（2-7）
（2-8）
在稳态工作点上，转速n由给定电压决定，ASR的输出由负载电流决定，而控制电压则同时取决于n和。
PI调节器输出到稳态时，输入为零，输出稳态值由它后面环节的需要来决定。
后面需要PI调节器提供多大输出，它就提供多少，直到饱和为止。
双闭环调速系统和无静差的稳态计算相似。
转速反馈系数：
，电流反馈系数：
。
给定电压的最大值、由设计者来给定，受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制。
2.3双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析
2.3.1双闭环直流调速系统的数学模型的建立
全控式整流在稳态的情况下，触发器控制电压与整流输出电压的关系如式（2-9）所示：
（2-9）
其中：
A-整流器系数-整流器输入交流电压-整流器触发角-触发器移项控制电压K-触发器移项控制斜率
n
E
+
+
+
-
-
-
-
整流与触发关系为余弦，工程中近似用线性环节代替触发与放大环节，放大系数为：
，绘制双闭环直流调速系统的动态结构框图4所示：
图2-4双闭环直流调速系统的动态结构框图
2.3.2起动过程分析
双闭环直流调速系统在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个阶段。
第一阶段是电流上升阶段。
当突加给定电压时，电动机机电惯性较大，还来不及转动（n=0），转速负反馈电压，很大，使ASR的输出突增，ACR的输出为，可控整流器输出为，电枢电流迅速增加。
当增加到时，电动机开始转动，以后转速调节器ASR的输出达到限幅值，使电枢电流达到所对应的最大值，这时电流负反馈电压与ACR的给定电压基本上是相等的。
第二阶段是恒流升速阶段。
从电流升到最大值开始，到转速升到给定值为止，这是启动过程的主要阶段，在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统表现为恒流调节。
由于电流保持恒定值，即系统的加速度为恒值，所以转速n按线性规律上升，由知，也线性增加，这就要求也要线性增加，故在启动过程中电流调节器是不应该饱和的，晶闸管可控整流环节也不应该饱和。
第三阶段是转速调节阶段。
转速调节器在这个阶段中起作用。
开始时转速已经上升到给定值，ASR的给定电压与转速负反馈电压相平衡，输入偏差等于零。
但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在以最大电流下加速，使转速超调。
超调后，，，使ASR退出饱和，其输出电压才从限幅值降下来，与也随之降了下来，由于仍大于负载电流，在开始一段时间内转速仍继续上升。
到时，电动机才开始在负载的阻力下减速，直到稳定。
在这个阶段中ASR与ACR同时发挥作用，转速调节器在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则力图使尽快地跟随ASR的输出变化。
稳态时，转速等于给定值，电枢电流等于负载电流，ASR和ACR的输入偏差电压都为零，但由于积分作用，它们都有恒定的输出电压。
ASR的输出电压如式（2-10）所示，ACR的输出电压如式（2-11）所示：
（2-10）
（2-11）
由上述可知，双闭环调速系统，在启动过程的大部分时间内，ASR处于饱和限幅状态，转速环相当于开路，系统表现为恒电流调节，从而可基本上实现理想过程。
双闭环调速系统的转速响应一定有超调，只有在超调后，转速调节器才能退出饱和，使在稳定运行时ASR发挥调节作用，从而使在稳态和接近稳态运行中表现为无静差调速。
故双闭环调速系统具有良好的静态和动态品质。
综上所述，双闭环调速系统的起动过程有以下三个特点：
1）饱和非线形控制：
随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态，在不同情况下表现为不同结构的线形系统，只能采用分段线形化的方法来分析，不能简单的用线形控制理论来笼统的设计这样的控制系统。
2）转速超调：
当转速调节器ASR采用PI调节器时，转速必然有超调。
转速略有超调是容许的，对于不允许超调的情况，应采用其他控制方法来抑制超调。
3）准时间最优控制：
对于电力拖动系统，在电动机允许过载能力限制下的恒流起动，就是时间最优控制。
由于在起动过程Ⅰ、Ⅱ中电流不能突变，实际起动过程与理想启动过程相比还有一些小差距。
采用饱和非线性控制的方法实现准时间最优控制是一种很有实用价值的控制策略，在各种多环控制中得到普遍应用。
2.3.3动态抗干扰性分析
一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能，对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。
主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动。
1．抗负载扰动
由双闭环直流调速系统动态结构图可看出，负载扰动作用在电流环之后，靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动。
设计ASR时，要有较好的抗扰性能指标。
2．抗电网电压扰动
电网电压变化对调速系统也产生扰动作用。
由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，抗扰性能大有改善。
因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会小得多。
2.4调节器的工程设计方法
2.4.1PI调节器
PI调节器的输入输出关系如式（2-12）所示：
（2-12）
PI调节器的传递函数如式（2-13）所示：
（2-13）
2.4.2调节器的设计方法
为了保证转速发生器的高精度和高可靠性，系统采用转速变化率反馈和电流反馈的双闭环电路主要考虑以下问题：
1．保证转速在设定后尽快达到稳速状态；
2．保证最优的稳定时间；
3．减小转速超调量。
为了解决上述问题，就必须对转速、电流两个调节器的进行优化设计，以满足系统的需要。
建立调节器工程设计方法所遵循的原则是：
1．概念清楚、易懂；
2．计算公式简明、好记；
3．不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；
4．能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简明的计算公式；
5．适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。
直流调速系统调节器参数的工程设计包括确定典型系统、选择调节器类型、计算调节器参数、计算调节器电路参数、校验等内容。
在选择调节器结构时，只采用少量的典型系统，它的参数与系统性能指标的关系都已事先找到，具体选择参数时只须按现成的公式和表格中的数据计算一下就可以了，这样就使设计方法规范化，大大减少了设计工作量。
2.4.3Ⅰ型系统与Ⅱ型系统的性能比较
控制系统的开环传递函数如式（2-14）所示：
（2-14）
根据中积分环节个数的不同，将该控制系统称为0型、Ⅰ型、Ⅱ型等系统。
自动控制理论证明，0型系统在稳态时是有差的，而Ⅲ型及Ⅲ型以上的系统很难稳定。
通常为保证稳定性和一定的精度，多用Ⅰ型、Ⅱ型系统，典型Ⅰ型、Ⅱ型系统其开环传递函数分别用式（2-15）、（2-16）所示：
（2-15）
（2-16）
典型Ⅰ型系统在动态跟随性能上可做到超调小，但抗扰性能差；而典型Ⅱ型系统的超调量相对要大一些，抗扰性能却比较好。
2.4.4转速-电流调节器结构的确定
一般说来典型Ⅰ型系统在动态跟随性能上可以做到超调小，但抗忧性能差；典型Ⅱ型系统的超调量相对要大一些而抗扰性能却比较好。
基于此，在转速-电流双闭环调速系统中，电流环的一个重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，即能否抑制超调是设计电流环首先要考虑的问题，所以一般电流环多设计为Ⅰ型系统，电流调节的设计应以此为限定条件。
至于转速环,稳态无静差是最根本的要求，所以转速环通常设计为Ⅱ型系统。
在双闭环调速系统中，整流装置滞后时间常数和电流滤波时间常数一般都比电枢回路电磁小很多，可将前两者近似为一个惯性环节，取。
经过小惯性环节的近似处理后，电流环的控制对象是一个双惯性环节，要将其设计成典型Ⅰ型系统，同理，经过小惯性环节的近似处理后，转速环的被控对象形如上式。
转速环应设计成Ⅱ型系统，所以转速调节器也就设计成PI型调节器，如下式（2-17）所示：
（2-17）
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