直流双闭环调速系统的设计与仿真.doc
《直流双闭环调速系统的设计与仿真.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《直流双闭环调速系统的设计与仿真.doc（23页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
实用标准文案
目录
第一篇直流调速系统的设计及仿真
1系统方案选择和总体结构设计
1.1调速方案的选择
1.2总体结构设计.
2控制电路的设计与计算
2.1给定环节的选择
2.2控制电路的直流电源
3主电路设计与参数计算
3.1晶闸管的选择
3.1.1晶闸管的额定电流
3.1.2晶闸管的额定电压
3.2整流变压器的设计
3.2.1变压器二次侧电压U2的计算
3.2.2一次、二次相电流I1、I2的计算
3.2.3变压器容量的计算
4触发电路的选择
4.1触发电路的选择
5双闭环励磁设计和校验
5.1电流调节器的设计和校验
5.2转速调节器的设计和校验
6转速、电流双闭环直流调速系统的电气总图
7直流系统MATLAB仿真
7.1系统的建模与参数设置
7.2系统仿真结果的输出
第二篇交流调压调速系统的建模与仿真
8交流调压调速系统的原理及特性
8.1异步电动机改变电压时的机械特性
8.2闭环控制的变压调速系统及其静特性
8.3闭环变压调速系统的近似动态结构框图
9交流调压调速系统的Matlab仿真
9.1交流调压调速系统的建模
9.2交流调压调速系统的仿真
总结
参考文献
摘要
转电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。
具有调速范围广、精度高、性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统中得到了广泛的应用。
20世纪70年代初出现了交流电动机的矢量控制原理，为高性能交流控制奠定了理论基础，实现像直流电动机那样的对磁场和转矩的解耦控制。
矢量控制理论的提出和成功应用，开创了用交流调速系统代替直流调速系统的时代。
80年代掀起了交流调速热，矢量控制理论进一步完善和发展，一些新的控制策略和方法相继提出并被采用，例如“直接转矩控制”就是80年代中期提出的又一交流调速控制技术，直接转矩控制利用观察电动机的电磁转矩和宽一子磁链，不需在进行复杂的坐标变换，采用闭环控制，直接控制电磁转矩和定子磁链，系统更加简单，控制更加直接，受到各国学者的重视。
第一篇直流调速系统的设计及仿真
1系统方案选择和总体结构设计
1.1调速方案的选择
本次设计选用的电动机型号Z2-92型，其具体参数如下表1-1所示
表1-1Z2-92型电动机具体参数
电动机
型号
PN（KW）
UN（V）
IN（A）
NN（r/min）
Ra（Ω）
GDa2（Nm2）
P极对数
Z2-92
67
230
291
1450
0.2
68.60
1
（一）电动机供电方案的选择
变压器调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：
旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。
旋转变流机组简称G-M系统，适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。
静止可控整流器又称V-M系统，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。
直流斩波器和脉宽调制交换器采用PWM受器件各量限制，适用于中、小功率的系统。
根据本此设计的技术要求和特点选V-M系统。
在V-M系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压。
由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。
考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。
因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。
并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省。
而且工作可靠，能耗小，效率高。
同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。
综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。
（二）调速方案的选择
由vmin/r,
当电流连续时，系统额定速降为:
r/min,.
开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率:
，大大超过了S≤5%.
若D=10，S≤5%.，则，可知开环调速系统的额定速降是1090.4，而工艺要求的是7.6，故开环调速系统无能为力，需采用反馈控制的闭环调速系统。
因调速要求较高，故选用转速负反馈调速系统，采用电流截止负反馈进行限流保护，出现故障电流时由过流继电器切断主电路电源。
为使线路简单，工作可靠，装载体积小，宜用KJ004组成的六脉冲集成触发器。
该系统采用减压调速方案，故励磁应保持恒定。
采用三相全控桥式整流电路供电。
1.2总体结构设计
对于双闭环调速系统，可近似在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流（转矩）受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。
采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。
而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，这时，转速负反馈起主调作用，系统表现为电流无静差。
得到过电流的自动保护。
显然静特性优于单闭环系统。
在动态性能方面，双闭环系统在起动和升速过程中表现出很快的动态跟随性，在动态抗扰性能上，表现在具有较强的抗负载扰动，抗电网电压扰动。
直流调速系统的框图如图1-1所示：
图1-1直流双闭环调速系统结构图
图1-2主电路图回路
2控制电路的设计与计算
2.1给定环节的选择
已知触发器的移相控制电压为正值，给定电压经过两个放大器它的输入输出电压极性不变，也应是正值。
为此给定电压与触发器共用一个15V的直流电源，用一个2.2、1W的电位器引出给定电压。
2.2控制电路的直流电源
这里选用CM7815和CM7915三端集成稳压器作为控制电路电源.如图4-1所示：
图2—1直流稳压电源原理图
3主电路设计与参数计算
3.1晶闸管的选择
3.1.1晶闸管的额定电流
选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值大于实际流过管子电流最大有效值，即
=1.57>或>==K考虑（1.5～2）倍的裕量=（1.5～2）K式中K=/（1.57）--电流计算系数。
取。
故选晶闸管的型号为KP20-7。
3.1.2晶闸管的额定电压
晶闸管实际承受的最大峰值电压，乘以（2～3）倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压，即=（2～3）
整流电路形式为三相全控桥，查表得，则
取V.
3.2整流变压器的设计
3.2.1变压器二次侧电压U2的计算
U2是一个重要的参数，一般可按下式计算，即：
I2/I2N--变压器二次实际工作电流与额定之比，应取最大值。
在要求不高场合或近似估算时，可用下式计算，即：
式中A--理想情况下，α=0°时整流电压与二次电压之比,即A=/；B--延迟角为α时输出电压与之比，即B=/；
ε——电网波动系数；
（1～1.2）——考虑各种因数的安全系数；根据设计要求，采用公式：
由表查得A=2.34；取ε=0.9；α角考虑10°裕量，则B=cosα=0.985
取U2=130V。
电压比K=U1/U2=380/130=2.92。
3.2.2一次、二次相电流I1、I2的计算
由表查得=0.816,=0.816
考虑变压器励磁电流得：
3.2.3变压器容量的计算
；
式中--一次侧与二次侧绕组的相数；
由表查得
=3×380×81.32=92.704KVA
=3×130×237.46=92.609KVA
=1/2（92.704+92.609）
=92.657KVA
取S=92.7KVA
4触发电路的选择
4.1触发电路的选择
触发器的电路图如下图所示：
图4-1触发电路
从产品目录中查得晶闸管KP20-7的触发电流为（5～100）mA触发电压3.5V。
由已知条件可以计算出
触发器选用15V电源，则：
Ks=
。
因为，3.5V，所以触发变压器的匝数比为
取14:
1，设触发电路的触发电流为100mA，则脉冲变压器的一次侧电流只需大于100/14=7.14mA即可。
这里选用3DG12BNPN管作为脉冲功率放大管，其极限参数.
触发电路需要三个互差120°，且与主电路三个电压U、V、W同相的同步电压，故要设计一个三相同步变压器。
这里用三个单相变压器接成三相变压器组来代替，并联成DY型。
同步电压二次侧取30V，一次侧直接与电网连接，电压为380V,变压比为380/30=12.7。
5双闭环励磁设计和校验
5.1转速调节器的设计和校验
（1）确定时间常数：
有则，已知转速环滤波时间常数=0.01s，故转速环小时间常数。
（2）选择转速调节器结构：
按设计要求，选用PI调节器
（3）计算转速调节器参数：
按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=4,则ASR的超前时间常数为：
，
转速环开环增益。
ASR的比例系数为：
。
（4）检验近似条件
转速环截止频率为。
电流环传递函数简化条件为，满足条件。
转速环小时间常数近似处理条件为：
，满足。
（5）计算调节器电阻和电容：
取=40，则，取1000。
，取0.1
，取1。
故。
校核转速超调量：
由h=4，查得，不满足设计要求，应使ASR退饱和，重计算。
设理想空载z=0，h=4时，查得=77.5%，所以
=0.00792
=0.79%<10%满足设计要求.
5.2电流调节器的设计和校验
（1）确定时间常数
在三相桥式全控电路有：
已知，，所以电流环小时间常数
=0.0017+0.002=0.0037S。
（2）选择电流调节器的结构
因为电流超调量，并保证稳态电流无静差，可按典型Ⅰ型系统设计电流调节器电流环控制对象是双惯性型的，故可用PI型电流调节器。
（3）电流调节器参数计算：
电流调节器超前时间常数==0.03s，又因为设计要求电流超调量，查得有=0.5，所以==，电枢回路总电阻R=2=0.4Ω，所以ACR的比例系数
=
（4）校验近似条件
电流环截止频率==135.1。
晶闸管整流装置传递函数的近似条件：
>，满足条件。
忽略反电动势变化对电流环动态影响条件：
，满足条件。
电流环小时间常数近似处理条件：
，满足条件。
（5）计算调节器的电阻和电容
取运算放大器的=40，有=5.40440=216.16，取220，
，取0.1，，取0.2。
故=。
6转速、电流双闭环直流调速系统的电气总图
图6-1转速、电流双闭环直流调速系统的电气总图
7直流系统MATLAB仿真
7.1系统的建模与参数设置
（1）电流环流部分
参数设定：
Toi=0.002s、KS=40、R=0.4、
TOn=0.01、TL==0.03、=0.0017、TM=1.33
（2）转速环部分：
参数设定：
TOn=0.01
Kn=47.1
7.2系统仿真结果的输出
图7-3电流环的仿真波形图图7-4转速环空载高速起动仿真波形图
图7-5转速环满载高速起动仿真波形图
电流环仿真波形、转速环（空载、满载）仿真波形中，过载电流=1.5
图7-4、7-5上部为电机转速曲线，下部为电机电流曲线。
加电流启动时电流环将电机速度提高，并且保持为最大电流，而此时速度环则不起作用，使转速随时间线性变化，上升到饱和状态。
进入稳态运行后，转速换起主要作用，保持转速的稳定。
电机转速曲线。
在电流上升阶段，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。
此时转速调节器ASR饱和，电流调节器ACR起主要作用。
转速一直上升。
当到达恒流升速阶段时，ASR一直处于饱和状态，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统为恒值电流调节系统，因此，系统的加速度为恒值，电动机转速呈线性增长直至给定转速。
当转速上升到额定转速时，ASR的输入偏差为0，但其输出由于积分作用仍然保持限幅值，这时电流也保持为最大值，导致转速继续上升，出现转速超调。
转速超调后，极性发生了变化，则ASR推出饱和。
其输出电压立即从限幅值下降，主电流也随之下降。
此后，电动机在负载的阻力作用下减速，转速在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。
电机电流曲线。
直流电机刚启动时，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。
此时转速调节器ASR饱和，达到限幅值，迫使电流急速上升。
当电流值达到限幅电流时，由于电流调节器ACR的作用使电流不再增加。
当负载突然增大时，由于转速下降，此时转速调节器ASR起主要的调节作用，因此，电流调节器ACR电流有所下降，同启动时一样，当转速调节器ASR饱和，达到限幅值，使电流急速上升。
但是由于电流值达到限幅电流时，电流调节器ACR的作用使电流不再增加。
当扰动取电以后，电流调节器ACR电流又有所增加，此后，电动机在负载的阻力作用下减速，电流也在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。
第2篇交流调压调速系统的建模与仿真
第8章交流调压调速系统的原理及特性
8.1异步电动机改变电压时的机械特性
根据电机学原理，在下述三个假定条件下：
①忽略空间和时间谐波；②忽略磁饱和；③忽略铁损，异步电动机的稳态等效电路如图8-1所示。
图8-1异步电动机的稳态等效电路
、——定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻
、——定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感
——定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感
、——定子相电压和供电电角频率
——转差率
由图可以导出
（8-1）
其中，
在一般器情况下，＞＞则，这相当于将上述假定条件的第③条改为“忽略铁损和励磁电流”。
这样，电流公式可简化成
（8-2）
令电磁功率，同步机械角转速，为极对数，则异步电动机电磁转矩为
（8-3）
式（8-3）就是异步电动机的机械特征方程式。
它表明，当转速或转差率一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比。
这样，不同电压下的机械特性便如图8-2。
表示额定定子电压。
将式8-3对s求导，并令，可求出最大转矩及其对应的转差率
（8-4）；（8-5）
8.2闭环控制的变压调速系统及其静特性
采用普通异步电动机实行变电压调速时，调速范围很窄，采用高转子电阻的力矩电动机可以增大调速范围，但机械特性又变软，因此当负载变化时静差率很大，开环控制很难解决这个矛盾。
为此，对于恒转矩性质的负载，要求调速范围大于2时，往往采用带转速反馈的闭环控制系统，如图8-2a所示。
a）b）
图8-2带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统
a）原理图b）静特性图
图8-2b所示的是闭环控制变压调速系统的静特性。
当系统带负载在A点运行时，如果负载增大引起转速下降，反馈控制作用能提高定子电压，从而在右边一条机械特性上找到新的工作点。
同理，当负载降低时，会在左边一条特性上得到定子电压低一些的工作点。
按照反馈控制规律，将、A、、连接起来便是闭环系统的静特性。
尽管异步电动机的开环机械特性和直流电动机的开环特性差别很大，但是在不同电压的开环机械特性上各取一个相应的工作点，连接起来便得到闭环系统静特性，这样分析方法对两种电动机的闭环系统静特性却可以很硬。
如果采用PI调节器，照样可以做到无静差。
改变给定信号，则静特性平行的上下移动，达到调速目的。
根据8-2a可以画出静态结构框图，如图8-3所示。
图中，，为晶闸管交流调压器和触发装置的放大系数：
，为转速反馈系数；ASR采用PI调节器；是式7-3所表达的异步电动机机械特性方程式，它是一个非线性函数。
ASR
图8-3异步电动机闭环变压调速系统的静态结构框图
稳态时，，,根据负载需要的n和可由式7-3计算出所需
的以及相应的。
8.3闭环变压调速系统的近似动态结构框图
对系统进行动态分析和设计时，须先绘出结构框图。
由图8-5可以直接画出如图8-6所示的动态结构框图。
其中多数环节的传递甘薯可以很容易地写出来，只有异步电动机传递函数的推导须费一番周折。
图8-4异步电动机闭环变压调速系统的动态结构框图
MA——异步电动机F|BS——测速反馈环节
转速调节器ASR常用PI调节器，用以消除静差并改善动态特性，其传递函数为
晶闸管交流调压器和触发装置的输入-输出关系原则上是非线性的，在一定范围内可假定为线性函数，在动态中可以近似成一阶惯性环节，正如直流调速系统中的晶闸管触发和整流装置那样，传递函数可写成
其近似条件是：
，对于三相全波Y联结调压电路，可取=3.3ms，对其他形式的调压电路则须另行考虑。
考虑到反馈滤波作用，测速反馈环节FBS的传递函数可写成
异步电动机的动态过程是由一组非线性微分方程描述的，要用一个传递函数来准确地表示它的输入-输出关系是不可能的。
在这里，可以先在一定的假定条件下，用稳态工作点附近的微偏线性化方法求出一个近似的传递函数。
由式已知电磁转矩为
当s很小时，可以认为
后者相当于忽略异步电动机的漏感电磁惯性。
在此条件下，这就是在前述条件下异步电动机近似的线性机械特性。
如果只考虑到之间的传递函数，可先取，小闭环传递函数可变换成
于是，异步电动机的近似线性化传递函数为
由于忽略了电磁惯性，只剩下同轴旋转体的机电惯性，异步电动机便近似成一个线性的一阶惯性环节。
最后，应该强调下，具体适用图8-6所示的动态结构框图时要注意下述两点：
⑴由于它是微偏线性化模型，只能用于机械特性线性段上工作点附近的稳定性判别和动态校正，不适用于起制动时转速大范围变化的动态响应。
⑵由于它完全忽略了电磁惯性，分析和计算有很大的近似性。
9交流调压调速系统的Matlab仿真
9.1交流调压调速系统的建模
如图9-1所示的交流调压调速系统的仿真模型。
图9-1交流调压调速仿真模型
9.2交流调压调速系统的仿真
（1）设定转速为1500r/min，负载为零，运行仿真，得到如图9-6所示运行结果。
从图可以看出，空载起动时，转速大约在0.4s达到给定转速1500r/min，随后出现超调，其峰值约达到1750r/min，随后开始下降，最终稳定在给定转速1500r/min。
在这个启动过程中，电枢电流先是比较大幅度地做衰减振荡运动，随着转速接近给定值，电枢电流也几本稳定在某个值上。
但电机的电磁转矩一直处于振荡状态。
（2）设定转速为1500r/min，负载设为10，启动仿真，得到如图9-7所示的运行结果。
从图可以看出，负载启动时，转速的上升明显比空载时慢，而且转速达到1000r/min后，转速上升更慢。
而电枢电流在开始时出现衰减振荡，很快就几本稳定在一个电流值上。
电机的电磁转矩一直处于振荡状态。
（3）设定转速为1500r/min，负载先空载，在1秒后突加大负载。
模型仿真的实现方法是将图9-5中的负载给定换成阶跃信号发生模块，并将阶跃信号的延时时间设为1s，初始值设为0，终值设为50，启动仿真，得到如图9-8所示。
从图可以看出，突加大负载后，转速迅速下降，直到为0。
电机的电枢电流有增大
AC调压调速（触发脉冲波形）
AC调压调速（转速波形）
AC调压调速（电压波形）
总结
经过将近两周的努力，终于成功的完成了此次的电气传动的课程设计。
在这次课程设计中，我通过认真的准备，对所学的理论知识有了更深的了解，对以前没有弄清楚的问题在这次设计中通过亲自动手查证，都一一解决了。
特别是对这门课程中比较重要的知识，同时通过此次设计，增强了掌握这门技术的兴趣和决心。
本次课程设计除了在知识运用方面获得很大提升外，更让我感觉到，一分完美的设计仅仅靠个人是很难实现的，我们更多的是需要小组的共同努力，充分调动每个人的积极性，发挥每个人的聪明才智，这样才能将一份设计圆满的完成。
在设计过程中，我和同学通过查阅大量有关资料，并向老师请教等方式来完成我们的设计。
在此要感谢我们的指导老师胡老师和陈老师的悉心指导，感谢老师们给我们的帮助。
参考文献
五、参考资料
1、陈伯时.电力拖动自动控制系统，第３版.北京：
机械工业出版社，2004
2、石玉等.电力电子技术题例与电路设计指.北京：
机械工业出版社，1998
3、王兆安.电力电子技术.第4版．北京：
机械工业出版社，200０
4、王离九等.电力拖动自动控制系统.武汉：
华中科技大学出版社，1991
5、胡寿松.自动控制原理：
第4版.北京：
国防工业出版社
6、洪乃刚等。
电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真。
机械工业出版社，2007。
7、李华德主编。
交流调速控制系统。
电子工业出版社，2003
8、胡崇岳等。
现代交流调速系统。
机械工业出版社，2001
9、黄忠霖等。
控制系统MATLAB设计及仿真。
机械
升级会员 