基于Z2-81型电机 电机传动控制系统课程设计.doc

课程设计任务书 20112012学年第一学期一、课程设计题目：直流调速系统设计及仿真和交流调速系建模与仿真二、课程设计内容（含技术指标）1设计目的及要求电气传动课程设计是继“电气传动控制系统”课之后开设的实践性环节课程。由于“控制系统”课程本身是一门理论深、综合性强的专业课，单是学习理论而不进行实践将不利于知识的接受及综合应用。为了培养学生的实践能力，而设置电气传动控制系统的课程设计。它将起到从理论过渡到实践的桥梁作用。通过该环节训练，达到下述教学目的：1、通过课程设计，使学生进一步巩固、深化和扩充在交直流调速及相关课方面的基本知识、基本理论和基本技能，达到培养学生独立思考、分析和解决问题的能力。2、通过课程设计，让学生独立完成一项直流或交流调速系统课题的基本设计工作，使学生熟悉设计过程，了解设计步骤，达到培养学生综合应用所学知识能力、培养学生实际查阅相关设计资料能力的目的、培养学生工程绘画和编写设计说明书的能力。3、通过课程设计，提高学生理论联系实际，综合分析和解决实际工程问题的能力。通过课程设计，使学生理论联系实际，以实际系统作为实例，对系统进行分析设计，掌握控制系统设计必须遵循的原则、基本内容、设计程序、设计规范、设计步骤方法及系统调试步骤。并提高正确查阅和使用技术资料、标准手册等工具书的能力，提高独立分析问题、解决问题及独立工作的能力。通过设计培养学生严肃认真、一丝不苟和实事求是的工作作风。培养学生的创新意识和创新精神，为今后走向工作岗位从事技术打下良好基础。2课程设计基本要求本课程设计应根据设计任务书以设计技术规程及规定进行。1、根据设计课题的技术指标和给定条件，能独立而正确地进行方案论证和设计计算，要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整。2、要求掌握直流调速系统的设计内容、方法、步骤和交流调速系统建模与仿真。3、学会查阅有关参考资料和手册，并能正确选择有关元器件和参数。4、学会绘制有关电气系统原理图和编制元器件明细表。5、学会编写设计说明书。6、通过对所设计的系统进行仿真实验，掌握系统仿真的方法。3通过课程设计，学生应掌握控制系统工作原理、总体方案确定原则、主电路设计及元器件选型、控制回路设计及元器件选择、辅助回路设计等。并能熟练应用相应软件绘制原理图及PCB板图，并能在应用控制系统仿真软件对所设计系统进行仿真实验。最后在条件允许的情况下能对小型系统进行动手做出实体并调试，特别是应通过调试使学生掌握工程系统调试过程及方法，积累工程实践经验。3直流调速系统设计及仿真题目和设计要求：（直流调速系统选项一题）(一)直流调速系统的设计选题1(1)电机数如下表：机架序号电动机型号Pn（KW）Un（V）In（A）nn（r/min）Ra（）GDa2（Nm2）极对数Z2-926723029114500.268.601Z2-914823020914500.358.021Z2-823523015214500.431.361Z2-812623011314500.527.441Z2-721923082.5514500.711.761Z2-71142306114500.89.81Z2-621123047.814500.96.391Z2-618.52303714501.05.491Z2-52623026.114501.13.92110Z2-514.223018.2514501.23.431(2)技术数据电枢回路总电阻取a；总飞轮力矩：。其他参数可参阅教材中“双闭环调速系统调节器的工程设计举例”的有关数据。要求：调速范围10，静差率：稳态无静差，电流超调量；启动到额定转速时的转速退饱和超调量。要求系统具有过流、过压、过载和缺相保护。要求触发脉冲有故障封锁能力。要求给拖动系统设置给定积分器。(3)设计的内容1.调速的方案选择（） 直流电动机的选择（根据上表按小组顺序选择电动机型号）（） 电动机供电方案的选择（要求通过方案比较后，采用晶闸管三相全控整流器供电方案）；（） 系统的结构选择（要求通过方案比较后，采用转速电流双闭环系统结构）；（） 确定直流调速系统的总体结构框图。2.主电路的计算（可参考“电力电子技术”中有关主电路技术的章节）（） 整流变压器计算，二次侧电压计算；一、二次侧电流的计算；容量的计算。（） 晶闸管元件的选择。晶闸管的额定电压、电流计算。（） 晶闸管保护环节的计算。a)交流侧过电压的保护；b)阻容保护、压敏电阻保护计算；c)直流侧过电压保护；d)晶闸管及整流二极管两端的过电压保护；e)过电流保护。f)交流侧快速熔断器的选择,与元件全连的快速熔断器的选择,直流侧快速熔断器的选择。（） 平波电抗器计算。.触发电路的选择与校验触发电路种类多，可直接选用，电路中元器件参数可参照有关电路进行选用。4.控制电路设计计算：主要包括：给定电源和给定环节的设计计算、转速检测环节的设计与计算、调速系统的稳态参数计算、调速系统的稳态参数计算。5.双闭环直流调速系统的动态设计：主要设计转速调节器和电流调节器，可参阅双闭环调速系统调节器的工程设计法进行设计。6. 对系统进行仿真校验并上交设设说明书。交流调速系统建模及仿真交-交变频调速系统的建模与仿真：建立交-交变频调速系统的仿真模型，并进行参数设置。做出仿真结果，上交说明书。三、进度安排时间安排时间2011年11月14日2010年11月25日(共2周)星期一星期二星期三星期四星期五星期一星期二星期三星期四星期五上午12节下午上午下午上午下午上午下午上午下午上午下午上午下午上午下午上午下午上午下午安排查资料指导指导自行设计指导自行设计指导自行设计指导自行设计自行设计指导自行设计指导自行设计指导编写报告编写报告答辩答辩地点设计指导地点：K2一电力电子实验室，机房（自备计算机地点）查阅资料、自行设计地点：K2一电力电子实验室、图书馆、上网地点或其它答辩若在周五没有全部完成资料整理，则答辩时间可另行安排。四、成绩评定评定项目基本内涵分值设计过程考勤、自行设计、按进度完成任务等情况20分设计报告完成设计任务、报告规范性等情况50分答 辩回答问题情况30分90100分：优；8089分：良；7079分：中；6069分，及格；60分以下：不及格 摘 要本文所论述的是转速、电流双闭环直流调速系统设计。主电路设计是依据晶闸管-电动机（VM）系统组成，其系统由整流变压器TR、晶闸管整流调速装置、平波电抗器L和电动机-发电机组等组成。整流变压器TR和晶闸管整流调速装置的功能是将输入的交流电整流后变成直流电；平波电抗器L的功能是使输出的直流电流更平滑；电动机-发电机组提供三相交流电源。同时，根据双闭环直流调速系统原理图, 分析了转速调节器、电流调节器的作用, 并通过对调节器参数设计, 得到转速和电流的仿真波形。并对得到的波形进行分析。关键词：双闭环调速系统，转速调节器，电流调节器,仿真AbstractDiscussed in this paper is speed, the current double closed-loop DC speed system design. Main circuit design is based on the thyristor - Motor (V-M) system components, their system consists of rectifier transformer TR, SCR speed control devices, smoothing reactor L and the motor - generator sets etc. Rectifier transformer TR and SCR speed device function is the rectified AC input into DC; smoothing reactor L function is to make the output of the DC current is more smooth; motor - generator sets to provide three-phase AC power. Meanwhile, according to pairs of closed-loop DC speed control system schematic diagram, analysis of the speed regulator, current regulators role, and through the design of the regulator parameters get speed and current simulation waveforms. And received waveform analysis.Key words: double-loop speed control system, speed regulator, current regulator，Simulation 目 录1.引 言12.系统方案选择和总体结构设计12.1调速方案的选择12.2电动机供电方案的选择12.3调速系统方案的选择22.4总体结构设计23主电路设计与参数计算33.1整流变压器的设计33.1.1变压器二次侧电压U2的计算33.1.2 一次、二次相电流I1、I2的计算4 3.1.3变压器容量的计算43.2晶闸管元件的选择53.2.1 晶闸管的额定电流53.2.2晶闸管的额定电压53.3晶闸管保护环节的计算53.3.1过电压保护63.3.2 过电流保护73.4平波电抗器的计算74.触发电路选择与校验95.双闭环的动态设计和校验105.1电流调节器的设计和校验105.2 转速调节器的设计和校验126 控制电路的设计与计算136.1 给定环节的选择136.2 控制电路的直流电源136.3 反馈电路参数的选择与计算146.3.1测速发电机的选择146.3.2 电流截止反馈环节的选择147.直流调速系统电气原理总图148.系统MATLAB仿真168.1 系统的建模与参数设置178.2 系统仿真结果的输出及结果分析17第2篇 交流调速系统191.交-交变频调速原理192.逻辑切换装置DLC封装192.1电平检测器的建模192.2逻辑判断电路的建模192.3延时电路模块建模193.逻辑无环流单相交-交变频器的建模及仿真204.异步电动机交-交变频器调速系统的建模与仿真21总 结22参考文献23第1篇 直流调速系统1.引 言直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。本设计主电路采用晶闸管三相全控桥整流电路供电方案，控制电路由集成电路实现，系统中有速度调节器、电流调节器、触发器、锁零单元和电流自适应调节器等。2.系统方案选择和总体结构设计2.1调速方案的选择本次设计选用的电动机型号Z2-81型，其具体参数如下表2-1所示表1-1 Z2-81型电动机具体参数电动机型号PN(KW)UN(V)IN(A)NN(r/min)Ra()GDa2（Nm2）P极对数Z2-812623011314500.89.812.2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Ud，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Ud。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，选择晶闸管三相半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。综上选晶闸管三相半控桥整流电路供电方案。2.3调速系统方案的选择计算电动机电动势系数Ce：当电流连续时，系统额定降速为：， R=2Ra开环系统机械特性连续断在额定转速时的静差率：,大大超过了S5%.若D=10，S5%,则，可知开环系统的额定速降为1877.5r/min，而工艺要求的是7.6r/min，故开环系统是不行的，它无法担此重任，需要反馈控制的闭环调速系统。2.4总体结构设计采用双闭环调速系统，可以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。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2-1所示： 图2-1 直流双闭环调速系统结构图3主电路设计与参数计算3.1整流变压器的设计3.1.1变压器二次侧电压U2的计算是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成延迟角加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。一般可按下式计算，即： （3-1） 式中 -整流电路输出电压最大值； -主电路电流回路n个晶闸管正向压降；C - 线路接线方式系数；-变压器的短路比，对10100KVA， =0.050.1；/-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： （3-2）式中A-理想情况下，=0时整流电压与二次电压之比，即A=/；B-延迟角为时输出电压Ud与之比，即B=/；电网波动系数；11.2考虑各种因数的安全系数；根据设计要求，采用公式： (3-3)由表查得 A=2.34；取=0.9；角考虑10裕量，则 B=cos=0.993取=122V。电压比K=/=380/122=3.11。3.1.2 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：=A=29.6A =92.2A3.1.3变压器容量的计算 ； （3-4） ； （3-5） ； （3-6）式中m1、m2 -一次侧与二次侧绕组的相数；由表查得m1=3，m2=3=338029.6=33.74 KVA=312292.2=33.75KVA =1/2（33.74+33.75）=33.745 KVA 取=33.75KVA3.2晶闸管元件的选择3.2.1 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8，即 或 =K （3-8）考虑（1.52）倍的裕量 （3-9）式中K=/（1.57）-电流计算系数。此外，还需注意以下几点：当周围环境温度超过+40时，应降低元件的额定电流值。当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。由表查得 K=0.368，考虑1.52倍的裕量 （3-10） =A =A取=40A。故选晶闸管的型号为KP40-8。.3.2.2晶闸管的额定电压晶闸管实际承受的最大峰值电压，乘以（23）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，即整流电路形式为三相全控桥，查表得，则=V=V （3-7）取=800V。3.3晶闸管保护环节的计算晶闸管有换相方便，无噪音的优点。设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额定电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。正确的保护是晶闸管装置能否可靠地正常运行的关键。3.3.1过电压保护 以过电压保护的部位来分，有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。（1）交流侧过电压保护阻容保护 即在变压器二次侧并联电阻R和电容C进行保护。本系统采用D-Y连接。S=18.69kvA, U2=122VIem取值：当 S10KVA时，取Iem=4。=F=30.14F耐压1.5Um =1.5122=258.8V选取30F,耐压258.8V的CZDJ-2型金属化纸介电容器。取=5V，=2.04，取R=3 =1.15A =W=W选取3、14W的金属膜电阻。压敏电阻的计算 =V=224.29V流通量取5KA。选MY31-240/5型压敏电阻（允许偏差+10）作交流侧过电压保护。（2）直流侧过电压保护直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成加大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。 =(1.82.2) 230V=414460V 选MY31-440/5型压敏电阻（允许偏差+10）作直流侧过电压保护。（3）闸管及整流二极管两端的过电压保护 查下表：表3-1 阻容保护的数值一般根据经验选定晶闸管额定电流/A1020501002005001000抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值的1.11.15倍。由上表得C=0.5F，R=10，电容耐压1.5=1.5122=448.26V选C为0.2F的CZJD-2型金属化纸介质电容器, 耐压为450V。=W=0.45W 选R为40普通金属膜电阻器，RJ-0.5。3.3.2 过电流保护本系统采用电流截止反馈环节作限流保护外，还没有与元件串联的快速熔断器作过载与短路保护，用过电流继电器切断故障电流。（1）快速熔断器的选择 接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管电流有效值IT=Id/1.732=61A/1.732=35.2A,故选用RLS-50的熔断器，熔体电流为50A。（2）过电流继电器的选择 根据负载电流为61A，可选用吸引线圈电流为100A的JL14-11ZS型手动复位直流过电流继电器，整流电流可取1.2561A76A。3.4平波电抗器的计算为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗器，称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知的，因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。（1）算出电流连续的临界电感量可用下式计算，单位mH。 （3-11）式中为与整流电路形式有关的系数，可由表查得；为最小负载电流，常取电动机额定电流的510计算。根据本电路形式查得=0.695所以=0.05=0.0561A=3.05A=mH=27.8mH （2）限制输出电流脉动的临界电感量由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。该脉动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。通常负载需要的只是直流分量，对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加，引起过热。因此，应在直流侧串入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量（单位为m）可用下式计算 （3-12）式中系数，与整流电路形式有关，电流最大允许脉动系数，通常三相电路（510）。根据本电路形式查得=1.045, 所以=20.9mH （3）电动机电感量和变压器漏电感量电动机电感量（单位为mH）可按下式计算 （3-13）式中 、n直流电动机电压、电流和转速，常用额定值代入；p电动机的磁极对数；计算系数。一般无补偿电动机取812，快速无补偿电动机取68，有补偿电动机取56。本设计中取=8、=230V、=61A、n=1450r/min、p=1= mH =10.40mH 变压器漏电感量（单位为mH）可按下式计算 （3-14）式中计算系数，查表可得变压器的短路比，一般取5%10%。本设计中取=3.2、=0.05所以= 0.0032mH （4）实际串入平波电抗器的电感量考虑输出电流连续时的实际电感量：mH （3-15）（5) 电枢回路总电感:=17.410.420.0032 mH =27.8mH 4.触发电路选择与校验选用集成六脉冲触发器电路模块，其电路如电气原理总图所示。从产品目录中查得晶闸管的触发电流为250mA,触发电压。由已知条件可以计算出 ，V=5.75V。因为=5.75V，3V，所以触发变压器的匝数比为取3:1。设触发电路的触发电流为250mA，则脉冲变压器的一次侧电流只需大于250/3=83.3mA即可。这里选用3DG12B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。触发器的电路图如下图4-1所示：图4-1集成六脉冲触发电路5.双闭环的动态设计和校验5.1电流调节器的设计和校验（1）确定时间常数已知s，s，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=0.0133s，又因为设计要求电流超调量，查得有=0.5，所以=，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=1.07840=43.12，取45，取0.3，取0.2。故=，其结构图如下所示：图51电流调节器5.2 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：，满足近似条件。（5）计算调节器电阻和电容：取=40，则，取3700。，取0.02，取1。故。其结构图如下： 图52 转速调节器校核转速超调量：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=2（）（）=，满足设计要求.6 控制电路的设计与计算6.1 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。6.2 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，如下图所示图61直流稳压电源原理图6.3 反馈电路参数的选择与计算本设计中的反馈电路有转速反馈和电流截止负反馈两个环节，电路图见主电路。6.3.1测速发电机的选择因为V，故这里可选用ZYS-14A型永磁直流测速发电机。它的主要参数见下表。表62ZYS-14A型永磁直流测速发电机型号最大功率w最高电压V最大工作电流A最高转速r/minZYS-14A121201003000 取负载电阻=2,P=2W的电位器，测速发电机与主电动机同轴连接。6.3.2 电流截止反馈环节的选择选用LEM模块LA100-S电流传感器作为检测元件，其参数为：额定电流100A，匝数比1：1000，额定输出电流为0.1A。选测量电阻=47,，P=1W的绕线电位器。负载电流为1.2时。让电流截止环节起作用，此时LA100-S的输出电流为1.2/1000=1.2152/1000=0.184A，输出电压为470.25=11.75V，再考虑一定的余量，可选用1N4240A型的稳压管作为比较电压，其额定值为10V。7.直流调速系统电气原理总图8.系统MATLAB仿真本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件MATLAB，使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种，一是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用Power System工具箱进行调速系统仿真的新方法。本次系统仿真采用后一种方法。8.1 系统的建模与参数设置转速、电流双闭环直流调速系统的主电路模型主要由交流电源、同步脉冲触发器、晶闸管直流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。采用面向电气原理结构图方法构成的双闭环系统仿真模型如图8-1所示。 图8-1 转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型转速、电流双闭环系统的控制电路包括：给定环节、ASR、ACR、限幅器、偏置电路、反相器、电流反馈环、速度反馈环等，因为在本次设计中单片机代替了控制电路绝大多数的器件，所以在此直接给出各部分的参数，各部分参数设置参考前几章各部分的参数。本系统选择的仿真算法为ode23tb，仿真Start time设为0，Stop time设为2.5。8.2 系统仿真结果的输出及结果分析当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。图8-2是双闭环直流调速系统的电流和转速曲线。从仿真结果可以看出，它非常接近于理论分析的波形。图8.2双闭环直流调速系统的电流和转速曲线启动过程的第一阶段是电流上升阶段，突加给定电压，ASR的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流也很快上升，接近其最大值。第二阶段，ASR饱和，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，电流基本上保持不变，拖动系统恒加速，转速线形增长。第三阶段，当转速达到给定值后。转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零，但是由于积分作用，其输出还很大，所以出现超调。转速超调后，ASR输入端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进入线性调节阶段，使转速保持恒定，实际仿真结果基本上反映了这一点。由于在本系统中，单片机系统代替了控制电路的绝大多数控制器件，所以各项数据处理和调整都是在单片机内完成的，控制效果要好于本次的仿真结果。第二篇 交流调压调速系统建模及仿真9综述随着电力、电子技术的发展，特别是控制技术的发展，近年来交流调速获得飞跃的发展。交流调速系统具有下面几个主要优点：1、交流电动机特别是鼠笼异步电动机的价格远低于直流电动机。2、交流电动机不易出现故障，维修非常简单。3、交流电动机的使用场合没有限制。4、交流电动机的单机容量可远大于直流电动机。在国外，交流电机能够克服直流电机固有的缺点。到60年代随着电力电子技术的发展，才使交流调速得以迅速发展。它的调速性能已可与直流调速系统的性能相媲美。有取代直流调速系统的趋势，从而将进人交流调速系统的时代。在国内外受到人们的极大重视。国内交流调速也有一定的发展，高等院校 、研究院所、厂矿企业都积极参加交流调速的理论研究、技术开发和推广工作。国家经贸委、科技部、能源部等领导也十分重视交流调速的推广应用。目前国内生产的交流调速装置在某些方面已达世界先进水平。本篇章介绍了异步电动机其中一种调速方法-变压调速。变压调速是异步电动机调速方法中比较简单的一种方法。10 闭环控制的变压调速系统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2-1(a)所示。 a) b)图2-1 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2-1(b)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。改变给定信号，则静特性平行的上下移动，达到调速目的。异步电动机闭环变压调速系统不同于直流电动机闭环变压调速系统的地方是：静特性左右两边都有极限，不能无限延长，它们是额定电压下的机械特性和最小输出电压 下的机械特性。当负载变化时，如果电压调节到极限值，闭环系统便失去控制能力，系统的工作点只能沿着极限开环特性变化。11闭环控制的变压调速系统的静态特性11.1静态参数的计算图11-1闭环控制的变压调速系统的静态特性框图 晶闸管交流调压器和触发装置的放大系数： 转速反馈系数： 异步电动机机械特性方程式，它是一个非线性函数 稳态时 根据负载需要的n和TL可由机械特性方程式计算出或用机械特性图解法求出所需的Us以及相应的Uc。12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12-1可以直接画出如图12-1所示的动态结构框图。其中多数环节的传递函数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14-1 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13 交流调压调速系统的Matlab仿真13.1交流调压调速系统的建模（1）三相电源的建模三相电源要可以由三个独的单相交流电压源组成，如图5-1所示，一个单相交流电压源主要有三个参数，1、峰值电压Peak amplitude；2、相位Phase；3、频率Frequency。在此需要的是线电压380V，50Hz的交流电，顺因而每个交流电压源的幅应设为311V，频率设为50Hz，Va、Vb、Vc的相位分别设为0、-120和12图13-1 三相交流电源的模型（2）晶闸管三相交流调压器的建模晶闸管三相交流调压器通常是采用三对反并联的晶闸管元件组成，单个晶闸管元件采用“相位控制”方式，利用电网自然换流。每对反并联晶闸管的仿真模型如图13-2所示。 a）一对反并联晶闸管的仿真模型 b）一对反并联晶闸管的仿真模型符号图13-2 一对反并联晶闸管的仿真模型及其模块符号（3）移相触发器的建模交流调压晶闸管控制角的移相范围是180，=0的位置定在电源电压过零的时刻。在阻感负载时按控制角与负载阻抗角的关系，电路有两种工作状态。1、时调压器输出电压和电流的正负半周是不连续的，在这范围内调节控制角，负载的电压和电流将随之变化。2、时调压器输出处于失控状态，即虽然控制角变化，但负载电压不变，且是与电源电压相同的完整正弦波。这是因为阻感负载电流滞后于电压，因此如果控制角较小，在一个晶闸管电流尚未下降到零前，另一个晶闸管可能已经触发（但不能导通），一旦电流下降到零，如果另一个晶闸管的触发脉冲还存在，则该晶闸管立即导通，使负上电压成为连续的正弦波，出现失控现象。正因为如此，交流调压器的晶闸管必须采用后沿固定在180的宽脉冲触发方式，以保证晶闸管能正常触发。根据以上要求设计的交流调压器触发电路如图13-3所示。其中In1为同步电压输入端，In2为移相控制电压输入端，Out2和Out3为两个差180的触发脉冲输出端。图13-3 交流调压器触发模型及其符号（4）转速调节器（PI）的建模转速调节器采用PI调节器，其传函为：式中，为比例系数；为积分系数；。由上述PI调节器的传递函数可以直接调用SIMULINK中的传递函数或零极点模块。而考虑饱和输出限幅的PI调节器模型如图13-4所示。图13-4 带饱和、输出限幅的PI调节器及其模块符号模型中比例和积分调节分为两个通道，其中积分调节器integrate的限幅表示调节器的饱和限幅企，而调节器的输出限幅值由饱和模块 Saturation设定。当该调节器作转速调节器ASR时，在起动中由于开始转速偏差大，调节器输出很快达到输出限幅值，在转速超调后首先积分器退出饱和，然后转速调节器输出才从限幅值开始下降。（5）由以上的一些模块可组成如图13-5所示的交流调压调速系统的仿真模型。图13-5 交流调压调速仿真模型14