直流调速系统设计及仿真和矢量控制变频调速系统建模与仿真.doc

电气与电子信息工程学院控制系统课程设计课程设计报告名 称：直流调速系统设计及仿真和矢量控制变频调速系统建模与仿真专业名称： 电气工程及其自动化 班 级： 学号： 姓 名： 指导教师： 设计地点： 目 录前 言7第1章 直流调速系统总体方案81.1调速控制要求.81.2调速方案设计81.3总体方案设计9第2章 主电路设计与参数计算102.1整流变压器参数计算102.2晶闸管元件参数计算112.3晶闸管保护计算122.4平波电抗器的计算13第3章 触发电路的设计163.1触发电路的选择163.2 同步变压器设计163.3 控制电路的直流电源16第4章 双闭环的动态设计和校验174.1转速调节器的设计和校验174.2电流调节器的设计和校验18第5章 直流调速系统MATLAB仿真205.1电流环的仿真205.2转速环的系统仿真22第6章 交流调速系统的建模与仿真236.1矢量控制变频调速的仿真模型236.2异步电动机矢量控制变频调速仿真结果236.3异步电动机变频调速矢量控制仿真结果分析25总 结26参考文献26附表1：主电路及辅助图27附表2：触发电路图28附表3：直流双闭环仿真图.29前 言电气传动系统又称电力拖动系统,是以电动机作为原动机的机械系统的总称。其目的是为了通过对电动机合理的实现生产机械的起动,停止,速度、位置调节以及各种生产工艺的要求。随着技术的进步及社会对环保、节能要求的日渐严 格,电气传动系统在社会各方面的使用越来越广泛。电气传动技术以电动机控制为控制对象，以微电子装置为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成电气传动控制系统。因电机种类的不同分为直流电动机传动（简称直流传动）、交流电动机传动（简称交流 传动）、步进电机传动（简称步进传动）、伺服电动机传动（简称伺服传动）等等。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑，方便，易于在大范围内平滑调速，过载能力大，能受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起制动和反转，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，所以直流调速系统至今仍然被广泛地用于自动控制要求较高的各种生产部门，是调速系统的主要形式。而且直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。因此，直流调速系统的应用研究具有实际意义。目前，通过对电动机的控制，将电能转换为机械能进而控制工作机械按给定的运动规律运行且使之满足特定要求的新型电气传动自动化技术已广泛应用于各个领域。 三十多年来，直流电机传动经历了重大的变革，实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使 直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。随着计算机控制技术的发展， 直流传动系统已经广泛使用微机， 实现了全数字化控制。由于微机以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能 力强。所以，全数字直流调速控制精度和可靠性比模拟直流调速系统大大提高。 而且通过系统总线全数字化控制系统，能与管理计算机、过程计算机、远程电控 装置进行交换，实现生产过程的自动化分级控制。所以，直流传动控制采用微机 实现全数字化，使直流调速系统进入一个崭新的阶段。第1章 直流调速系统总体方案1.1调速控制要求在现代化工业生产中，生产机械都不停地运动着，几乎无处不使用电力传动 装置。由于各种不同的生产机械运动规律不一样，对传动装置性能的要求也不一 样。为了提高产品质量，增加产量，提高生产效率，越来越多的生产机械要求能 实现转速调节与相应的自动化控制，并且对电力传动装置的拖动性能要求也越来 越高。 （1）调速在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（有级）或平滑 地（无级）调节转速； （2）稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有 过大的转速波动，以确保产品质量； （3）加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率； 不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。1.2调速方案设计（1）直流电动机的选择本次设计选用的电动机型号Z2-61型，其具体参数如下表1-1所示表1-1 Z2-61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）极对数Z2-618.52303714501.05.491（2）供电方案选择本文选用静止可控整流器（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。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。（3）调速方案选择计算电动机电动势系数：由式=0.133,当电流连续时，系统额定速降为=556.39。开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率:=27.7%，大大超过了S5%.若D=10，S5%.，则，可知开环调速系统的额定速降是556.39，而工艺要求的是7.63，而开环调速系统无能为力，需采用反馈控制的闭环调速系统。因为调速要求较高，故选用转速、电流反馈控制的直流调速系统。1.3总体方案设计直流调速系统的框图如图所示：内环是电流调节器，主要作用：（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）限幅值决定电机允许的最大电流。（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。ASR是转速环，主要作用：（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。第2章 主电路设计与参数计算电动机的额定电压为230V，为保证供电质量，应采用三相减压变压器将电源电压降低；为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用D/Y联结。2.1整流变压器参数计算（1）变压器二次侧电压U2的计算U2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： （2-1）式中Udmax -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： （2-2）式中A-理想情况下，=0时整流电压Ud0与二次电压U2之比，即A=Ud0/U2；B-延迟角为时输出电压Ud与Ud0之比，即B=Ud/Ud0；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： (2-3)由表查得 A=2.34；取=0.9；角考虑10裕量，则 B=cos=0.985取U2=130V。电压比K=U1/U2=380/130=2.923。（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）变压器容量的计算S1=； （2-4）S2=； （2-5）S=1/2(S1+S2)； （2-6）式中m1、m2 -一次侧与二次侧绕组的相数；由表查得m1=3，m2=3S1=338010.85=12.37 KVAS2=313030.19=11.77 KVAS=1/2(S1+S2)=1/2（12.37+11.77）=12.07 KVA取S=20KVA2.2晶闸管元件参数计算（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 =1.57 或 =K （2-7）考虑（1.52）倍的裕量=（1.52）K （2-8）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 （2-9）取。故选晶闸管的型号为KP25-7。（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 =（23）整流电路形式为三相全控桥，查表得，即: 取2.3晶闸管保护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。(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=20kvA, U2=122VIem取值：当 S10KVA时，取Iem=4。=F=28.4F耐压1.5Um =1.5130=275.77V选取30F,耐压275.77V的CZDJ-2型金属化纸介电容器。取=5V，=2.17，3 =1.23A =W=W选取3、15W的金属膜电阻。压敏电阻的计算 =V=239V流通量取5KA。选MY31-240/5型压敏电阻。允许偏差+10（264V）。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。=（1.8-2.2）=(1.82.2) 230=414460V选MY31-500/5型压敏电阻。允许偏差+10（500V）。3）闸管及整流二极管两端的过电压保护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=1.5=1.5130=477.65V选C为0.5F的CJ40-2型金属化纸介质电容器, 耐压为500V。=500.5=1.27W选R为10普通金属膜电阻器，RJ-0.5。(2) 过电流保护快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。1）晶闸管串连的快速熔断器的选择接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管的有效值=21.36A （2-10）选取RLS-60快速熔断器，熔体额定电流60A。2）过电流继电器的选择因为负载电流为37A，所以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，整定电流取1.2537=46.25A50A2.4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。 （2-11）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=48.84mH（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 （2-12）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=36.72mH（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 （2-13）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、=37A、n=1450r/min、p=1=17.15mH变压器漏电感量（单位为mH）可按下式计算 （2-14）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 =3.20.05130/（10037）=0.00562mH（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：=31.68mH （2-15）（5) 电枢回路总电感:=31.68+17.15+20.00562=48.84mH第3章 触发电路的设计3.1触发电路的选择根据设计要求，选用集成触发电路。触发集成芯片采用目前比较常用的KC系列。其电路如附录二：触发电路图所示。图中，由KC04及其周围的元件组成6路依次相差60的触发脉冲，并从其第8引脚引入三相电网电压，实现6路脉冲与电网电压的同步。KC4是用于电网电压波形的补偿，从而使同步脉冲更加准确，减小了电网电压波形对触发脉冲的影响。KC41是将由KC04产生的6路单脉冲信号转换成6路双脉冲信号，使触更加可靠。在触发器选用15V供电电源的时候，移相输入电压应小于15V，选则晶闸管装置的放大倍数为。从产品目录中查得晶闸管的触发电流为8-150mA,触发电压3.5V。在触发电路直流电源电压为15V是，脉冲变压器匝数比为2:1，可获得约6V左右的电压，脉冲变压器一次电流只要大于75mA，即可满足晶闸管要求。这里选用3DG12B作为脉冲功率放大管，其极限参数=45V, =300mA，满足要求。3.2 同步变压器设计六路双脉冲触发电路需要三个互差120，且与主电路三个相电压、同相的三个同步电压，因此需要设计一个三相同步变压器，但考虑到同步变压器功率很小，一般每相不超过1W，这样小的三相变压器很难买到，故可用三个单相变压器组来代替，并联成DY0，即可获得与主电路二次侧相电压同相的三个电压、。按电路要求，同步电压取30V，因一次侧直接与电网相接，每相绕组电压为380V，考虑制造方便，功率的裕量留大一些，最后确定单相变压器参数为：容量为3VA，电压为380V/30V，数量为3只，同步变压器的联结如图3-1所示。3.3 控制电路的直流电源这里选用集成稳压电路CM7815和CM7915，如图3-2所示。图3-2 15V直流稳压电源原理图图3-1 同步变压器的联接第4章 双闭环的动态设计和校验4.1转速调节器的设计和校验（1）时间常数的确定：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）转速调节器结构的选择：按设计要求，选用PI调节器（3）转速调节器参数的计算：按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=5,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）调节器电阻和电容的计算：取=40，则，取470。，取0.2，取1。故。其结构图如下：图41 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=5时，查得=81.2%，所以=2（）=，满足设计要求。4.2电流调节器的设计和校验（1）时间常数的确定已知，所以电流环小时间常数=0.0017+0.002=0.0037S。（2）电流调节器结构的选择因为电流超调量，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）电流调节器参数的计算：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=，所以ACR的比例系数=。（4）调节器电阻和电容的计算取运算放大器的=40，有=1.01340=40.52，取40，取0.75uF，取0.2。故 =其结构图如下所示：图42电流调节器第5章 直流调速系统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。本次系统仿真采用前一种方法。转速、电流双闭环直流调速系统仿真模型如图5-1。图5-1 双闭环直流调速系统原理图5.1电流环的仿真电流环的仿真模型如图5-2所示图5-2 电流环仿真模型选中Simulink模型窗口的SimulinkConfiguration Parameters菜单项，把Start time和Stop time栏目分别填写为0.0s和0.05s。启动仿真过程，用自动刻度调整示波器模块所显示的曲线，得到图5-3所示的曲线。图 5-3 电流环仿真结果图5-3的参数关系式KT=0.5。在此基础上，利用图5-2的仿真模型，可以观察PI参数对跟随性能的影响趋势，找到符合工程要求的更合适的参数。例如，以KT=0.25的关系按典型型系统的设计方法得到PI调节器的传递函数为0.567+ ，得到电流环的阶跃响应的仿真结果如图6-4所示，无超调，但上升时间长；以KT=1.0的关系式得到了PI调节器的传递函数为2.027+，同样得到电流环的阶跃响应的仿真结果如图5-5所示，超调大，但上升时间段。图 5-4 无超调的仿真结果 图 5-5 超调量较大的仿真结果5.2转速环的系统仿真图 5-6 转速环的仿真模型为了在示波器模型中反映出转速电流的关系，仿真模型中从Signal Routing组中选用了Mux模块来把几个输入聚合成一个响亮输出给Scope。Step1模块是用来输入负载电流的。PI参数为11.7+。双击阶跃输入模块把阶跃值设置为10，得到起动时的转速与电流响应曲线，如图5-7所示，最终稳定运行于给定转速。如把负载电流设置为136，满载起动，其转速与电流相应曲线如图5-8所示，起动时间长，退保和超调量减少。图 5-7 转速环空载高速起动波形图 图 5-8 转速环满载高速起动波形图第6章 交流调速系统的建模与仿真6.1矢量控制变频调速的仿真模型该矢量控制变频调速仿真模型主电路主要由整流模块、滤波模块、逆变模块、电机模块组成；控制回路主要由3/2、2/3、转子磁链与位置计算模块、PWM产生模块、速度调节模块组成。对于交直流变频调速的主电路，整流的功能用三相桥式不可控整流仿真模块，逆变用IGBT构成三相逆变桥仿真模块，电机模型利用电力系统模块库中的国际标准制模型。IGBT构成三相逆变桥仿真模块，电机模型利用电力系统模块库中的国际标准制模型。 2/3变换按照矩阵转换公式变换，在仿真模型中封装成子模块，即DQ-ABC模块，如图6-1所示：图6-1 2/3变换仿真模块速度PI调解器仿真模块如图6-2所示，励磁电流PI调节仿真模块与转矩电流PI调节仿真模块结构与速度PI调节仿真模块相似，只是比例与积分参数不同。图6-2 速度PI调节器模块为了便于测量波形，在仿真模型里设置了示波器Scope，用来测量异步电机的定子线电压、线电流、转速和电磁转矩。6.2异步电动机矢量控制变频调速仿真结果矢量控制变频调速仿真模型进行仿真时选用的三相鼠笼异步电动机参数为：Pn=35KW,U1=460V,P=2,f=60Hz,J=1.662Kgm2,Rs=0.087,L1s=0.8e-3H,Rr=0.228,L1r=0.8e-3H,Lm=34.7e-3H.速度PI调节器参数为：Kp=13；Ki=26；励磁电流PI调解器参数：Kp=12；Ki=24；转矩电流PI调解器参数为Kp=11；Ki=23仿真参数设置好。由仿真模型进行以下实验：转子参数变化时的系统性能实验。实验得到以下波形（此波形为Scope测量到的定子线电压，定子线电流，电动机的电磁转矩和转子转速）。转子参数变化时的波形 给定转速为120rad/s,空载运行，额定电机参数时的定子电压，定子电流，转速，电磁转矩波形图（额定转子电阻为0.228）。给定转速为120rad/s,空载运行，转子电阻突变为0.5（其他参数不变时）的定子电压，定子电流，转速，电磁转矩波形图。给定转速为120rad/s,空载运行，转子电阻突变为0.1（其他参数不变时）的定子电压，定子电流，转速，电磁转矩波形图。6.3异步电动机变频调速矢量控制仿真结果分析以上仿真实验结果表明:利用矢量控制算法的变频调速系统具有优良的动态特性和抗干扰特性,采用矢量控制方式，实现励磁电流与转矩电流的独立控制。变频调速系统具有良好的起动、稳态和抗干扰性能，其电流、转速、转矩波形和直流电机的相应波形极为相似，这就表明异步电机矢量控制变频调速完全可以达到直流电机的调速性能。由于模拟直流电机的调速方法，来控制交流电机，因此，控制和分析直流电机的方法完全可以应用于交流电机的控制上，基于转速外环与电流内环的双闭环直流电机的控制方法，成功地应用于控制交流电机，取得了满意的控制效果，由于励磁环采用了闭环控制，可靠的保证了异步电机合适的磁场;转矩电流环的闭环控制，使得矢量控制变频调速系统，有很硬的机械特性，成为一种优良的控制系统。 该矢量控制系统采用了速度PI调节器、励磁电流PI调节器、转矩电流PI调节器三个调节器分别实现对转速、励磁电流、转矩电流的控制。因电机磁路具有饱和特性，过励磁只会增大励磁电流，而电机的磁链幅值并未得到相应的提高，力矩电流也没有相应