直流调速系统设计及仿真和交流调压调速系统建模及仿真-电气工程及其自动化.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交流调压调速系统建模及仿真 专业名称： 电气工程及其自动化 班 级： 级（专升本）班 学号： 姓 名： 指导教师： 设计地点： 课程设计任务书 20142015学年第一学期学生姓名： 专业班级：电气工程及其自动化 级专升本班 指导教师： 工作部门： 电气教研室 一、课程设计题目：直流调速系统设计及仿真和交流调压调速系统建模及仿真二、设计目的：控制系统课程设计是继“自动控制系统”课之后开设的实践性环节课程。由于它是一门理论深、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。本课程设计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。通过它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。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。三、课程设计内容（含技术指标） 1直流调速系统设计及仿真题目和设计要求 不可逆直流调速系统设计：设计数据：直流电机额定功率PN=10KW；额定电压UN=220V, 额定电流IN=55A,极对数2P=4,转速nN=1000r/min；电枢电感LD=7mH；电枢电阻Ra=0.5 ,励磁电压UL=220V, 励磁电流IL=1.6A；要求系统调速范围D=10,S 5%，电流脉动系数Si10%。 设计要求:1、 调速方案选择及确定2、 主电路计算和元件选择3、 触发电路设计选择4、 控制回路设计元件选择和指标校验5、 辅助电路设计及选择6、 PCB板设计(选做)7、 调试方案制订8、 对系统进行仿真9、 上交设计说明书，原理图 2交流调速系统建模及仿真 系统设计数据技术数据：380V，50HZ，三相交流供电电源鼠笼式三相交流异步电动机，额定功率PN=2.2kW，额定电压UN=380v， 额定电流IN=10A，额定转速nN=1460r/min,，J=0.2kgm2，Rs=0. 5，Rr=2，P=2。建立交流调压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。四、设计进度安排序号设计内容所用时间1布置任务，查阅资料及调研。1天2直流系统部分方案的选择论证1天3直流部分主电路设计1天4直流部分控制电路设计1天5直流部分仿真实验及校验及绘制电路图1天6针对交流部分任务查资料并进行原理分析1天7交流部分建模1天8交流系统仿真调试1天9交流系统仿真调试答辩1天10答辩、撰写设计报告书1天11合 计10天五、设计报告本课程设计的任务包括两部分内容：直流调速系统的设计并校验和交流调速建模与仿真。(一)直流调速系统设计部分提交:1题目及技术要求2系统方案和总体结构。3系统工作原理介绍。4具体设计说明：包括主电路和控制电路。5元件明细表。6系统原理图：绘制原理图纸一张。7.指标校验与仿真实现。8.仿真模型和仿真结果.9.画PCB板图(选做)。(二)交流部分提交对给定的调系统进行原理分析、建模与仿真,并提交仿真结果。六、考核方式及成绩评定评定项目基本内涵分值设计过程考勤10分自行设计、态度认真、按进度完成任务等10分设计报告完成设计任务30分报告规范性、参考文献充分等情况10分设计报告创新性、雷同率等情况10分答 辩回答问题情况30分总分100分0100分：优；8089分：良；7079分：中；6069分，及格；60分以下：不及格 指导教师： 2014年10月 教研室主任签名： 2014年10月 10日 2摘要 本文设计的是一个10KW直流电动机直流调速系统以及交流调压调速系统建模及仿真。 在直流电动机调速系统中，根据所给直电动机参数来设计主回路，控制回路。再根据要求建立起动态数学模型。系统采用三相全控桥式整流电路供电方案，以提高供电质量。主变压器采用D/Y联结。从而辟免三次谐波电动势的不良影响，减速小了三次谐波电流对电源的干扰。触发电路选用集成电路KJ004组成六脉冲触发器，不仅提高了系统的可靠性，也使线路简单，装置体积小。总体方案采用减压调速，故励磁保持恒定。故励磁绕组采用三相不可控桥式整流电路供电。 在交流调压调速系统中，先根据交流异步电动机的数学模型，推导出交流异步电动机与交流电压的关系，再利用M|ATLAB的Sinulink工具箱中的Power System Blockset 库中基本仿真模型的组合，实现交流调压调速系统的模拟仿真。通过修改参数（如给定，负载，调节器参数等）得到不同情况下的仿真结果，从而对交流调压调速系统进行分析研究。关键词：直流调速；交流调压调速目录一 直流电动机调速系统的设计1第1章 直流调速系统的方案确定11.1 系统技术数据及要求11.2 调速系统的方案选择11.2.1 主电路的选择11.2.2 触发电路的选择2第2章 主电路的设计与计算22.1 主电路的设计22.2 整流变压器的设计22.2.1 变压器二次侧电压U2的计算22.2.2 一次、二次相电流I1、I2的计算32.2.3 变压器容量的计算32.3 晶闸管元件的选择32.3.1 晶闸管的额定电压32.3.2 晶闸管的额定电流32.4 主电路的保护设计与计算32.4.1 过电压保32.4.2 过电流保护42.4.3 缺相与无励磁或弱磁保护42.5 平波电抗器的计算52.6 励磁电路元件的选择5第3章 触发电路的设计63.1 触发电路的选择63.2 同步变压器设计63.3 控制电路的直流电源6第4章 双闭环的设计和校验64.1 电流调节器的设计与校验64.2 转速调节器的设计和校验7第5章 系统MATLAB仿真85.1 系统的建模与参数设置85.1.1 系统的建模85.1.2 模型参数设置85.2 系统仿真结果的输出及结果分析9第2篇 交流调压调速系统的建模与仿真10第6章 交流调压调速系统的原理及特性106.1 异步电动机改变电压时的机械特性106.2 闭环控制的变压调速系统及其静特性106.3 闭环变压调速系统的近似动态结构框图11第7章 交流调压调速系统的Matlab仿真137.1 交流调压调速系统的建模137.2 交流调压调速系统的仿真15总结17参考文献17III 湖北理工学院电气学院 2013级专升本课程设计一 直流电动机调速系统的设计第1章 直流调速系统的方案确定1.1 系统技术数据及要求 技术数据：直流电机额定功率PN=10KW；额定电压UN=220V, 额定电流IN=55A,极对数2P=4,转速nN=1000r/min；电枢电感LD=7mH；电枢电阻Ra=0.5 ,励磁电压UL=220V, 励磁电流IL=1.6A。设计要求：系统调速范围D=10,S 5%，电流脉动系数Si10%。1.2 调速系统的方案选择转速调节器触发器MTG+-图1-1 调速系统的结构框图转速调节器电流反馈 因调速精度要求较高，故选用转速负反馈调速系统。并设有电流反馈，以提高电机的动态快速性以及进行限流保护。调速系统的结构框图如图1-1所示。 与电动机同轴安装一台测速发电机TG，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压，与给定电压相比较后，得到转速偏差电压，经转速调节器放大后，作为电流调节器的给定，与电流反馈信号相减后得到电流偏差，经电流调节器放大后，去控制触发器的导通角，从而改变输出电压，达到变压调速的目的。1.2.1 主电路的选择 一般说来，对晶闸管整流装置在整流器功率很小时（4KW以下），用单相整流电路，功率较大时用三相整流电路。这样可以减小负载电流的脉动。由于所提供的电动机为10KW。故主电路采用三相整流电路。 在三相整流电路中，主要有三相零式整流电路、三相全控桥式整流电路和三相半控桥式整流电路。三相零式电路突出的优点是电路简单，用的晶闸管少，触发器也少，对需要220V电压的用电压的用电设计直接用380V电网供电，而不需要另设整流变压器。但缺点是要求晶闸管耐压高，整流输出电压脉动大，需要平波电抗器容量大，电源变压器二次电流中有直流分量，增加了发热和损耗。因零线流过负载电流，在零线截面小时压降大。而三相全控桥式整流电路，在输出电流和电压相同时，电源相电压可较三相零式整流电路小一半。因此显著减轻了变压器和晶闸管的耐压要求。变压器二次绕组电流中没有直流分量，种用率高。输出整流电压脉动小，所以平波电抗器容量就可以小一些。三相全控桥式整流电路的缺点是整流器件用得多，需要六个触发电路，需要220V电压的设备也不能用380电网直接供电，而要用整流变压器。三相半控桥式整流电路，虽然只用三只晶闸管、三个触发电路，但整流输出电压脉动大，且不能用于需要有源逆变的场合。 综合上述三种三相整流电路，及根据系统设计要求，主电路选用三相全控桥式整流电路。又由于电动机的额定电压为220V，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。1.2.2 触发电路的选择 目前触发电路主要有阻容移相触发电路、单结晶体触发电路、正弦波同步触发电路、锯齿波同步触发电路，以及集成触发电路等。各种触发电路的特点如表2-1所示。表1-1 常用触发电路比较表触发电路名称优 点缺 点适 用 范 围阻容移相触发电路结构简单、成本低、工作可靠、调节方便触发电压为正弦波，上升前沿不陡，受电网波动影响大，触发准确性与可靠性差。由于不是脉冲触发，门极电流大，增加了晶闸管损耗，而且调节范围也受到限制仅适用于小功率晶闸管整流装置，且控制精度要求低的场合单结晶体管触发电路电路简单、成本低、触发脉冲前沿陡，工作可靠、抗干扰能力强，易于调试脉冲宽度窄，输出功率小、控制线性度差，移相范围一般小于180。电路参数差异大，在多相电路中用不易一致不附加放大环节，可触发50A以下的晶闸管，常用于要求不高的小功率单相工三相半波电路中，但在大电感性负载中不易采用正弦波同步触发电路触发电路简单，易于调整，能输出宽脉冲，直流输出电压与控制电压为线性关系、能部分补偿电网电压波动对输出电压的影响。在引入正反馈时，脉冲前沿陡度可提高由于同频信号为正弦波，故受电网电压的波动干扰影响大，实际移相范围只有150左右不适用于电网电压波动较大的场合。可于于功率较大的晶闸管装置中锯齿波同步触发电路它不受电网电压波动与波形畸变的直接影响，抗干扰能力强，移相范围宽。具有强触发、双脉冲和脉冲封锁等环节，可触发200A的晶闸管整流输出电压与控制电压间不是线关系，电路比较复杂在大中容量晶闸管装置中得到广泛的应用集成触发电路体积小、功耗低、调试方便、性能稳定可靠移相范围小于180，为保证触发脉冲对称度，要求交流电网波形畸变率小于5%广泛应用于各种晶闸管装置中 对表1-1所列出的几种触电发电路进行综合考虑，集成触发电路具有明显的优点，因而选用集成触发电路。触发集成芯片采用目前比较常用的KC系列。第2章 主电路的设计与计算2.1 主电路的设计由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小，故选用三相全控桥式整流电路供电。如图3-1所示。图2-1 晶闸管三相全控整流电路在图2-1中，SB1 为停止按扭，SB2为启动按扭。主电路的工作过程为：先合上开关QS1，接通三相电源，经整流变压器变压后，一路经整流二极管VD1VD6组成的三相不可控桥式整流电路转换成直流电，作为直流电机的励磁电源。当励磁电流达到最小允许值后，过电流继电器吸合，此时按下启动按扭SB2，接触器KM得电吸合，其主触头闭合，从整流变压器输出的三相电压经热继电器后加到由晶闸管VT1VT6组成的三相全控整流电路上，在触发电路的控制下得到可调的电压，从而调节电机的转速。2.2 整流变压器的设计2.2.1 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: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，通常取=0.9；11.2考虑各种因数的安全系数；对于三相全控整流电路 A=2.34；取=0.9；角考虑10裕量，则 B=cos=0.985，由式（2-1）可得，取U2=110V。电压比 K=U1/U2=380/110=3.45。2.2.2 一次、二次相电流I1、I2的计算整流变压器一次、二次相电流与负载电流之比分别为： （2-2） （2-3） 考虑变压器的励磁电流时，应乘以1.05左右的系数，即： （2-4）对于三相全控整流电路 KI1=0.816, KI2=0.816，由式（3-3）、（3-4）可得： 2.2.3 变压器容量的计算 S1=m1U1I1； （2-5） S2=m2U2I2； （2-6） S=1/2(S1+S2)； （2-7）式中m1、m2 -一次侧与二次侧绕组的相数；对于三相全控挢式整流电路m1=3，m2=3，则有：S1=m1U1I1=338013.7=15.6KVAS2=m2U2I2=311045=14.85 KVA S=1/2(S1+S2)=1/2（15.6+14.85）=15.2KVA 励磁功率为=2201.6=0.352kW，取S1=16KVA, S2=15.2KVA，S=15.6KVA ，=14A,=46A. 2.3 晶闸管元件的选择2.3.1 晶闸管的额定电压 晶闸管实际承受的最大峰值电压，并考虑（23）倍的安全裕量，参照标准晶闸管电压等级，即可确定晶闸管的额定电压，即 =（23）在三相全控桥式整流电路，每个晶闸管所承受的最大峰值电压为，则 （2-8）取2.3.2 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 （2-9）考虑（1.52）倍的裕量 =（1.52）K （2-10）式中K=/（1.57）-电流计算系数。对于三相全控整流电路K=0.367，考虑1.52倍的裕量 取。故选晶闸管的型号为KP50-7晶闸管元件。2.4 主电路的保护设计与计算在实际的运行过程中，会受各种各样因素的引响，使电压或电流超出系统允许的范围，如电网电压波动导致的过电压，过载或堵转引起的过电流等等，这时很容易损坏系统，因而需要设置相应的保护电路。2.4.1 过电压保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，如图3-1中的1R11R3和1C1-1C3。对于单相电路 电容C的耐压 （2-11） （2-12） 电阻功率： （2-13）式中： 变压器容量（VA） 变压器二次相电压有效值 通过电阻的电流（A） 变压器励磁电流百分比，10100KVA的变压器，对应的=104； 变压器的短路比，101000KVA的变压器，对应的=510； 阻容两端正常工作时交流电压峰值（V）。对于相电路，R和C的数值可按表2-1进行换算。表2-1 变压器和阻容装置不同接法时电阻和电容的数值变压器接法单相三相、二次Y联结三相、二次D联结阻容装置接法与变压器二次侧并联Y联结D联结Y联结D联结电容CC1/3C3CC电阻RR3R1/3RR取=10, =5，由式（2-11）、（2-12）、（2-13）得耐压1.5Um =1.5110=233V由公式计算出电容量一般偏大，实际选用时还可参照过去已使用装置情况来确定保护电压的容量，这里选CZJD-2型金属化纸介电容器，电容量70uF，耐压250V。，取1.3可选取1.3，25W的陶瓷绕线电阻。 压敏电阻的选择压敏电阻标称电压取=220V，电流量取5KA。选MY31-220/5型压敏电阻。允许偏差+10（242V）。（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。 选MY31-430/5型压敏电阻。允许偏差+10（484V）。（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。如图3-1中的1R41R9、1C41C9。阻容保护的数值一般根据经验选定，见表3-2 表2-2 阻容保护的数值一般根据经验选定晶闸管额定电流/A1020501002005001000电容/F0.10.150.20.250.512电阻/1008040201052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1C41C9=0.2F，1R41R9=40，电容耐压(1.11.5)= (1.11.5)=1.5110=296404V选CZJD-2型金属化纸介质电容器,电容量0.22F，耐压为400V。电阻1R41R9上消耗的功率为： 选1R41R9为40，0.5W金属膜电阻。2.4.2 过电流保护 本系统采用电流截止反馈环节作限流保护外，还设有与元件串联的快速熔断器作过载与短路保护。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。 如图3-1中的FU1-FU7。 （1）交流侧熔断器的选择在交流则设有熔断器FU1，对整流变压器及后面的电路进行短路与过载保护，整流变压器一次侧的电流有效值为=13.5A。故可选取RM10-60低压熔断器，熔体的额定电流选为20A（2）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=31.75A选取RLS-35快速熔断器，熔体额定电流35A。（3）过电流继电器的选择因为负载电流为55A，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1.2555=68.75A100A。2.4.3 缺相与无励磁或弱磁保护 在发生缺相故障时，会使输出电压降低，电流和电压波动增大，使电机运行时振动加大，增大了对生产机械的冲激，有必要设置缺相保护电路。对于他励直流电动机，启动时必须先加励磁电源，然后才能加电枢电压，以及在弱磁时，会使系统不稳定，因而应设置无励磁或弱磁保护。（1）缺相保护 缺相保护采用带缺相保护功能的热继电器实现，如图3-1中的FR。热继电器FR既作缺相保护，也可作过载保护。当发生缺相故障或负载过载时，热继电器FR动作，其常闭触头断开，KM线圈失电，KM的主触头断开整流电路的电源，从而实现缺相和过载保护。整流变压器二次侧的电流有效值为=46A.，可选用JR20-63，热元件选用4U，整定电流为46A。（2）无励磁或弱磁保护 无励磁或弱磁保护采用欠电流继电器实现，如图3-1中的KA2。当发生无励磁或弱磁（励磁电流没达到最小允许值）时，KA2的常开触头断开，接触器KM失电，其主触头切断全控整流器的电源，从而实现无励磁或弱磁保护。励磁电流为1.6A，可选用JT18型欠电流继电器，额定电流取4.6A，吸合电流整定为1.2A。2.5 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。 （2-14）式中 与整流电路形式有关的系数，可由表查得；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 =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mH）可用下式计算 （2-15）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 =21mH （3）变压器漏电感量变压器漏电感量（单位为mH）可按下式计算 （2-16）式中 计算系数，查表可得变压器的短路比，一般取510。本设计中取=3.9、=5所以 (4）实际串入平波电抗器的电感量 （2-15） 已知电动机电感量=7mH ，则： 取=100mH。 （5）电枢回路总电感:=100+7+20.39=107.7mH2.6 励磁电路元件的选择整流二极管耐压与主电路晶闸管相同，故取700V。对于三相不可控桥式整流电路 K=0.367， 可选用ZP型3A、700V的二极管。在图中，RW1和RW2是用来调节励磁电流的，可选择50，10W的可调电阻。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。典型应用电路如图3-1所示。中图3-1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。KC42主要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。图 3-1 由KC04、KC41、KC42组成的集成触发脉冲产生电路由产品目录中查得KP100晶闸管的触发电流为为10250mA,触发电压。在触发电路直流电源电压为15V时，脉冲变压器匝数比为21，可获得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，完全能满足要求。 3.2 同步变压器设计如图3-1所示的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，一般每图3-2 同步变压器的联接相不超过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3-2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3-3所示。 图3-3 15V直流稳压电源原理图第4章 双闭环的设计和校验4.1 电流调节器的设计与校验 整流装置滞后时间常数对于三相全控桥式整流电路，可取。 电流滤波时间常数 对于三相全控桥式整流电路，可取。 电流环小时间常数 按小时间常数近似处理，取。 电流调节器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。其模拟电路图如图4-1所示。二极管3VD1和3VD2起运放输入限幅，保护运放的作用。二极管3VD3、4VD4和电位器3RW1、3RW2用于正负限幅，调节3RW1或3RW2就可以改变下输出幅值或负限幅值。3R1是为了避0免运算放大器长期工作产生零点漂移，其阻值较大，可取4.7M。图4-1 电流调节器 电流反馈系数电流调节器参数计算 电枢回路电磁时间常数：。 电流调节器超前时间常数： 。 电流环开环增益：要求时，就取，因此 于是，电流环的比类系数为 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。计算调节器的电阻和电容取运算放大器的3=40，有=5.11740=204.68，取220，3，取0.47，3，取0.2。故=。4.2 转速调节器的设计和校验 电流环等效时间常数在前面的计算中，已取，则。 转速滤波时间常数根据所用没速发电机纹波情况，取。 转速环小时间常数。 转速调节器的选择图4-2 转速调节器按设计要求，选用PI调节器，其传函为，其模拟电路图如图4-2所示。其结构与电流调节器一样。在此不再重述。 转速调节器的参数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：。 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。 计算调节器电阻和电容：取=40，则，取620。3，取0.153，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=5时，查得=81.2%，所以=2（）（）=，满足设计要求.第5章 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。5.1 系统的建模与参数设置5.1.1 系统的建模图5-1 转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型负载采用Simulink工具箱中的Power System模块组成的转速、电流双闭环直流调速系统如图6-1所示。模型由晶闸管-直流电动机组成的主回路和转速、电流调节器组成的控制回路两部分组成。其中的主电路部分，交流电源、晶闸管整流器、触发器、移相控制环节和电动机等环节使用Power System模型库的模块。控制回路的主体是转速和电流两个调节器。模型中转速反馈和电流反馈均取自电动机测量单元的转速和电流输出端，减小了测速和电流检测环节，这不会影响仿真的真实性。电流调节器ACR的输出端其后面的环节运算后，得到移相控制电压，去控制整流桥的输出电压。而电流调节器ACR的输出限幅就决定控制角的最大和最小限制。5.1.2 模型参数设置（1） 交流电路电源的参数设置 由于整流变压器的二次电压为110V，其峰值电压为，将U相、V相、W相电压发生器的峰值设为155.56V，频率设为50Hz，相位依次设为0、-120、120。（2）晶闸管的参数设置，（25010-9）F（3）同步触发脉冲模块的参数设置 频率设为50Hz，脉冲宽度设为10，选择双脉冲触发方式。（4） 电机模型的设置（5） 励磁电阻为。 求电枢绕组和励磁绕组的互感因为 ， 所以 电机的额定负载转矩 按以上计算出的参数，设置好电机模型。5.2 系统仿真结果的输出及结果分析图5-2 双闭环调速系统，空载时运行过程图5-3 双闭环调速系统，负载时运行过程当建模和参数设置完成后，在开始仿真前，需要对仿真器参数进行设置，选择“Simulation”菜单中的“Simulation parameters”命令，出现仿真参数设置对话框。选择ode23tb算法，将相对误差设置为1e-3（110-3），开始时间设置为0.0，停止时间设置为0.2，然后点击“OK”退出设置。单击工具栏的按钮，即可进行仿真。（1）空载起动 将图5-1中的负载给定设为0，转速给定设为1000，启动仿真，得到如图6-2所示的结果，从图可看出，刚起动时，电枢电流各电磁转矩很大，并被限制在最大值，转速上升很快，转速超调后，电枢电流几乎下降到0，转速很快稳定到给定转速，在稳态时，电枢电流几本为0。 （2）负载起动 将图5-1中的负载给定设为10，转速给定设为1000，启动仿真，得到如图5-3所示的结果，从图可看出，刚起动，电枢电流各电磁转矩很大，并被限制在最大值，转速上升很快，转速超调后，电枢电流下降很快，转速很快稳定到给定转速，在稳态时，电枢电流约为15A。 （3）低速动行过程 将图5-1中的负载给定设为10，转速给定设为100，启动仿真，得到如图5-4所示的结果。从图可看出，起动时电枢电流各电磁转矩没达到最大允许值，转速也没有超调，稳态时，转速仍稳定中给定转速。图5-4 双闭环调速系统，低速时运行过程图5-5 双闭环调速系统，负载变化时运行过程（4）负载变化 将图5-1中的负载给定模块换为一个阶跃函数模块，并设置延时时间为1s，初值为10，终值为50。转速给定设为1000，启动仿真，得到如图5-5所示的结果。从图可看出，系统稳定后突增负载，转速略有下降，但很快又稳定在给定转速。电枢电流增大很多。从以上的仿真结果可看出，所设计的双闭环调速系统满足要求。第2篇 交流调压调速系统的建模与仿真第6章 交流调压调速系统的原理及特性6.1 异步电动机改变电压时的机械特性图6-1 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 转差率根据电机学原理，在下述三个假定条件下：忽略空间和时间谐波；忽略磁饱和；忽略铁损，异步电动机的稳态等效电路如图7-1所示。由图可以导出 （6-1）其中，在一般器情况下， 则，这相当于将上述假定条件的第条改为“忽略铁损和励磁电流”。这样，电流公式可简化成 （6-2）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 （6-3）式（6-3）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6-2。表示额定定子电压。将式6-3对s求导，并令，可求出最大转矩及其对应的转差率 （6-4） （6-5） 图6-2 异步电动机在不同电压下的机械特性图6-3 高转子电阻电机在不同电压下的机械特性风机类负载特性由图6-2可见，带恒转矩负载工作时，普通笼式异步电动机变电压时的稳定工作点为A、B、C、转差率s的变化范围为0sm，调速范围有限。如果带风机类负载运行，则工作点为D、E、F、调速范围可以大一些。为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，并使电动机在较低的转速下运行而不致过热，就要求电动机转子有较高的电阻值，这样的电动机在变电压时的机械特性如图6-3所示。显然，带恒转矩负载时的变压调速范围增大了，即使堵转工作也不致烧坏电动机，这样电动机又称作交流力矩电动机。6.2 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6-4a所示。图6-4b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。 a) b)图6-4 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。根据6-4a可以画出静态结构框图，如图6-5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6-5 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6-3计算出所需的 以及相应的。6.3 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6-5可以直接画出如图6-6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6-6 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，可以认为且后者相当于忽略异步电动机的漏感电磁惯性。在此条件下 （6-6）这就是在前述条件下异步电动机近似的线性机械特性。 设A为近似线性机械特性上的一个稳态工作点，则在A点上 （6-7）在A点附近有微小偏差时，代入式7-6得 将上式展开，并忽略两个和两个以上微偏量的乘积，则 （6-8）从式6-8中减去式6-7，得 （6-9）已知转差率，