双闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告

TG n ASR ACR U n Un Ui U i Uc TA V M Ud Id UP E L M T G 双闭环直流调速系统的设计与仿真双闭环直流调速系统的设计与仿真 1 1 实验目的 实验目的 1 熟悉晶闸管直流调速系统的组成及其基本原理 2 掌握晶闸管直流调速系统参数及反馈环节测定方法 3 掌握调节器的工程设计及仿真方法 2 2 实验内容 实验内容 1 调节器的工程设计 2 仿真模型建立 3 系统仿真分析 3 3 实验要求 实验要求 用电机参数建立相应仿真模型进行仿真 4 4 双闭环直流调速系统组成及工作原理 双闭环直流调速系统组成及工作原理 晶闸管直流调速系统由三相调压器 晶闸管整流调速装置 平波电抗器 电动机 发电 机组等组成 本实验中 整流装置的主电路为三相桥式电路 控制回路可直接由给定电压Uct作为触 发器的移相控制电压 改变Uct的大小即可改变控制角 从而获得可调的直流电压和转速 以满足实验要求 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 二者之间实行嵌套联接 如图 4 1 把转 速调节器的输出当作电流调节器的输入 再用电流的输出去控制电力电子变换器 UPE 在 结构上 电流环作为内环 转速环作为外环 形成了转速 电流双闭环调速系统 为了获得 良好的静 动态特性 转速和电流两个调节器采用 PI 调节器 图 4 1 转速 电流双闭环调速系统 5 5 电机参数及设计要求 电机参数及设计要求 5 1 电机参数 直流电动机 220V 136A 1460r min 0 192V min r 允许过载倍数 1 5 晶闸 管装置放大系数 40 电枢回路总电阻 R 0 5 时间常数 0 00167s 0 075s 电流反馈系数 0 05V A 转速反馈系数 0 007 V min r 5 2 设计要求 要求电流超调量5 转速无静差 空载起动到额定转速时的转速超调量 10 6 6 调节器的工程设计调节器的工程设计 6 1 电流调节器 ACR 的设计 1 确定电流环时间常数 1 装置滞后时间常数 0 0017s 2 电流滤波时间常数 0 002s 3 电流环小时间常数之和 0 0037s 2 选择电流调节结构 根据设计要求5 并且保证稳态电流无差 电流环的控制对象是双惯性型的 且 0 03 0 0037 8 11 所以 1 3 1 满足近似条件 2 校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足 40 82 所以满足 1 3 1 1 近似条件 按照上述参数 电流环满足动态设计指标要求和近似条件 同理 当 KT 0 25 时 可得 0 5067 16 89 当 KT 1 0 时 可得 2 027 67 567 6 2 转速调节器 ASR 的设计 1 确定转速环时间常数 1 电流环等效时间常数为 0 0074s 2 2 电流滤波时间常数根据所用测速发电机纹波情况 取 0 01s 3 转速环小时间常数 2 2 转速调节器的结构选择 由于设计要求转速无静差 转速调节器必须含有积分环节 又根据动态设计要求 应按 典型型系统设计转速环 转速调节器选用比例积分调节器 PI 其传递函数为 1 式中 电流调节器的比例系数 电流调节器的超前时间常数 3 选择转速调节器参数 按照跟随和抗扰性能都较好的原则取 h 5 则转速调节器的超前时间常数为 0 087 转速开环增益为 h 1 2h 2 2 396 4 2 所以转速调节器的比例系数为 1 2 11 7 4 校验近似条件 转速环截止频率34 5 1 1 校验电流环传递函数简化条件是否满足 由于63 7 所以满 1 3 1 足简化条件 2 校验转速环小时间常数近似处理是否满足条件 由于 38 7 所以满足近似条件 1 3 1 3 核算转速超调量 当 h 5 时 81 2 而 515 2rpm 因此 8 31 10 2 能满足设计要求 7 7 仿真模型的建立 仿真模型的建立 利用 MATLAB 上的 SIMULINK 仿真平台 建立仿真模型 如图 7 1 为电流环的仿真模 型 图 7 2 为加了转速环之后的双闭环控制系统的仿真模型 图 7 1 电流环的仿真模型 图 7 2 转速环的仿真模型 8 8 仿真结果分析 仿真结果分析 当取 1 013 33 77 时 电流环阶跃响应快 超调量小 图 8 1 电流环仿真结果 当 0 5067 16 89 时 电流环阶跃响应无超调 但上升时间长 图 8 2 无超调的仿真结果 当 2 027 67 567 时 电流环阶跃响应超调大 但上升时间短 图 8 3 超调量较大的仿真结果 当 11 7 134 48 时 图 7 2 中 step1 中 step time 值为 0 final value 值为 10 代表空载状态 此时系统起动速度快 退饱和超调量较大 图 8 4 转速环空载高速起动波形图 当 11 7 134 48 时 图 7 2 中 step1 中 step time 值为 0 final value 值为 136 代表满载状态 此时系统起动时间延长 退饱和超调量减小 图 8 5 转速环满载高速起动波形图 当 11 7 134 48 时 图 7 2 中 step1 中 step time 值为 1 final value 值为 10 加入扰动瞬间系统曲线有波动 但迅速恢复稳定 图 8 6 转速环的抗扰波形图 通过以上仿真分析 与理想的电动机起动特性相比 仿真的结果与理论设计具有差距 为什么会出现上述情况 从理论的设计过程中不难看出 因为在 典型系统的最佳设计法 时 将一些非线性环节简化为线性环节来处理 如滞后环节近似为一阶惯性 调节器的限幅 输出特性近似为线性环节等 经过大量仿真调试 改变电流和转速环调节器的参数 兼顾电 流 转速超调量和起动时间性能指标 9 9 心得体会 心得体会 利用 MATLAB 上的 SIMULINK 仿真平台对直流调速系统进行理论设计与