转速、电流双闭环控制直流调速系统带仿真结果

摘要转速、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，是目前直流调速系统中的主流设备。具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点。在理论和实践方面都是比较成熟的系统，在电力拖动领域中发挥着及其重要的作用。本人此次设计的步骤主要是:查阅相关的资料、书籍，确定整个设计的方案和框图。然后确定主电路的结构形式和各元部件的设计，同时对其参数的计算，包括整流变压器、晶闸管、电抗器和保护电路的参数计算。接着驱动电路的设计包括触发电路和脉冲变压器的设计。转速和电流调节器的计算和设计给予详细介绍。每一步设计都会给出相应的原理图，并进行分析。最后用学过的MATLAB/SIMULINK进行仿真，给出模块搭建及仿真图形的结果。目录第1章系统总体设计11.1设计任务11.2设计要求11.3设计的基本思路1第2章整体电路分析42.1电流调节器的设计42.2转速调节器的设计7第3章硬件电路图及保护电路的设计103.1 系统主电路图绘制10 3.2 晶闸管的保护与选择10 3.3 整流变压器的选择133.4触发电路的设计14 3.5.电动机的励磁回路15 第4章MATLAB仿真16 结论19 参考资料20 第1章 系统总体设计1.1 设计任务设计一个V-M转速、电流双闭环直流调速系统，相关数据：电动机参数：=40kw、=300v、=148A、=910rpm、=220v、=296A、=1.00kg、=0.08、=2.05mH；其它参数：整流侧内阻=0.092、整流变压器漏感=7.5mH，电抗器直流电阻=0.15、电抗器电感=4.0mH、负载折算值=9 kg；电流、转速滤波时间常数参考教材例题数据。1.2 设计要求1. 无静差，在整个调速范围内要求转速无级、平滑可调；2. 动态性能指标：电流环超调量，空载启动到额定转速时的转速超调量；3. 确定转速、电流反馈系数；4. 设计电流、转速调节器；5. 绘制系统线路图（主电路、控制电路）。1.3 设计的基本思路转速，电流双闭环调速系统属于多环控制系统。对电流双闭环调速系统而言，先从内环（即电流环）出发，从稳态要求上看，希望电流无静差，而从图1-1可以看出，采用型系统就够了。动态性能上，电流环以跟随性能为主，所以选用典型型系统。采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成 图1-1 小惯性环节近似处理设计完电流环环节之后，把它等效成一个小惯性环节，作为转速环的一个组成部分。然后用同样的方法进行转速环的设计，每个环的设计都是把该环校正为一个典型型系统，以获得预期的性能指标。ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为目前的V-M调速系统多为带电流内环的速度控制系统。双闭环调速系统的动态结构图如下：图1-2双闭环调速系统的动态结构图图1-3转速、电流双闭环直流调速系统结构ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机TA电流互感器 UPE电力电子变换器图中，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。第2章 整体电路分析2.1 电流调节器的设计 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器设计如图2-1图2-1 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器1.根据已知求得（1）电磁时间常数=0.042s（2）电机在额定磁通下的电动势系数=0.317Vmin/r（3）额定励磁下电动机的转矩系数=3.027Vmin/r（4）机电时间常数= =0.089s不满足，所以修改负载折算值为19，所以 满足条件（5）允许过载倍数=2（6）根据电气传动自动化技术手册，变流变压器二次相电压：= =166.636v其中：为电动机电枢回路附加电阻，此处为0；n为电流通过晶闸管的器件数，此处为6；为晶闸管正向瞬态压降，取1.5v；为整流电压计算系数和为换相电抗压降计算系数，均由查表得到。为考虑动态特性的调节裕度，一般取值为0.050.10，此处取值0.10。（7）晶闸管装置放大系数=39（8）电流反馈系数=0.0338V/A2.确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数（2）电流滤波时间常数=0.002s（3）电流环小时间常数之和=0.0037s3.选择电流调节器结构根据设计要求，并保证稳态电流无静差，可按典型型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器。检查对电源电压的抗扰性能=11.35，各项指标是可以接受的。4.计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数=0.042s电流环开环增益：要求时，应取，因此 于是，ACR的比例系数为5检验近似条件电流环截止频率=（1） 晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件（2） 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 满足近似条件（3） 电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件6. 计算调节器电阻和电容由图2-1，按所用运算放大器取，各电阻和电容值为 取55 可得，电流环可以达到的动态跟随性能指标满足设计要求。2.2 转速调节器的设计含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器设计如图2-2图2-2含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器1. 根据已知求得2. 确定时间常数（1） 电流环等效时间常数1/，由前面知，则（2） 转速滤波时间常数，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，按小时间常数近似处理，取3. 选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器4. 计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为 转速环开环增益 于是ASR的比例系数为5. 检验近似条件转速环截止频率为（1） 电流环传递函数简化条件为 满足简化条件（2） 转速环小时间常数近似处理条件为 满足近似条件6. 计算调节器电阻和电容根据图2-2，取，则 取127. 按退保和超调量的计算方法校核转速超调量设理想空载启动时负载系数z=0，由前求得，R=0.322，,， ， ，当h=5时，可查表得 其中 能满足设计要求即空载起动到额定转速时的转速超调量第3章 硬件电路图及保护电路设计3.1 系统主电路图绘制系统采用三相桥式全控整流电路。如图3-1所示图 3-1 系统主电路连接示意图三相全控桥整流电路是目前应用最广泛的整流电路，其输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广。把该电路应用于本设计，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。3.2晶闸管的保护与选择一、过电压保护 晶闸管在正常工作时的承受的最大峰值电压， （为整流变压器的次级相电压值）凡是超过这个峰值电压的都算过电压。1. 交流侧过电压保护在变压器次级并联电阻和电容，可以把变压器铁芯的磁场释放出来的能量，转化为电容器电场的能量储存起来。由于电容两端的电压不能突变，所以可以有效地抑制过电压。串联电阻的目的时为了在能量转化过程中能够消耗一部分能量，并且抑制LC回路的振荡。电路如图3-2图3-2交流侧阻容保护（1）计算电容的数值 取所以交流侧过压保护电容的数值为（2）计算电阻的数值 取2所以交流侧过压保护电阻的数值为2二、过电流保护快速熔断器是防止晶闸管过流损坏的最后一种措施，也是晶闸管装置中应用最广的过流保护措施。其中，元件串联快熔，因流过它们的电流相同，所以对元件的保护作用最好，是应用最广的一种接法，电路如图3-4。快速熔断器的额定电流所以选择150A的快速熔断器图3-4元件串联快熔三、晶闸管的换相保护在晶闸管导通换相的瞬间，两相晶闸管同时导通，在换相的短时间内，相当于线电压被短路，因此电压波形上常常出现很多缺口。在电动机再生制动时，电动机的能量通过逆变状态的三相全控桥送回交流电网，如图3-5图3-5三相全控桥晶闸管的换相情况四、晶闸管的选择（1）晶闸管承受的最大电压 取（2）晶闸管承受的电流有效值（3）晶闸管额定电流取160A选取的晶闸管为额定电压1000V，额定电流160A3.3整流变压器的选择（1）整流变压器的初级相电压是电网电压。（2）次级相电压（3）初级和次级绕组中的电流有效值 （4）次级容量，初级容量和平均计算容量S次级容量等于初级容量 平均计算容量 （5）整流变压器的标称功率所选用的整流变压器参数为60 380/300V（6）变压器变比 3.4触发电路的设计在中、大容量的变流器中广泛应用晶闸管组成的触发电路或集成化的触发电路。图3-6为同步电压为锯齿波的触发电路图。电路由脉冲形成及放大、锯齿波形成和脉冲移相、同步三个环节组成。图3-6同步电压为锯齿波的触发电路（1）锯齿波形成V1、V2和R3、R4组成的恒流源电路对C2充电形成锯齿波电压，当V2截止时，恒流源电源对C2恒流充电，电容两端电压与RP2有关，因此调节电位器RP2即可调节锯齿波斜率。当V2导通时，由于R4阻值很小，C2迅速放电。所以只要V2管周期性导通关断，电容C2两端就能得到线性很好的锯齿波电压。（2）同步环节 由变压器TS和V2管等组成。若锯齿波的频率与主电路电源频率同步即能使触发脉冲与主电路电源相同。（3） 脉冲形成和放大输出环节 V4管截止、V5、V6导通，使V7、V8截止，无脉冲输出；V4导通有脉冲输出。晶闸管V4、V5形成脉冲，V7、V8起放大作用。3.5电动机的励磁回路励磁电路如图3-7所示图3-7电动机励磁电路通过调节变阻器，使电动机的励磁绕组的电压第4章 MATLAB仿真根据系统的动态结构图4-1图4-1系统的动态结构；晶闸管整流与触发装置的静态放大倍数； 电流反馈滤波时间常数；转速反馈滤波时间常数；晶闸管整流电路的失控时间；电动机电枢回路的电磁时间常数 ；机电时间常数 ；电动机电势系数（）；转速反馈系数（）；电流反馈系数（）；1. 电流环模块及仿真图形2. 转速环模块及仿真图形由以上仿真图形分析可得：只有电流环的时候，系统上升速度比较快，并且稳定时无静差；双闭环的时候，系统虽有超调，但是超调量很小，并且上升速度很快，很快达到稳定，没有稳态误差。说明此次设计的参数经过调整后比较合理，也充分的说明了，参数设置合理性的重要性结论这次的课程设计历时两个星期，可以说是难度不是很大。因为题目是电力拖动自动控制系统课程中重点掌握的内容。但是设计开始任然感到茫然，无从下手，因为毕竟学到的只是两个调节器的设计步骤及方法。不是简单的带入计算，好多东西自己不是记不清了就是没有学过，在图书馆借阅了相关的书籍，查找有用的公式并自己分析。在设计过程中，自己的参数算出来后并不符合实际要求，通过修改参数，结果符合了设计要求。这次的设计，其中最重要的一部分是参数的计算。由于课本中有相类似的例题作为参考，因此计算部分不难，只是算时，感觉有点繁琐而已，只要自己有耐心，就可以设计出合理的系统。做事情要有耐心，这是我在这次设计中所学习到的重要的一点。虽然这次设计的题目各不相同，但大致思路和用到的公式大体相同，同学们互相分享自己的式子，互相讨论，增进了友谊的同时又学到了东西。我感觉老师的作