《电力拖动与控制系统》课程设计说明书

目录摘要21计任务及要求311初始条件312设计要求3121技术要求3122设计内容32系统设计方案421原理框图422稳态结构图53调节器设计631电流调节器的设计7311电流调节器的工作原理及作用7312电流环结构图的简化8313时间常数的计算9314选择电流调节器结构9315计算电流调节器参数10316检验近似条件10317计算电流调节器电阻和电容1132转速调节器的设计12321转速调节器的工作原理及作用12322电流环的等效闭环传递函数12323时间常数的计算13324选择转速调节器结构14325转速调节器参数的计算15326检验近似条件15327检验转速超调量16328计算转速调节器电阻和电容174系统建模与仿真实验1741MATLAB仿真软件SIMULINK仿真环境1742双闭环模型的建立1843双闭环系统的仿真2044系统的电气原理总图235总结与体会24参考文献25附录26摘要直流调速系统凭借优良的调速特性，调速平滑、范围宽、精度高、过载能力大、动态性能好和易于控制等优点，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，所以在电气传动中获得了广泛应用。本次采用的直流双闭环调速系统的设计是从内环到外环，即先设计好电流环后将其等效成速度环中的一个环节，再对速度环进行设计。对各个环节设计好之后，我们采用计算机仿真技术。计算机仿真可以不运行实际系统，只要在计算机上建立数字仿真模型，模仿被仿真对象的运行状态及其随时间变化的过程。关键词调速反馈模拟仿真VM双闭环直流调速系统建模与仿真21计任务及要求11初始条件技术数据及技术指标如下直流电动机PN55KW,UN220V,IN287A,NN1500R/MIN,RA01最大允许电流IDBL15IN,三相全控整流装置KS30,电枢回路总电阻R015，系统主电路TM012S，TL0012S滤波时间常数TOI0002S,TON0012S,其他参数UNM8V,UIM8V,UCM8VI5,N1012设计要求121技术要求1该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D10），系统在工作范围内能稳定工作。2系统在5负载以上变化的运行范围内电流连续。122设计内容1根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图。2根据双闭环直流调速系统原理图分析转速调节器和电流调节器的作用。3对调节器参数进行设计,通过MATLAB对系统进行仿真和参数的调节。4绘制VM双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图。5整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。2系统设计方案21原理框图VM双闭环直流调速系统使用比例积分调节器，可以实现转速的无静差调速。采用电流截止负载环节，限制了起（制）动时的最大电流。但电流环只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图21（A）所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，起动（调整时间TS）的时间就比较长。在实际工作中为了尽快缩短过渡时间，使起动的电流保护在最大允许值上，并且始终允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形如图21（B）所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。A带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程B理想快速起动过程图21调速系统起动过程的电流和转速波形实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突变，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值IDM的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用。为了使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。分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接，如图32所示。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,电流反馈控制直流调速系统。为了获得良好的静，动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。IDLNTIDOIDMIDLNTIDOIDMNNAB图22转速、电流反馈控制直流调速系统原理图原理如图22所示，ASR是转速调节器，ACR是电流调节器，TG是测速发电机，TA是电流互感器，UPE是电力电子变换器，UN是转速给定电压，UN是转速反馈电压，UI是电流给定电压，UI是电流反馈电压。22稳态结构图双闭环直流调速系统稳态结构如图23所示，两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压UIM决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压UCM限制了电力电子变换器的最大输出电压UDM，图中用带限幅的输出特性表示PI调节器的作用。当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是输入偏差电压在稳态时为零。为了实现电流的实时控制和快速跟随，希望电流调节器不要进入饱和状态，因此，对于静特性来说，只有转速调节器有饱和和不饱和两种情况。双闭环直流调速系统的静特性在负载电流小于IDM时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要作用，UNUNN。当负载电流达到IDM时对应于转速调节器为饱和输出UIM，这时，电流调节器起主要作用IDUIM/IDM，系统表现为电流无静差，起到过电流的自动保护作用。图23双闭环直流调速系统的稳态结构图转速反馈系数电流反馈系数3调节器设计双闭环系统调节器的设计是从内环到外环，即先设计好电流环后将其等效成速度环中的一个环节，再对速度环进行设计。双闭环电流调速系统结构如图31所示。系统外环是速度环，内环是电流环，分别对转速和电流进行调节，两者之间实行串行联接。用于串联校正和改变系统静态和动态特性以及综合输入和反馈信号。图31双闭环调速系统原理图31电流调节器的设计311电流调节器的工作原理及作用电流调节器有两个输入信号。一个是转速调节器输出反映偏差大小的主控信号UI，一个是由交流互感器测出的反映主回路电流反馈信号UI，当突加一个很大的给定速度输入值，其输出整定在最大饱和值上，与此同时电枢电流为最大值，从而电动机在加速过程中始终保持在最大转距和最大加速度，使起、制动过程时间最短。如果电网电压发生突变（如降低）时，整流器输出电压也会随之变化（降低），引起主回路电流变化（减小），由于快速性好，立即使调节器的输出变化（增大），则也变化（变小），最后使整流器输出电压又恢复（增加）至原来的数值，这就抑制了主回路电流的变化。也就是说，在电网电压变化时，在电动机转速变化之前，电流的变化首先被抑制了。同样，如果机械负载或电枢电流突然发生很大的变化，由于采用了频率响应较好的快速电流负反馈，当整流器电流侧发生类似短路的严重故障时，电流负反馈也及时的把电流故障反馈到电流控制回路中去，以便迅速减小输出电压，从而保护晶闸管和电流电动机不致因电流过大而损坏。综上所述，电流调节器ACR的主要作用如下1对电网电压波动起抗干扰作用；2启动时保证获得容许的最大电流IDM；3在转速调节过程中，使电枢电流跟随给定电压变化；4当电机过载甚至堵转时，可以限制电枢电流的最大值，从而起到快速的过流安全保护，如故障消失，系统能自动恢复工作。312电流环结构图的简化电流环结构图如图42所示。图32电流环的动态结构图由于突加给定阶跃后，速度调节器输出马上达到饱和限幅值，电流环投入工作使电机电枢电流很快上升，相对电流来说，速度变化很缓慢。因此，可以认为反电势产生的影响很小，令E0，则图42通过结构图变换，简化为图33。图33电流环动态结构图等效成单位负反馈系统查表得三相桥式全控平均失控时间TS00017S，电流滤波时间常数TOI0002S，电磁时间常数TL0012S，TS和TOI都比TL小得多，可以当作小惯性环节处理，看成一个惯性环节，取OIST则电流环结构图最终简化成图34图34电流环动态结构图小惯性环节近似处理313时间常数的计算（1）三相桥式电路的平均失控时间TS三相桥式电路晶闸管最大失控时间在000033S之间随机分布，取其平均值，即TS00017S（2）电流滤波时间常数TOI0002S（3）电流环小时间常数TI按小时间常数近似处理，取00017S0002S00037SOISTI（4）电磁时间常数TL0012S（5）ACR超前时间常数TL0012SI314选择电流调节器结构电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态过程中不超过容许值，因而在突加控制作用时不希望有超调，或者超调量越小越好。可电流环还有另一个对电网电压波动及时调节的作用，因此还要提高其抗扰性能。由于设计要求超调量I5并且保证系统在5负载以上变化的运行范围内电流连续，有好的动态性能，我们采用典型型来设计电流调节器。电流调节器选用PI型。令电流调节器的传递函数为SKSWIACR1检查对电源电压的抗扰性能10243071STIL当KT05时，得各项指标都是可以接受的。315计算电流调节器参数ACR超前时间常数TL0012SI由于超调量I5，取05IITK因此，电流环的开环增益为135075IITKS电流反馈系数，电流调节器限幅值为8V，则8/（15287）0019V/A于是ACR的比例系数为427031905235SIIIKR316检验近似条件电流环截止频率135SKICI，晶闸管装置传递函数近似条件SCIT31，3596017SS满足近似条件；忽略反电动势对电流环影响的条件,13LMCITCILMST101267931，满足近似条件；小时间常数近似处理条件OISCIT13，OIST13CIS16902517，满足近似条件。由于05IIK电流环可以达到的动态指标为534，也满足设计要求。317计算电流调节器电阻和电容含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器原理图如图35所示。图35含给定滤波及反馈滤波的PI型电流调节器其中，UGI为电流调节器的给定电压，ID为电流负反馈电压，调节器的输出就是触发装置的控制电压UK。按所用运算放大器取R040K，各电阻和电容值计算如下RIKIR0042740K178K取18K取068FUFRCI6801018263I取02F6OI342ITF32转速调节器的设计321转速调节器的工作原理及作用在主电机上安装一电流测速发电机，发出正比于主电机转速的电压，此电压UFN与给定电压UGN相比较，其偏差UN送到转速调节器ASR中去，如欲调整，可以改变给定电压。例如提高UGN，则有较大UN加到ASR输入端，ASR自动调节GT，使触发脉冲前移（减小），整流电压UD提高，电动机转速上升，与此同时，UFN也相应增加。当等于或接近给定值时，系统达到平衡，电动机在给定数值下以较高的转速稳定转动。如果电动机负载或交流电压发生变化或其它扰动，则经过速度反馈后，系统能起到自动调节和稳定作用。比如，当电机负载增加时，转速下降，平衡状态被破坏，调节器输出电压增加，触发脉冲前移（变小），UD提高，电动机转速上升。当其恢复到原来数值时，UFN又等于给定电压，系统又达到平衡状态。如果扰动不是来自负载而是来自交流电网，比如交流电压下降，则系统也会按上述过程进行调节，使电动机转速维持在给定值上运行。同样道理，当电动机负载下降，或交流电压提高时，系统将按与上述相反过程进行调节，最后仍能维持电动机转速近似不变。综上所述，转速调节器ASR的主要作用如下1使转速N跟随给定电压UGN变化，保证转速稳态无静差；2对负载变化起抗干扰的作用；3输出限幅值决定电枢主回路的最大容许电流值IDM。322电流环的等效闭环传递函数在设计转速调节器时，可把已设计好的电流环看作是转速调节器的一个环节，为此必须求出它的等效传递函数。图46给出了校正成典型型系统的电流环的结构图，其闭环传递函数为图36校正成典型型系统的电流环的动态结构图112IIIIIIICLIKSTSKSW若按05选择参数，则IIKT122STSSIIICLI由图34可知电流闭环传递函数为/SUIWGIDCLI因此电流环的等效环节应相应地改成12STIIGID原来电流环的控制对象可以近似看成是个双惯性环节，其时间常数是TL和，闭环IT后，整个电流环等效近似为只有小时间常数的一阶惯性环节。这就表明，I2T电流闭环后，改造了控制对象，加快了电流跟随作用。323时间常数的计算（1）电流环等效时间常数I2T200037S00074SIT（2）转速滤波时间常数ON根据所用测速发电机波纹情况，任务书给出0012SONT（3）转速环小时间常数NT按小时间常数近似处理，取00194SI2ON（4）转速反馈系数由于本系统的限幅值为8V，则UNM/N8V/1500R/MIN00053VMIN/R324选择转速调节器结构用电流环的等效环节代替图34的电流闭环后整个转速调节系统的动态结构图就如图37所示。图37转速环的动态结构图与电流环相似，我们可以将转速环结构图化简为图38,图38转速环的动态结构图的化简按跟随和抗扰性能都能较好的原则,在负载扰动点后已经有了一个积分环节,为了实现转速无静差,还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节,因此需要由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型型系统选用设计PI调节器。其传递函数为SKSWNASR1325转速调节器参数的计算（1）ASR超前时间常数N按跟随和抗扰性能都较好的原则，取H5，典型型系统阶跃输入跟随性能指标,则500194S0097SNHT（2）转速环的比例系数NK转速环的开环增益为222831/0194561SSLTHNN根据已知条件，可估算出电动机的电势常数为1507DDRAIUCE0128VMIN/R电动机的转矩常数为C955CE95501281222VMIN/R于是，ASR的比例系数为351094150352289621NMENRTHCK326检验近似条件转速环的截止频率318800973092NCNNK1S1S（1）电流环传递函数简化条件N15CIT5405，IT5S0371NC满足简化条件；（2）小时间常数近似处理条件NCN213OIT,N11875/32037CNIOSTS满足近似条件。327检验转速超调量如果转速调节器没有饱和限幅的约束，可以在很大范围内线性工作，那么，双闭环调速系统起动时的转速过渡过程的超调量很大（如图39A）。实际上，突加给定电压后不久，转速调节器就进入饱和状态，输出恒定的电压UIM，使电动机在恒流条件下起动，起动电流IDIDMUIM/，而转速N则按线性规律增长（如图39B）。虽然这时的起动过程要比调节器没有限幅时慢的多，但是为了保证电流不超过容许值，这是必需的。AASR不饱和BASR饱和图39转速环按典型型系统设计的调速系统起动过程电机容许过载倍数15，负载系数Z0（理想空载起动）。当H5时，；而3363R/MIN,因此，转速调节器的退2810BMAXCENCRI12857饱和超调量为MNBT）（Z2MAXN1209453612888310符合任务书要求328计算转速调节器电阻和电容含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器原理图如图410所示。图310含给定滤波及反馈滤波的PI型转速调节器其中，UGN为转速调节器的给定电压，N为转速负反馈电压，调节器的输出就是电流调节器的给定电压UGI。按所用运算放大器取R040K，各电阻和电容值计算如下RNKNR0120340K4812K取480K；取FFRCN20201480973取12FTON1634系统建模与仿真实验41MATLAB仿真软件SIMULINK仿真环境SIMULINK仿真环境包括仿真平台和系统仿真模型库两部分，主要用于仿真以数学函数和传递函数表达的系统。系统仿真包括了连续系统、非线性系统和离散系统的仿真。SIMULINK作为面向系统框图的仿真平台，它具有如下特点（1）以调用模块代替程序的编写，以模块连成的框图表示系统，点击模块即可以输入模块参数。（2）画完系统框图，设置好仿真参数，即可启动仿真。（3）系统运行的状态和结果可以通过波形和曲线观察，这和实验室中用示波器观察的效果几乎一致。（4）系统仿真的数据可以用以MAT为后缀的文件保存，并且可以用其他数据处理软件进行处理。42双闭环模型的建立在单闭环调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，即可得到双闭环调速系统的动态结构图，如图41所示。图41双闭环调速系统的动态结构图由于电流检测信号中常含有交流分量，须加低通滤波，其滤波时间常数TOI按需要选定。滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用TON表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道中也配上时间常数为TON的给定滤波环节。因此，带滤波环节的双闭环调速系统的动态结构图如图42所示。图42带滤波环节的双闭环调速系统的动态结构图将前面计算的数据带入图42中，得到本系统仿真模型如图43所示图43转速环仿真模型43双闭环系统的仿真（1）空载时仿真图形把负载电流设置为0,空载启动模型，得到波形如图44。（A）空载转速波形（B）空载电流波形图44双闭环空载启动波形图（A）是电流波形（B）是转速波形（2）满载启动时的仿真图形满载稳定运行时负载电流为287A，得到波形如图45。（A）满载电流波形（B）满载转速波形图45双闭环满载启动波形图（A）是电流波形（B）是转速波形（3）当系统为5的负载时，即