交直流与MATLAB仿真讲解.docx

1、交直流调速系统与MATLAB仿真课程设计说明书双闭环晶闸管直流调速系统的设计学院：电气与信息工程学院学生姓名：郭风指导教师：李建军职称 /学位 教授专业：自动化班级：1301 班学号：完成时间：2016年 4 月 30 日交直流调速系统与MATLAB仿真课程设计任务书学院：电气与信息工程学院适应专业：自动化指导教师李建军学生姓名郭富强课题名称双闭环晶闸管直流调速系统的设计一、设计内容1 、直流电动机的选择。内2 、系统的结构选择。容3 、控制电路的设计与计算。及4 、双闭环直流调速系统的仿真。任二、设计任务务1 、计算相关参数和记录相关波形。 2 、撰写设计报告。拟达一、基本要求与指标到1、电

2、枢回路总电阻取 R=2Ra:总飞轮力矩 GD 22.5GDa2;的要求要求调速范围D=10，静差率 S 5%; 稳态无静差，电流超调量或技i %5% ，电 流脉动系数 Si 10%; 启动到额定转速退饱和超 调量术n%10% 。指标起止日期工作内容进4 月5日至20日通过互联网、图书馆查阅相关资料。度4 月21日至 28日设计相关电路并计算相关参数、仿真和记录波形。安4月29日至5月5撰写课程设计说明书。排日1 陈伯时电力拖动自动控制系统 M 北京：机械工业出版社， 2003第二章3 莫正康半导体变流技术 M 北京：机械工业出版社， 19994 王兆安电力电子技术 M 北京：机械工业出版社，

3、2003 主 5 李发海，王岩电机与拖动基础 M 清华大学出版社， 2005要 6 钱平伺服系统 M 北京：机械工业出版社， 2005参 7 任彦硕自动控制系统 M 北京：邮电大学出版社， 2005考资 8 陈治明电力电子器件 M 北京：机械工业出版社， 1992料 9 邵丙衡北京电力电子技术 M 北京：中国铁道出版社， 199710 黄家善，王廷才电力电子技术 M 北京：机械工业出版社， 200011 李友善 , 自动控制原理 . 北京 : 国防工业出版社 , 1987指导教师教研室意见意见签名：签名：年月日年月日摘要本设计是以含电流环、 转速环双闭环晶闸管直流调速系统， 在该系统的主电路中

4、含有交流电源、同步脉冲触发、平波电抗器、直流电动机、晶闸管整流电路等部分。控制电路有转速调节器 ASR、电流调节器 ACR、偏置电路、反相器、电流反馈环节、转速反馈环节等。该系统在启动时，让转速外环饱和不起作用，电流环起主要作用，调节启动电流保持最大值， 使转速线性变化，迅速达到给定值；稳定运行时，转速负反馈外环起主要作用， 使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调速电机的电枢电流以平衡负载电流。关键词： 双闭环、转速调节器ASR、电流调节器 ACR目录111.111.23242.142.242.35363.163.28494.19511121 转速电流双闭环直流调速系统设计及

5、原理1.1电路的设计思路为了了解转速、 电流双闭环直流调速系统的特性， 分别从动态和静态两个方面进行分析。图 1 所示为双闭环调速系统的稳态结构图、图 1 所示为双闭环调速系统的稳态结构图静态特性：（1）以电流调节器 ACR为核心的电流环。 它由电流调节器ACR和电流负反馈环组成，通过电流负反馈的自动调节作用去稳定电流。（2）以转速调节器 ASR为核心的转速环。 它由转速调节器ASR和转速负反馈组成，通过转速负反馈的作用维持稳定，最终消除转速偏差。（3）图 2 为双闭环调速系统的静态特性曲线。电流负反馈器起恒流作用，转速环起主导作用，消除转速偏差，使转速保持恒定。该图的 n0-A 段实线为考

6、虑工程实际情况后的特性，而虚线是为理想工作条件下的特性。图 2 为双闭环调速系统的静态特性曲线动态特性：双闭环直流调速系统的动态结构图，如图3 所示。图 3 为双闭环调速系统的动态结构图转速调节器 ASR输出到电流 Id 之间的传递函数为Kks1RiTs1 T is1W ( s )SKs1R1KiT ss1 T is1双闭环直流调速系统突加给定电压 U n* ，由静止状态起动时。转速和电流的动态过程如图 4 所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II 、III 三个阶段。第 I 阶段（ 0 t1 ）是电流上升阶段。突加给定电压

7、U n* 后， U c 、U d 0 、 I d 都上升，在 I d 没有达到负载电流 I dL 以前，电机还不能转动。当 I d I dL 后，电机开始起动，由于机电惯性的作用， 转速不会很快增长， 因而转速调节器 ASR的输入偏差电压U nU n*U n的数值仍较大，其输出电压保持限幅值U im* ，强迫电流I d迅速上升。直到I dI dm ， U iU im* ，电流调节器很快就压制了I d 的增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR不饱和。第 II阶段（ t1 t2 ）是恒流升速阶段。 ASR饱和，转速环相当于开环，在恒值电流给定 U im*

8、下的电流调节系统，基本上保持电流恒定，转速呈线性增长。与此同时，电机的反电动势I d 恒定，因而系统的加速度 E 也按线性增长，对电流调节系统来说，E 是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，Ud 0和 U c 也必须基本上按线性增长， 才能保持I d 恒定。当 ACR采用 PI 调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压 U i U im*U i 必须维持一定的恒值，也就是说，I d 应略低于 I dm 。图 4 双闭环直流调速系统启动过程转速、电流和电压波形1.2电路的原理图图 5 所示为转速、电流双闭环调速系统原理图。图 5 所示为转速、电流双闭环调速系统原理图系统的工作原理（1

9、）电动机启动时，突加阶跃信号Un，由于机械惯性，转速很小，转速偏差电压 Un很大，转速调节器 ASR饱和，输出限幅值 Uim且不变，转速环相当于开环。在这种情况下，电流负反馈环起恒流调节作用，id=Id,转速线性上升。（2）当转速达到给定值且稍有超调时，转速调节器的输入信号变极性，转速调节器退饱和，转速负反馈起调节作用，使转速保持恒定，即 n=Un/保持不变。（3 ）转速环要求电流迅速响应转速n 的变化，电流环则要求维持电流不变，不利于电流对转速变化的响应，有使静态特性变软的趋势。但由于转速环是外环，起主导作用，电流环的作用相当于转速环内的一种扰动，只要转速环的开环放大倍数够大，靠 ASR 的

10、积分作用，消除转速偏差。2 晶闸管整流电源的设计2.1主电路及电机参数本课程设计的直流电动机的参数： 额定功率 19.5KW,额定转速 900r/min ，电枢电流 59.1A，励磁功率 1050W，电枢回路电感 15.2mH,效率 79.1 ，电枢回路电阻 0.675 欧。晶闸管装置放大系数： KS 40 。电流反馈系数：0.05V / A(10V / 1.5I n ) 。转速反馈系数0.007 A ? min/ r ( 10V / n) 。时间常数： TlL0.022（2-1 ）RTmGD2R（2-2 ）0.04375Ce Cm设计要求：稳态指标，无静差；动态指标，电流超调量i 5% ，空

11、载启动到额定转速时转速超调量n10%2.2整流变压器计算可控整流的原理：当晶闸管的阳极和阴极之间承受正向电压并且门极加触发信号时晶闸管导通， 并且去掉门极的触发信号晶闸管依然维持导通。 当晶闸管的阳极和阴极之间承受反向电压并且门极不管加不加触发信号晶闸管都是处于关断状态。由电机铭牌数据可知， 在以上整流电路中， 变压器二次测所承受电压为电机在额定工作状态下的额定电压，故其二次侧额定电压可选为220V , 考虑要留有裕量，整流变压器额定电压U e 为 440V，长期允许工作的电流为电机的额定电流59.1A 。整流变压器二次测额定电流选择为59.1A。变压器容量：SN3 U e I e(2-3)有

12、公式 SN3U e I e 可知，所选变压器容量为： SN3 U e I e=3220 2 59.145040.25VA由此知主电路整流变压器参数为：U N440VI N59.1ASN45040.3VA2.3整流器件的计算1. 晶闸管参数要求(1) 晶闸管电流要求 : 晶闸管的额定电流为在电路正常起动、 运行时所允许出现的最大电流。为保有裕量应乘以相关系数。原因：晶闸管的电流过载能力比一般电机、 电器小的多， 选取晶闸管额定电流时，根据实际最大电流计算后还应乘以 1.5-2 倍。(2) 晶闸管电压要求：晶闸管的额定电压在三相全控整流电路供给直流电的情况下为线电压的峰值。为保有裕量应乘以相关系数

13、。原因：晶闸管工作时，外加电压峰值瞬时超过反相不重复峰值电压时即可造成永久损坏，并且由于环境温度升高或散热不良， 均可能使正反向转折电压值下降，特别在使用时会出现各种过电压， 选取晶闸管的额定电压值应为其实际工作时最大电压的 2-3 倍。2. 晶闸管额定电流选择电机启动或堵转时， 都会在电路中产生较大的电流。 电机启动时， 电路中流过的电流最大， 在电路未加任何保护措施时， 相当于全压启动， 产生较大的启动电流。这在 V-M 系统是非常危险的，故需要在系统中设置电流截止负反馈环节，以限制电机启动时的启动电流或因电机短时堵转而产生的堵转电流。一般来说，此时电机所允许的最大电流为IdbI db (

14、1.5 2) I n(2-4)由上式知，在本设计加入电流截止负反馈后流过晶闸管的最大电流应为：I m 2 I n 2 59.1 118.2 A（2-5 ）为保有裕量 I m 取 170A，以保证晶闸管的正常工作。因为本设计中系统所带负载为感性负载， 为保证平滑调速要求电流连续， 故每个晶闸管的导通角为 2 ，流过晶闸管的电流有效值为：3I T12 2I m0.577 I m=68.2A（2-6 ）2I m33晶闸管通态平均电流为：I T(AV)I T0.368 I m=43.4A（2-7 ）1.57故流过晶闸管的电流有效值为 68.2A, 通态平均电流为 43.4A，考虑到要保有裕量，取裕量系

15、数为 2，可得晶闸管额定电流为：I e K I T ( AV ) =86.8A 90A（2-8 ）3. 晶闸管额定电压的选择由于电机采用三相桥式全控整流电路供电， 因此晶闸管所承受的最大正反向电压为线电压的峰值：U M2U l6 U 2(2-9)由于所设计系统的电网线电压U l 220V ，因此晶闸管两端的最大正反向电压为：U M2 U lV（2-10）311考虑到要保有裕量，取裕量系数为2，故所选取晶闸管的额定电压为：U e2U m 622V（2-11 ）由以上计算可知，可选晶闸管的参数为: I e90 A 、 U e 622V3 控制电路的设计3.1电流环设计1、电流反馈系数10 / 1.

16、5I n 10 / 1.5 * 59.1 0.11(V / A)（3-1 ）2、时间常数（ 1）整流装置滞后时间常数Ts, 三相桥式电路的平均失控时间s 0.0017 s（3-2 ）（ 2）电流滤波时间常数oi0.002s 。（ 3）电流环小时间常数i ，按小时间常数近似处理，取iois 0.0037s（3-4 ）3、电流调节器 ACR的选择及参数计算（ 1） ACR选用 PI 调节器，其传递函数为WACR (s)i1（3-5 ）K ii s（ 2）电流调节器参数ACR 超前时间常数：il0.022s电流环开环增益：因为要求i % 5% ，故应取I i 0.5 ，I0.50.5135.1 s

17、1（3-6 ）i 0.0037ACR的比列系数为piIi R135.1 0.0220.6750.456（3-7 ）s0.1140（ 3）电流调节器的电路参数电流调节器原理图如图 6 所示R iC i*R0/2R0/2U i-CoiU ct+R0/2R0/2IdCoiR bal图 6 电流调节器原理图按所用的运算放大器，取R040, 则各电阻电容值为RiK i R024.88（3-8 ）Cii / R00.022 / 40K103 F0.5 F（3-9 ）CoiToi /R( 4 0.002 / 40) 103F0.2F（ 3-10）40(4)检验近似条件电流环截止频率（ -1）（3-11 ）c

18、i1135.1 s校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足ci1 。3 s11（ 3-12 ）3 s196.1c3 0.0017校验忽略反电动势对电流环的影响的近似条件是否满足c31ml313147.67(s-1 )ci（3-13）ml0.18 0.0223.2转速环设计1、时间常数（ 1）电流环等效时间常数为 2 i 0.0074s 。（2）转速滤波常数 on 0.01s 。（3）转速环小时间常数n2ion0.0174s 。2、转速调节器的结构选择和参数转速调节器选用PI 型，其传递函数为WASR sn s1（ 3-14 ）pnns按照跟随和抗扰性能都较好的原则取 h5 , 则 ASR超前时

19、间常数nh n50.01740.087(s)（3-15 ）ASR 的比列系数为h 1CCm60.05 0.1320.044（3-16 ）K pnR n250.0070.6754.82h0.01743、转速调节器的电路参数转速调节器的原理图如图7 所示，R0Cn*R0/2R0/2Un-+*ConUi+R0/2R0 /2nConRbal图 7 转速调节器原理图取 R0 40K, 各电阻和电容值为RnK pn R08.7 40K348K(取 350K )C nn / R0(0.087 / 350)103 F0.249F(取0.25 F)ConTR(4 0.001/ 40)103 F0.1F4 on/

20、 04 、校验近似条件截止频率cnK NK N n 396.4 0.087 34.5( s 1 )1校验电流环传递函数简化条件是否瞒足cn1 。5i1154.1( s 1)cn5 i5 0.0037（3-17 ）（ 3-18 ）（ 3-19 ）（3-20 ）（3-21 ）校验小时间常数近似处理是否瞒足cn11。32onicn111138.（1）cn（3-22 ）32 on i32 0.010.003775 s校验转速超调量当 h5 时， Cmax % 81.2%。CbnNI N R / Ce302.2 r / min（ 3-23 ）因此n %C max%2ZnNn（3-24 ）Cbn*m81.

21、2%21.5302.20.01740.08210%9000.0444 转速电流双闭环调速系统的建模和仿真4.1系统仿真结果分析本设计运用 Matlab 的 Simulink来对系统进行模拟仿真。 根据图 1 以及上面计算出的系统参数， 可以建立直流双闭环调速系统的动态仿真模型，统运行，得到系统转速的仿真曲线，分别如图7如图6 所示。系图 6 直流双闭环调速系统动态仿真模型图 7 直流调速系统转速仿真曲线本次设计中，通过对系统的实际调试发现应用工程设计法计算得到的参数结果与实际实验系统的参数是有一定误差的。现对原因分析如下：（1）工程设计法本身是一种近似化处理后的设计方法，虽然在经过效验后符合近

22、似条件， 但毕竟与实际系统还是有差别的，特别是我们在进行调试系统时应用的系统不是大功率系统，本身应用工程设计法就会有一定误差。（2）在测定电动机参数时，由于实验环境的限制，使得的实验测定参数不是非常准确，这导致了计算参数与实际参数间的差距, 这一部分也引起了一定的误差。经反复调试获得最后系统的性能指标，满足给定指标，达到设计要求。5 心得体会本次课程设计是交直流调速系统与 MAYLAB仿真这门课的一次课程设计，主要目标是设计一个符合要求参数的转速、 电流直流双闭环调速系统。 它综合了之前学习过的模拟电子技术、 自动控制原理、 电力电子技术及电机拖动技术等课程的很多知识点，所以，本次课程设计也是对以前课程的一次梳理和升华。本次课程设计我受益良多， 本课程设计的要点是设计转速和电流调节器， 通过查阅大量的书籍、报刊、杂志、专业网站、论坛的方式，找寻所需资料，反复比对研究有关资料， 最后按照调节器的工程设计方法的基本思路， 简化问题，突出主要矛盾。先选择调节器的结构， 以确保系统稳定， 同时满足所需的稳态精度；再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。 先设计内环电流调节器，然后把电流环看作转速调节器的一个环节，再设计转速调节器，完成设计要求。在此过程中，我进一步深化了对这门课程课本所学知识的理解， 通过实际设计系统，锻炼了