转速、电流反馈控制直流调速系统仿真

1、课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师： 工作单位： 题目：转速、电流反应限制直流调速系统仿真初始条件：某晶闸管供电的双闭环直流调速系统,整流装置采用三相桥式电 路,根本数据如下：直流电机参数为：额定电压u =22W,额定电流I =136A ；额定转速 n =1460rpm , Ce = 0.132V min/ r ,允许过载倍数 九= 1.5 ； 晶闸管装置放大系数 仁=40；电枢回路总电阻R =0.50 ；时间常数 Tl =0.03s,Tm= 0.1&；电流反应系数P = 0.05V/A ;转速反应系数 二三0.007V min/ r要求完成的主要任务：(1)用MATLA建立电

2、流环仿真模型；(2)分析电流环无超调、临界超调、超调较大仿真曲线；(3)用MATLA建立转速环仿真模型；(4)分析转速环空载起动、满载起动、抗扰波形图仿真曲线；(5)电流超调量6三%,转速超调量<m<10% o转速、电流反应限制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广泛的直 流调速系统,对于需要快速正、反转运行的调速系统,缩短起动、制动过程的时 间成为提升生产效率的关键.为了使转速和电流两种负反应分别起作用, 可在系 统里设置两个调节器,组成审级限制.本文介绍了双闭环调速系统的根本原理, 而且用Simulink对系统进行仿真.转速、电流反应限制直流调速系统仿真1设计的初始条件及任

3、务1.1 概述本次仿真设计需要用到的是 Simulink仿真方法,Simulink是Matlab最 重要的组件之一,它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境.在该环境中,无需大量书写程序,而只需要通过简单直观的鼠标操作,就可构造出复杂的系统.Simulink具有适应面广、结构和流程清楚及仿真精细、 贴近实际、效率高、灵活等优点,并基于以上优点Simulink已被广泛应用于限制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计.1.2 初始条件某晶闸管供电的双闭环直流调速系统,整流装置采用三相桥式电路,根本数据如下：直流电机参数为：额定电压U =220V,额定电流I =136A;额定转速n =1460r

4、pm , Ce= 0.132V min/ r ,允许过载倍数 九=1.5 ;晶闸管装置放大系数 Ks=40;电枢回路总电阻R =0.50 ;时间常数Tl =0.03s,Tm = 0.18s ;电流反应 系数0 =0.05V /A ;转速反应系数a = 0.007V min/ r.1.3 要完成的任务1用MATLAB建立电流环仿真模型；2分析电流环无超调、临界超调、超调较大仿真曲线；3用MATLAB建立转速环仿真模型；4分析转速环空载起动、满载起动、抗扰波形图仿真曲线;5电流超调量6 <5% ,转速超调量 5 W10% .2双闭环直流调速系统的工作原理2.1 双闭环直流调速系统的介绍双闭环

5、转速环、电流环直流调速系统是一种当前应用广泛,经济,适用 的电力传动系统.它具有动态响应快、抗干扰水平强的优点.我们知道反应闭环 限制系统具有良好的抗扰性能,它对于被反应环的前向通道上的一切扰动作用都 能有效的加以抑制.采用转速负反应和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系例如要求 要是由于统稳定的条件下实现转速无静差.但如果对系统的动态性能要求较高, 起制动、突加负载动态速降小等等,单闭环系统就难以满足要求.这m 在单闭环系统中不能完全根据需要来限制动态过程的电流或转矩.在单闭环系统中,只有电流截止负反应环节是专门用来限制电流的.但它只 是在超过临界电流1故值以后,靠强烈的负反应作用限制电流

6、的冲击,并不能很 理想的限制电流的动态波形.带电流截止负反应的单闭环调速系统起动时的电流 和转速波形如图2-1a所示.当电流从最大值降低下来以后,电机转矩也随之减小, 因而加速过程必然拖长.在实际工作中,我们希望在电机最大电流转矩受限的条件下,充分利用 电机的允许过载水平,最好是在过渡过程中始终保持电流转矩为允许最大值, 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2-1b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)

7、(b)b理想快速起动过程a带电流截止负反应的单闭环调速系统起动过程图2-1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,电流不能突跳,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 I dm的恒流过程,根据反应限制 规律,采用某个物理量的负反应就可以保持该量根本不变 川,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应, 而不能 让它和转速负反应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 转速负反应,不再靠电流负反应发挥主作用,因此我们采用双闭环调速系统. 这 样就能做到既存在转速和电流两种负反应作用又能使它们作

8、用在不同的阶段.2.2 双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反应分别起作用,在系统中设置了两个调节器, 分别调节转速和电流,二者之间实行审级连接,如图 2-2所示,即把转速调节器 的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去限制品闸管整流器的触 发装置.从闭环结构上看,电流调节环在里面,叫做内环；转速环在外面,叫做 外环.这样就形成了转速、电流双闭环调速系统.该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器.由于PI 调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度1,使系统在稳态运行时得到无 静差调速,又能提升系统的稳定性；作为限制器时又能兼顾快速响应和消除静 差两

9、方面的要求.一般的调速系统要求以稳和准为主,采用PI调节器便能保证系 统获得良好的静态和动态性能.2.3 双闭环直流调速系统两个调节器的作用1)转速调节器的作用 * .一 .一, =(1)使转速n跟随给定电压Um变化,当偏差电压为零时,实现稳态无静(2)对负载变化起抗扰作用.(3)其输出限幅值决定允许的最大电流.2)电流调节器的作用、 、 、.一 一 、 *(1)在转速调节过程中,使电流跟随其给定电压 Ui变化.(2)对电网电压波动起及时抗扰作用.(3)起动时保证获得允许的最大电流,使系统获得最大加速度起动.(4)当电机过载甚至于堵转时,限制电枢电流的最大值,从而起大快速的 平安保护作用.当故

10、障消失时,系统能够自动恢复正常.3电流环的MATLA时算、建立及仿真3.1电流调节器的设计确定时间常数,电流环小时间常数之和Tgj.按小时间近似处理Txi =TOi TS =0.0037s根据设计要求0i -5%,并保证稳态电流无差,可将电流环校成典型I系统, 典型I系统的跟随性较好,超调量较小.设传递函数的形式为：WiS计算电流调节器的参数电流调节器的超前时间参数：* =Tl = 0.03s电流开环增益：要求仃£5%时,应该取KITw = 0.5,因此: 1KI = =135.1 I = 0.03S21Ki =1.013 T =0.03根据上述的设计参数,电流环可到达的动态跟随性能

11、指标为,仃=4.3% < 5%符合设计要求.3.2 电流环仿真模型设计Fch5图3-1电流环仿真模型3.3 电流环调节器分析图3-2电流环临界超调输出波形2) KT=0.25时,按典型I系统的设计方法得到的PI调节器的传递函数为Wpi(s )=0.5067 +16,可以得到电流环阶跃响应的仿真输出的波形： s图3-3电流环无超调输出波形3) KT=1.0时,按典型I系统的设计方法得到的PI调节器的传递函数为W"2.027 +呼,可以得到电流环阶跃响应的仿真输出的波形：图3-4 电流环超调较大输出波形总结：从以上各电流环的图形得出 KT越大时上升时间越快,但同时超调量也比拟大,当

12、KT=0.5时,各项动态参数较合理.4转速环的MATLA时算、建立及仿真4.1 转速调节器的设计确定时间常数1电流环等效时间常数 一.取KiTv = 0.5,那么: Ki一1=2T< = 2 0.0037 : 0.0074s Ki-Ton = 0.01sTn =00.1 7 4设计PI调节器,起传递函数为:计算转速调节器参数按跟随性和抗扰性都较好的原那么,取 h=5,那么ASR勺超前时间常数为:n =hT下=5 0.0174 = 0.087s进而可求得,转速环开环增益:Knh 1工2 2= 396.4s2h2Tn可求得ASR的比例系数为:Kn(h_JECTm=11.72h： RT?4.2 转速环仿真模型设计图4-1转速环仿真模型4.3 转速环的系统仿真 134481) PI调节器根据计算出来的结果：WASR=11.7+U4竺.空载起动时波形s为：图4-2转速环空载起动输出波形2满载运行时起动的波形:图4-3转速环满载高速起动输出波形5小结与体会这次课程设计中,我们学到了许多课堂上学不到的东西,尤其是在Matlab仿真上面有很多自己不懂的地方,我在此用了很多时间和精力.本次课程设计让我对?电力拖动自动限制系统 -运动限制系统?的核心内容-转速、电流反应限制直流调速系统有了更深的理解,对典型 I系统设计加深 了熟悉.通过matlab的仿