双闭环直流调速系统

1、题目：双闭环直流调速系统的设计与仿真：直流电动机： Pn=60KW LN=220V, In=305A, nN=1000r/min,入=2, R=0.08, Rec=0.1, T W0.097S, T i=0.012s, T s=0.0017s,电枢回路总电阻 R=0.2Q.设计要 求：稳态无静差,0- i < 5%,带额定负载起动到额定转速的转速超调 0- n< 10% 要 求完成系统各环节的原理图设计和参数计算.系统各环节的原理图设计和参数计算,包括主电路、调节器、电流转速反应电路 和必要的保护等,并进行必要的计算.按课程设计的格式要求撰写课程设计说明 书.设计内容与要求：1、分

2、析双闭环系统的工作原理2 、改变调节器参数,分析对系统动态性能的影响3 、建立仿真模型1.双闭环直流调速系统的原理及组成对于正反转运行的调速系统,缩短起,制动过程的时间是提升生产率的重要因素.为此,在起动或制动过渡过程中,希望始终保持电流电磁转矩为允许的最大值,是调速系 统以最大的加减速度运行.当到达稳态转速时,最好使电流立即降下来,使电磁转矩与 负载转矩相平衡,从而迅速转入稳态运行.实际上,由于主电路电感的作用,电流不可能突 变,为了实现在允许条件下的最快起动,关键是要获得一段使 电流保持为最大值 dmI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,采用电流负

3、反应应该能够得到近似的恒流过程.为了使转速和电流两种负反应分别起作用,可在系统中设置两个调节器,分别引入转速负反应和电流负反应以调节转速和电流,二者之间实行嵌套连接,如图1所示.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电力电子变换器.从闭环结构上看,电流环在里面,称做内环；转速环在外面,称做外环.这就形成了转速电流负反应 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采用PI调节器.图1双闭环直流调速系统原理图2.双闭环限制系统起动过程分析前面已经指出,设置双闭环限制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程,因此在分析双闭环调速系统的动态性能时,

4、有必要先探讨它的起动过程.双闭环调速系统突加给定电压*nU由静止状态起动时,转速和电流的过渡过程如图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、退饱和三个阶段,整个过渡过程也就分为三个阶段,在图中表以I、I和UL第I吟段：0q是电流上升阶段.突加给定电压u；后,上升,当九小于 负载电流n时电机还不能动；当后,电动机开始转动,由于机电惯性的 作用,转速不会很快增长,因此转速调节器ASR的输入偏差电压A球=U； -UK 数值仍很大其输出电压保持限幅值强迫电流八迅速上升°直到乙5,- U* 时,电流调节器ACR很快压制了 n的增加,标志着这一阶段的结束匚二L?rl以在这一阶

5、段中,ASR由不饱和很快到达泡和,而ACR一殷应该不饱和口图2双闭环调速系统起动过程的转速和电蒲波形第II阶段：tlk是恒流加速阶段口这一阶段是起动过程的主要阶段.在这 个阶段中,ASR始终是饱和的,转速环相当于开环,系统成为在恒流给定下 的电流调节系统,根本上保持电流孔恒定,因此系统是加速度恒定,转速呈线 性增长,同时电机的电动势也按线性增长,对电流调节系统来说,正是一个线性 渐增的扰动量,为了克服它的扰动,和也必须根本上按线性增长才能保持 七恒定.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 必须维持一定的,即妇应略低于第m阶段,q以后是转速调节阶段.当转速上升到给定值

6、L时,转速调节器 ASR的输入偏差减小到零,但其输出却由于积分作用,还维持在限幅值所 以电机仍在加速,使转速超调*转速超调后,ASR输入偏差电压变负,使它开 始退出泡和状态,和孔很快下降,但是,只要妇仍大于1近转速就继续上升, 直到九=妇转矩?=孔,那么dn ,转速n才到达峰值,此时 = 此后电 机开始在负载的阻力下减速,与此相应,在时间段为直到运行 稳定.第III阶段ASR和ACR都不饱和ASR起主导的转速调节作用,ACR那么力图 使右虽快跟随U：,即电流环是一个电流随动系统.总上所述,双闭环调速系统的起动过程有三个特点：1饱和非线性限制：在不同情况下表现为不同结构的线性系统.2转速超调：根

7、据PI调节器的特性,只有转速超调,ASR的输入偏差电压八乙 为负值,才能使ASR退饱和,这就是说,采用P1调节器的双闭环调速系统的转 速必超调口速时的转速超调量/ 10%*t2电流调节器设计b确定时间常珈3,1亿弓=40,3 8s1 < % ,满足近似条件3校验小时间常数近似处理是否满足条件：%?U3应方厂,在一个由三相零式晶闸管整流装置供电的转速、电流双闭环调速系统中,电动机的额定数据为：Pn =60kW , Un =220V , In=308A , 丽=1000r/min ,电动势系数 Ce=0.196Vmin/r , 主回路总电阻 R =0.18 Q,触发整流环节的放大倍数Ks=3

8、5.电磁时间常数Tl=0.012s,机电时间常数 Tm=0.12s,电流反应滤波时间常数 T0i =0.0025s,转速反应滤波时 间常数T0n=0.015s.额定转速时的给定电压 (Un)N =10V,倜节器 ASR ACR饱和输出电压*Um =8V,Ucm =6.5V O系统的静、动态指标为：稳态无静差,调速范围D=10,电流超调量o产5%,空载起动到额定转 速时的转速超调量 6 < 10%试求：(1) 确定电流反应系数 6 (假设起动电流限制在1.1| n以内)和转速反应系数a.(2) 试设计电流调节器 ACR,计算其参数 R,、C、6.画出其电路图,调节器输入回路电阻 R=40k

9、Q.(3) 设计转速调节器 ASR,计算其参数 R、G、Con (Rc=40kQ)(4) 计算电动机带40%额定负载起动到最低转速时的转速超调量b no(5) 计算空载起动到额定转速的时间.解：(1) E =u / ldm =8V/(1.1* I n) =8V/339A = 0.0236V / a：=10/1000 = 0.01V min/r(2)电流调节器设计确定时间常数：a)Ts = 0.00333sb) Toi = 0.0025sc) T* =T0i Ts =0.0025 0.00333 = 0.00583s电流调节器结构确定：K( ：S 1)由于.言5%,可按典型l型系统设计,选用 P

10、l调节器,WAcr(S)=,电流调节器参数确定：a =Ti =0.012s,选K|T互=0.5, K| =0.5/吃=85.76s ,KiK| iRKs：85.76 0.012 0.1835 0.0173= 0.224.校验等效条件：ci =K| -85.76s411a)电力电子装置传递函效的近似条件： =1 = 101.013TS 3 0.00333b)忽略反电势的影响的近似条件：3(-=31： = 79.06Ssci TmTl0.12 0.012c电流环小时间常数的近似条件：11=11115.52sJ ci3. TsT0i31 0.00333 0.0025可见满足近似等效条件,电流调节器的

11、实现：选 R =40K ,那么:R = Kj R0 =0.224 X40K =8.96 K,取 9K.由此 Gj/R =0.012/(9 103)=1.33F C0i =4T0i/R0 =4 0.0025/40 103 =0.25F(3) 速度调节器设计确定时间常数：a) 电流环等效时间常数1/ K| :由于?T近=0.5贝U 1/ KI =2x2 0.00583 = 0.01166sb) % = 0.015sc) Tn -1/ KI Ton =0.01166 0.015 = 0.02666s速度调节器结构确定：根据无静差的要求,应选用PI调节器,Kn( .ns 1) 一、口WAsr (s)=

12、-,速度调节器参数确定：.=hT 近,取 h =5,Tn =hT 万=0.1333sKnh 1 _6_ 2_2 _222h2代2 52 0.026662= 168.82sCZm = 6 0.0236 0.196 0.12 .6.942h： RTs2 5 0.01 0.18 0.02666校验等效条件cn =Kn / 1 =Kn n =168.82 0.1333 NWsa电流环近似条件：1 2 = 1、= 40.43s一3 Ti 3 0.00583b转速环小时间常数近似：1 & = 1JH五=25#喝3LT0n3 0.015可见满足近似等效条件.转速超调量的校验(空载Z=0) 丑卜=2

13、81.2% 1.1308 些 002666Cbn Tm0.196 10000.12= 11.23% 10%转速超调量的校验结果说明,上述设计不符合要求.因此需重新设计.查表,应取小一些的 h,选h=3进行设计.按h=3,速度调节器参数确定如下：珏=hT£n = 0.07998sKn -(h 1)/2h2T'24/(2 9 0.026662312.656sKn =(h 1)-：CeTm/2h: RTn =4 0.0236 0.196 0.12/(2 3 0.01 0.18 0.02666) = 7.6校验等效条件：cn =Kn/ =KN.n =312.656 0.07998 =

14、 25s_1/21/2Ja) 1/3(KI /Ti)=1/ 3(85.76/0.00583) = 40.43s cn_1/2_ _1/2b) 1/3(KI /Ton)=1/3(85.76/0.015) -25.2s cn可见满足近似等效条件.转速超调量的校验：七=2 72.2% 1.1 (308 0.18/0.196 1000) (0.02666 /0.12) = 9.97% ： 10%转速超调量的校验结果说明,上述设计符合要求.速度调节器的实现：选 R0 =40K,那么 Rn = Kn x R0 =7.640 =304K ,取 310K.Cn = n/Rn =0.07998/310 103

15、=0.258F Con =4E/R0 =4 0.015/40 103 =1.5F 4) 40%额定负载起动到最低转速时：七% =2 72.2% (1.1 -0.4) (308 0.18/0.196 100) (0.02666/0.12)=63.5%5)空载起动到额定转速的时间是：(书上无此公式)仅考虑起动过程的第二阶段.2.根据电机运动方程：G史=T；375 dtdnCm(Idm"dL)dtGDR(Idm"dL)R=(I dm - I dL ) W二CeT375T_gd2rCee 375CmCedmCeTmn0.196*0.12*1000t所以： (IdmIdL)R (1.

16、1*308 -0)*0.18-0.385s2系统彷直1.1理论计算参数仿真分析根据理论设计结果,构建直流双闭环调速系统的仿真模型,如图2所示.在额定转速和空载下,对系统进行仿真得到电动机电枢电流和转速的仿真输出波形, 如图3o图2直流取闭环调速系统的仿真模型图3额苗专速空载时转速仿真波形图4调整后的转速仿真'波形从图3中可知：1：转速超调量为25%,转速超调量过大,系统相对稳定性弱；2：整个起动过程只需0一6秒,系统的快速性较好.1.2仿真调试分析通过以上仿真分析,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,由于在“典型

17、系统的最正确设计法 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,找出最正确参数为：K- = 0.33 ? 2". = Q.022； jK. =8.1./ ?=0.3 .：.其转速波形如图4所示.从图4中可知：1:转速环超调量为6%,超调量符合要求.2=整个起动过程约为.卫秒,系统的快速性仍较好.3结论以上分析说明,利用matl北仿真平台对直流调速系统理论设计与调试使得系统的性能 分析过程简单,通过对系统进行仿真,可以准确地了解到理论

18、设计与实际系统之间的偏差, 逐步改谜系统结构及参散,得到最优调节器参数.使得系统的调试得到简化,缩短了产品的 开发设计周期.该仿真方法必将在直流调速系统的设计与调试中得到广泛应用.1 陈伯时.电力拖动自动限制系统佛三版.北京,机械工业出版社,2004,2 陈桂明等,应用MATLAB建模与仿真.北京i科学出版社,200U3 姬宣德等,基于mat lab的矢量限制系统仿真.?矿山机械?2005. KFm.EJIo,回 3-1:7b / B :/ : /Bi B 4 L J * f 1 lidEl.lJlil Ij'liJSIIIAaBEA Bill.BBI. il'*"

19、H J M/ /：Hr'rI 7 , p ,1' '*O；' *+5*MM / :QII00 01 002 - QOG O W "0 05 0 0608 009 01Time 025020015010050000 01 0.02 0.03 0 04 0 05 0 06 0.07 0.08 0.09昌皆IQ於R|说鼠囹 曰昌,Time offset: 0FF1寻口咨1HH古牌田VS获:#之欲1吐蛙由rtti如虬分析：启动过程的第一阶段是电流上升阶段,突加给定电压,ASR的输入很大,其输出很快到达限幅值,电流也很快上升,接近其最大值.第二阶段,ASR饱和,

20、转速环相当于开环状态,系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统,电流根本上保持不变, 拖动系统恒加速,转速线形增长.第三阶段, 当转速到达给定值后.转速调节器的给定与反应电压平衡,输入偏 差为零,但是由于积分作用,其输出还很大,所以出现超调.转速超调后,ASR输入端出现负偏差电压,使它退出饱和状态,进入线性调节阶段,使转速保持恒定,实际仿真结果根本 上反映了这一点.由于在本系统中,单片机系统代替了限制电路的绝大多数限制器件,所以各项数据处理和调整都是在单片机内完成的,限制效果要好于本次的仿真结果.4.2,3仿真结果345节转速环设计举例ASR调节器传递函数为11.7 +134.48输入模块阶

21、跃值设置为10时的系统仿真结果如图4-8所示="Scope'一 ifO | X '负载电流设置为137时仿真结果如下列图4-9所示二如果在负载电流如的输入端加上负戟电流'利用转速环仿真模型同样可以对转 速环抗扰过程进行仿真.空载运行过程中受到了额定电流扰动时的转速与电流仿真结 果图下列图4-10所示.图"10转速环的抗扰波形图424彷真结果分析由图4-8仿真结果可以看到转速调节器经过了不饱和、泡和、退饱和三个阶段, 最终稳定在治定的转速不变,由图4-9可以看出,当把负载电流设置为137时,电机满载启动,此时启动时间 较长,退饱和超调量减少.由图4-1.转速环的抗抗波形图可以获知、当在员载电流珈3的输入端加上负戟 电流时直流电机空载运行受到额定电流扰动时特性,通过三个图很好的说明了电机的运行特性3备S