双闭环VM直流调速系统设计与实现matlab仿真.docx

电力拖动自动控制系统课程设计报告学院班级姓名学号目录摘要31 .双闭环直流调速系统简介42 .双闭环直流调速系统的组成及工作原理42.1 双闭环直流调速系统的组成42.2 双闭环直流调速系统工作原理53 .双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性61 .1双闭环直流调速系统的稳态结构图63 .2双闭环直流调速系统的静态特性73. 2.1转速调节器不饱和时系统的静特性84. 2.2转速调节器饱和时系统的静特性84.直流双闭环调速系统电路设计94.1 晶闸管-电动机主电路的设计94. 1.l主电路设计94.1. 2主电路固有参数计算104. 2转速、电流调节器的设计104. 2.1电流调节器电路设计及参数选择124. 2.2转速调节器设计与参数选择144. 3转速检测电路设计175. 4电流检测电路设计176. 5限幅电路设计185 .双闭环调速系统主控电路图206 .利用Matlab进行系统仿真226. 1仿真步骤227. 2仿真结果分析257*268 .心得体会269 .参考文献27双闭环V-M调速系统中主电路电流调节器及转速调节器的设计与实现摘要直流双闭环调速系统的性能很好，具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统中得到了广泛的应用。直流双闭环调速系统中设置了两个调节器，即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR),分别调节转速和电流。本文对直流双闭环调速系统的设计进行了分析，对直流双闭环调速系统的原理进行了一些说明，介绍了其主电路、检测电路的设计，详细介绍了电流调节器和转速调节器的设计以及一些参数的选择和计算，使其满足工程设计参数指标。关键词：直流双闭环调速系统电流调节器转速调节器AbstractDCdoubleloopspeedcontrolsystemperformanceverygood,withwidespeedrange,highaccuracy,gooddynamicperformanceandeaseofcontrol,etc,sointheelectricaltransmissionsystemhasbeenwidelyused.DoubleClosed1.oopDCSpeedControlSystemsetuptworegulators,thespeedregulator(ASR)andthecurrentregulator(ACR),adjustthespeedandcurrent,respectively.Thisdouble-loopspeedcontrolofDCsystemdesignisanalyzed,theDCprincipleofDoubleClosed1.oopSystemwassomeindication,introducesitsmaincircuit,detectioncircuit,detailingthecurrentregulatorandspeedregulatordesignandselectionofsomeoftheparametersandcalculationofindicatorstomeetthedesignparameters.Keywords:DCDoubleClosed1.oopSystemSpeedRegulatorCurrentRegulator1 .双闭环直流调速系统简介双闭环(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、抗干扰能力强的优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系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，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。2 .双闭环直流调速系统的组成及工作原理2.1 双闭环直流调速系统的组成直流双闭环调速系统中设置了两个调节器，即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR),分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。图1转速、电流双闭环直流调速系统结构图图中U*n、Un-转速给定电压和转速反馈电压；U*i、Ui-电流给定电压和电流反馈电压；ASR一转速调节器；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。图2转速、电流双闭环直流调速系原理图2.2 双闭环直流调速系统工作原理转速、电流两个闭环之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压Udmo双闭环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，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idm后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。由于调速系统的主要被控量是转速，故把转速负反馈组成的环作为外环，以保证电动机的转速准确跟随给定电压，把由电流负反馈组成的环作为内环，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,这就形成了转速、电流双闭环调速系统。因为Pl调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。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。3 .双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性3.1 双闭环直流调速系统的稳态结构图首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图3-1所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握Pl调节器的稳太特征。一般存在两种状况：饱和一一输出达到限幅值；不饱和一一输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压AU在稳太时总是为零。图3-1双闭环直流调速系统的稳态结构图一转速反馈系数；电流反馈系数实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此,对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。3.2 双闭环直流调速系统的静态特性实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。双闭环直流调速系统的静特性如图3-2所示。IdnomIdm图3-2双闭环直流调速系统的静特性3.2.1 转速调节器不饱和时系统的静特性U；=Un=ocn=CCu：=5=7zd由第一个关系式可得从而得到上图静特性的CA段。与此同时，由于ASR不饱和，U*i<U*im,从上述第二个关系式可知：IdVldm。这就是说，CA段静特性。从理想空载状态的Id=O一直延续到Id=Idm,而Idm一般都是大于额定电流IdN的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。3.2.2 转速调节器饱和时系统的静特性转速调节器饱和时，ASR输出达到限幅值U*im,转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时d=-=dm（2）式中，最大电流Idm是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。式（2）所描述的静特性是上图中的AB段，它是垂直的特性。这样的下垂特性只适合于n<no的情况，因为如果n>n,则Un>U*n,ASR将退出饱和状态。4 .直流双闭环调速系统电路设计4.1 晶闸管电动机主电路的设计4.1.1主电路设计晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）主电路原理图如图4-1所示:图4-1V-M系统主电路原理图图中VT是晶闸管可控整流器，它由三相全控桥式整流电路组成，如图4-2所示:图4-2三相全控桥式整流电路通过调节触发装置GT的控制电压4来移动脉冲的相位，即可改变平均整流电压心,从而实现平滑调速。4.1.2主电路固有参数计算1 )U2：Ud=IMU2cosa,Ud=Un=220V,取=0"U220U)=gX(11.2)=×1.IV=Il4.9V2 2.34COS(TX0.92.34×0.9其中系数0.9为电网波动系数，系数1T.2为考虑各种因素的安全系数，这里取1.IoC'Eh=4,J4Z；frCUN-INR220-136X0.210017/2)电动势系数：C,=J=0.132Vmm/rnN14603)转矩系数：Cfn=；kgrn/AJ1.4)平波电抗器：电阻RP=O.1。、电感1.p=4”;5）电磁时间常数：T16）机电时间常数：Tm=1.GDR<37515*103=0.03$Ro522.5×0.5×CeClfl375×0.1322×30=0.18j4.2转速、电流调节器的设计双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图4-1所示。图中卬心和）和Wg（三）分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流Q显露出来。转速、电流双闭环调速系统的动态结构图如图4-3所示：图4-3直流双闭环调速系统动态结构图图中WASR(三)和WACR(三)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数；TOi电流反馈滤波时间常数；TOn为转速反馈滤波时间常数。由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数7；按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而,在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用北,表示，根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为Q的给定滤波环节。系统设计的一般原则是：先内环后外环。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。Il4.2.1 电流调节器电路设计及参数选择4.2.1.1 电流调节器电路设计含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器如图4-4所示:其中u；为电流给定电压，-卬”为电流负反馈电压，4为电力电子变换器的控制电压。4.2.1.2 电流调节器参数选择1.确定时间常数1）三相桥式电路的平均失控时间为7；二0.00167s。2）电流滤波时间常数本设计初始条件已给出，即0.002s。3）电流环小时间常数之和Tr/=+ol=0.002+0.00167=0.00367s