转速、电流双闭环直流调速系统设计

1《电力拖动自动控制系统》课程设计报告设计题目：转速、电流双闭环直流调速系统设计班级：13级电气工程及其自动化学号:姓名：王睿卿指导教师：设计时间：2014.12.152目录摘要第一章概述第二章设计任务及要求2.1设计任务：2.2设计要求：2.3理论设计3.1方案论证3.2系统设计3.2.1电流调节器设计3.2.1.1确定时间常数3.2.1.2选择电流调节器结构3.2.1.3计算电流调节器参数3.2.1.4校验近似条件3.2.1.5计算调节器电阻和电容3.2.2速度调节器设计3.2.2.1确定时间常数3.2.2.2选择转速调节器结构3.2.2.3计算转速调节器参数3.2.2.4校验近似条件3.2.2.5计算调节器电阻和电容3.2.2.6校核转速超调量第三章系统建模及仿真实验4.1MATLAB仿真软件介绍4.2仿真建模及实验4.2.1单闭环仿真实验4.2.2双闭环仿真实验4.2.3仿真波形分析第四章实际系统设计及实验5.1系统组成及工作原理5.2设备及仪器5.3实验过程5.3.1实验内容5.3.2实验步骤3摘要从七十年代开始，由于晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用。双闭环直流调速系统就是一个典型的系统，该系统一般含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等．给定信号为0～10V直流信号，可对主电路输出电压进行平滑调节。由于其机械特性硬，调速范围宽，而且是无级调速，所以可对直流电动机进行调压调速。动静态性能好，抗扰性能佳。速度调节及抗负载和电网扰动，采用双PI调节器，可获得良好的动静态效果。电流环校正成典型I型系统。为使系统在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能，速度环设计成典型Ⅱ型系统。根据转速、电流双闭环调速系统的设计方法，用Simulink做了带电流补偿的电压负反馈直流调速系统进行仿真综合调试，分析系统的动态性能，并进行校正，得出正确的仿真波形图。关键词：直流调速双闭环转速调节器电流调节器第一章概述为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在V-M调速系统中设计两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套联接。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，形成转速、电流双闭环调速系统。采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。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。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，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。通过系统建模和仿真，用MATLAB/Simulink工具分析设计直流电动机速度控制系统。4第二章设计任务及要求2.1设计任务设计一个双闭环直流调速系统，要求利用晶闸管供电，整流装置采用三相桥式电路。直流电动机：额定功率29.92KW，额定电压220V，额定电流136A，额定转速1460r/m，eC=0.132Vmin/r，允许过载倍数=1.5。晶闸管装置放大系数：sK=40电枢回路总电阻：R=1时间常数：机电时间常数mT=0.18s，电磁时间常数lT=0.03s电流反馈系数：=0.05V/A转速反馈系数：=0.007vmin/r转速反馈滤波时间常数：onT=0.005s，oiT=0.005s总飞轮力矩：GD2=2.5N.mh=52.2设计要求（1）调速范围D=10，静差率5%；稳态无静差，电流超调量i5%，电流脉动系数iS10%；启动到额定转速时的转速退饱和超调量n10%。（2）系统具有过流、过压、过载和缺相保护。（3）触发脉冲有故障封锁能力。（4）对拖动系统设置给定积分器。第三章理论设计3.1方案论证系统设计理论按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展设计原则（本课题设计先设计电流内环，后设计转速外环）。在双闭环系统中应该首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作转速调节系统中的一个内环节，再设计转速调节器。这样的系统能够实现良好的静态和5稳态性能，结构简单，工作可靠，设计和调试方便，达到本课程设计的要求。双闭环直流调速系统的结构框图:3.2系统设计3.2.1电流调节器设计3.2.1.1确定时间常数(1)整流装置滞后时间常数sT。按书1表1-2，三相电路的平均失控时间：sT=0.0017s（3-1）(2)电流滤波时间常数oiT。oiT=0.005s（3-2）(3)电流环小时间常数之和iT。按小时间常数近似处理，取为：iT=sT+oiT=0.0067s(3-3）3.2.1.2选择电流调节器结构根据设计要求i5%，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI电流调节器，它的传递函数为：)(sWACR=(1)iiiKss（3-4）图3.1双闭环直流调速系统的动态结构图U*nUc-IdLnUd0Un+--+-UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E6检查对电源电压的抗扰性能：48.40067.003.0ilTT（3-5）符合典型I型系统动态抗扰性能，并且各项性能指标都是可以接受的。3.2.1.3计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：i=lT=0.03s。（3-6）电流环开环增益：要求i5%是按书1表2-2，应取IiKT=0.5，因此：63.740067.05.0iK（3-7）于是，ACR的比例系统为：12.1KsRKKiii（3-8）3.2.1.4校验近似条件电流环截至频率：63.74ciIK（3-9）晶闸管整流装置传递函数近似的条件为：111196.1330.0017cissT（3-10）忽略反电动势对电流环动态影响的近似条件为：1111394.8730.010.1cimlsTTss（3-11）电流环小时间常数近似处理条件为：11113180.830.00170.002cisoisTTss（3-12）3.2.1.5计算调节器电阻和电容按所用的运算放大器取得040RK。各电容和电阻值为：0RRKii、iiiCR、oioiCRT041（2-13）Ri=40k（2-14）按照上面计算所得的参数，电流环内环可以达到的动态跟随性能指标为7i=4.3%5%,满足课题所给要求。3.2.2速度调节器设计3.2.2.1确定时间常数(1)电流环等效时间常数1/IK。取iIKT=0.5，则：0134.00067.021IK（3-15）(2)转速滤波时间常数onT。根据所用测速发电机波纹情况，取：onT=0.005s。（3-16）(3)转速环小时间常数nT。按小时间常数近似处理，取：0184.01onInTKT（3-17）3.2.2.2选择转速调节器结构按设计要求，选用PI调节器，其传递函数为：nnASR(s)nK(s+1)W=s（3-18）3.2.2.3计算转速调节器参数按跟随性能和抗扰性能都较好的原则，现取h=5，则ASR的超前时间常数为：in==hT50.0274=0.137s（3-19）并且求得转速环开环增益为：2N222n6h+1K=159.842hT225(0.0274)s（3-20）则可得ASR的比例系数为：nn(h+1)630.1130.1K=15.62hRT2250.0059.50.0274emCT（3-21）3.2.2.4校验近似条件转速截止频率为：11159.840.13721.9NcnNnKKs（3-22）电流环传递函数简化条件为：8i1135.11363.73T0.037IcnKs（3-23）转速环外环的小时间常数近似处理条件为：1on135.11327.43T0.02IcnKs32-24）3.2.2.5计算调节器电阻和电容按所用的运算放大器取0R=40k。各电容和电阻值为：015.640625nnRKRKK，（3-25）0.1370.22625nnnCFRK（3-26）3.2.2.6校核转速超调量当h=5时，由书1可以查得：n=37.6%，这并不能满足课题所给要求。实际上，由于表2-6是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR已经饱和，不符合如今系统的前提要求，所以应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。如下：maxmaxn**T2bNnbbmCnCnzCnCnT1.29.50.02740.113281.2%2.14.2%10%16000.1（3-27）满足课题所给要求。第四章系统建模及仿真实验4.1MATLAB仿真软件介绍本设计所采用的仿真软件是MATLAB7.1。MATLAB7.1是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据。MATLAB7.1提供了基本的数学算法，例如矩阵运算、数值分析算法，它还集成了2D和3D图形功能，以完成相应数值可视化的工作，并且提供了一种交互式的高级编程语言——M语言，利用M语言可以通过编写脚本或者函数文件实现用户自己的算法。Simulink是基于MATLAB7.1的框图设计环境，可以用来对各种动态系统9进行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛，可以针对任何能够用数学来描述的系统进行建模。4.2仿真建模及实验4.2.1单闭环仿真实验仿真设计采用MATLAB7.1软件进行系统建模。按照课题所给要求，我们先用单闭环直流调速系统进行仿真设计，运用MATLAB的simulink进行系统建模，单闭环直流调速系统仿真模型如图4.1所示：图4.1带比例放大器的闭环直流调速系统仿真模型单闭环直流调速系统转速图4.2和电流仿真波形图4.3所示：图4.2单闭环直流调速系统转速仿真波形10图4.3单闭环直流调速系统电流仿真波形由图4.2与图4.3可以看到，转速和电流波形都不太好，都带有较大的震荡，并且带有静差，无法使转速最后维持在1600r/s。经过反复的调节我们可以都到一组较好的波形图4.4和调节参数表4-1:表4-1单闭环调速系统参数列表晶闸管放大系数Ks机电时间常数mT电磁时间常数lT转速反馈系数允许过载倍数ASR限幅值300.1s0.01s0.005vmin/r1.5330VonToiTeCRrtPK0.02s0.002s0.113Vmin/r9.50.2s12转速和电流仿真波形：11图4.4经过多次的调节我们可以得到调节相关的参数的调节规律：当调节PK时，PK越小产生的静差也将越大，但波形震荡越小，PK越大的话产生的静差越小，但波形震荡越大。限幅值越大波形震荡越发大，限幅值越小波形震荡越发小。由于比例调节器的输出只取决于输入偏差的现状，而积分调节器的输出包含了输入偏差的全部过程。因此为了实现无静差调速，我们采用PI调节的单闭环调节系统，单闭环调速系统动态结构图如图3.5所示：图4.5单闭环调速系统动态结构图转速单闭环调速系统仿真模型图和波形图分别如图4.6图4.7所示：图4.6转速单闭环调速系统仿真模型图12图4.7转速单闭环调速系统仿真波形图由上两图可以得出：采用PI调节的单个转速闭环调节系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果系统的动态性能要求较高的话，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随心所欲的控制电流和转矩的动态过程。而在单闭环直流调速系统中，电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流crId以后，靠强烈的负反馈作用来限制电流的冲击作用，而不能很理想的控制电流的动态波形。带