V-M双闭环直流调速系统建模与仿真

武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书1目录摘要................................................................21方案论证..........................................................31.1调速系统组成原理分析.........................................31.2稳态结构图分析..............................................41.3调节器作用...................................................51.3.1转速调节器作用.........................................51.3.2电流调节器作用.........................................51.4V-M系统分析................................................62系统设计..........................................................62.1电流调节器的设计.............................................62.1.1确定时间常数...........................................62.1.2选择电流调节器结构.....................................72.1.3计算电流调节器参数.....................................72.1.4校验近似条件...........................................82.1.5计算调节器电阻和电容...................................82.2转速调节器的设计.............................................92.2.1确定时间常数...........................................92.2.2选择转速调节器结构....................................102.2.3计算转速调节器参数....................................102.2.4检验近似条件..........................................102.2.5校核转速超调量........................................112.2.6计算调节器电阻和电容..................................113仿真.............................................................123.1系统仿真框图................................................123.2仿真模型的建立..............................................123.3.1空载时仿真图形........................................133.3.2满载时仿真波形........................................143.3.3空载起动后受到扰动时仿真图形..........................154电气原理总图.....................................................155总结与体会.......................................................17参考文献...........................................................18武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书2摘要转速、电流双闭环调速系统(简称双闭环调速系统)是由单闭环调速系统发展而来的。单闭环调速系统可以实现转速调节无静差，但单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，而用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统，则可以获得近似理想的过渡过程。双闭环直流调速系统具有良好的稳态和动态性能，它已经成为应用非常广泛的一种调速系统。在该系统中，为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用具有输入、输出限幅电路PI调节器，且转速与电流都采用负反馈闭环。由于调整系统的主要参量为转速，故将转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样可以抑制电网电压扰动对转速的影响。在双闭环直流调速系统中设置了两个调节器，转速调节器的输出当作电流调节器的输入，电流调节器的输出控制晶闸管整流器的触发装置。电流调节器在里面称作内环，转速调节器在外面称作外环，这样就形成转速、电流双闭环调速系统关键字：双闭环，不可逆，转速环，电流环，PI调节器武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书3V-M双闭环直流调速系统建模与仿真1方案论证1.1调速系统组成原理分析单闭环调速系统用PI调节器实现转速稳态无静差，消除负载转矩扰动对稳态转速的影响，并用电流截止负反馈限制电枢电流的冲击，避免出现过电流现象。单转速单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流的动态过程。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Idm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，采用电流负反馈就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，在达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈作用。为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接，如图1-1所示。把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，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,电流反馈控制直流调速系统。为了获得良好的静，动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。图1-1转速电流反馈控制直流调速系统原理图武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书4ASR---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Un*---转速给定电压Un---转速反馈电压Ui*---电流给定电压Ui---电流反馈电压1.2稳态结构图分析双闭环直流调速系统稳态结构如图1-2所示，两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm，图中用带限幅的输出特性表示PI调节器的作用。当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是输入偏差电压在稳态时为零。为了实现电流的实时控制和快速跟随，希望电流调节器不要进入饱和状态，因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和不饱和两种情况。双闭环直流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，转速负反馈起主要作用。当负载电流达到Idm时对应于转速调节器为饱和输出Uim*，这时，电流调节器起主要作用，系统表现为电流无静差，起到过电流的自动保护作用。图1-2双闭环直流调速系统的稳态结构图α——转速反馈系数β——电流反馈系数武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书5图1-3双闭环直流调速系统原理图1.3调节器作用1.3.1转速调节器作用（1）转速调节器是调速系统的主导调速器，它使转速n很快地跟随给定电压Un*变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起扰动作用。因为负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动作用。（3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。1.3.2电流调节器作用（1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压Ui*（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才反馈回来，因而使抗扰性能得到改善。（3）在转速过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。（4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复过程。武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书61.4V-M系统分析图1-4晶闸管整流器-电动机调速系统原理图图1-4绘出了V-M系统的原理图，图中VT是晶闸管整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，改变可控整流器平均输出直流电压Ud，从而实现直流电动机的平滑调速。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在410以上，门极电流可以直接用电子控制；响应时间是毫秒级，具有快速的控制作用；运行损耗小，效率高；使V-M系统获得了优越的性能。2系统设计2.1电流调节器的设计2.1.1确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数Ts。按下表2-1所示，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.00167s。武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书7表2-1晶闸管整流器的失控时间（f=50Hz）整流电路形式最大失控时间Tsmax(ms)平均失控时间Ts(ms)单相半波单相桥式（全波）三相半波三相桥式20106.673.331053.331.67（2）电流滤波时间常数Toi。Toi=0.002s。（3）电流环小时间常数之和T∑i。按小时间常数近似处理，取T∑i=Ts+Toi=0.00167+0.002=0.00367s。2.1.2选择电流调节器结构根据课设任务要求%5i，并保证稳态电流无差，可以按典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型电流调节器，其传递函数为式中Ki是电流调节器的比例系数；i是电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能：iTTl00367.003.0≈8.174，各项指标都是可以接受的。2.1.3计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：i=Tl=0.03s。电流环开环增益：要求%5i时，应取KIT∑i=0.5，因此KI=i5.0T=136.24ssKsWiiiACR)1()(武汉理工大学《电力拖动与控制系统》课程设计说明书8电流反馈系数β，电流调节器限幅值为10V，则β＝1365.110＝0.049V/A于是，ACR的比例系数为Ki=siKRKI=1.042.1.4校验近似条件电流环截止频率：ci=KI=136.24(1)校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件s31T=00167.0*31≈199.6＞ci满足近似条件(2)校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件lm13TT=03.0*18.01*3≈40.82＜ci满足近似条件(3)校验电流环小时间常数近似处理条件31ois1TT=31*002.0*00167.01≈182.39＞ci满足近似条件2.1.5计算调节器电阻和电容电流调节器原理如图2-2所示，按所用运算放大器取Ro=40K，各电阻和电容值计算如下：Ri=KiRo=1.04*40=41.6K,取4