電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)-異步電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制晶閘管調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書異步電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制晶閘管調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要現(xiàn)代電力電子技術(shù)興起后，晶閘管調(diào)壓調(diào)速已經(jīng)占據(jù)了異步電機(jī)調(diào)速的主導(dǎo)地位。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中利用偏微分和近似線性化處理的方法來獲得異步電動(dòng)機(jī)的等效數(shù)學(xué)模型，從而得到了異步電動(dòng)機(jī)的線性一階慣性等效數(shù)學(xué)模型。閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無靜差以及動(dòng)態(tài)性能的要求。最后用西門子最佳系統(tǒng)和系統(tǒng)的近似處理方法得到系統(tǒng)的系統(tǒng)，滿足所要求的系統(tǒng)各項(xiàng)要求。關(guān)鍵詞：異步電動(dòng)機(jī)晶閘管調(diào)壓調(diào)速 西門子最佳 PI調(diào)節(jié)器I目錄摘要I1異步電動(dòng)機(jī)晶閘管調(diào)壓調(diào)速閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)11.1晶閘管調(diào)壓裝置21.2異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型

2、21.3測速反饋環(huán)節(jié)31.4ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器32異步電動(dòng)機(jī)晶閘管調(diào)壓調(diào)速閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算43異步電動(dòng)機(jī)晶閘管調(diào)壓調(diào)速閉環(huán)系統(tǒng)仿真5心得體會(huì)8參考文獻(xiàn)9附錄101異步電動(dòng)機(jī)晶閘管調(diào)壓調(diào)速閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)交流調(diào)壓器一般用三對晶閘管反并聯(lián)或三個(gè)雙向晶閘管分別串接在三相電路中，這里采用相控方式的調(diào)壓方式改變輸出電壓。圖1-1 為利用晶閘管交流調(diào)壓器調(diào)壓調(diào)速的原理圖；圖1-1 晶閘管交流調(diào)壓器 圖1-2 晶閘管閉環(huán)控制調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖圖1-2為異步電動(dòng)機(jī)晶閘管閉環(huán)控制調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)電氣原理總圖；對應(yīng)的系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1-3；圖1-3 異步電機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖在圖1-3中， 為晶閘管交流調(diào)壓器和

3、觸發(fā)裝置的放大系數(shù)； 為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；ASR采用PI調(diào)節(jié)器； 表達(dá)異步電機(jī)的機(jī)械特性方程式，它是一個(gè)非線性函數(shù)；穩(wěn)態(tài)時(shí)，且 ；根據(jù)負(fù)載需要的和可由公式計(jì)算出或用機(jī)械特性圖解法求出所需的以及相應(yīng)的。對系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)時(shí)，須先繪制出動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，由圖1-3所示的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以得到動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖1-4所示，圖1-4 異步電動(dòng)機(jī)閉環(huán)變壓調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖MA-異步電動(dòng)機(jī) FBS-測速反饋環(huán)節(jié)1.1 晶閘管調(diào)壓裝置裝置的輸入輸出特性原則上是非線性的，在一定范圍內(nèi)可以假定為線性函數(shù)，在動(dòng)態(tài)中可以近似為一階慣性環(huán)節(jié)，正如直流調(diào)速系統(tǒng)中的晶閘管觸發(fā)和整流裝置那樣，傳遞函數(shù)可以寫成， 1.2 異步電動(dòng)機(jī)

4、數(shù)學(xué)模型異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)過程是由一組非線性微分方程描述的，要用一個(gè)傳遞函數(shù)來準(zhǔn)確的表示它的輸入輸出關(guān)系是不可能的。在這里，可以先在一定的假設(shè)條件下，用穩(wěn)定工作點(diǎn)附近的偏微分線性化方法求出一種近似的傳遞函數(shù)。由異步電機(jī)的等效數(shù)學(xué)模型可知，電磁轉(zhuǎn)矩為 當(dāng)很小時(shí)，可以認(rèn)為 且 后者相當(dāng)于忽略異步電機(jī)的漏感電磁慣性，在此條件下， 這就是在上述條件下異步電機(jī)的近似線性機(jī)械特性。如果只考慮和之間的傳遞函數(shù)，可先取得 由于忽略了電磁慣性，只剩下同軸旋轉(zhuǎn)體的機(jī)電慣性，異步電機(jī)近似成一個(gè)線性的一階慣性環(huán)節(jié)，異步電機(jī)的近似線性化傳遞函數(shù)為 1.3 測速反饋環(huán)節(jié)考慮到反饋濾波的作用，測速反饋環(huán)節(jié)FBS的傳遞函數(shù)可以

5、寫成 1.4 ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR用PI調(diào)節(jié)器，用以消除靜差并改善動(dòng)態(tài)性能，傳遞函數(shù)為 2異步電動(dòng)機(jī)晶閘管調(diào)壓調(diào)速閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)要求的技術(shù)數(shù)據(jù)為，晶閘管調(diào)壓裝置：；異步電動(dòng)機(jī)額定數(shù)據(jù)：異步電動(dòng)機(jī)：測速反饋環(huán)節(jié)：根據(jù)上述的異步電機(jī)閉環(huán)晶閘管調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，可得開環(huán)傳遞函數(shù)為， (2.1)根據(jù)系統(tǒng)要求，滿足系統(tǒng)無靜差的要求，但系統(tǒng)要求超調(diào)小于5%，因此須將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成典型型系統(tǒng)，再根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理， (2.2)選取PI調(diào)節(jié)器的參數(shù), (2.3)將這個(gè)近似系統(tǒng)設(shè)計(jì)成西門子“最佳整定”方法的“模最佳系統(tǒng)”（超調(diào)量4.3%），能夠滿足超調(diào)量的要求，顯然也能

6、滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，由“模最佳系統(tǒng)”的參數(shù)，PI調(diào)節(jié)器的。選取PI調(diào)節(jié)器電阻，由，則。這樣的系統(tǒng)能滿足系統(tǒng)無靜差的要求以及超調(diào)量小于5%的要求，由于是晶閘管相位控制的調(diào)壓調(diào)速方式，顯然能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)能夠平滑調(diào)速的要求，而且負(fù)載電機(jī)不可逆運(yùn)行，系統(tǒng)在調(diào)速范圍內(nèi)可以穩(wěn)定運(yùn)行，由于采用的是晶閘管反并聯(lián)的方式，系統(tǒng)在5%負(fù)載以上的變化的運(yùn)行范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)電流連續(xù)的要求。3異步電動(dòng)機(jī)晶閘管調(diào)壓調(diào)速閉環(huán)系統(tǒng)仿真本系統(tǒng)的仿真在Matlab的Simulink環(huán)境下進(jìn)行，具體操作如下：1） 打開模型編輯窗口：通過單擊Simulink工具欄中的新模型的圖標(biāo)2） 復(fù)制相關(guān)模塊：雙擊所需子模塊庫圖標(biāo)，則可打開它，以鼠

7、標(biāo)左鍵選中所需的子模塊，拖入模型編輯窗口，在本例中，需要把Source組中的Step模塊拖入模型編輯窗口；把Math Operation組中的Sum模塊和Gain模塊分別拖入模型編輯窗口；把Continuous組中的Transfer Fcn模塊拖入模型編輯窗口；把Sinks組中的Scope模塊拖入模型編輯窗口，至此，把異步電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制晶閘管調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖所需的模塊都已拖入模型編輯窗口。3） 修改模塊參數(shù)：雙擊模塊圖案，則出現(xiàn)關(guān)于該圖案的對話框，通過修改對話框的內(nèi)容來設(shè)定模塊的參數(shù)。在本例中，雙擊Sum模塊，在List of Signs欄目描述的加法器的三路輸入的符號(hào)，其中|表示該

8、路沒有信號(hào)，本例需要的是減法器，用|+-取代原來的符號(hào)。雙擊Transfer Fcn模塊，只需在其分子Numerator和分母Denominator欄目分別填寫系統(tǒng)的分子多項(xiàng)式和分母多項(xiàng)式系數(shù)系數(shù)。雙擊Step模塊可以Step time從默認(rèn)的1改到0在本例中額定轉(zhuǎn)速的給定是5.8V，可以把Final value從默認(rèn)的1改到5.8。4） 模塊連接：以鼠標(biāo)左鍵單擊起點(diǎn)模塊輸出端，拖動(dòng)鼠標(biāo)至終點(diǎn)模塊的輸出端處。反饋回路中的模塊的輸入端和輸出端的方向位置不妥，應(yīng)該把它水平翻轉(zhuǎn)，單擊該模塊，按住Ctrl+R即可翻轉(zhuǎn)90度。當(dāng)一個(gè)信號(hào)要分送到不同模塊的多個(gè)輸入端時(shí)，需要繪制分支線，通?？梢园咽髽?biāo)移到分

9、支線的起點(diǎn)處，按住鼠標(biāo)右鍵，看到光標(biāo)變?yōu)槭趾?，拖?dòng)鼠標(biāo)直至分支線的終點(diǎn)處，釋放鼠標(biāo)按鈕，就完成了分支線的繪制。得到了Matlab的Simulink仿真模型如圖3-1所示：圖3-1 異步電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制晶閘管調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)仿真框圖仿真波形如圖3-2所示：圖3-2 異步電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)速輸出波形從仿真的轉(zhuǎn)速結(jié)果輸出波形來看，系統(tǒng)在0.1s時(shí)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速為1525r/min，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為1450r/min，穩(wěn)態(tài)無靜差，且超調(diào)量為5%，滿足系統(tǒng)對超調(diào)量的要求，在0.23s時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速，滿足系統(tǒng)快速性的要求。改變Step的Final value為5，觀察到的輸出波形如圖3-3所示：圖3-3 異步電機(jī)

10、閉環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)壓轉(zhuǎn)速出輸出波形從仿真的轉(zhuǎn)速結(jié)果輸出波形來看，系統(tǒng)在0.1s時(shí)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速為1320r/min，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為1250r/min，穩(wěn)態(tài)無靜差，且超調(diào)量為5%，滿足系統(tǒng)對超調(diào)量的要求，在0.23s時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速，滿足系統(tǒng)快速性的要求。同時(shí)可以看出當(dāng)改變給定電壓時(shí)，只是峰值和穩(wěn)態(tài)值有所變化，但是超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)時(shí)間并無太大改變，可知當(dāng)改變給定電壓調(diào)速時(shí)是可以滿足系統(tǒng)要求的。心得體會(huì)本次需要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是異步電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制晶閘管調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，由于這個(gè)系統(tǒng)并不是課程所要求的內(nèi)容，所以在拿到題目之后首先需要做的事就是查找文獻(xiàn)，經(jīng)過查閱資料，搞清楚如何將異步電動(dòng)機(jī)的等效數(shù)學(xué)模型應(yīng)用到系統(tǒng)之后，接下來就

11、是如何利用題目已知的參數(shù)來構(gòu)造系統(tǒng)的等效數(shù)學(xué)模型。其中在研究異步電動(dòng)機(jī)的等效數(shù)學(xué)模型的時(shí)候有很大的收獲，它是利用電機(jī)的機(jī)械特性方程來構(gòu)造異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)負(fù)載恒定時(shí)，研究轉(zhuǎn)速輸出與輸入電壓之間的關(guān)系，用偏微分的方法和近似線性的數(shù)學(xué)模型來等效異步電動(dòng)機(jī)。在構(gòu)造整個(gè)系統(tǒng)時(shí)，也用到了平時(shí)所學(xué)的典型系統(tǒng)選擇以及系統(tǒng)的近似處理方法，并用到了工程上用到了西門子最佳系統(tǒng)整定原則。本次課設(shè)并未要求仿真，但是出于對設(shè)計(jì)方法的正確性檢驗(yàn)還是做了相關(guān)工作，仿真結(jié)果說明設(shè)計(jì)系統(tǒng)的正確性以及方法的合理性。在此次課設(shè)過程中用到了很多在課程學(xué)習(xí)過程中用到的東西，譬如西門子最佳系統(tǒng)和典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法以及系統(tǒng)的近似處理方法，不僅對課上學(xué)習(xí)的知識(shí)的一種鞏固，也對實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)有了更深的了解，而且學(xué)到了課本要求以外的知識(shí)，對于交流調(diào)速系統(tǒng)有了一定程度的認(rèn)識(shí)，這對于我以后的學(xué)習(xí)和工作是很有幫助的。參考文獻(xiàn)1陳伯時(shí).自動(dòng)控制系統(tǒng)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.2陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)M.2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.3陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)M.