直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真和矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真

1、電氣與電子信息工程學(xué)院控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)報(bào)告名 稱：直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真和矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真專業(yè)名稱： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 學(xué)號(hào)： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 目 錄前 言7第1章 直流調(diào)速系統(tǒng)總體方案81.1調(diào)速控制要求.81.2調(diào)速方案設(shè)計(jì)81.3總體方案設(shè)計(jì)9第2章 主電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算102.1整流變壓器參數(shù)計(jì)算102.2晶閘管元件參數(shù)計(jì)算112.3晶閘管保護(hù)計(jì)算122.4平波電抗器的計(jì)算13第3章 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)163.1觸發(fā)電路的選擇163.2 同步變壓器設(shè)計(jì)163.3 控制電路的直流電源16第4章 雙閉環(huán)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和校驗(yàn)174.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)

2、計(jì)和校驗(yàn)174.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和校驗(yàn)18第5章 直流調(diào)速系統(tǒng)MATLAB仿真205.1電流環(huán)的仿真205.2轉(zhuǎn)速環(huán)的系統(tǒng)仿真22第6章 交流調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真236.1矢量控制變頻調(diào)速的仿真模型236.2異步電動(dòng)機(jī)矢量控制變頻調(diào)速仿真結(jié)果236.3異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速矢量控制仿真結(jié)果分析25總 結(jié)26參考文獻(xiàn)26附表1：主電路及輔助圖27附表2：觸發(fā)電路圖28附表3：直流雙閉環(huán)仿真圖.29前 言電氣傳動(dòng)系統(tǒng)又稱電力拖動(dòng)系統(tǒng),是以電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)的總稱。其目的是為了通過對(duì)電動(dòng)機(jī)合理的實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械的起動(dòng),停止,速度、位置調(diào)節(jié)以及各種生產(chǎn)工藝的要求。隨著技術(shù)的進(jìn)步及社會(huì)對(duì)環(huán)保、節(jié)能要求

3、的日漸嚴(yán) 格,電氣傳動(dòng)系統(tǒng)在社會(huì)各方面的使用越來越廣泛。電氣傳動(dòng)技術(shù)以電動(dòng)機(jī)控制為控制對(duì)象，以微電子裝置為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論指導(dǎo)下組成電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)。因電機(jī)種類的不同分為直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)（簡(jiǎn)稱直流傳動(dòng)）、交流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)（簡(jiǎn)稱交流 傳動(dòng)）、步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)（簡(jiǎn)稱步進(jìn)傳動(dòng)）、伺服電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)（簡(jiǎn)稱伺服傳動(dòng)）等等。直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑，方便，易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，過載能力大，能受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級(jí)快速起制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，能滿足生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)中各種不同的特殊運(yùn)行要求，所以直流調(diào)速系統(tǒng)至今仍然被廣泛地用于自動(dòng)控制要求較高的各種生產(chǎn)部門，是調(diào)速

4、系統(tǒng)的主要形式。而且直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，從控制技術(shù)的角度來看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用研究具有實(shí)際意義。目前，通過對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能進(jìn)而控制工作機(jī)械按給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)行且使之滿足特定要求的新型電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。 三十多年來，直流電機(jī)傳動(dòng)經(jīng)歷了重大的變革，實(shí)現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習(xí)用已久的直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組及水銀整流裝置使 直流電氣傳動(dòng)完成了一次大的躍進(jìn)。同時(shí)，控制電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。直流調(diào)速技術(shù)

5、不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中仍然難以替代。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展， 直流傳動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛使用微機(jī)， 實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化控制。由于微機(jī)以數(shù)字信號(hào)工作，控制手段靈活方便，抗干擾能 力強(qiáng)。所以，全數(shù)字直流調(diào)速控制精度和可靠性比模擬直流調(diào)速系統(tǒng)大大提高。 而且通過系統(tǒng)總線全數(shù)字化控制系統(tǒng)，能與管理計(jì)算機(jī)、過程計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程電控 裝置進(jìn)行交換，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化分級(jí)控制。所以，直流傳動(dòng)控制采用微機(jī) 實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，使直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。第1章 直流調(diào)速系統(tǒng)總體方案1.1調(diào)速控制要求在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)機(jī)械都不停地運(yùn)動(dòng)著，幾乎無處不使用電

6、力傳動(dòng) 裝置。由于各種不同的生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律不一樣，對(duì)傳動(dòng)裝置性能的要求也不一 樣。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加產(chǎn)量，提高生產(chǎn)效率，越來越多的生產(chǎn)機(jī)械要求能 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與相應(yīng)的自動(dòng)化控制，并且對(duì)電力傳動(dòng)裝置的拖動(dòng)性能要求也越來 越高。 （1）調(diào)速在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地（有級(jí)）或平滑 地（無級(jí)）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速； （2）穩(wěn)速以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有 過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量； （3）加、減速頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率； 不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起，制動(dòng)盡量平穩(wěn)。1.2調(diào)速方案設(shè)計(jì)（1）直流電動(dòng)機(jī)的選擇本次設(shè)計(jì)選用的電動(dòng)機(jī)型

7、號(hào)Z2-61型，其具體參數(shù)如下表1-1所示表1-1 Z2-61型電動(dòng)機(jī)具體參數(shù)電動(dòng)機(jī)型號(hào)Pn（KW）Un（V）In（A）nn（r/min）Ra（）GDa2（Nm2）極對(duì)數(shù)Z2-618.52303714501.05.491（2）供電方案選擇本文選用靜止可控整流器（又稱V-M系統(tǒng)），通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，且控制作用快速性能好，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。在V-M系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器給定電壓，即可移動(dòng)觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，從而方便的改變整流器的輸出，瞬時(shí)電壓Ud。由于要求直流電壓脈動(dòng)較小，故采用三相整流電路。考慮使電路簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)且滿足性能要求，選擇

8、晶閘管三相全控橋交流器供電方案。因三相橋式全控整流電壓的脈動(dòng)頻率比三相半波高，因而所需的平波電抗器的電感量可相應(yīng)減少約一半，這是三相橋式整流電路的一大優(yōu)點(diǎn)。并且晶閘管可控整流裝置無噪聲、無磨損、響應(yīng)快、體積小、重量輕、投資省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同時(shí)，由于電機(jī)的容量較大，又要求電流的脈動(dòng)小。綜上選晶閘管三相全控橋整流電路供電方案。（3）調(diào)速方案選擇計(jì)算電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)：由式=0.133,當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，系統(tǒng)額定速降為=556.39。開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率:=27.7%，大大超過了S5%.若D=10，S5%.，則，可知開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是556.39，而工藝要求的

9、是7.63，而開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)無能為力，需采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。因?yàn)檎{(diào)速要求較高，故選用轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。1.3總體方案設(shè)計(jì)直流調(diào)速系統(tǒng)的框圖如圖所示：內(nèi)環(huán)是電流調(diào)節(jié)器，主要作用：（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差。（2）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。（3）限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。（4）當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。ASR是轉(zhuǎn)速環(huán)，主要作用：（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定

10、電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差。（2）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。（3）其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。第2章 主電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算電動(dòng)機(jī)的額定電壓為230V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相減壓變壓器將電源電壓降低；為避免三次諧波電動(dòng)勢(shì)的不良影響，三次諧波電流對(duì)電源的干擾，主變壓器采用D/Y聯(lián)結(jié)。2.1整流變壓器參數(shù)計(jì)算（1）變壓器二次側(cè)電壓U2的計(jì)算U2是一個(gè)重要的參數(shù)，選擇過低就會(huì)無法保證輸出額定電壓。選擇過大又會(huì)造成延遲角加大，功率因數(shù)變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。一般可按下式計(jì)算，即： （2-1）式中Udmax -整流電路輸出電壓最大值； -

11、主電路電流回路n個(gè)晶閘管正向壓降；C - 線路接線方式系數(shù)； - 變壓器的短路比，對(duì)10100KVA， =0.050.1；/-變壓器二次實(shí)際工作電流與額定之比，應(yīng)取最大值。在要求不高場(chǎng)合或近似估算時(shí)，可用下式計(jì)算，即： （2-2）式中A-理想情況下，=0°時(shí)整流電壓Ud0與二次電壓U2之比，即A=Ud0/U2；B-延遲角為時(shí)輸出電壓Ud與Ud0之比，即B=Ud/Ud0；電網(wǎng)波動(dòng)系數(shù)；11.2考慮各種因數(shù)的安全系數(shù)；根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用公式： (2-3)由表查得 A=2.34；取=0.9；角考慮10°裕量，則 B=cos=0.985取U2=130V。電壓比K=U1/U2=380

12、/130=2.923。（2）一次、二次相電流I1、I2的計(jì)算由表查得=0.816,=0.816考慮變壓器勵(lì)磁電流得：（3）變壓器容量的計(jì)算S1=； （2-4）S2=； （2-5）S=1/2(S1+S2)； （2-6）式中m1、m2 -一次側(cè)與二次側(cè)繞組的相數(shù)；由表查得m1=3，m2=3S1=3×380×10.85=12.37 KVAS2=3×130×30.19=11.77 KVAS=1/2(S1+S2)=1/2（12.37+11.77）=12.07 KVA取S=20KVA2.2晶閘管元件參數(shù)計(jì)算（1） 晶閘管的額定電流選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子

13、允許通過的額定電流有效值大于實(shí)際流過管子電流最大有效值8，即 =1.57> 或 >=K （2-7）考慮（1.52）倍的裕量=（1.52）K （2-8）式中K=/（1.57）-電流計(jì)算系數(shù)。此外，還需注意以下幾點(diǎn)：當(dāng)周圍環(huán)境溫度超過+40時(shí)，應(yīng)降低元件的額定電流值。當(dāng)元件的冷卻條件低于標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，也應(yīng)降低元件的額定電流值。關(guān)鍵、重大設(shè)備，電流裕量可適當(dāng)選大些。由表查得 K=0.368，考慮1.52倍的裕量 （2-9）取。故選晶閘管的型號(hào)為KP25-7。（2)晶閘管的額定電壓晶閘管實(shí)際承受的最大峰值電壓，乘以（23）倍的安全裕量，參照標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)，即可確定晶閘管的額定電壓，即 =（23

14、）整流電路形式為三相全控橋，查表得，即:取2.3晶閘管保護(hù)計(jì)算晶閘管有換相方便，無噪音的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)晶閘管電路除了正確的選擇晶閘管的額定電壓、額定電流等參數(shù)外，還必須采取必要的過電壓、過電流保護(hù)措施。正確的保護(hù)是晶閘管裝置能否可靠地正常運(yùn)行的關(guān)鍵。(1)過電壓保護(hù)以過電壓保護(hù)的部位來分，有交流側(cè)過壓保護(hù)、直流側(cè)過電壓保護(hù)和器件兩端的過電壓保護(hù)三種。1）交流側(cè)過電壓保護(hù)阻容保護(hù) 即在變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻R和電容C進(jìn)行保護(hù)。本系統(tǒng)采用D-Y連接。S=20kvA, U2=122VIem取值：當(dāng) S10KVA時(shí)，取Iem=4。=µF=28.4µF耐壓1.5Um =1.5×1

15、30×=275.77V選取30µF,耐壓275.77V的CZDJ-2型金屬化紙介電容器。取=5V，=2.17，3 =1.23A =W=W選取3、15W的金屬膜電阻。壓敏電阻的計(jì)算 =V=239V流通量取5KA。選MY31-240/5型壓敏電阻。允許偏差+10（264V）。2）直流側(cè)過電壓保護(hù)直流側(cè)保護(hù)可采用與交流側(cè)保護(hù)相同保護(hù)相同的方法，可采用阻容保護(hù)和壓敏電阻保護(hù)。但采用阻容保護(hù)易影響系統(tǒng)的快速性，并且會(huì)造成加大。因此，一般不采用阻容保護(hù)，而只用壓敏電阻作過電壓保護(hù)。=（1.8-2.2）=(1.82.2) ×230=414460V選MY31-500/5型壓敏電阻

16、。允許偏差+10（500V）。3）閘管及整流二極管兩端的過電壓保護(hù)抑制晶閘管關(guān)斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護(hù)電路方法。電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值的1.11.15倍。由上表得C=0.5µF，R=10，電容耐壓1.5=1.5×=1.5××130=477.65V選C為0.5µF的CJ40-2型金屬化紙介質(zhì)電容器, 耐壓為500V。=×=50×0.5××=1.27W選R為10普通金屬膜電阻器，RJ-0.5。(2) 過電流保護(hù)快速熔斷器的斷流時(shí)間短，保護(hù)性能較好，是目前應(yīng)用最普遍的保護(hù)措施?？?/p>

17、速熔斷器可以安裝在直流側(cè)、交流側(cè)和直接與晶閘管串聯(lián)。1）晶閘管串連的快速熔斷器的選擇接有電抗器的三相全控橋電路，通過晶閘管的有效值=21.36A （2-10）選取RLS-60快速熔斷器，熔體額定電流60A。2）過電流繼電器的選擇因?yàn)樨?fù)載電流為37A，所以可選用吸引線圈電流為100A的JL14-11ZS型手動(dòng)復(fù)位直流過電流繼電器，整定電流取1.25×37=46.25A50A2.4平波電抗器的計(jì)算為了使直流負(fù)載得到平滑的直流電流，通常在整流輸出電路中串入帶有氣隙的鐵心電抗器，稱平波電抗器。其主要參數(shù)有流過電抗器的電流一般是已知的，因此電抗器參數(shù)計(jì)算主要是電感量的計(jì)算。（1）算出電流連續(xù)的

18、臨界電感量可用下式計(jì)算，單位mH。 （2-11）式中為與整流電路形式有關(guān)的系數(shù)，可由表查得；為最小負(fù)載電流，常取電動(dòng)機(jī)額定電流的510計(jì)算。根據(jù)本電路形式查得=0.695所以=48.84mH（2）限制輸出電流脈動(dòng)的臨界電感量由于晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動(dòng)的，因此輸出電流波形也是脈動(dòng)的。該脈動(dòng)電流可以看成一個(gè)恒定直流分量和一個(gè)交流分量組成。通常負(fù)載需要的只是直流分量，對(duì)電動(dòng)機(jī)負(fù)載來說，過大的交流分量會(huì)使電動(dòng)機(jī)換向惡化和鐵耗增加，引起過熱。因此，應(yīng)在直流側(cè)串入平波電抗器，用來限制輸出電流的脈動(dòng)量。平波電抗器的臨界電感量（單位為m）可用下式計(jì)算 （2-12）式中系數(shù)，與整流電路形式有關(guān)，電流最大

19、允許脈動(dòng)系數(shù)，通常三相電路（510）。根據(jù)本電路形式查得=1.045, 所以=36.72mH（3）電動(dòng)機(jī)電感量和變壓器漏電感量電動(dòng)機(jī)電感量（單位為mH）可按下式計(jì)算 （2-13）式中 、n直流電動(dòng)機(jī)電壓、電流和轉(zhuǎn)速，常用額定值代入；p電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)；計(jì)算系數(shù)。一般無補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取812，快速無補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取68，有補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取56。本設(shè)計(jì)中取=8、=230V、=37A、n=1450r/min、p=1=17.15mH變壓器漏電感量（單位為mH）可按下式計(jì)算 （2-14）式中 計(jì)算系數(shù)，查表可得變壓器的短路比，一般取5%10%。本設(shè)計(jì)中取=3.2、=0.05所以 =3.2×0.05

20、5;130/（100×37）=0.00562mH（4）實(shí)際串入平波電抗器的電感量考慮輸出電流連續(xù)時(shí)的實(shí)際電感量：=31.68mH （2-15）（5) 電樞回路總電感:=31.68+17.15+2×0.00562=48.84mH第3章 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)3.1觸發(fā)電路的選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用集成觸發(fā)電路。觸發(fā)集成芯片采用目前比較常用的KC系列。其電路如附錄二：觸發(fā)電路圖所示。圖中，由KC04及其周圍的元件組成6路依次相差60°的觸發(fā)脈沖，并從其第8引腳引入三相電網(wǎng)電壓，實(shí)現(xiàn)6路脈沖與電網(wǎng)電壓的同步。KC4是用于電網(wǎng)電壓波形的補(bǔ)償，從而使同步脈沖更加準(zhǔn)確，減小了電網(wǎng)電壓波

21、形對(duì)觸發(fā)脈沖的影響。KC41是將由KC04產(chǎn)生的6路單脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成6路雙脈沖信號(hào)，使觸更加可靠。在觸發(fā)器選用15V供電電源的時(shí)候，移相輸入電壓應(yīng)小于15V，選則晶閘管裝置的放大倍數(shù)為。從產(chǎn)品目錄中查得晶閘管的觸發(fā)電流為8-150mA,觸發(fā)電壓3.5V。在觸發(fā)電路直流電源電壓為15V是，脈沖變壓器匝數(shù)比為2:1，可獲得約6V左右的電壓，脈沖變壓器一次電流只要大于75mA，即可滿足晶閘管要求。這里選用3DG12B作為脈沖功率放大管，其極限參數(shù)=45V, =300mA，滿足要求。3.2 同步變壓器設(shè)計(jì)六路雙脈沖觸發(fā)電路需要三個(gè)互差120°，且與主電路三個(gè)相電壓、同相的三個(gè)同步電壓，因此需

22、要設(shè)計(jì)一個(gè)三相同步變壓器，但考慮到同步變壓器功率很小，一般每相不超過1W，這樣小的三相變壓器很難買到，故可用三個(gè)單相變壓器組來代替，并聯(lián)成DY0，即可獲得與主電路二次側(cè)相電壓同相的三個(gè)電壓、。按電路要求，同步電壓取30V，因一次側(cè)直接與電網(wǎng)相接，每相繞組電壓為380V，考慮制造方便，功率的裕量留大一些，最后確定單相變壓器參數(shù)為：容量為3VA，電壓為380V/30V，數(shù)量為3只，同步變壓器的聯(lián)結(jié)如圖3-1所示。3.3 控制電路的直流電源這里選用集成穩(wěn)壓電路CM7815和CM7915，如圖3-2所示。圖3-2 ±15V直流穩(wěn)壓電源原理圖圖3-1 同步變壓器的聯(lián)接第4章 雙閉環(huán)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和

23、校驗(yàn)4.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和校驗(yàn)（1）時(shí)間常數(shù)的確定：有則，已知轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)=0.01s，故轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇：按設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器（3）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算：按跟隨和抗干擾性能較好原則，取h=5,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為：，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 。ASR的比例系數(shù)為：。（4）調(diào)節(jié)器電阻和電容的計(jì)算：取=40，則，取470。，取0.2，取1。故。其結(jié)構(gòu)圖如下：圖41 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量：由h=4，查得，不滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)使ASR 退飽和重計(jì)算。設(shè)理想空載z=0，h=5時(shí)，查得=81.2%，所以=2（）=，滿足設(shè)計(jì)要求。4.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和校驗(yàn)（1）時(shí)間

24、常數(shù)的確定已知，所以電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)=0.0017+0.002=0.0037S。（2）電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇因?yàn)殡娏鞒{(diào)量，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，故可用PI型電流調(diào)節(jié)器。（3）電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算：電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)=0.03s，又因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求電流超調(diào)量，查得有=0.5，所以=，所以ACR的比例系數(shù)=。（4）調(diào)節(jié)器電阻和電容的計(jì)算取運(yùn)算放大器的=40，有=1.01340=40.52，取40，取0.75uF，取0.2。故 =其結(jié)構(gòu)圖如下所示：圖42電流調(diào)節(jié)器第5章 直流調(diào)速系統(tǒng)MATLAB仿真本次系統(tǒng)仿真采用目前比較流行的控制系統(tǒng)仿真軟件M

25、ATLAB，使用MATLAB對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的主要方法有兩種，一是以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用MATLAB的Simulink工具箱對(duì)其進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究。另外一種是面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖，使用Power System工具箱進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)仿真的新方法。本次系統(tǒng)仿真采用前一種方法。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型如圖5-1。圖5-1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖5.1電流環(huán)的仿真電流環(huán)的仿真模型如圖5-2所示圖5-2 電流環(huán)仿真模型選中Simulink模型窗口的SimulinkConfiguration Parameters菜單項(xiàng)，把Start time和Stop time欄目分別填

26、寫為0.0s和0.05s。啟動(dòng)仿真過程，用自動(dòng)刻度調(diào)整示波器模塊所顯示的曲線，得到圖5-3所示的曲線。圖 5-3 電流環(huán)仿真結(jié)果圖5-3的參數(shù)關(guān)系式KT=0.5。在此基礎(chǔ)上，利用圖5-2的仿真模型，可以觀察PI參數(shù)對(duì)跟隨性能的影響趨勢(shì)，找到符合工程要求的更合適的參數(shù)。例如，以KT=0.25的關(guān)系按典型型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法得到PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為0.567+ ，得到電流環(huán)的階躍響應(yīng)的仿真結(jié)果如圖6-4所示，無超調(diào)，但上升時(shí)間長；以KT=1.0的關(guān)系式得到了PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為2.027+，同樣得到電流環(huán)的階躍響應(yīng)的仿真結(jié)果如圖5-5所示，超調(diào)大，但上升時(shí)間段。圖 5-4 無超調(diào)的仿真結(jié)果 圖 5

27、-5 超調(diào)量較大的仿真結(jié)果5.2轉(zhuǎn)速環(huán)的系統(tǒng)仿真圖 5-6 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型為了在示波器模型中反映出轉(zhuǎn)速電流的關(guān)系，仿真模型中從Signal Routing組中選用了Mux模塊來把幾個(gè)輸入聚合成一個(gè)響亮輸出給Scope。Step1模塊是用來輸入負(fù)載電流的。PI參數(shù)為11.7+。雙擊階躍輸入模塊把階躍值設(shè)置為10，得到起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速與電流響應(yīng)曲線，如圖5-7所示，最終穩(wěn)定運(yùn)行于給定轉(zhuǎn)速。如把負(fù)載電流設(shè)置為136，滿載起動(dòng)，其轉(zhuǎn)速與電流相應(yīng)曲線如圖5-8所示，起動(dòng)時(shí)間長，退保和超調(diào)量減少。圖 5-7 轉(zhuǎn)速環(huán)空載高速起動(dòng)波形圖 圖 5-8 轉(zhuǎn)速環(huán)滿載高速起動(dòng)波形圖第6章 交流調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真6.1

28、矢量控制變頻調(diào)速的仿真模型該矢量控制變頻調(diào)速仿真模型主電路主要由整流模塊、濾波模塊、逆變模塊、電機(jī)模塊組成；控制回路主要由3/2、2/3、轉(zhuǎn)子磁鏈與位置計(jì)算模塊、PWM產(chǎn)生模塊、速度調(diào)節(jié)模塊組成。對(duì)于交直流變頻調(diào)速的主電路，整流的功能用三相橋式不可控整流仿真模塊，逆變用IGBT構(gòu)成三相逆變橋仿真模塊，電機(jī)模型利用電力系統(tǒng)模塊庫中的國際標(biāo)準(zhǔn)制模型。IGBT構(gòu)成三相逆變橋仿真模塊，電機(jī)模型利用電力系統(tǒng)模塊庫中的國際標(biāo)準(zhǔn)制模型。 2/3變換按照矩陣轉(zhuǎn)換公式變換，在仿真模型中封裝成子模塊，即DQ-ABC模塊，如圖6-1所示：圖6-1 2/3變換仿真模塊速度PI調(diào)解器仿真模塊如圖6-2所示，勵(lì)磁電流PI

29、調(diào)節(jié)仿真模塊與轉(zhuǎn)矩電流PI調(diào)節(jié)仿真模塊結(jié)構(gòu)與速度PI調(diào)節(jié)仿真模塊相似，只是比例與積分參數(shù)不同。圖6-2 速度PI調(diào)節(jié)器模塊為了便于測(cè)量波形，在仿真模型里設(shè)置了示波器Scope，用來測(cè)量異步電機(jī)的定子線電壓、線電流、轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩。6.2異步電動(dòng)機(jī)矢量控制變頻調(diào)速仿真結(jié)果矢量控制變頻調(diào)速仿真模型進(jìn)行仿真時(shí)選用的三相鼠籠異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)為：Pn=35KW,U1=460V,P=2,f=60Hz,J=1.662Kgm2,Rs=0.087,L1s=0.8e-3H,Rr=0.228,L1r=0.8e-3H,Lm=34.7e-3H.速度PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為：Kp=13；Ki=26；勵(lì)磁電流PI調(diào)解器參數(shù)：Kp=1

30、2；Ki=24；轉(zhuǎn)矩電流PI調(diào)解器參數(shù)為Kp=11；Ki=23仿真參數(shù)設(shè)置好。由仿真模型進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)：轉(zhuǎn)子參數(shù)變化時(shí)的系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)得到以下波形（此波形為Scope測(cè)量到的定子線電壓，定子線電流，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速）。轉(zhuǎn)子參數(shù)變化時(shí)的波形 給定轉(zhuǎn)速為120rad/s,空載運(yùn)行，額定電機(jī)參數(shù)時(shí)的定子電壓，定子電流，轉(zhuǎn)速，電磁轉(zhuǎn)矩波形圖（額定轉(zhuǎn)子電阻為0.228）。給定轉(zhuǎn)速為120rad/s,空載運(yùn)行，轉(zhuǎn)子電阻突變?yōu)?.5（其他參數(shù)不變時(shí)）的定子電壓，定子電流，轉(zhuǎn)速，電磁轉(zhuǎn)矩波形圖。給定轉(zhuǎn)速為120rad/s, 空載運(yùn)行，轉(zhuǎn)子電阻突變?yōu)?.1（其他參數(shù)不變時(shí)）的定子電壓，定子

31、電流，轉(zhuǎn)速，電磁轉(zhuǎn)矩波形圖。6.3異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速矢量控制仿真結(jié)果分析以上仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:利用矢量控制算法的變頻調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性和抗干擾特性,采用矢量控制方式，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流與轉(zhuǎn)矩電流的獨(dú)立控制。變頻調(diào)速系統(tǒng)具有良好的起動(dòng)、穩(wěn)態(tài)和抗干擾性能，其電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波形和直流電機(jī)的相應(yīng)波形極為相似，這就表明異步電機(jī)矢量控制變頻調(diào)速完全可以達(dá)到直流電機(jī)的調(diào)速性能。由于模擬直流電機(jī)的調(diào)速方法，來控制交流電機(jī)，因此，控制和分析直流電機(jī)的方法完全可以應(yīng)用于交流電機(jī)的控制上，基于轉(zhuǎn)速外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)直流電機(jī)的控制方法，成功地應(yīng)用于控制交流電機(jī)，取得了滿意的控制效果，由于勵(lì)磁環(huán)采用了閉環(huán)控制，可靠的保證了異步電機(jī)合適的磁場(chǎng);轉(zhuǎn)矩電流環(huán)的閉環(huán)控制，使得矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)，有很硬的機(jī)械特性，成為一種優(yōu)良的控制系統(tǒng)。 該矢量控制系統(tǒng)采用了速度PI調(diào)節(jié)器、勵(lì)磁電流PI調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩電流PI調(diào)節(jié)器三個(gè)調(diào)節(jié)器分別實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁電流、轉(zhuǎn)矩電流的控制。因電機(jī)磁路具有飽和特性，過勵(lì)磁只會(huì)增大勵(lì)磁電流，而電機(jī)的磁鏈幅值并