轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)帶仿真結(jié)果

1、摘要轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)，是目前直流調(diào)速系統(tǒng)中的主流設(shè)備。具有調(diào)速范圍寬、平穩(wěn)性好、穩(wěn)速精度高等優(yōu)點。在理論和實踐方面都是比較成熟的系統(tǒng)，在電力拖動領(lǐng)域中發(fā)揮著及其重要的作用。本人此次設(shè)計的步驟主要是:查閱相關(guān)的資料、書籍，確定整個設(shè)計的方案和框圖。然后確定主電路的結(jié)構(gòu)形式和各元部件的設(shè)計，同時對其參數(shù)的計算，包括整流變壓器、晶閘管、電抗器和保護電路的參數(shù)計算。接著驅(qū)動電路的設(shè)計包括觸發(fā)電路和脈沖變壓器的設(shè)計。轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的計算和設(shè)計給予詳細介紹。每一步設(shè)計都會給出相應(yīng)的原理圖，并進行分析。最后用學過的MATLAB/SIMULINK進行仿真，給

2、出模塊搭建及仿真圖形的結(jié)果。目錄第1章系統(tǒng)總體設(shè)計11.1設(shè)計任務(wù)11.2設(shè)計要求11.3設(shè)計的基本思路1第2章整體電路分析42.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計42.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計7第3章硬件電路圖及保護電路的設(shè)計103.1 系統(tǒng)主電路圖繪制10 3.2 晶閘管的保護與選擇10 3.3 整流變壓器的選擇133.4觸發(fā)電路的設(shè)計14 3.5.電動機的勵磁回路15 第4章MATLAB仿真16 結(jié)論19 參考資料20 第1章 系統(tǒng)總體設(shè)計1.1 設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個V-M轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，相關(guān)數(shù)據(jù)：電動機參數(shù)：=40kw、=300v、=148A、=910rpm、=220v、=296A、=1.00kg

3、、=0.08、=2.05mH；其它參數(shù)：整流側(cè)內(nèi)阻=0.092、整流變壓器漏感=7.5mH，電抗器直流電阻=0.15、電抗器電感=4.0mH、負載折算值=9 kg；電流、轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)參考教材例題數(shù)據(jù)。1.2 設(shè)計要求1. 無靜差，在整個調(diào)速范圍內(nèi)要求轉(zhuǎn)速無級、平滑可調(diào)；2. 動態(tài)性能指標：電流環(huán)超調(diào)量，空載啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量；3. 確定轉(zhuǎn)速、電流反饋系數(shù)；4. 設(shè)計電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；5. 繪制系統(tǒng)線路圖（主電路、控制電路）。1.3 設(shè)計的基本思路轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)屬于多環(huán)控制系統(tǒng)。對電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)而言，先從內(nèi)環(huán)（即電流環(huán)）出發(fā)，從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，而從圖1-

4、1可以看出，采用型系統(tǒng)就夠了。動態(tài)性能上，電流環(huán)以跟隨性能為主，所以選用典型型系統(tǒng)。采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成 圖1-1 小慣性環(huán)節(jié)近似處理設(shè)計完電流環(huán)環(huán)節(jié)之后，把它等效成一個小慣性環(huán)節(jié)，作為轉(zhuǎn)速環(huán)的一個組成部分。然后用同樣的方法進行轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計，每個環(huán)的設(shè)計都是把該環(huán)校正為一個典型型系統(tǒng)，以獲得預期的性能指標。ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為目前的V-M調(diào)速系統(tǒng)多為帶電流內(nèi)環(huán)的速度控制系統(tǒng)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下：圖1-2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖1-3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機TA電流互感器 UPE電

5、力電子變換器圖中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。第2章 整體電路分析2.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器設(shè)計如圖2-1圖2-1 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器1.根據(jù)已知求得（1）電磁時間常數(shù)=0.042s（2）電機在額定磁通下的電動勢系數(shù)=0.317Vmin/r（3）額定勵磁下電動機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)=3.027Vmin/r（4）機電時間常數(shù)= =0.089s不滿足，所以修改負載折算值為19，所以 滿足條件（

6、5）允許過載倍數(shù)=2（6）根據(jù)電氣傳動自動化技術(shù)手冊，變流變壓器二次相電壓：= =166.636v其中：為電動機電樞回路附加電阻，此處為0；n為電流通過晶閘管的器件數(shù)，此處為6；為晶閘管正向瞬態(tài)壓降，取1.5v；為整流電壓計算系數(shù)和為換相電抗壓降計算系數(shù)，均由查表得到。為考慮動態(tài)特性的調(diào)節(jié)裕度，一般取值為0.050.10，此處取值0.10。（7）晶閘管裝置放大系數(shù)=39（8）電流反饋系數(shù)=0.0338V/A2.確定時間常數(shù)（1）整流裝置滯后時間常數(shù)（2）電流濾波時間常數(shù)=0.002s（3）電流環(huán)小時間常數(shù)之和=0.0037s3.選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型型系

7、統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器。檢查對電源電壓的抗擾性能=11.35，各項指標是可以接受的。4.計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)=0.042s電流環(huán)開環(huán)增益：要求時，應(yīng)取，因此 于是，ACR的比例系數(shù)為5檢驗近似條件電流環(huán)截止頻率=（1） 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 滿足近似條件（2） 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 滿足近似條件（3） 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 滿足近似條件6. 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容由圖2-1，按所用運算放大器取，各電阻和電容值為 取55 可得，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標滿足設(shè)計要求。2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的

8、設(shè)計含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計如圖2-2圖2-2含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器1. 根據(jù)已知求得2. 確定時間常數(shù)（1） 電流環(huán)等效時間常數(shù)1/，由前面知，則（2） 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)，根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況。取 =0.01s（3） 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)，按小時間常數(shù)近似處理，取3. 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器4. 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 于是ASR的比例系數(shù)為5. 檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為（1） 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 滿足簡化條件（2） 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為

9、 滿足近似條件6. 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容根據(jù)圖2-2，取，則 取127. 按退保和超調(diào)量的計算方法校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量設(shè)理想空載啟動時負載系數(shù)z=0，由前求得，R=0.322，,， ， ，當h=5時，可查表得 其中 能滿足設(shè)計要求即空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量第3章 硬件電路圖及保護電路設(shè)計3.1 系統(tǒng)主電路圖繪制系統(tǒng)采用三相橋式全控整流電路。如圖3-1所示圖 3-1 系統(tǒng)主電路連接示意圖三相全控橋整流電路是目前應(yīng)用最廣泛的整流電路，其輸出電壓波動小，適合直流電動機的負載，并且該電路組成的調(diào)速裝置調(diào)節(jié)范圍廣。把該電路應(yīng)用于本設(shè)計，能實現(xiàn)電動機連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電動機不可逆運行等技術(shù)要求。3.

10、2晶閘管的保護與選擇一、過電壓保護 晶閘管在正常工作時的承受的最大峰值電壓， （為整流變壓器的次級相電壓值）凡是超過這個峰值電壓的都算過電壓。1. 交流側(cè)過電壓保護在變壓器次級并聯(lián)電阻和電容，可以把變壓器鐵芯的磁場釋放出來的能量，轉(zhuǎn)化為電容器電場的能量儲存起來。由于電容兩端的電壓不能突變，所以可以有效地抑制過電壓。串聯(lián)電阻的目的時為了在能量轉(zhuǎn)化過程中能夠消耗一部分能量，并且抑制LC回路的振蕩。電路如圖3-2圖3-2交流側(cè)阻容保護（1）計算電容的數(shù)值 取所以交流側(cè)過壓保護電容的數(shù)值為（2）計算電阻的數(shù)值 取2所以交流側(cè)過壓保護電阻的數(shù)值為2二、過電流保護快速熔斷器是防止晶閘管過流損壞的最后一種措

11、施，也是晶閘管裝置中應(yīng)用最廣的過流保護措施。其中，元件串聯(lián)快熔，因流過它們的電流相同，所以對元件的保護作用最好，是應(yīng)用最廣的一種接法，電路如圖3-4。快速熔斷器的額定電流所以選擇150A的快速熔斷器圖3-4元件串聯(lián)快熔三、晶閘管的換相保護在晶閘管導通換相的瞬間，兩相晶閘管同時導通，在換相的短時間內(nèi)，相當于線電壓被短路，因此電壓波形上常常出現(xiàn)很多缺口。在電動機再生制動時，電動機的能量通過逆變狀態(tài)的三相全控橋送回交流電網(wǎng)，如圖3-5圖3-5三相全控橋晶閘管的換相情況四、晶閘管的選擇（1）晶閘管承受的最大電壓 ?。?）晶閘管承受的電流有效值（3）晶閘管額定電流取160A選取的晶閘管為額定電壓1000

12、V，額定電流160A3.3整流變壓器的選擇（1）整流變壓器的初級相電壓是電網(wǎng)電壓。（2）次級相電壓（3）初級和次級繞組中的電流有效值 （4）次級容量，初級容量和平均計算容量S次級容量等于初級容量 平均計算容量 （5）整流變壓器的標稱功率所選用的整流變壓器參數(shù)為60 380/300V（6）變壓器變比 3.4觸發(fā)電路的設(shè)計在中、大容量的變流器中廣泛應(yīng)用晶閘管組成的觸發(fā)電路或集成化的觸發(fā)電路。圖3-6為同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路圖。電路由脈沖形成及放大、鋸齒波形成和脈沖移相、同步三個環(huán)節(jié)組成。圖3-6同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路（1）鋸齒波形成V1、V2和R3、R4組成的恒流源電路對C2充電形成鋸齒波

13、電壓，當V2截止時，恒流源電源對C2恒流充電，電容兩端電壓與RP2有關(guān)，因此調(diào)節(jié)電位器RP2即可調(diào)節(jié)鋸齒波斜率。當V2導通時，由于R4阻值很小，C2迅速放電。所以只要V2管周期性導通關(guān)斷，電容C2兩端就能得到線性很好的鋸齒波電壓。（2）同步環(huán)節(jié) 由變壓器TS和V2管等組成。若鋸齒波的頻率與主電路電源頻率同步即能使觸發(fā)脈沖與主電路電源相同。（3） 脈沖形成和放大輸出環(huán)節(jié) V4管截止、V5、V6導通，使V7、V8截止，無脈沖輸出；V4導通有脈沖輸出。晶閘管V4、V5形成脈沖，V7、V8起放大作用。3.5電動機的勵磁回路勵磁電路如圖3-7所示圖3-7電動機勵磁電路通過調(diào)節(jié)變阻器，使電動機的勵磁繞組的

14、電壓第4章 MATLAB仿真根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖4-1圖4-1系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)；晶閘管整流與觸發(fā)裝置的靜態(tài)放大倍數(shù)； 電流反饋濾波時間常數(shù)；轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)；晶閘管整流電路的失控時間；電動機電樞回路的電磁時間常數(shù) ；機電時間常數(shù) ；電動機電勢系數(shù)（）；轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（）；電流反饋系數(shù)（）；1. 電流環(huán)模塊及仿真圖形2. 轉(zhuǎn)速環(huán)模塊及仿真圖形由以上仿真圖形分析可得：只有電流環(huán)的時候，系統(tǒng)上升速度比較快，并且穩(wěn)定時無靜差；雙閉環(huán)的時候，系統(tǒng)雖有超調(diào)，但是超調(diào)量很小，并且上升速度很快，很快達到穩(wěn)定，沒有穩(wěn)態(tài)誤差。說明此次設(shè)計的參數(shù)經(jīng)過調(diào)整后比較合理，也充分的說明了，參數(shù)設(shè)置合理性的重要性結(jié)論這次的課

15、程設(shè)計歷時兩個星期，可以說是難度不是很大。因為題目是電力拖動自動控制系統(tǒng)課程中重點掌握的內(nèi)容。但是設(shè)計開始任然感到茫然，無從下手，因為畢竟學到的只是兩個調(diào)節(jié)器的設(shè)計步驟及方法。不是簡單的帶入計算，好多東西自己不是記不清了就是沒有學過，在圖書館借閱了相關(guān)的書籍，查找有用的公式并自己分析。在設(shè)計過程中，自己的參數(shù)算出來后并不符合實際要求，通過修改參數(shù)，結(jié)果符合了設(shè)計要求。這次的設(shè)計，其中最重要的一部分是參數(shù)的計算。由于課本中有相類似的例題作為參考，因此計算部分不難，只是算時，感覺有點繁瑣而已，只要自己有耐心，就可以設(shè)計出合理的系統(tǒng)。做事情要有耐心，這是我在這次設(shè)計中所學習到的重要的一點。雖然這次設(shè)計的題目各不相同，但大致思路和用到的公式大體相同，同學們互相分享自己的式子，互相討論，增進了友誼的同時又學到了東西。我感覺老師的作