直流電機雙閉環(huán)調(diào)速大作業(yè)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上實驗報告實驗名稱 直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 姓名與學號 指導教師 專業(yè) 電氣工程及其自動化 一、實驗內(nèi)容與要求參照Chopper-Fed DC Motor Drive例，建立直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)模型。必做項：Ø 描述每個模塊的功能；Ø 對仿真結果進行分析，包括轉速改變、轉矩改變下電機運行性能，并解釋相應現(xiàn)象；Ø 仿真并分析轉速PI調(diào)節(jié)器參數(shù)對電機運行性能的影響。選做項：Ø 電流調(diào)節(jié)器改用PI調(diào)節(jié)器。二、實驗設備與仿真平臺PC、Word2013、Matlab2013a三、研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)中，為了實現(xiàn)各種生產(chǎn)工藝過程的要求，

2、需要采用各種各樣的生產(chǎn)機械，這些生產(chǎn)機械大多采用電動機拖動。隨著工藝技術的不斷發(fā)展，各種生產(chǎn)機械根據(jù)其工藝特點，對生產(chǎn)機械和拖動的電動機也不斷提出各種不同的要求，這些不同的工藝要求，都是靠電動機及其控制系統(tǒng)和機械傳動裝置實現(xiàn)的?？梢姼鞣N拖動系統(tǒng)都是通過控制轉速來實現(xiàn)的，因此，調(diào)速控制技術是最基本的電力拖動控制技術。 由于直流調(diào)速控制系統(tǒng)具有良好的起制動、正反轉及調(diào)速等性能，目前在調(diào)速領域中仍占主要地位。按供電方式，它可分交流機組供電、水銀整流供電和晶閘管供電三類。晶閘管供電的直流調(diào)速控制系統(tǒng)具有良好的技術經(jīng)濟指標。因此，在國內(nèi)外已取代了其他兩種供電方式。目前，我國的直流調(diào)速控制主要在

3、以下幾個方面進行著研究。  提高調(diào)速的單機容量。我國現(xiàn)有最大單機容量為7000kW，國外單機容量已達14500kW。  提高電力電子器件的生產(chǎn)水平，增加品種。20世紀50年代末出現(xiàn)的無自關斷能力的半控型普通晶閘管是第一代電力電子器件。70年代以后，出現(xiàn)了能自關斷的全控型器件，如電力晶體管（GTR）、門極可關斷晶閘管（GTO）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、電力場效應管（MOSFET）、靜電感應晶體管（SIT）和靜電感應晶閘管（SITH）等稱之為第二代電力電子器件，使得變流器結構變得簡單、緊湊。80年代后，出現(xiàn)了電力集成電路（PIC），屬于第三代電力電子

4、器件，在PIC中，不僅含有主電路的器件，而且把驅(qū)動電路以及過壓、過電流保護、電流檢測甚至溫度自動控制等電路都集成在一起，形成一個整體。當今，電力電子器件正在向大功率化、高頻化、模塊化、智能化發(fā)展。  提高控制單元水平。目前國內(nèi)使用較多的仍是小規(guī)模集成運放和組件構成的交直流調(diào)速控制系統(tǒng)，觸發(fā)裝置甚至仍是分立元件的，目前，國外的第四代產(chǎn)品以微處理機為基礎，具有控制、監(jiān)視、保護、診斷及自復原等多種功能。目前，交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)大面積代替直流電機調(diào)速系統(tǒng)。但是直流電機具有模型簡單控制方便的優(yōu)點，因此交流電機變頻調(diào)速時總是將交流電機通過變換等效成直流電機后進行控制。研究典型的雙

5、閉環(huán)控制直流電機調(diào)速系統(tǒng)對于深入理解交流電機變頻調(diào)速過程有重要意義。四、實驗原理與系統(tǒng)建模雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中包括兩個反饋控制閉環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)，外環(huán)為速度控制環(huán)。電流環(huán)由PI型電流調(diào)節(jié)器LT，晶閘管移相觸發(fā)器CF，晶閘管整流器和電動機電樞回路所組成。電流調(diào)節(jié)器的給定信號與電機電樞電流反饋信號相比較，其差值送入電流調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器的輸出為移相電壓，通過移相觸發(fā)器去控制整流橋的輸出電壓，在這個電壓作用下電機的電流及轉矩將相應地發(fā)生變化。電流反饋信號可能通過直流互感器或霍爾電流傳感器取自電樞回路直流，也可以用交流互感器取自整流橋的交流輸入電流，然后經(jīng)過整流而得。電流調(diào)節(jié)的過程是這樣實現(xiàn)的：當電流調(diào)節(jié)

6、器的給定信號大于電流反饋信號時，經(jīng)過調(diào)節(jié)器控制整流橋的移相角，使整流輸出電壓升高，電樞電流增大；反之，當電流調(diào)節(jié)器的給定信號小于電流反饋信號時，使整流輸出電壓降低，電流減小，力圖使電樞電流與電流給定值相等。速度環(huán)中速度調(diào)節(jié)器ST也是一個PI型調(diào)節(jié)器，它的一個輸入端送入速度給定信號，由它規(guī)定電機運行的速度；另一端送入來自與電機同軸的測速發(fā)電機TG的速度反饋信號，兩者之差輸入到速度調(diào)節(jié)器，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后的輸出信號則作為電流給定信號輸入送到電流調(diào)節(jié)器，通過前面所述電流調(diào)節(jié)環(huán)的控制作用調(diào)節(jié)電機的電樞電流和轉矩T，使電機轉速發(fā)生變化，最后達到給定轉速。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)連接上的特點是速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)

7、節(jié)器的給定來控制電動機的電流和轉矩。這樣做的好處在于可以根據(jù)給定速度與實際速度的差額及時地控制電機的轉矩，使在速度差值比較大時電機轉矩大，速度變化快，以便盡快把電機轉速拉向給定值，實現(xiàn)調(diào)速過程的快速性；而當轉速接近給定值時，又能使電機的轉矩自動減小，避免過大超調(diào)，使轉速很快達到給定，做到靜態(tài)無差。此外，由于電流環(huán)的等效時間常數(shù)一般比較小，當系統(tǒng)受到外來干擾時他能比較迅速地作出響應，抑制干擾的影響，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和抗干擾能力。而且雙閉環(huán)系統(tǒng)有以速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入給定值的特點，速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值也就限定了電樞電流，對過載能力比較低的晶閘管元件能起到有效的保護作用。直流電

8、機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖及原理框圖如圖1、圖2：圖1 直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖2 直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖五、仿真模型與模型分析1、 直流電機雙閉環(huán)調(diào)速仿真模型下圖是MATLAB中自帶的直流電機雙閉環(huán)調(diào)速的SIMULINK仿真模型。圖3 直流電機雙閉環(huán)調(diào)速模型圖2、直流電機雙閉環(huán)調(diào)速仿真模型各模塊功能分析2.1、參考速度選擇模塊圖4 參考速度選擇模塊參考轉速可以通過開關選擇是恒轉速還是階躍的過程，且轉速參數(shù)可設定。圖5 恒/階躍轉速給定參數(shù)設定界面由以上數(shù)據(jù)可知，恒轉速設定為120rad/s；階躍轉速是從120rad/s到160rad/s的階躍過程，并且階躍過程耗時0.4s。以上數(shù)據(jù)

9、可修改，這里采用默認值。2.2、轉矩選擇模塊圖6 轉矩選擇模塊與參考轉速選擇模塊相似，轉矩也可以通過開關選擇，選擇是恒轉矩運行還是轉矩階躍的過程。圖7 恒/階躍轉矩變化模塊參數(shù)設置由以上數(shù)據(jù)可知，恒轉矩設定為5N·m；階躍轉矩是從5 N·m到25 N·m的階躍變化過程，歷時1.2s。以上數(shù)據(jù)可修改，這里采用默認值。2.3、速度調(diào)節(jié)器ST圖8 速度調(diào)節(jié)器模塊(左)與對應的原理圖(右)速度調(diào)節(jié)器是一個PI調(diào)節(jié)器，它的一個輸入端送入速度給定信號，由它規(guī)定電機運行的速度；另一端送入來自與電機同軸的測速發(fā)電機TG的速度反饋信號，兩者之差輸入到速度調(diào)節(jié)器，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后的輸出信

10、號則作為電流給定信號輸入送到電流調(diào)節(jié)器，通過前面所述電流調(diào)節(jié)環(huán)的控制作用調(diào)節(jié)電機的電樞電流和轉矩T，使電機轉速發(fā)生變化，最后達到給定轉速。圖9 速度調(diào)節(jié)器的PI參數(shù)設置由參數(shù)設置界面數(shù)據(jù)可知，Kp=1.6，Ki=16，輸出電流給定值最大限定值為30A。2.4、電流調(diào)節(jié)器LT圖10 電流調(diào)節(jié)器模塊(左)與對應的原理圖(右)速度調(diào)節(jié)器是一個PI調(diào)節(jié)器，其輸入量是電流給定值和電流反饋值，輸出量為移相電壓。電流調(diào)節(jié)的過程是這樣實現(xiàn)的：當電流調(diào)節(jié)器的給定信號大于電流反饋信號時，經(jīng)過調(diào)節(jié)器控制整流橋的移相角，使整流輸出電壓升高，電樞電流增大；反之，當電流調(diào)節(jié)器的給定信號小于電流反饋信號時，使整流輸出電壓降

11、低，電流減小，力圖使電樞電流與電流給定值相等。圖11 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)設置其內(nèi)部參數(shù)設置如圖11，可知當輸入量差別超過2A時，就進行調(diào)節(jié)。2.5 、觸發(fā)脈沖發(fā)生模塊圖12 觸發(fā)脈沖發(fā)生模塊(左)與對應的原理圖(右)觸發(fā)脈沖發(fā)生模塊用于產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時候?qū)?。其輸入為電流調(diào)節(jié)器輸出的移相電壓，輸出為觸發(fā)脈沖。由圖中給定數(shù)值可以看出接的是一個直流電壓為280V的電源，當g輸入為正時，輸出高電平；當輸入g信號為負時，輸出低電平。相關參數(shù)設置如圖13.圖13 觸發(fā)電路的相關參數(shù)設置2.6、晶閘管-直流電機主電路模塊圖14 晶閘管-直流電機主電路模塊(左)與對應的原理圖(右

12、)完整原理圖如圖15：圖15 主電路原理圖電路采用三相橋式全控整流電路供電，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置的控制電壓來移動脈沖的相位，即可改變平均整流電壓，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。直流電機電樞回路接有一個電感濾波。直流電機是他勵直流電機，勵磁電壓是240V是直流電源。電機的內(nèi)部參數(shù)設置如下：圖16 直流電機參數(shù)設置可知電樞回路的Ra=0.5，La=0.01H，J=0.05kg.m2等。2.7、速度和電流反饋模塊圖17 速度和電流反饋模塊用于將速度與電流反饋信號與給定速度或電流進行比較，相應的比較差值分別送入速度調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器。其內(nèi)部變量設置如下圖：圖18 反饋環(huán)節(jié)設置可知反饋的量為速度和電樞電流，還有勵磁電流

13、和電磁轉矩，但輸出的只有速度和電樞電流反饋信號。2.8 反饋電流濾波模塊圖19 反饋電流濾波器用于消除干擾雜訊，提高電流反饋環(huán)的抗干擾能力。其內(nèi)部參數(shù)設置如下圖：圖20 濾波器參數(shù)設置2.8、示波器模塊圖21 示波器模塊圖用于觀察PWM波形，電樞電流和轉速。六、電機運行性能仿真1、按照原定參數(shù)進行仿真圖22 仿真結果PWM波形、電流波形、轉速波形圖中三個變化段分別為啟動、負載突減、負載突加時電流及轉速發(fā)生的變化。同時可以看出轉速調(diào)節(jié)波形范圍比電流調(diào)節(jié)的效果要好得多，這是因為轉速調(diào)節(jié)采用PI調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)效果由于采用滯環(huán)調(diào)節(jié)的電流調(diào)節(jié)?，F(xiàn)對三個變化段分別進行分析。1.1、起動過程圖23 起動過程電流

14、及轉速動態(tài)過程仿真結果與其簡化關系曲線上圖為起動過程中電流及轉速動態(tài)過程的仿真結果與其對應的理想關系曲線。由于在起動過程中轉速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標明的(1)、(2)、(3)三個階段。第(1)階段是電流上升階段。突加給定電壓后，、都上升，在沒有達到負載電流以前，電機還不能轉動。當后，電機開始起動，由于機電慣性的作用，轉速不會很快增長，因而轉速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強迫電流迅速上升。直到，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了的增長，標志著這一階段的結束。在這一階段中，ASR很快進入并保持飽和狀態(tài)，而ACR不飽和。第(2)

15、階段是恒流升速階段，ASR飽和，轉速環(huán)相當于開環(huán)，在恒值電流給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉速呈線性增長。與此同時，電機的反電動勢E也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E是一個線性漸增的擾動量，為了克服它的擾動，和也必須基本上按線性增長，才能保持恒定。當ACR采用PI調(diào)節(jié)器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應略低于。第(3)階段是轉速調(diào)節(jié)階段。當轉速上升到給定值時，轉速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減小到零，輸出維持在限幅值，電機仍在加速，使轉速超調(diào)。轉速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負，開始退出飽和狀態(tài)，和很快下降。但是，只要仍大于

16、負載電流，轉速就繼續(xù)上升。直到=時，轉矩，則dn/dt=0，轉速n才到達峰值（時）。此后，電動機開始在負載的阻力下減速，與此相應，在時間內(nèi)，直到穩(wěn)定。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會有一段振蕩過程。在這最后的轉速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導的轉速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使盡快地跟隨其給定值。1.2、負載突加圖24 負載突加時電流及轉速動態(tài)過程仿真結果與其簡化關系曲線負載突然增加，電機轉速將下降，于是速度反饋電壓將小于給定電壓，在速度調(diào)節(jié)器輸入端出現(xiàn)正的偏差電壓，經(jīng)過調(diào)節(jié)器的作用將使電流調(diào)節(jié)器的給定電流增大，整流橋的移相角前移，增大，電機電磁轉矩增大。當時，電機轉速又回升，使

17、接近原來的給定電壓。由于速度調(diào)節(jié)器是比例積分調(diào)節(jié)器，即使它的輸入信號又趨于平衡，但只要在調(diào)節(jié)的過程中反饋電壓和給定電壓之間一度出現(xiàn)偏差，經(jīng)過積分，它就會改變調(diào)節(jié)器的輸出，使電機的電流和轉矩出現(xiàn)變化。一般經(jīng)過一、二次調(diào)整和振蕩，最后能在的條件下重新達到平衡。2、改變轉速、轉矩給定值后的仿真結果2.1、改變轉速給定值改變轉速給定值如下：圖26 改變轉速給定值即將轉速階躍變化值改為從80rad/s到180rad/s.時間常數(shù)改為0.8s.仿真結果如圖27：圖27 改變轉速給定值后的仿真波形由新的仿真結果可以看出在0.8s時發(fā)生轉速階躍過程，轉速是從原來的80rad/s跳向180rad/s。轉速階躍的

18、距離越大，動態(tài)變化的過程時間也越長。轉矩一樣時，電機平穩(wěn)后，轉速越大，電樞電流越大。2.2 改變轉矩給定值改變轉矩定值如下：圖28 轉矩給定值設置即將轉矩階躍變化值改為從10N·m到20N·m.時間常數(shù)改為1s.仿真結果如圖29：圖29 轉矩給定值變化后的仿真結果由新的仿真結果可以看出當轉矩階躍從原來的10N·m到20N·m，階躍的距離變小后，調(diào)節(jié)平穩(wěn)所需的時間也變短。轉速一樣時，電機平穩(wěn)后，轉矩越大，電樞電流越大。3、轉速PI調(diào)節(jié)器參數(shù)對電機運行性能的影響3.1、調(diào)節(jié)比例項KpPI調(diào)節(jié)器的可調(diào)參數(shù)為Kp和Ki，其中Kp是比例項，Ki是積分項。為了提高系

19、統(tǒng)的靜態(tài)性能指標，減少系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，可以使Kp增大。但是Kp增大時，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出增大，系統(tǒng)響應速度和超調(diào)量也增大。此處分別把Kp增大為6、減小為0.8，觀察仿真結果變化。圖30 增大Kp后的仿真波形圖30 減小Kp后的仿真波形對比以上兩圖可以明顯看出，Kp增大后系統(tǒng)反應速度增快，當轉矩或者轉速發(fā)生階躍后，系統(tǒng)將更快地達到穩(wěn)定值。性能優(yōu)于Kp較小時的系統(tǒng)。3.2、調(diào)節(jié)積分項Ki考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性時，Ki應足夠小，然而Ki太小，則PI調(diào)節(jié)器中的積分作用變小，會影響系統(tǒng)的靜態(tài)性能。PI調(diào)節(jié)器實質(zhì)是一個滯后環(huán)節(jié)，由于引入滯后環(huán)節(jié)，也會導致系統(tǒng)響應速度變慢。此時可通過合理調(diào)節(jié)Kp和Ki的參數(shù)使系統(tǒng)的動態(tài)性能和靜態(tài)性能均滿足要求。此處分別把Ki增大為30、減小為8，觀察仿真結果變化。圖31 減小Ki后的仿真波形圖32 增大Ki后的仿真波形對比以上兩圖可以明顯看出Ki減小后，系統(tǒng)的響應速度明顯變慢，需要更長的時間才能將轉速調(diào)到給定值附近。4、電流調(diào)節(jié)器改用PI調(diào)節(jié)器將電流調(diào)節(jié)器換為PI調(diào)節(jié)器，即令電流調(diào)節(jié)也為PI調(diào)節(jié)。新的系統(tǒng)仿真模型如圖33：圖33 電流調(diào)節(jié)器改用PI調(diào)節(jié)器后的仿真模型圖34 電流調(diào)節(jié)器改用PI調(diào)節(jié)器后的仿真波形當電流調(diào)節(jié)器改用PI