電電力拖動與控制系統(tǒng)課程設(shè)計報告書

1、. . . . 電力拖動與運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計姓 名：學 號：專 業(yè)：專 題： 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 指導教師：設(shè)計地點： 電工電子實驗中心2012 年 6 月課程設(shè)計任務(wù)書專業(yè)年級學號學生任務(wù)下達日期：2012年6月5日設(shè)計日期： 2012年6月11日 至 2012年6月28日設(shè)計專題題目：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計設(shè)計主要容和要求：直流調(diào)速系統(tǒng)憑借其優(yōu)良的調(diào)速性能在現(xiàn)場中得到了廣泛使用，雖然交流電機得到了越來越多的使用，但直流調(diào)速系統(tǒng)的理論完全適用于交流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計。針對附錄中提供的直流電機參數(shù)，進行直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計。要求該直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速圍寬、起制動性能好、可四象限運行，具

2、體設(shè)計容如下。1.緒論介紹直流調(diào)速在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用與直流調(diào)速理論的發(fā)展。2. 直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路設(shè)計(1) 主電路采用的是：基于H橋的脈寬直流調(diào)速系統(tǒng)；(2) 根據(jù)附錄中所提供的直流電機參數(shù)，對主電路中的功率器件進行型號選擇，要求給出選擇依據(jù)；(3) 給出全控型器件IGBT驅(qū)動電路的原理圖，并對驅(qū)動電路的原理簡要說明；(3) 根據(jù)系統(tǒng)控制要求，選擇相應(yīng)的電壓、電流和溫度等傳感器，要求給出具體型號；(4) 要求在主回路設(shè)計中需給出相應(yīng)的保護與緩沖電路。3. 直流調(diào)速系統(tǒng)的控制理論(1) 給出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖；(2) 根據(jù)直流電動機和主回路參數(shù)，確定動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的具體參數(shù)；(3

3、) 運用工程化設(shè)計方法對直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器進行參數(shù)設(shè)計，要求必須給出限幅的具體參數(shù)與依據(jù)；(4) 根據(jù)設(shè)計的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)，要求給出帶有外限幅的PI調(diào)節(jié)器的模擬量電路圖；(5) 給出直流調(diào)速系統(tǒng)的完整結(jié)構(gòu)框圖。4. 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的Matlab仿真(1) 根據(jù)上述雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，建立Matlab仿真模型，并對調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計的合理性進行驗證；(2) 運用Matlab/Simulink下的電機模型，建立基于電機模型的仿真模型，并對調(diào)節(jié)器的參數(shù)作出調(diào)整。5. 數(shù)字控制器的設(shè)計(可選)(1) 硬件設(shè)計：根據(jù)所選數(shù)字處理器，進行相應(yīng)硬件電路的設(shè)計，要求包括PWM輸出、AD采樣與信

4、號處理電路、編碼器接口等；(2) 軟件設(shè)計：給出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的整體控制流程圖，并給出增量式PI調(diào)節(jié)器、數(shù)字測速的程序流程框圖。指導教師簽字：日 期：摘 要直流電機調(diào)速系統(tǒng)在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。直流電動機具有良好的起、制動性能和調(diào)速性能，易于在大圍平滑調(diào)速，且調(diào)速后的效率很高。針對直流電機調(diào)速的方法也很多，目前國外也研究了一些調(diào)速的控制器。例如已經(jīng)用于實際生產(chǎn)的直流電機無級電子調(diào)速控制器采用國際先進的IGBT大功率模塊器件和獨特自行設(shè)計的PWM微電子控制技術(shù)，以與節(jié)能反饋電路和豐富的保護功能控制電路。適用于無軌機車、礦山井下窄軌機車、磨床、木工機械、服裝制作、紡織、造紙印刷等

5、場所。該控制器具有調(diào)速平穩(wěn)，安全可靠，提高生產(chǎn)效率；直流電機正反轉(zhuǎn)控制簡便；可以與計算機連接控制等特點。直流電動機有三種調(diào)速方法，分別是改變電樞供電電壓、勵磁磁通和電樞回路電阻來調(diào)速。對于要求在一定圍無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞電壓方式為最好，調(diào)壓調(diào)速是調(diào)速系統(tǒng)的主要調(diào)速方式。直流調(diào)壓調(diào)速需要有專門的可控直流電源給直流電動機，隨著電力電子的迅速發(fā)展，直流調(diào)速系統(tǒng)中的可控變流裝置廣泛采用晶閘管，將晶閘管的單向?qū)щ娦耘c相位控制原理相結(jié)合,構(gòu)成可控直流電源,以實現(xiàn)電樞端電壓的平滑調(diào)節(jié)。直流驅(qū)動系統(tǒng)電壓控制的方式來調(diào)節(jié)電樞電壓需要一個特殊的可控直流電源。比較常用的可以控制直流電源有以下三個：（1

6、）靜態(tài)控制整流器。使用靜態(tài)可控整流得到一個可調(diào)的直流電壓。（2）直流斬波器或脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器。用不變的直流電源或者不可以控制的整流電源提供電能，使用電力電子開關(guān)器件斬波器或脈寬調(diào)制，從而產(chǎn)生可以變化的直流電壓。（3）旋轉(zhuǎn)變流機組。由交流電機和直流發(fā)電機組成單位，獲得可調(diào)的直流電壓。旋轉(zhuǎn)變流機組需要的設(shè)備多，體積大，費用高，效率低，安裝需打地基，運行有噪聲，維護不方便。靜止式可控整流器雖然克服了旋轉(zhuǎn)變流機組的許多缺點，而且還大大縮短了響應(yīng)時間，但閘流管容量小，汞弧整流器造價較高，體積仍然很大，維護麻煩，萬一水銀泄漏，將會污染環(huán)境，危害身體健康。目前，采用晶閘管整流供電的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，由于晶閘

7、管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。同時，其對過電壓、過電流都十分敏感，容易損壞器件。由于以上種種原因，所以選擇了脈寬調(diào)制變換器進行改變電樞電壓的直流調(diào)速系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：直流，電機調(diào)速,PWM- 20 - / 25目錄第一章 直流調(diào)速系統(tǒng)總體方案- 1 -1.1前言- 1 -1.2 產(chǎn)品選擇方案- 2 -第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路設(shè)計- 3 -2.1基于H橋的脈寬直流調(diào)速系統(tǒng)- 3 -2.2功率器件- 4 -2.3 驅(qū)動電路- 4 -2.4電流 電壓 溫度傳感器- 5 -2.5保護電路- 7 -2.5.1 限流電阻- 7 -2.5.2 泵升電壓限制- 7 -2.5.3

8、保護電路- 7 -2.6 電路選擇- 9 -2.7 觸發(fā)電路的選擇- 10 -第三章 直流調(diào)速系統(tǒng)的控制理論- 11 -3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖- 11 -3.2 參數(shù)計算- 12 -第四章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的Matlab 仿真- 16 -4.1Matlab 仿真- 16 -4.2Matlab 電機仿真- 16 -4.3系統(tǒng)仿真結(jié)果的輸出與結(jié)果分析- 17 -參考文獻- 17 -附錄- 18 -課程設(shè)計心得體會- 20 -第一章 直流調(diào)速系統(tǒng)總體方案1.1前言本設(shè)計的題目是雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計。采用靜止式可控整流器即改革后的晶閘管電動機調(diào)速系統(tǒng)作為調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要

9、的可控直流電源。由于開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實現(xiàn)一定圍的無級調(diào)速，但是許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機械常常對靜差率有要求則采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來解決這個問題。如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，則單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。而轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)器可以獲得無靜差；構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度；雖快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的，但是電路較簡單。所以雙閉環(huán)直流調(diào)速是性能很好、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。本設(shè)計選用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制電路，本課題容重點包括調(diào)速控制器的原理，并且根據(jù)原理對控制器的兩個調(diào)節(jié)進行了詳細地設(shè)計。概括的整個電路的動靜態(tài)性能，并各個部分的保護和晶閘管的觸發(fā)電路設(shè)計，最后將整

10、個控制器的電路圖設(shè)計完成,并且進行仿真。1.2 產(chǎn)品選擇方案西門子公司的： ABB： SIMOREG DC Master 系列DCS400 直流調(diào)速系統(tǒng)6RA70 電壓，電流圍：直流輸出20 - 1000 A，3相交流輸入230 - 500 V特點：1 全集成自適應(yīng)直流調(diào)速系統(tǒng)，實現(xiàn)電樞電流, 勵磁電流和速度調(diào)節(jié)器的自適應(yīng)。2 實現(xiàn)自動弱磁，并具有操作向?qū)Чδ?，易于調(diào)試和使用。3 具備所有直流電機反饋接口(測速機、編碼器或EMF測速反饋),適用于各種直流電機的驅(qū)動。4 置熔斷器和進線電抗器，完備的保護和電磁兼容特性。全數(shù)字直流調(diào)速裝置 6kW 2500kW 第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路設(shè)計2.

11、1基于H橋的脈寬直流調(diào)速系統(tǒng)自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用全控型的開關(guān)功率元件進行脈寬調(diào)制的控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器-直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)4。PWM系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：（1）主電路線路非常簡單，需要用到的功率器件比較少。（2）開關(guān)頻率比較高，電機損耗與發(fā)熱都比較少，電流很容易連續(xù)，并且諧波少。（3）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導通損耗比較小，裝置效率比較高。（4）低速性能比較好，調(diào)速圍比較寬，穩(wěn)速精度比較高。（5）若與快速響應(yīng)的電動機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)比較快，動態(tài)抗干擾能力強。（6）直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功

12、率因數(shù)比相控整流器高。由于有上述優(yōu)點，直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，特別是在中、小容量的高動態(tài)性能系統(tǒng)中，已經(jīng)完全取代了其他調(diào)速系統(tǒng)，這是我們選取它作為研究對象的重要原因。 電機的技術(shù)參數(shù) 1) 直流參數(shù) 額定功率Pe=3.7kW；額定電壓Ue=220V 額定電流Ie=20A；額定轉(zhuǎn)速ne=1000r/min 電樞回路總電阻R=1.5; 電磁時間常數(shù)Tl=0.018s; 機電時間常數(shù)Tm=0.080s； 電動勢系數(shù)C=0.206V/（r.min-1 )2.2功率器件IGBTIGBT（Insulated Gate Bipolor Transistor）叫做絕緣柵雙極晶體管。其通流能力強，開關(guān)

13、速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單。 二極管二極管具有單向?qū)щ娦?。當陽極電壓大于陰極電壓時，二極管導通。反之，如果陰極電壓大于陽極電壓，則二極管關(guān)斷。二極管的參數(shù)：根據(jù)二極管的最大整流平均電流IF 和最高反向工作電壓UR分別應(yīng)滿足：IF >1.1×IO(AV)÷21.1*25/2= 13.75(A)UR>1.1× 2×U2=1.1× 2×220=340.2 (V)電容的參數(shù)：在設(shè)計主電路時，濾波電容是根據(jù)負載的情況來選擇電容C值，使RC(35)T/2,且有0.2×C1.5×0

14、.02, 即C15000uF故此，選用型號為CD15的鋁電解電容，其額定直流電壓為400v，標稱容量為22000 uF2.3 驅(qū)動電路原理：由下圖可知，V1與V4，V2與V3分別構(gòu)成兩組橋臂，在同一時刻也只能有一組橋臂工作。當V1與V4工作時，通過變壓器，得到正向電壓，電流通過VD與R2。VS1與VS2兩個穩(wěn)壓管對電路起穩(wěn)壓作用。此時，IGBT導通。當V3與V2導通的時候，電壓變負，而電流不能突變，VD在電路中起到續(xù)流的作用。當電路中的電流降為零時。即在V2與V3工作時，R2輸出負的值，此時，IGBT關(guān)斷。2.4電流 電壓 溫度傳感器電壓傳感器NV100-2000V/SP7 電壓傳感器應(yīng)用圍：

15、 本電壓傳感器的適用于對交流、直流和脈動電壓的隔離精確測量，測量時一次側(cè)與二次側(cè)之間完全絕緣。 主要電氣參數(shù)： 1. 額定測量電壓VPN ：2000V rms 2. 測量圍V ：0±3000V 3. 額定測量輸出：50mA rms 4. 電源電壓 ( ±10%)：±15V±24V 5. 二次側(cè)電流消耗：30mA (±24V)+輸出測量電流 6. 耐壓：一次側(cè)回路對二次側(cè)回路+、-、M 和E 之間：9kV/50Hz/1min 二次側(cè)回路的+、-、M 對屏蔽E 之間：1kV/50Hz/1min 精度 - 動態(tài)參數(shù)： 1. 準確度 VPN ，TA=+

16、25：±0.7% 2. 非線性度 VPN ，TA=+25：±0.1%電流傳感器 宇波模塊 LA-50P 性能參數(shù)： 閉環(huán)霍爾電流傳感器：額定電流50A RMS、霍爾磁補償工作原理、可隔離測量AC，DC，脈沖電流 型號 LA 50P IN 額定電流 50A （RMS） Ip 測量圍 0±80A溫度傳感器Tsic 是德國ZMD 公司推出的單總線溫度傳感器IC，與其它溫度傳感器IC 相比，Tsic 具有以下優(yōu)點：更高的精度，精度可高達±0.1°C，測量圍從-50到150°C，整個測量 圍都保持較高的精度；較高的性價比，IC 已經(jīng)過校準測試，

17、用戶不需校準，具備更長的穩(wěn) 定性；采用單總線輸出方式，接口簡單，用戶可根據(jù)自身要求靈活應(yīng)用；包括標準0-1V 模 擬輸出電壓和11bit 數(shù)字信號輸出方式，用戶可根據(jù)自己的需求進行選擇；采用DSP技術(shù)， 信號輸出速率可以達到每0.1s輸出一次；工作電流非常低，功耗小，適用于移動設(shè)備；寬 電壓操作（3.0-5.5V），可以工作于多種電源系統(tǒng)，使系統(tǒng)設(shè)計更加靈活。Tsic 系列溫度傳 感器非常適用于自動化，汽車，工業(yè)，辦公自動化以與低功耗移動設(shè)備。2.5保護電路主電路由二極管整流器UR、PWM逆變器UI和中間直流電路三部分組成，一般都是電壓源型的， 采用大電容C濾波，同時兼有無功功率交換的作用。2

18、.5.1 限流電阻為了避免大電容C在通電瞬間產(chǎn)生過大的充電電流，在整流器和濾波電容間的直流回路上串入限流電阻（或電抗），通上電源時，先限制充電電流，再延時用開關(guān)K將短路，以免長期接入 時影響整流電路的正常工作，并產(chǎn)生附加損耗。2.5.2 泵升電壓限制目前使用的電壓型變頻器，當所帶電動機減速制動時，電動機進入發(fā)電制動狀態(tài)，其能量通過逆變電路中的反饋二極管流入整流回路輸出的直流中間回路，使直流電壓升高產(chǎn)生過電壓（泵升電壓），而導致器件擊穿。為了限制泵升電壓，在直流側(cè)電容兩端并接功率開關(guān)管T0和能耗電阻R0，組成泵升電壓限制電路。當泵升電壓超過一定值時，T0導通，將回饋能量消耗在R0上，泵升電壓設(shè)定

19、較高時，T0導通時間短，消耗在R0上的功率少，對提高傳輸效率有利，但制動力較弱。反之，泵升電壓若限定太低，T0導通時間長，R0上的功耗增加，T0和R0發(fā)熱嚴重。為增大制動力，可減小R0的值，但R0值的減小會使流過T0的電流增大，而通常變頻器開關(guān)管T0的電流和電壓額定值都不太大，由于電梯需滿足升降四象限運行，對起、制動加減速有一定要求，為乘坐舒適和準確平層精度，對制動時間和制動力有較高要求，普通變頻器用于電梯時，容易產(chǎn)生T0過流；另一方面，若制動電阻R0含有電感時，在T0由導通轉(zhuǎn)為關(guān)斷的時刻，會產(chǎn)生一個瞬間反電勢，其值為泵升電壓正常值的幾倍，容易使T0過壓。為克服上述現(xiàn)象，除R0選用無感電阻外，

20、可在T0處并接一個大功率管與T0構(gòu)成復(fù)合功率管，以提高制動單元釋放電流的能力。 2.5.3 保護電路1. RCD 緩沖電路· Lm=L1+L2 · Ls · Cs · Ds · Rs ：電源線的線電感緩沖電路電感緩沖電容緩沖二極管緩沖電阻2. 關(guān)斷波形· Io · Vcesp · Vcep · Ed · Vfp(Ds) ：集電極關(guān)斷電流Ls引起的尖峰電壓峰值Cs充電的峰值電壓電源電壓緩沖二極管的正向恢復(fù)電壓· Vfp(Ds) · Ls 應(yīng)盡量小應(yīng)盡量小 · Lm &

21、#183; Cs 應(yīng)盡量小 應(yīng)足夠大3. 緩沖電路的選擇   (1)緩沖電容(Cs)   · Lm · Io · Vcep · Ed ：1H/m2×Ic(Rated)0.9×Vces400V for AC 220V, 800V for AC 440V   (2)緩沖電阻(Rs)        ·f:開關(guān)頻率2.6 電路選擇一般說來，對晶閘管整流裝置在整流器功

22、率很小時（4KW以下），用單相整流電路，功率較大時用三相整流電路。這樣可以減小負載電流的脈動。由于所提供的電動機為10KW。故主電路采用三相整流電路。在三相整流電路中，主要有三相零式整流電路、三相全控橋式整流電路和三相半控橋式整流電路。三相零式電路突出的優(yōu)點是電路簡單，用的晶閘管少，觸發(fā)器也少，對需要220V電壓的用電設(shè)計直接用380V電網(wǎng)供電，而不需要另設(shè)整流變壓器。但缺點是要求晶閘管耐壓高，整流輸出電壓脈動大，需要平波電抗器容量大，電源變壓器二次電流中有直流分量，增加了發(fā)熱和損耗。因零線流過負載電流，在零線截面小時壓降大。而三相全控橋式整流電路，在輸出電流和電壓一樣時，電源相電壓可較三相零

23、式整流電路小一半。因此顯著減輕了變壓器和晶閘管的耐壓要求。變壓器二次繞組電流中沒有直流分量，種用率高。輸出整流電壓脈動小，所以平波電抗器容量就可以小一些。三相全控橋式整流電路的缺點是整流器件用得多，需要六個觸發(fā)電路，需要220V電壓的設(shè)備也不能用380電網(wǎng)直接供電，而要用整流變壓器。三相半控橋式整流電路，雖然只用三只晶閘管、三個觸發(fā)電路，但整流輸出電壓脈動大，且不能用于需要有源逆變的場合。綜合上述三種三相整流電路，與根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，主電路選用三相全控橋式整流電路。又由于電動機的額定電壓為220V，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勢的不良影響，三次諧波電流

24、對電源的干擾，主變壓器采用D/Y聯(lián)結(jié)。2.7 觸發(fā)電路的選擇目前觸發(fā)電路主要有阻容移相觸發(fā)電路、單結(jié)晶體觸發(fā)電路、正弦波同步觸發(fā)電路、鋸齒波同步觸發(fā)電路，以與集成觸發(fā)電路等。對常見的幾種觸電發(fā)電路進行綜合考慮，集成觸發(fā)電路具有明顯的優(yōu)點，因而選用集成觸發(fā)電路。觸發(fā)集成芯片采用目前比較常用的KC系列。第三章 直流調(diào)速系統(tǒng)的控制理論 3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)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電力電子變換器直流電動機的調(diào)速方法有三種：（1）改變電樞電阻（R）調(diào)速。（2）改變電樞電壓（U）調(diào)速。（3）改變主磁通（）調(diào)速。

25、前兩種調(diào)速方法主要適用于恒轉(zhuǎn)矩負載，后一種調(diào)速方法適用于恒功率負載。串電阻調(diào)速為有級調(diào)速，調(diào)速平滑性比較差，機械特性斜率增大，速度穩(wěn)定性比較差，受靜差率的限制，調(diào)速圍比較小。改變電樞電壓調(diào)速為無級調(diào)速，機械特性斜率不變，速度穩(wěn)定性好，調(diào)速圍比較大。改變主磁通調(diào)速，控制方便，能量損耗比較小，調(diào)速平滑，但受最高轉(zhuǎn)速限制，調(diào)速圍不大。對于要求在一定圍無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以改變電樞電壓調(diào)速方式為最好。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主要調(diào)節(jié)方式。兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定電壓的最大值；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓Ucm限制了

26、電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。 為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。其中主電路中串入平波電抗器，以抑制電流脈動，消除因脈動電流引起的電機發(fā)熱以與產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩對生產(chǎn)機械的不利影響。 3.2 參數(shù)計算3.2.1 電流環(huán)的設(shè)計1. 確定時間常數(shù) 1）脈寬調(diào)制器和PWM 變換器的滯后時間常數(shù)TP WM 與傳遞函數(shù)的計算 電動機的啟動電流為 IS=US/R=146.67A 啟動電流與額定電流比為 S=7.335 晶體管放大區(qū)的時間常數(shù)為 : Tce=0.159s 電流上升時間計tr算公式為： Tr=0.103s 取 k1=2 則電流下降時間tf的計算： Tf=0

27、.061s 最佳開關(guān)頻率為： fop=5316.7HZ 開關(guān)頻率f 選為5.5kHz，此開關(guān)頻率已能滿足電流連續(xù)的要求。 于是開關(guān)周期: TPWM=0.18ms 脈寬調(diào)制器和PWM變換器的放大系數(shù)為 : KPWM=22 于是可得脈寬調(diào)制器和PWM變換器的傳遞函數(shù)為: WPWM= （2）電流濾波時間常數(shù)取2ms (3）電流環(huán)小時間常數(shù)之和按小時間常數(shù)近似處理，取 T=0.00218s2. 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計要求，可按典型 I 型系統(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 型調(diào)節(jié)器。 電流反饋系數(shù) =10v/1.5/20=0.3333V/A 表3-1 典型I型系統(tǒng)動

28、態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關(guān)系參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調(diào)量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時間6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時間8.3T6.2T4.7T3.6T相角穩(wěn)定裕度截止頻率0.243/T0.367/T0.445/T0.596/T0.786/T 3 .電流環(huán)開環(huán)增益，要求時，按表3-1，應(yīng)取， 因此=229.6s-1 于是，ACR 的比例系數(shù)為 Ki=0.853.2.2 電壓環(huán)的設(shè)計轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) =10v/1000/min=0.01v/r/min （1）電流環(huán)等效時間常數(shù)1/ ，由前述已知，則，=2

29、=2×0.00218S=0.01436S（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=0.00436S+0.01S=0.01436S 2. 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 按照設(shè)計要求，按跟隨和抗擾性能都能較好的原則,在負載擾動點后已經(jīng)有 了一個積分環(huán)節(jié),為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差,還必須在擾動作用點以前設(shè)置一個積分環(huán) 節(jié),因此需要由設(shè)計要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型型系統(tǒng) 選用設(shè)計PI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)式為：= 3. 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，先取h=5，則ASR 的超前時間常數(shù)為 =h

30、15;=5×0.01336s=0.0668s 則轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 KN= 581.93s-1可得ASR 的比例系數(shù)為Kn= 15.3 3.3工程化校驗與限幅3.3.1電流校驗環(huán)節(jié)與限幅 1.校驗： 電流環(huán)截止頻率：=229.6s-1 （1） PWM 裝置傳遞函數(shù)的近似條件 =333.33s-1 >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 3=3=79.06s-1 > 滿足近似條件 （3） 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 =330.33s-1> 滿足近似條件 電流環(huán)可以達到的動態(tài)指標為： ,也滿足設(shè)計要求。 2.限幅： 按所用運算放大器取R0=40，各

31、電阻和電容值為 =0.8540=34.取40= =0.45 ，取0.45= = =0.15 ，取0.153.3.2電壓校驗環(huán)節(jié)與限幅 1.校驗 轉(zhuǎn)速截止頻率為： =38.9s-1 （1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 =108.2s-1 > 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=50.5s-1> 滿足近似條件 2.限幅 根據(jù) 所示，取 則 檢驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當 h=5時， ，不能滿足要求.按ASR 退飽和的情況計算超調(diào)量: 調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降 : N* 為基準值，對應(yīng)為額定轉(zhuǎn)速 計算得：第四章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的Matlab 仿真 4.1Matlab 仿真

32、采用Simulink工具箱中的Power System模塊組成的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)如圖4-1所示。模型由晶閘管-直流電動機組成的主回路和轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器組成的控制回路兩部分組成。其中的主電路部分，交流電源、晶閘管整流器、觸發(fā)器、移相控制環(huán)節(jié)和電動機等環(huán)節(jié)使用Power System模型庫的模塊。控制回路的主體是轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器。模型中轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋均取自電動機測量單元的轉(zhuǎn)速和電流輸出端，減小了測速和電流檢測環(huán)節(jié)，這不會影響仿真的真實性。電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出端其后面的環(huán)節(jié)運算后，得到移相控制電壓，去控制整流橋的輸出電壓。而電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅就決定控制角的最大和最小限制

33、 圖4.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速仿真 4.2Matlab 電機仿真 4.3系統(tǒng)仿真結(jié)果的輸出與結(jié)果分析當建模和參數(shù)設(shè)置完成后，在開始仿真前，需要對仿真器參數(shù)進行設(shè)置，選擇“Simulation”菜單中的“Simulation parameters”命令，出現(xiàn)仿真參數(shù)設(shè)置對話框。選擇ode23tb算法，將相對誤差設(shè)置為1e-3（1×10-3），開始時間設(shè)置為0.0，停止時間設(shè)置為0.2，然后點擊“OK”退出設(shè)置。單擊工具欄的按鈕，即可進行仿真。（1）空載起動 將圖6-1中的負載給定設(shè)為0，轉(zhuǎn)速給定設(shè)為1000，啟動仿真，得到如圖6-2所示的結(jié)果，從圖可看出，剛起動時，電樞電流各電磁轉(zhuǎn)矩很大，

34、并被限制在最大值，轉(zhuǎn)速上升很快，轉(zhuǎn)速超調(diào)后，電樞電流幾乎下降到0，轉(zhuǎn)速很快穩(wěn)定到給定轉(zhuǎn)速，在穩(wěn)態(tài)時，電樞電流基本為0。（2）負載起動 將圖6-1中的負載給定設(shè)為10，轉(zhuǎn)速給定設(shè)為1000，啟動仿真，得到如圖6-3所示的結(jié)果，從圖可看出，剛起動，電樞電流各電磁轉(zhuǎn)矩很大，并被限制在最大值，轉(zhuǎn)速上升很快，轉(zhuǎn)速超調(diào)后，電樞電流下降很快，轉(zhuǎn)速很快穩(wěn)定到給定轉(zhuǎn)速，在穩(wěn)態(tài)時，電樞電流約為15A。 （3）低速動行過程將圖6-1中的負載給定設(shè)為10，轉(zhuǎn)速給定設(shè)為100，啟動仿真，得到如圖6-4所示的結(jié)果。從圖可看出，起動時電樞電流各電磁轉(zhuǎn)矩沒達到最大允許值，轉(zhuǎn)速也沒有超調(diào)，穩(wěn)態(tài)時，轉(zhuǎn)速仍穩(wěn)定中給定轉(zhuǎn)速。 （4）

35、負載變化圖4-4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，低速時運行過程圖4-5 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，負載變化時運行過程將圖4-1中的負載給定模塊換為一個階躍函數(shù)模塊，并設(shè)置延時時間為1s，初值為10，終值為50。轉(zhuǎn)速給定設(shè)為1000，啟動仿真，得到如圖4-5所示的結(jié)果。從圖可看出，系統(tǒng)穩(wěn)定后突增負載，轉(zhuǎn)速略有下降，但很快又穩(wěn)定在給定轉(zhuǎn)速。電樞電流增大很多。從以上的仿真結(jié)果可看出，所設(shè)計的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)滿足要求。參考文獻1 伯時，電力拖動自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)（第4 版)M.：機械工業(yè)出版 社,2009. 2 伯時，電力拖動自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)（第3 版)M.：機械工業(yè)出版 社,2005. 3 湯蘊繆，等.電機學(第三版).：機械工業(yè)，2007. 4 克明，等. 自動控制原理(第二版).：電子工業(yè)，2008. 5 王兆安，等.電力電子技術(shù)M.：機械工業(yè)，2000. 6 洪乃剛，電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的MATLAB 仿真，：機械工業(yè)， 2006