VM双闭环直流调速系统建模与仿真

1、武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书 V-M双闭环直流调速系统建模与仿真 1. 主电路选型和闭环系统 1.1调速系统组成原理 V-M双闭环直流调速系统，是由单闭环直流调速系统发展起来的，调速系统 使用比例积分调节器，可以实现转速的无静差调速。采用电流截止负载环节，限 制了起（制）动时的最大电流。这对一般的要求不太高的调速系统，基本上已能 满足要求，但电流环只是在超过临界电流值以后， 靠强烈的负反馈作用限制电流 的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中，缩短起、制动的 时间是提高生产率的重要因素。为此，在起动、制动的过程中，希望能够始终保 持电流（电磁转矩）为允许的最大值，

2、使调速系统以最大的加（减）速度运行。， 到达稳定转速后，最好让电流立即降下来，使电磁转矩马上与负载转矩相平衡, 从而转入稳态运行。这样的理想起动（制动）过程波形如图1-1所示，这时，起 动电流成矩形，而转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统 所能得到的最快的起动（制动）过程。 实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突变，为了实现在允许条件 下最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。按照反馈 控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流 负反馈就能得到近似的恒流过程。 问题是希望在启动过程中只有电流负反馈， 而 不能让它和转速负反

3、馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望 只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用。 为了达到以上目的系统采用转速、电流双闭环直流调速系统。分别引入转速 负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接，如图1-2所示。 从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形 成了转速，电流反馈控制直流调速系统。为了获得良好的静，动态性能，转速和 图1-2 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图 ASR-转速调节器 ACR-电流调节器TG-测速发电机 TA-电流互器UPE-电力电子变换器Un*-转速给定电压 Un-转速反馈电压Ui*-电流给定电压 Ui-电流

4、反馈电压 本设计采用三相全控桥整流电路，在直流侧串有平波电抗器，该电路能为 电动机负载提供稳定可靠的电源，利用控制角的大小可有效的调节转速，并在 直流交流侧安置了保护装置，保证各元器件能安全的工作，同时由于使用了闭 环控制，使得整个调速系统具有很好的动态性能和稳态性能。系统组成的原理 框图如图1-3所示: 2加 -f J J J h 1 1】 个控 整i/ii 丄训iY器 珂W LUl r FF ll桥 Utt Il iir I 如电源紂 IT I Ld -麴；曲1嗣 R 图1-3双闭环直流调速系统原理框图 1.2稳态结构图 双闭环直流调速系统稳态结构如图1-4所示，两个调节器均采用带限幅作

5、用的PI调节器。转速调节器ASR勺输出限幅电压Um*决定了电流给定的最大值, 电流调节器ACM输出限幅电压UCm限制了电力电子变换器的最大输出电压 Udm, 图2-1中用带限幅的输出特性表示 PI调节器的作用。当调节器饱和时，输出达 到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱 和。此时，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开 环。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是输入偏差电压 在稳态时为零。为了实现电流的实时控制和快速跟随，希望电流调节器不要进入 饱和状态，因此，对于静特性来说，只有转速调节器有饱和和不饱和两种情况。 双闭

6、环直流调速系统的静特性在负载电流小于 I dm时表现为转速无静差，这 时，转速负反馈起主要作用。当负载电流达到Idm时对应于转速调节器为饱和输 出Um*，这时，电流调节器起主要作用，系统表现为电流无静差，起到过电流的 自动保护作用。这就是采用两个 PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。 图1-4双闭环直流调速系统的稳态结构图 a 转速反馈系数卩一一电流反馈系数 1.3 V-M系统分析 图1-5晶闸管整流器-电动机调速系统原理图 图1-5绘出了 V-M系统的原理图，图中VT是晶闸管整流器，通过调节触发 装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，改变可控整流器平均输出直流 电压Ud,从而实现直

7、流电动机的平滑调速。晶闸管可控整流器的功率放大倍数 在104以上，门极电流可以直接用电子控制；响应时间是毫秒级，具有快速的 控制作用；运行损耗小，效率高；使 V-M系统获得了优越的性能 2. 电流环设计 2.1电流环的简化 双闭环系统调节器的设计是从内环到外环，即先设计好电流环后将其等效 成速度环中的一个环节，再对速度环进行设计。 在一般情况下，系统的电磁时间常数T远小于机电时间常数Tm,因此，转 速的变化往往比电流变化慢的多。 对于电流环来说，反电势是一个变化较慢的扰 动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即E-0O这样，就可以 暂时把反电动势的作用去掉，得到忽略电动势影响的电流

8、环近似结构图， 如图2- 1a所示。简化的近似条件是: ci 女口果把给定滤波和反馈滤波同时等效地移至U环内前向通道上，再把给定信号改成 U*（S）/ P,则电流环等效成单位负反馈系统（见图2-1b）,从这里可以看出两个滤波时间 常数取值相同的方便之处。 由于Ta和Td 般都比T小的多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节， 其时间常数为：TiTS Tdi，则电流环结构图最终简化成图2-1c，简化的近似条件 是: ci 1丄 MTsTdi a) 0 ACR 企 石庐+1 +1)如 1) 图2-1电流环的动态结构图及其化简 a）忽略反电动势的动态影响b ）等效为单位负 反馈系统c ）小惯性

9、环节近似处理 17 在设计电流调节器时，首先考虑应把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态 要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图2-1可以看出来，采 用I型系统就够了。再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制 作用作用时有太大的超调，以保证电流动态过程中不超过允许值， 而对电网电压 波动的及时抗扰作用只是次要的因素, 为此，电流环应以跟随性能为主，即应选 用典型I型系统。 2.2时间常数的计算 （1）三相桥式电路的平均失控时间Ts 按课本中表2-2给出，女吓所示, 可得 Ts = 0.0017s 整流电路形式 最大失控时间 平均失控时啊 单相半波 20 10 单相桥式（全

10、波） 10 5 二相半波 667 333 三相桥式 3.33 167 表2-1晶闸管整流器的失控时间 电流滤波时间常数Toi 任务书已给出: TOi = 0.002s 电流环小时间常数i 按小时间常数近似处理，取 Ti TS+TOi =0.0017s+0.002 (2) 检验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件: ci I_1_ V0.1610. 07 28. 26 ci 满足近似条件; (3) 检验电流环小时间常数近似处理条件: ci 1 rr 3怔 1 Y 0.00170. 002 180. 8s ci 满足近似条件。 %4.3% 5%，也满 由于KiTi =0.5电流环可以达到的动态指

11、标为: 足设计要求。 2.6计算电流调节器电阻和电容 含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器原理图如图2-2所示。 Eo/2 Kc/2 Coi Rbal I 图2-2含给定滤波及反馈滤波的PI型电流调节器 其中，UGi为电流调节器的给定电压，一p Id为电流负反馈电压，调节器的 输出就是触发装置的控制电压 U。 按所用运算放大器取R0 = 40KQ，各电阻和电容值计算如下 R=KR=2.36X40 =94.4KQ （取 100 ） CrH 肌 106 F 0. 7uF（取0.7 uF） 4Toi4 0.002 _6 Coi IT 二石荷 10 F 0.2 F （ 取 0.2 卩 F ） 2.7

12、电流调节器的作用 结合以上所述，电流调节器ACR勺主要作用如下: (1)对电网电压波动起抗干扰作用; 启动时保证获得容许的最大电流I dm 在转速调节过程中，使电枢电流跟随给定电压变化; (4) 当电机过载甚至堵转时，可以限制电枢电流的最大值，从而起到快速 的过流安全保护，如故障消失，系统能自动恢复工作。 3. 转速环设计 3.1转速环的简化 图3-1 典型I型系统的电流环的动态结构图 在设计转速调节器时，可把已设计好的电流环看作是转速调节器的一个环节，为此必 须求出它的等效传递函数。图3-1给出了校正成典型I型系统的电流环的结构图，其闭环 传递函数为: K| Wcii（S）- 1 s（TiS

13、 1） K| S仃 iS 1） 1 T i 2 S , S1 KiKi 若按K|Tei=0.5选择参数，则 WCii（S） 1 2T2s2 2TiS 1 1 2TiS 1 已知电流闭环传递函数为 WCii（S） Id（S） UGi（S）/ 因此电流环的等效环节应相应地改成 Id（S）1 UGi（S） 2TiS 1 原来电流环的控制对象可以近似看成是个双惯性环节，其时间常数是T和 T,i ,闭环后，整个电流环等效近似为只有小时间常数 2Ti勺一阶惯性环节。 这就表明，电流闭环后，改造了控制对象，加快了电流跟随作用。 用电流环的等效环节代替图2-1的电流闭环后整个转速调节系统的动态结 构图就如图3

14、-2所示。 与电流环相似，我们可以将转速环结构图化简为图 3-3 仪 Kg Y 图3-3转速环的动态结构图的化简 图3-2转速环的动态结构图 按跟随和抗扰性能都能较好的原则，在负载扰动点后已经有了一个积分环节 为了实现转速无静差，还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节，由设计要求, 转速调节器必须含有积分环节，故按典型n型系统选用设计PI调节器。其传递 函数为: s 1 WaSr(S)Kn nS 3.2时间常数的计算 (1)电流环等效时间常数 K| 已取 KiTi=0.5,则: 1 =2T K| (2) 转速滤波时间常数 X 0.0037s = 0. 0074s 根据所用测速发电机波纹情况,

15、任务书给出 :Ton=0.01s (3) 转速环小时间常数 按小时间常数近似处理，取 1 kI on 0.0174s (4) 转速反馈系数 由于本系统的限幅值为10V, 晋 150oo.oo67Vmin/r 3.3转速调节器参数的计算 (1) ASR超前时间常数Tn 按跟随和抗扰性能都较好的原则，查表，取 n = hT n =5X 0.0174s=0.087s 转速环的比例系数 Kn 转速环的开环增益为 Kn 2 l / s2396.4s 2 225 O. O1742 电动机的转矩常数为 C 尸 9.55G9.55X O.1321=1.262V min/r K (h 1) CeTm n2h R

16、Tn 于是，ASM比例系数为: 6 O.286 O.1321 O.1611o.98 25 O. OO67 2. 85 O. O174 3.4检验近似条件 转速环的截止频率 (1)电流环传递函数简化条件: cn n=396.4X0.087S 1 =34.49S 1 1也 3V i 1135. 1 3 V0. 0037 63. 7 cn 满足简化条件； (2)转速环小时间常数近似处理条件: cn 1 (Ki 3忙 1 f135. 1 30 0. 01 38. 7s1 cn J 满足近似条件。 3.5检验转速超调量 电机容许过载倍数入=1.5 , 负载系数 z= 0 (理想空载起动)。当h=5时,

17、CI R 也 81.2% ;而n尸丄- CbCe 17. 52. 85 0. 1321 =377.55r/mi n,因此，转速调节 器的退饱和超调量为 n% = C max % Cb 2( -z) Tn Tm 81. 2% 377. 7500 55 0. 0174 0. 161 =8.83% 0 002并1 TraTster Fcfi Gjlrt4I atwatrtnl Gjln4 O.DOgl atwabonl franster f cn4 oaoe 口.07出 Transfer Fcnl 3 05 Transfet Fcii2 7 厂 Gains Integrator LimrttfifC

18、 .zsa I anoxi r Scope Transfer Fci3 图4-1电流环仿真模型 4.2电流环仿真参数设置 Step模块参数设置如下： Source Block Parameiers： STep Step Cut put m step* ? sr SDwt crc Initial ijaltLS! Final value: 10 SBiple tine： 同 IrL-terpret vsct or f 3,caiTiet ars:J-D 0 Enable itro-crotsang d#trtion OK Helf 图4-2 Step模块参数设置 ACR参数设置如下图4-3 ,4

19、-4所示: Function Bfock Parameters: Gain4 Gain Elejnent-wise gain (y = E. *u) or malrix gain ty = E*u or y = u*K). Itaui Signal tt ributes Par aiaet ef Attr ibut es Gain! Mlil+iplicartion： Element-wi se (E. *u) Sample tine (-1 for inherited): OE Cancel Help Apply 图4-3电流环比例系数的设置 Function Block Parameter

20、s-: Gin5 Gain Elene nt-vise gain Cy = K. *u) or mat ri.x gain y = K*u or y = u*E). Main Signal Atnbiites Pat ajaet er Att ributes Gain; 33. 71 Multiplication: !Element-wise(K. *u) Sample time (-1 for irbherited): 1-1 1 J OK Cancel Help Apply 图4-4电流环积分系数的设置 其余模块的仿真参数皆在仿真图中给出。 4.3电流环仿真波形 仿真启动，双击示波器就可以

21、发现仿真结果如下图4-5 : 图4-5空载时电流仿真波形 观察上图4-5可以发现电流环空载启动时，大约在在 0.04s处达到稳定 值，波形开始平稳。如图可以观察到电流的调节时间较长，为了改善这个条 件，可以适当增加电流环的比例系数，但是这样做的后果是导致超调量增加。 4.4双闭环的仿真设计. 在单闭环调速系统动态数学模型的基础上，考虑如图1-4的双闭环控制的结 构，将前面计算的双闭环相关数据代入动态结构图中，得到本系统仿真模型如 图4-6所示: 图4-6双闭环的仿真模型 武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书 4.5转速环仿真参数设置 ASR参数设置如下图4-7 ,4-8所示: Func

22、tion Slock Parameters： Gdin Gain. Element-wise gain (y = K* *u) or mat rix gain (y = E*u or y = u*K). Main Signal Attributes Parameter Attrihmtes Gain: Multiplicatian; Element-wise fK, Sampie lime f-1 for inherited)： OK I Ccel aip Appl- Gain 图4-7转速环比例系数的设置 FunctEon Block Psrameters: Gaini Element-wi

23、se gain (y = E. *u) or matrii gain (y = K*u or y = u*E). Ham Signal Attributes | Paraineter Attribirtes Gain: QE Cancel I piy 图4-8转速环积分系数的设置 4.6双闭环仿真波形及分析 仿真启动，双击示波器就可以发现仿真结果如下图4-9,4-10 : 图4-9双闭环空载启动波形图 图4-10双闭环满载高速启动波形图 空载时波形如图4-9所示，观察波形可发现ASF调节器经过了不饱和，饱和, 退饱和三个阶段，很快达到稳定与给定转速，电流最终稳定在0A,而在满载高速 启动时，根据图形发现启动时间较空载时延长了， 退饱和超调量减小了。起动过 程的三个阶段都能很清楚的看到，电流最后稳定在额定值。 为了验证在稳定运行时突加扰动时对双闭环系统的影响，将ste p1模块参 数按下图4-11进行设置再进行仿真。 Source Block Porneters; Stepl Stsp Output a step. Paranftters Step i i