《电力拖动与控制系统》课程设计-V-M双闭环直流可逆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摘要转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广泛的直流调速系统，具有调速范围广，精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统中得到了广泛应用。实际设计一般使电流环作为控制系统的内环，转速环作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。对于可逆调速的V-M系统，由于晶闸管的单向导电性，必须使用两组晶闸管整流装置反并联线路来实现可逆调速。通常采用=配合控制消除可逆系统中的环流。关键词：直流双闭环、调节器、可逆调节、环流全套设计加扣 3346389411或3012250582I目录摘要I1主电路结构设计31.1 V-M可逆

2、直流调速系统结构31.2双闭环系统结构31.3系统框图32基本参数计算32.1电动机参数计算32.2反馈参数计算33电流调节器设计33.1时间常数确定33.2电流调节器结构选择33.3 电流调节器参数计算33.4检验近似条件34转速调节器设计34.1时间常数确定34.2转速调节器结构选择34.3转速调节器参数计算34.4检验近似条件34.5退饱和超调量检验35电流环仿真35.1电流环仿真模型35.2仿真结果36转速环仿真36.1转速环仿真模型36.2仿真结果37电气原理总图38心得体会39参考文献3武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书1主电路结构设计1.1 V-M可逆直流调速系统结构由

3、于晶闸管的单向导电性，对于需要电流反向的直流电动机可逆调速系统，必须使用两组晶闸管整流装置反并联线路来实现可逆调速，如图1-1，电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电；反转时，由反组晶闸管装置VR供电。两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能灵活地控制电动机的起，制动和升、降速。在V-M系统中一般不允许两组晶闸管同时处于整流状态，否则将造成电源短路，因此对于控制电路提出了严格的要求。图1.1 两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路晶闸管装置的平均理想空载输出电压Ud0为：Ud0=msinmcos=Ud0maxcos (1.1)1.2双闭环系统结构 系统设计的一般原则为：先内环后外环。即从内环开始，

4、逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。图1-2为转速、电流双闭环调速系统的原理图。图中两个调节器ASR和ACR分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把电流调节器的输出作为转速调节器的输入，再用转速调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。两个调节器的输出都是带限幅作用的。转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定了电流给定电压的最大值；转速调节器ASR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。图1.2 转速、电流双闭环调速系统的原理图 在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，转速负反馈起主要调节作用

5、。当负载电流达到Idm时，转速调节器为饱和输出Ui*，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。1.3系统框图比较环节比较环节电流调节器给定电压速度调节器配合控制电路反并联V-M整流装置电流反馈直流电机转速反馈图1.3 系统框图2基本参数计算2.1电动机参数计算 Ce=UN-INRanN=230-37*11450=0.133 Vminr 2.1 电磁常数： 额定速降： nN=IdnRCe=37*1.50.133=417 n/min (2.2) 2.2反馈参数计算 转速反馈系数： =UN*nN=101450=0.0069 Vmin/r (2.3) 电流反馈系数： =U

6、i*IN*1.5=1037*1.5=0.18 (2.4) 3电流调节器设计3.1时间常数确定整流装置滞后时间常数Ts。三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s。电流滤波时间常数Toi=0.002s。电流环小时间常数之和T=Ts+Toi=0.0037s3.2电流调节器结构选择根据设计要求，并保证稳态电流无静差，可按典型型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为WACRs=Ki(is+1)is WACRs=Ki(is+1)is (3.1) 式中 电流调节器的比例系数； 电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能： ，参照典型型系统动态抗扰性

7、能指标与参数的关系表格，可以看出各项指标都是可以接受的。3.3 电流调节器参数计算 电流调节器超前时间常数：ti=Tl=0.017s。 取KITi=0.5，则： （3.2） ACR的比例系数为： （3.3） 3.4检验近似条件 电流环截止频率：ci=KI=135.1s-1。校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件： 满足近似条件校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 满足近似条件。校验电流环小时间常数近似处理条件满足近似条件。因此，电流调节器的传递函数可以写成：WACR(s)=0.319(0.017s+1)0.017s+1 (3.4)4转速调节器设计4.1时间常数确定电流环等效时间常数1/KI

8、。由电流环参数可知KITi=0.5，则 (4.1)转速滤波时间常数Ton。Ton=0.005s转速环小时间常数Tn。按小时间常数近似处理，取 (4.2) 4.2转速调节器结构选择根据设计要求起动到额定转速时的超调量：n8%，动态速降n10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts1s，选择典型调节器。调节器使用PI调节器。其传递函数为： (4.3)式中 转速调节器的比例系数； 转速调节器的超前时间常数。4.3转速调节器参数计算按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为：(4.4)转速环开环增益为:(4.5)ASR的比例系数为:(4.6)4.4检验近似条件转速环截止频率为：

9、 （4.7）校验电流环传递函数简化条件为： （4.8）满足条件校验转速环小时间常数近似处理条件为： （4.9）满足条件 4.5退饱和超调量检验当h=5时，查询典型型系统阶跃输入跟随性能指标的表格可以看出，不能满足设计要求。实际上，上述表格是按照线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。此时超调量为：n<8%，满足设计要求。因此转速调节器的传递函数可以写成： (4.10)5电流环仿真5.1电流环仿真模型电流环的仿真模型如图5-1所示，在仿真模型中增加了一个饱和非线性模块（Saturation）,它来自于Discontinui

10、ties组，双击该模块，把饱和上界和下届参 数分别设置为限幅值+10和-10。图5.1电流环仿真模型5.2仿真结果仿真结果如图5.2所示：图5.2电流环仿真结果 观察仿真波形，电流的稳定值为38.7A，峰值为38.78A,超调量满足要求，6转速环仿真6.1转速环仿真模型仿真模型如图6.1所示：图6.1转速环仿真模型6.2仿真结果额定运行过程中受到了电流扰动时的转速与电流响应曲线：图6.2 额定负载受扰转速环仿真结果 空载运行过程中受到了电流扰动时的转速与电流响应曲线：图6.3 空载受扰转速环仿真结果7电气原理总图图7.1 电气原理总图8心得体会此次设计是针对双闭环直流电机可逆调速系统的设计，基

11、于题目所给要求进行分析，对原理加以理解，然后根据所已知的条件设计调节器，最后运用matlab进行仿真。在本次课设中碰到了一些问题，开始的时候仿真出来的波形超调量始终不能满足要求，图形也不是很规则，调节时间也不能达到要求，最后通过借用图书馆的书籍以及通过网络上的搜索，查阅了许多关于本设计的书籍和资料，对该电路的设计有了较为深入的研究，也进一步熟悉了双闭环直流调速系统的结构形式、工作原理及各个器件的作用和设计。同时，通过与有共同设计内容的同学交流，分析、整理和研究课题，先确立了设计基本思路，遇到问题及时与伙伴沟通，在同学的指点和自己翻阅资料的努力下，最后完成了整个设计。在设计过程中也学会运用了MATLAB/SIMULINK对整个电路进行仿真。在这次课设中，我学会了如何按工程设计方法设计转速、电流反馈控制直流调速系统的调节器，将理论与实际进行了有力结合。9参考文献1