直流调速及恒压频比课程设计

1、目 录目 录1第一章 直流调速系统设计及仿真11 综 述12 系统方案的选择和总体结构22.1调速方案的选择22.1.1系统控制对象的确定22.1.2电动机供电方案的选择32.2总体结构设计33主电路设计与参数计算43.1整流变压器的设计54 双闭环的动态设计和校验115 控制电路的设计135.1 给定环节的选择135.2控制电路的直流电源135.3反馈电路参数的选择与计算136 系统MATLAB仿真156.1 系统的建模与参数设置156.2 系统仿真结果的输出及分析15第二篇 转速开环恒压频比控制交流电机调速系统建模与仿真18第七章 转速开环恒压频比控制基本原理及方案18参考文献34第一章

2、直流调速系统设计及仿真1 综 述我们的生产和生活离不开直流电机，由于对其的需要,促进了直流电机的发展,但其发展较为缓慢,而且出现过起伏。如二次世界大战前夕,以及六十年代中期,出现了以交流电机取代直流电机的趋势,认为直流电机无发展前途,个别学者甚至认为将被淘汰。进入七十年代,直流电机,特别是直流电动机出现了从未有的迅速发展,如直流电动机的需要量在整个旋转电机总产量中所占的比例增长了两倍,其生产量增加了一倍。近年来,随着电子技术和自动控制技术的发展,工业自动化要求宽调速、反应灵敏的驱动装备,对此,直流电动机具有“得天独厚”的优越性,如它具有优良的调速性能、较大的过载能力和快速起动等特点,因此,自动

3、控制的发展为直流电动机的应用创造了更加有利的条件。 六十年代后期,可控硅整流装置的出现和迅速的发展,直流电动机日益应用可控硅整流器作为直流电源,从而扩大了直流电动机的使用范围。直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及

4、算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。本设计主电路采用晶闸管三相全控桥整流电路供电方案，控制电路由集成电路实现，系统中有速度调节器、电流调节器、触发器和电流自适应调节器等。 本设计主电路采用晶闸管三相全控桥整流电路供电方案，控制电路由集成电路实现，系统中有速度调节器、电流调节器、触发器和电流自适应调节器等。 关键词：单片机 双闭环 直流调速系统 2 系统方案的选择和总体结构2.1调速方案的选择2.1.1系统控制对象的确定本次设计选用的电动机型号Z2-51型，额定

5、功率4.2KW，额定电压230V，额定电流18.25A,额定转速1450r/min, 励磁电压220V,运转方式连续。其具体参数如下表1所示：表1 Z2-51型电动机具体参数电动机型号PN(KW)UN(V)IN(A)NN(r/min)Ra()GDa2（Nm2）P极对数Z2-514.223018.2514501.23.431由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小，故选用三相全控桥式整流电路供电方案。电动机额定电压为230V，为保证供电质量，应采用三相减压变压器将电源电压降低。2.1.2电动机供电方案的选择本设计主电路采用晶闸管三相全控桥整流电路供电方案，控制电路由集成电路实现，系统中有速度调节器

6、、电流调节器、触发器、锁零单元和电流自适应调节器等。2.2总体结构设计若采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统虽然可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差，不过当对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统难以满足要求，因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩，在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它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，并不能很理想地控制电流的动态波形，当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减少，因而加速过程必然拖长。若采用双闭环调速系统，则可以近似在电机最大电流

7、（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流（转矩）受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能4。与带电流截止负反馈的单

8、闭环系统相比，双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主调作用，系统表现为电流无静差。得到过电流的自动保护。显然静特性优于单闭环系统。在动态性能方面，双闭环系统在起动和升速过程中表现出很快的动态跟随性，在动态抗扰性能上，表现在具有较强的抗负载扰动，抗电网电压扰动。直流调速系统的框图如图1所示： 3主电路设计与参数计算图2主电路图电路3.1整流变压器的设计3.1.1整流变压器二次侧电压U2的计算是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成延迟角加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。在要求不高场合或近似估算时，可用

9、下式计算，即： （3-1） 由表查得 A=2.34；取=0.9；角考虑10°裕量，则 B=cos=0.985取=125V。电压比K=/=380/125=3.04。3.1.2一次、二次相电流I1、I2的计算由表查得 =0.816, =0.816考虑变压器励磁电流得：=A=4.9A =A=14.89A3.1.3变压器容量的计算 ； （3-2） ； （3-3） ； （3-4）式中m1、m2 -一次侧与二次侧绕组的相数；由表查得m1=3，m2=3=3×380×4.9=5.6 KVA=3×125×14.89=5.58KVA =1/2（5.6+5.58）=

10、5.59 KVA 取=10KVA3.1.4晶闸管的额定电流选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值大于实际流过管子电流最大有效值8，即 （3-5）由表查得 K=0.368，考虑1.52倍的裕量 （3-6） =A取=20A。故选晶闸管的型号为KP20-6。3.1.5晶闸管的额定电压晶闸管实际承受的最大峰值电压，乘以（23）倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压，即=V=V （3-7）取=800V。3.1.6晶闸管保护环节的计算 （1）交流侧过电压保护阻容保护 即在变压器二次侧并联电阻R和电容C进行保护。本系统采用D-Y连接。S=5.59kvA, U2=125

11、VIem取值：取Iem=10。=µF=21.47µF耐压1.5Um =1.5××125=265V选取25µF,耐压300V的CZDJ-2型金属化纸介电容器。取=5V，=4.55，选5 =0.98A =W=W选取5、20W的金属膜电阻。压敏电阻的计算 =V=230V流通量取5KA。选MY31-230/5型压敏电阻。（2）直流侧过电压保护一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。 =(1.82.2)×230V=414460V 选MY-430/3型压敏电阻。允许偏差+10（484V）。（3）晶闸管两端的过电压保护 查下表：表2 阻容保

12、护的数值一般根据经验选定晶闸管额定电流/A1020501002005001000电容/F0.10.150.20.250.512电阻/1008040201052抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值的1.11.15倍。由上表得C=0.15µF，R=80，电容耐压1.5=1.5××125=460V选C为0.2µF的CZJD-2型金属化纸介质电容器, 耐压为500V。=W=0.46W 选R为10普通金属膜电阻器，RJ-0.5。3.1.7过电流保护快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍

13、的保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。快速熔断器的选择：接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管的有效值=10.54A选取RLS-50快速熔断器，熔体额定电流25A。3.1.8平波电抗器的计算（1）算出电流连续的临界电感量 （3-8）式中为与整流电路形式有关的系数，可由表查得；为最小负载电流，常取电动机额定电流的510计算。根据本电路形式查得=0.695所以=0.05=0.05×18.25A=0.91A=mH=105mH （2）限制输出电流脉动的临界电感量平波电抗器的临界电感量 （3-9） 式中系数，与整流电路形式有关，电流最大允许脉动系数，通常三相电路（5

14、10）。根据本电路形式查得=1.045, 所以=71.58mH （3）实际串入平波电抗器的电感量考虑输出电流连续时的实际电感量： mH （3-10）（5) 电枢回路总电感:=67.5834.762×1.33 mH =105mH3.1.9触发电路选择晶闸管的触发电流为250mA,触发电压。由已知条件计算出 ，V=5.22V。因为=5.22V，3V，所以触发变压器的匝数比为取3:1。设触发电路的触发电流为250mA，则脉冲变压器的一次侧电流只需大于250/3=83.3mA即可。这里选用3DG12B作为脉冲功率放大管，其极限参数.触发电路需要三个互差120°，且与主电路三个电压U

15、、V、W同相的同步电压，故要设计一个三相同步变压器。这里用三个单相变压器接成三相变压器组来代替，并联成DY型。同步电压二次侧取30V，一次侧直接与电网连接，电压为380V,变压比为380/30=12.7。触发器的电路图如下图3所示：4 双闭环的动态设计和校验（1）确定时间常数已知s，s，所以电流环小时间常数=0.0017+0.002=0.0037s。（2）选择电流调节器的结构因为电流超调量，并保证稳态电流无静差，可按典型系统设计电流调节器电流环控制对象是双惯性型的，故可用PI型电流调节器。（3）电流调节器参数计算： 电流调节器超前时间常数=0.0038s，又因为设计要求电流超调量，查得有=0.

16、5，所以=，所以ACR的比例系数=。（4）校验近似条件 电流环截止频率=135.1。晶闸管整流装置传递函数的近似条件： > ，满足条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响条件： ，满足条件。电流环小时间常数近似处理条件：，满足条件。（5） 计算调节器的电阻和电容取运算放大器的=40，有=6.1640=246.4，取45，取0.9，取0.2，故=，其结构图如下所示： 图4 电流调节器（6）计算调节器电阻和电容：取=40，则，取3700。，取0.02，取1故。其结构图如下： 图5 转速调节器5 控制电路的设计5.1 给定环节的选择已知触发器的移相控制电压为正值，给定电压经过两个放大器它的输入输

17、出电压极性不变，也应是正值。为此给定电压与触发器共用一个15V的直流电源，用一个2.2、1W的电位器引出给定电压。5.2控制电路的直流电源这里选用CM7815和CM7915三端集成稳压器作为控制电路电源，如下图所示 图6 直流稳压电源原理图5.3反馈电路参数的选择与计算 本设计中的反馈电路有转速反馈和电流截止负反馈两个环节，电路图见主电路。5.2.1测速发电机的选择因为，故这里可选用ZYS-14A型永磁直流测速发电机。它的主要参数见下表。表5-1 ZYS-14A型永磁直流测速发电机 型号最大功率w最高电压V最大工作电流A最高转速r/minZYS-14A121201003000取负载电阻=2,P

18、=2W的电位器，测速发电机与主电动机同轴连接。5.2.2 电流截止反馈环节的选择选用LEM模块LA100-S电流传感器作为检测元件，其参数为：额定电流100A，匝数比1：1000，额定输出电流为0.1A。选测量电阻=47,，P=1W的绕线电位器。负载电流为1.2时。让电流截止环节起作用，此时LA100-S的输出电流为1.2/1000=1.2×18.25/1000=0.022A，输出电压为47×0.25=11.75V，再考虑一定的余量，可选用1N4240A型的稳压管作为比较电压，其额定值为10V。6 系统MATLAB仿真本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件MATLA

19、B，使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种，一是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用Power System工具箱进行调速系统仿真的新方法。本次系统仿真采用后一种方法。6.1 系统的建模与参数设置转速、电流双闭环直流调速系统的主电路模型主要由交流电源、同步脉冲触发器、晶闸管直流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。采用面向电气原理结构图方法构成的双闭环系统仿真模型如图7所示。 图7 转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型6.2 系统仿真结果的输出及分析当建模和参数设置完成后，即可

20、开始进行仿真。图8-2是双闭环直流调速系统的电流和转速曲线。从仿真结果可以看出，它非常接近于理论分析的波形。图6-2双闭环直流调速系统的电流和转速曲线 图6-3双闭环调速系统的电枢电流曲线 图6-4双闭环调速系统的转速曲线 图6-5双闭环调速系统的电磁转矩曲线启动过程的第一阶段是电流上升阶段，突加给定电压，ASR的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流也很快上升，接近其最大值。第二阶段，ASR饱和，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，电流基本上保持不变，拖动系统恒加速，转速线形增长。第三阶段，当转速达到给定值后。转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零，但是由于

21、积分作用，其输出还很大，所以出现超调。转速超调后，ASR输入端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进入线性调节阶段，使转速保持恒定，实际仿真结果基本上反映了这一点。由于在本系统中，单片机系统代替了控制电路的绝大多数控制器件，所以各项数据处理和调整都是在单片机内完成的，控制效果要好于本次的仿真结果。第二篇 转速开环恒压频比控制交流电机 调速系统建模与仿真第七章 转速开环恒压频比控制基本原理及方案7 综述异步电动机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。由于在调速是转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论高速还是低速是效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。因此现

22、在它的应用面很广，目前交流异步电动机的调速系统已经广泛应用于数控机床、风机、泵类、传送带、给料系统、空调器等设备的电力源和动力源，并起到了节省电能，提高设备自动化，提高产品质量的良好效果. 本文对交流系统进行建模仿真，可以更加熟悉交流调速系统的结构，掌握各种调速系统的优缺点，选择合理的方案，解决实际中的问题。在进行电动机调速时，常须考虑的一个重要因素，就是希望保持电动机中每极磁通量为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁芯，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，保持

23、不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通由定子和转子磁动势合成产生，要保持磁通恒定就要费一些周折。8 变频调速的原理 在异步电动机调速时，总希望保持主磁通为额定值。由异步电机定子每相电动势有效值可知，如果略去定子阻抗下降，有 （1）由(1)式知，若定子端电压不变，随着升高，将减小。又由转矩公式知，在相同的情况下，减小会导致电动机输出转矩下降，严重时会使电动机堵转。因此，在变频调速过程中应该同时改变定子电压和频率，以保持主磁通不变。而如何按比例改变电压和频率，要分基频以下和基频以上两种情况。8.1基频以下调速恒定压频比调速要求；当相对较高时，可忽略定子电阻那么最大实用转矩公式为；由于，为了保证

24、变频调速时电动机过载能力不变，需要满足变频前后，即 （2）对于恒转矩调速,采用恒压频比调速控制，既保证了电机的过载能力不变，又满足了主磁通保持不变, 而电磁转矩表示为；据(2)式，不同频率下的最大转矩 保持不变，则最大转差率为 （3）不同频率时最大转矩所对应的转速降落为 （4）因此，恒压频比控制变频调速时，因最大转矩和最大转矩对应的转速降落均为常数，故此时异步电动机的机械特性是一组互相平行硬度相同的曲线，如图1 所示.8.2基频以上调速 基频以上调速应采取保持定子电压不变的控制策略，即。由于较高，可以忽略定子电阻，则最大转矩；其对应的最大转差率与转速降落同式(3)和式(4)为常数。由此可见，保

25、持定子电压不变，升高频率调速时，最大转矩随频率升高而减小，最大转矩对应的转速降落为常数。但是越高，最大转矩越起效，如图2所示，基频以上变频调速时异步电动机的电磁功率为 （5）在异步电动机的转差率s 很小时，式(5)中的均可以忽略，即基频以上变频调速时异步电动机的电磁功率近似为 （6） 由式(6)知，在变频调速过程中，若保持不变，转差率s 变化也很小，故可以近似认为不变，即恒功率调速。9 仿真过程综合以上分析，制定出U-f 曲线如图3 所示. 关系式为 ，式中是电动机额定电压，是电动机额定频率，是初始电压补偿值. 那是因为如果频率较低，定子阻抗压降所占比重较大，电动机难以保持气隙磁通不变，电动机

26、的最大转矩将随着频率的下降而减小. 为了使电动机在低频低速时仍有较大的转矩，需要低频补偿电压以提高定子电压. 恒压频比变频调速系统原理图如图4 所示，系统由升降速时间设定、U-f 曲线、SPWM 调制和驱动等环节组成。其中升降速时间设定用来限制电动机的升频速度，避免转速上升过快而造成电流和转矩的冲击，相当于软起动的作用。 U-f 曲线用于根据频率确定相应的电压，以保持压频比不变，并且低频时进行适当的电压补偿。SPWM 和驱动环节将会根据频率和电压要求产生按正弦脉宽调制的驱动信号，控制逆变器以实现电动机的变压变频调速。根据实验原理图在Matlab软件环境下查找器件、连线，接成入上图所示的线路图。

27、9.1 具体步骤a、点击图标，打开Matlab软件，在工具栏里根据提示点击，再点击matlab help，打开一个对话框，点击里的newmodel，创建一个文件头为的新文件。b、点击工具栏的，打开元器件库查找新的元器件。图5如果不知在哪里找到元器件，可以在里输入元器件的名称，键入ENTER即可查找。9.2 所用元器件及其参数设置转速开环变频调速系统的仿真MATLAB/SIMULINK 模型如下图所示。其中给定积分器(GI，GivenIntegrator)的模型如图7 所示，对它设定恰当的积分时间常数可以控制频率上升的速率，从而设定电动机的起动时间. 给定积分器后接取整环节(integer)使频

28、率为整数. U-f 曲线、三相调制信号ua、ub、uc 均由Fcn模块产生图6 转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统结构图图7给定积分器(GI，GivenIntegrator)的模型图a.DC Voltage Source(直流电源) 点击中的找到图8 直流电源参数设置图电压值设置为514VbUniversal Bridge（多功能桥式电路）点击中的找到图9多功能桥是电路参数设置图选择3桥臂，选择IGBT管。普通的桥电路起着过载保护作用，防止电流过大烧坏电机。c.AC Machine（交流电机）点击中的找到图10交流电机参数设置图A、B、C端分别与多功能桥式电路的A、B、C端连接，TM

29、端接个阶跃脉冲，M端输出接电动机测量单元d. MachinesMeasurementDemux（电动机测量单元）点击中的找到输入端接交流电机的M端，输出端接示波器等测量仪器图11 电机测量单元参数设置图Machine type选择Asychronous,点选要测量的数据，分别为Stator currentsia ib ic、Rotor speedwm、Electromagnetic torqueTe这三个。输出分别接电流测量ia、ib、ic,和经放大后测量的转速n 放大倍数为9.55倍。还有就是测量转矩Te。e. Constant（信号发生器）输入一个信号，参数值各不一样，以一种情况为例。图1

30、2 信号发生器参数设置图输入为50Hz的信号。f.传递函数（Transfer Fcn）式中，为电动机额定电压，为电动机额定频率，。为初始电压补偿值。电压U 、频率f、时间t 经汇总为一维量 ，其中的u (1)、u(2) 、u (3) 以次表示电压、频率和时间。函数模块ua 、ub 、ue 分别用于产生三相调制信号u. 、u b 、u c ' 即 图13 函数Ua模块参数设置图图14 函数Ub模块参数设置图图15 函数Uc模块参数设置图f. Demux（分接器）图16 分接器参数设置图g. scope（示波器）图17示波器参数设置图h. 仿真环境参数设置点击图18 仿真参数设置图仿真算法

31、 仿真精度9.3仿真结果根据上面的步骤查找器件，连线，即可画出原理图，运行之后，得到如下波形。分别为ia、ib、ic、n、Te。图a图b图c图19 ia、ib、ic 、Uab、n、Te、n-Te的波形10 仿真分析从上图仿真的波形可以看出，它非常接近于理论分析的波形。根据三相调制信号，由PWM 发生器产生逆变器驱动脉冲，经逆变器得到频率和幅值可调的三相电压，使交流电动机按给定要求起动和运行。在给定频率为50Hz ，起动时间为6s 的情况下，仿真结果如图19所示。其中a图所示为电动机输入的一相线电压(有效值) ，b图所示为转速变化曲线，图c所示为转速·转矩特性。从图中可以看到电动机电压

32、基本按曲线的设定上升，但是起动中转速和转矩的波动很大。为分析转速和转矩产生较大波动的原因，将起动过程中一段（3-4s）的电压、转速等波形展开如图20所示。从逆变器输出电压的波形(见图20b) 中可以看到，输出电压的频率变化呈现出不规则，电压频率不是均匀地上升，中间部分时段电压波形的周期变大，频率减小。将起动过程中的升频曲线(见图20d)和相应时段的正弦调制信号(见图20b)，以及转速曲线(见图20a)相比较，在频率变化的边界上，正弦调制信号和转速都发生了畸变，这是因为频率变化的时刻不一定是发生在调制信号一个完整周期的末尾，在调制正弦信号一周期尚未结束时，频率发生了变化就可能使下一周期信号的前半周期变宽或变窄，使相应的一周期频率减小或增加。进一步比较频率变化时刻的三相电压波形，这时的三相电压的相序也可能异常，出现瞬时的负相序，电动机也产生了负的转矩，从而使电动机的转矩和转速发生急剧波动。延长起动时间，波动的情况可以减小，但是波动还是存在的。如果起动时间设定过小，在正弦一周内发生多次频率的变化，还可以出现增频现象，使逆变器