直流调速系统设计及仿真和串级调速系统的建模与仿真

电气与电子信息工程学院控制系统设计与仿真名 称：直流调速系统设计及仿真和串级调速系统的建模与仿真 专业名称： 电气工程及其自动化 班 级： 2012电气工程及其自动化一班 学号： 201240220116 姓 名： 许鹏 指导教师： 胡学芝、陈学珍 设计地点： K2-414、306 课程设计任务书20152016学年第一学期学生姓名： 许鹏 专业班级：2012级电气本科一班 指导教师：陈学珍、胡学芝 工作部门： 电气学院 一、课程设计题目：直流调速系统设计及仿真和串级调速系统的建模与仿真二、设计目的：控制系统课程设计是继“自动控制系统”课之后开设的实践性环节课程。由于它是一门理论深、综合性强的专业课，单是学习理论而不进行实践将不利于知识的接受及综合应用。本课程设计将起到从理论过渡到实践的桥梁作用,通过该环节训练达到下述教学目的：1、通过课程设计，使学生进一步巩固、深化和扩充在交直流调速及相关课方面的基本知识、基本理论和基本技能，达到培养学生独立思考、分析和解决问题的能力。2、通过课程设计，让学生独立完成一项直流或交流调速系统课题的基本设计工作，使学生熟悉设计过程，了解设计步骤，达到培养学生综合应用所学知识能力、培养学生实际查阅相关设计资料能力的目的、培养学生工程绘画和编写设计说明书的能力。3、通过课程设计，提高学生理论联系实际，综合分析和解决实际工程问题的能力。通过它使学生理论联系实际，以实际系统作为实例，对系统进行分析设计，掌握控制系统设计必须遵循的原则、基本内容、设计程序、设计规范、设计步骤方法及系统调试步骤。通过设计培养学生严肃认真、一丝不苟和实事求是的工作作风。培养学生的创新意识和创新精神，为今后走向工作岗位从事技术打下良好基础。三、课程设计内容（含技术指标）1直流调速系统设计及仿真题目和设计要求：（直流调速系统选项一题）(一)直流调速系统的设计选题1(1)电机数如下表：机架序号电动机型号Pn（KW）Un（V）In（A）nn（r/min）Ra（）GDa2（Nm2）极对数Z2-812623011314500.527.441(2)技术数据电枢回路总电阻取a；总飞轮力矩：。其他参数可参阅教材中“双闭环调速系统调节器的工程设计举例”的有关数据。要求：调速范围10，静差率：稳态无静差，电流超调量；启动到额定转速时的转速退饱和超调量。要求系统具有过流、过压、过载和缺相保护。要求触发脉冲有故障封锁能力。要求给拖动系统设置给定积分器。(3)设计的内容1.调速的方案选择（） 直流电动机的选择（根据上表按小组顺序选择电动机型号）（） 电动机供电方案的选择（要求通过方案比较后，采用晶闸管三相全控整流器供电方案）；（） 系统的结构选择（要求通过方案比较后，采用转速电流双闭环系统结构）；（） 确定直流调速系统的总体结构框图。2.主电路的计算（可参考“电力电子技术”中有关主电路技术的章节）（） 整流变压器计算，二次侧电压计算；一、二次侧电流的计算；容量的计算。（） 晶闸管元件的选择。晶闸管的额定电压、电流计算。（） 晶闸管保护环节的计算。a)交流侧过电压的保护；b)阻容保护、压敏电阻保护计算；c)直流侧过电压保护；d)晶闸管及整流二极管两端的过电压保护；e)过电流保护。f)交流侧快速熔断器的选择,与元件全连的快速熔断器的选择,直流侧快速熔断器的选择。（） 平波电抗器计算。.触发电路的选择与校验触发电路种类多，可直接选用，电路中元器件参数可参照有关电路进行选用。4.控制电路设计计算：主要包括：给定电源和给定环节的设计计算、转速检测环节的设计与计算、调速系统的稳态参数计算、调速系统的稳态参数计算。5.双闭环直流调速系统的动态设计：主要设计转速调节器和电流调节器，可参阅双闭环调速系统调节器的工程设计法进行设计。6. 对系统进行仿真校验并上交设设说明书。（四）直流调速系统的设计选题4 直流电动机：型号Z3-51 额定功率PN=5.5kW，额定电压UN=220v 额定电流IN=28.6A，额定转速nN=1500r/min,，J=0.021kgm2 励磁方式：他励，励磁额定电流Iex=0.75A要求：(1)静态指标：调速范围D=5，静态指标S 或 =K （3-8）考虑（1.52）倍的裕量 =（1.52）K （3-9）式中K=/（1.57）-电流计算系数。此外，还需注意以下几点：当周围环境温度超过+40时，应降低元件的额定电流值。当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。由表查得 K=0.367，考虑(1.52)倍的裕量 （3-10） 取。故选晶闸管的型号为MFC-70A。3.3晶闸管保护环节的计算晶闸管有换相方便，无噪音的优点。设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额定电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。正确的保护是晶闸管装置能否可靠地正常运行的关键。3.3晶闸管保护环节的计算3.3.1过电压保护以过电压保护的部位来分，有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。（1）交流侧过电压保护1）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=33.6KVA, =120V取值：当 S=50100KVA时，对应的=41，所以取3。 C6S/U22=6333.6103/1202=42F耐压1.5Um =1.5120=254.6V选取50F,耐压300V的铝电解电容器。 选取: S=33.6KVA, S=50100KVA，=15，所以 =3R2.3 U22/S =2.31202/33.6103=0.98取 R=1IC=2fCUC10-6=2505012010-6=1.884 APR(3-4)IC2R=(34) 1.88421=（10.6414.20）W选取电阻为2，20W的金属膜电阻。2）压敏电阻的计算=1.3120=220.6V流通量取5KA。选MY31-330/5型压敏电阻（允许偏差+10）作交流侧浪涌过电压保护。（2）直流侧过电压保护直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成加大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。(1.82)=(1.82.2) 230=414460V 选MY31-660/5型压敏电阻(允许偏差+10)作直流侧过压保护。（3）闸管及整流二极管两端的过电压保护 查下表：表3-1 阻容保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。由于 由上表得C=0.25F，R=20，电容耐压1.5=1.5=1.5120=441V选C为0.25F的CZ40-2型金属化纸介质电容器, 耐压为450V。=500.25=0.54 W 选R为30，1W的普通金属膜电阻器。3.3.2 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。 1、 晶闸管串连的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=65.3 A选取RLS-100快速熔断器，熔体额定电流100A。（2）过电流继电器的选择因为负载电流为113A，所以可选用吸引线圈电流为30A的JL14-11ZS型手动复位直流过电流继电器，整定电流取1.25113=141.25A140A3.4平波电抗器的计算为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗器，称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知的，因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。（1）算出电流连续的临界电感量可用下式计算，单位mH。 （3-11）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=14.76mH （2）限制输出电流脉动的临界电感量由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。该脉动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。通常负载需要的只是直流分量，对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加，引起过热。因此，应在直流侧串入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量（单位为m）可用下式计算 （3-12）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（510）。根据本电路形式查得=1.045, 所以=11.1mH （3）电动机电感量和变压器漏电感量电动机电感量（单位为mH）可按下式计算 （3-13）式中,n直流电动机电压、电流和转速，常用额定值代入；P电动机的磁极对数；计算系数。一般无补偿电动机取812，快速无补偿电动机取68，有补偿电动机取56。本设计中取=8、=230V、=113A、n=1450r/min、p=1=5.615mH 变压器漏电感量（单位为mH）可按下式计算 （3-14）式中计算系数，查表可得变压器的短路比，取3。本设计中取=3.9、=3所以 =3.93120/（100113）=0.124mH （4）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： 如上述条件均需满足时，应取作为串入平波电抗器的电感值，所以本电路选取=10H作为平波电抗器的电感值。3.5励磁电路元件的选择整流二极管耐压与主电路晶闸管相同，故取700V。额定电流可查得K=0.367，取=1.2 A=(1.52)K=(1.52)0.3671.2A=0.60.88A 可选用ZP型3A、700V的二极管。为与电动机配套的磁场变阻器，用来调节励磁电流。为实现弱磁保护，在磁场回路中串入了欠电流继电器 ，动作电流通过 调整。根据额定励磁电流Iex =1.2A，可选用吸引线圈电流为2.5A的JL14-11ZQ直流欠电流继电器。 图41集成六脉冲触发电路4.2 控制电路的直流电源这里选用集成稳压电路CM7815和CM7915，如图3-3所示。图3-3 15V直流稳压电源原理图第5章 双闭环系统的设计和校验5.1 电流调节器的设计与校验 整流装置滞后时间常数对于三相全控桥式整流电路，可取。 电流滤波时间常数 对于三相全控桥式整流电路，可取。 电流环小时间常数 按小时间常数近似处理，取。 电流调节器的选择图5-1 电流调节器因为电流超调量，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。其模拟电路图如图5-1所示。二极管3VD1和3VD2起运放输入限幅，保护运放的作用。二极管3VD3、4VD4和电位器3RW1、3RW2用于正负限幅，调节3RW1或3RW2就可以改变下输出幅值或负限幅值。3R1是为了避0免运算放大器长期工作产生零点漂移，其阻值较大，可取4.7M。 电流反馈系数电流调节器参数计算 电枢回路电磁时间常数： 电流调节器超前时间常数： 电流环开环增益：要求时，就取，因此 于是，电流环的比类系数为 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。计算调节器的电阻和电容取运算放大器的3=40，有=0.4240=16.8，取18， ，取1.7，取0.2。故，其结构图如下所示： 图51电流调节器5.2转速调节器的设计和校验（1） 确定时间常数：有则，已知转速环滤波时间常数=0.01s，故转速环小时间常数。（2）选择转速调节器结构：按设计要求，选用PI调节器 （3）计算转速调节器参数：按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=4,则ASR的超前时间常数为：，转速环开环增益 。ASR的比例系数为：。（4）检验近似条件转速环截止频率为。电流环传递函数简化条件为，满足条件。转速环小时间常数近似处理条件为：，满足近似条件。（5）计算调节器电阻和电容：取=40，则，取4300。，取0.02，取1。故。 其结构图如下： 图52 转速调节器校核转速超调量：由h=4，查得，不满足设计要求，应使ASR 退饱和重计算。设理想空载z=0，h=4时，查得=77.5%，所以=2（）（）=，满足设计要求 直流调速系统电气原理总图第6章 系统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MATLAB，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6.1.1 系统的建模采用Simulink工具箱中的Power System模块组成的转速、电流双闭环直流调速系统如图6-1所示。模型由晶闸管-直流电动机组成的主回路和转速、电流调节器组成的控制回路两部分组成。其中的主电路部分，交流电源、晶闸管整流器、触发器、移相控制环节和电动机等环节使用Power System模型库的模块。控制回路的主体是转速和电流两个调节器。模型中转速反馈和电流反馈均取自电动机测量单元的转速和电流输出端，减小了测速和电流检测环节，这不会影响仿真的真实性。电流调节器ACR的输出端其后面的环节运算后，得到移相控制电压，去控制整流桥的输出电压。而电流调节器ACR的输出限幅就决定控制角的最大和最小限制。6.1.2 模型参数设置转速、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8-1所示。 图8-1 转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型转速、电流双闭环系统的控制电路包括：给定环节、ASR、ACR、限幅器、偏置电路、反相器、电流反馈环、速度反馈环等，因为在本次设计中单片机代替了控制电路绝大多数的器件，所以在此直接给出各部分的参数，各部分参数设置参考前几章各部分的参数。本系统选择的仿真算法为ode23tb，仿真Start time设为0，Stop time设为2.5。6.2 系统仿真结果的输出及结果分析当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。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。下面分析一下仿真的结果。图8.2双闭环直流调速系统的电流和转速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2篇 串级调速系统的建模与仿真第七章 斩波串级调速原理 7.1斩波串级调速原理具有斩波控制的串级调速系统原理图如图71所示。 图71斩波控制串级调速系统原理图 具有斩波控制的串级调速系统与普通串调系统相比在直流回路中增加了开关器件、隔 离二极管,滤波电容。此三个元件构成斩波升压电路。有源逆变器的逆变角选择可以一个最小的固定的，因此为固定电压 在导通时，增加、截止。在截止时，通过流入逆变器，下降。直流回路各点波形如图2-2所示。图中为的开通时间，为的开断周期，为斩波器CH的驱动信号，为两端的电压波形，为经流二极管的电流波形，为流经斩波器的电流波形。改变的开通占空比，就可以改变的平均电压。在交流电机转速一定时，改变，就可以改变的大小，即改变电动机的转矩，从而达到调速的目的。斩波电路和逆变器的共同作用相当于普通串调系统中可调的有源逆变器的作用。只是后者的功率因数比较高，接近0.9，且恒定。 图72斩波串调主电路波形7.2 双闭环调速系统为了提高静态调速精度及获得较好的动态特性，应采用具有电流负反馈与转速负反馈的双闭环控制方式。双闭环系统是一种具有电流闭环和速度闭环的反馈控制系统，较单闭环系统有着更为优良的静、动态特性。下面将着重介绍双闭环控制系统的工作原理。转速与电流双闭环调速系统结构及其特点：图73为具有双闭环控制的绕线异步电动机斩波串级调速系统的原理图。该调速系统采用转速外环和电流内环构成的双闭环系统对绕线式异步电动机进行转子斩波闭环控制。图中转速反馈信号取自于增量式光电编码器，电流反馈信号取自直流主回路中设置的霍尔电流传感器。ASR, ACR分别为速度调节器和电流调节器，均为PI调节器，由数字信号处理信号（DSP)产生。由于受斩波器开关作用的影响，整流器输出电流是脉动的，会引起转矩的脉动，为抑制转子电流的斩波脉动率，在直流主回路中串接一个平波电抗器。PWM为脉宽调制器，用于产生斩波器的脉冲信号。 图 73有转子斩波器的异步电动机双闭环调速系统 双闭环调速系统在电机调速中的特点是:在电动机启动时，起动电流很快的加大到允许过载能力值，并且保持不变，在这个条件下，转速n得到线性增长，当升到需要的大小时，电机的电流急剧下降到克服负载所需的电流值。这就要求在起动过程中，把电动机的电流当作被调量，使之维持为电机允许的最大值，并保持不变。因此需要有一个电流调节器来完成这个任务。来自速度给定电位器的信号与速度反馈信号比较后，偏差信号送到速度调节器的输入端，速度调节器的输出端再送到电流调节器的输入端。电流调节器的输出电压再作为导通比为a的控制电压加至PWM后与PWM内的载波比较以产生脉宽调制脉冲波。该脉冲波经隔离去改变斩波器的占空比，可以调整转子电流，从而改变电动机 的转矩和转速。速度调节器和电流调节器均采用PI调节器。由于用了这两个调节器，一方面便于调整，另一方面使系统更容易完成对转速与电流的调节作用。两个调节器之间是串级连接的关系。从闭环反馈的结构上看，电流调节环是内环;转速调节器是外环。7.3斩波串调系统的建模绕线式异步电动机斩波串级调速系统的主电路主要由晶闸管三相全控桥式有源逆变器、三相桥式二极管转子整流器、绕线式异步电动机、逆变变压器、滤波电抗器、斩波器件IGBT、二极管和电容等组成。7.3.1主电路的建模根据三相绕线式异步电动机转子斩波串级调速系统的主电路组成框图，利用Simulink和Power System工具箱，在同步电源与六脉冲触发器模型封装后，将六脉冲触发器输出的脉冲放大，与其它模块连接即可建立主电路，与实际电路不同的是，这里的电流反馈信号直接引用了晶闸管有源逆变器输出的电流，转速反馈直接采用电机输出信号测量分路器中的电机转速 (rad/s)。（6脉冲触发电路仿真如下图） 图74 6脉冲触发电路仿真模型7.3.2系统的建模利用Simulink和Power system工具箱，然后按系统的电气结构关系连接起来，即得到绕线式异步电动机斩波串级调速系统的仿真模型（主电路仿真模型见录）。如图75所示 图7-5转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型各模型如下： 图7-6 子系统1 图7-7 ASR图 图7-8 仿真图 第八章 斩波串调系统的仿真8.1系统的仿真参数系统设计数据技术数据：380V，50HZ，三相交流供电电源绕线式三相交流异步电动机，额定功率PN=2.2kW，额定电压UN=380v， 额定电流IN=5A，额定转速nN=1460r/min,，J=0.045kgm2，Rs=1.435，P=2。建立串级调速系统的仿真模型。设置仿真的终止时间为2s，仿真算法选择ode23tb, ode23tb属于TR-BDF2算法，适合与求解刚性问题，对于求解允许误差比较宽的问题结果好。相对允许误差为,绝对允许误差为auto，变步长;仿真菜单选正常仿真。按照斩波串级调速系统先单元、后系统;先开环、后闭环;先内环、后外环;先调稳态精度，后调动态指标的调试原则进行系统调试。优化后的主要环节参数如下:交流电源:工频、相电压有效值127V;脉冲触发器开关信号为”0”，即开放触发器;晶闸管逆变桥参数:通态内阻0.001，通态电感0，冷态电阻10，冷态电感4.7F;二极管整流桥参数:通态内阻0.001，通态电感0，管压降0.8V，冷态电阻10，冷态电感4.7F;负载转矩TL为30Nm，脉冲放大器系数取100;速度给定选阶跃给定。其仿真结果如图8-1。图 8-1 仿真图从系统仿真结果可以看出:(1)对阶跃输入信号，由图8-1可见:稳态时仿真系统的实际转速能够实现对给定转速的良好跟随，且稳态无差;而在动态过渡过程中，仿真系统的实际转速对阶跃给定信号的跟踪有一定的偏差。(2)调速范围宽，由图8-1可见，转速可从500r/min至780r/min(由于转子整流器、逆变变压器等装置的存在，电机转速达不到额定转速)之间连续可调。8.2 结论通过绕线式异步电动机斩波串调系统的仿真实验和分析可得出以下结论:(1)以系统的电气原理图为基础，无需推导系统的动态数学模型，直接调用Simulink和Power System工具箱中的元件模块就可进行系统的建模与仿真，这种面向系统电气原理图的仿真方法简单、直观且建模周期短。(2)面向系统电气原理图仿真方法是正确、可行的。(3)用面向系统电气原理图的仿真方法对系统进行仿真分析，可以很方便地对各种工程设计方案进行验证、节约大量人力物力，从而实现高效、成功的系统设计和分析。(4)斩波串调系统的仿真模型是正确的，可以作为后续斩波串级调速系统设计研究的基础，加以开发和利用。小结经过两周的努力，这次的控制系统课程设计终于完成了。这是我和同学们共同努力的结果，它增进了我们的团结互助的意识，这也是我们参加工作后所必需的。在这次控制系统课程设计中，我进一步巩固、深化和扩充在交直流调速及相关课方面的基本知识、基本理论和基本技能，培养了我独立思考、分析和解决问题的能力。首先我通过认真的准备，对所学的理论知识有了更深的了解，对以前没有弄清楚的问题在这次设计中通过亲自动手查证，论证，都一一解决了。特别是对这门课程中比较重要的知识，同时通过此次设计，增强了掌握这门技术的兴趣和决心。在此次课程设计中，我发现，虽然通过仿真可以得到比较直观的效果波形图，但实际搭建电路中会遇到很多问题，比如外界因素干扰、器件不稳定等。这次课程设计，也让我提高了理论联系实际的能力，以实际系统作为实例，对系