电气传动的课程设计直流调速系统

黄石理工学院 1 直流调速系统直流调速系统 引言引言 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。直流电动机具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广；过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求， 在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。本文通过对转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性分析， 对双闭环直流调速系统进行数学建模并进行动态性能的分析，设计出了电流调节器和转速调节器，最终形成了转速、电流双闭环直流调速系统。本次设计的直流调速体统主要包括：直流电机的确定，电动机供电方案的选择，系统的结构选择及直流调速系统的总体机构的结构确定。总体结构主要包括主电路和控制回路。 主电路由晶闸管构成， 控制回路主要由检测电路，驱动电路构成，检测电路又包括转速检测和电流检测等部分。如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。 这主要是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。 黄石理工学院 2 第一章第一章 转速、电流双闭环直流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统方案选择方案选择 本次设计选用的电动机型号 Z2-91 型，其具体参数如下表 1-1 所示 表 1-1 Z2-91 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 Z2-91 48 230 209 1450 0.3 58.02 1 (一一) 电动机供电方案的选择电动机供电方案的选择 直流调速系统用的主要方法是变压器调速，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变流机组简称 G-M 系统，适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。静止可控整流器又称 V-M 系统，通过调节触发装置 GT 的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变 Ud，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。直流斩波器和脉宽调制交换器采用 PWM 受器件各量限制，适用于中、小功率的系统。根据本此设计的技术要求和特点选 V-M 系统。 在 V-M 系统中， 调节器给定电压， 即可移动触发装置 GT 输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压 Ud。由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半， 这是三相桥式整流电路的一大优点。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。 （二）系统的结构选择（二）系统的结构选择 计算电动机电动势系数eC： 由式NaNNenRIUC=14503.0209230=0.146rV min/,当电流连续时， 黄石理工学院 3 系统额定速降为edNNCRIn=146.06.0209 =858.9min/r。 开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率: 1.379.85814509.858NNNNnnnS，不满足 S5%. 若 D=10，S5%.，则min/6 . 705. 011005. 014501rsDsnnNN 由此可见开环调速系统的额定速降太大，无法满足 D=10，S5%的要求，采用转速反馈控制的直流调速系统将是解决此类问题的一种方法，故需采用反馈控制的闭环调速系统。 因调速要求较高，故选用转速负反馈调速系统，采用电流截止负反馈进行限流保护，出现故障电流时由过流继电器切断主电路电源。为使线路简单，工作可靠，装载体积小，宜用KJ004 组成的六脉冲集成触发器。 （三）系统的总体结构选择（三）系统的总体结构选择 采用双闭环调速系统，可以近似在电机最大电流（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， 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入， 再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、 电流双闭环调速系统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。该双闭环调速系统的两个调节器 ASR 和 ACR 一般都采用 PI 调节器。 因为 PI 调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度， 使系统在稳态运行时得到无静差调速， 又能提高系统的稳定性； 作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。 一般的调速系统要求以稳和准为主，采用 PI 调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。 黄石理工学院 4 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于dNI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 1-1 所示： 图 1-1 直流双闭环调速系统原理图 黄石理工学院 5 第第二二章章 转速、电流双闭环直流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统主电路设计主电路设计 （一）（一） 转速、电流双闭环直流调速系统的系统组成转速、电流双闭环直流调速系统的系统组成 在本系统中，为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，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（或称串级）连接，如图 3.1 所示，把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器 UPE.从闭环结构上看，电流环在里面称作内环；转速换在外边，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，转速和电流两个调节器一般都采用 PI 调节器。两个调节器输出都带有限幅，转速调节器 ASR 的输出限幅电压Uim决定了电流调节器 ACR 的给定电压最大值 Uim；电流调节器 ACR 输出限幅电压 Ucm限制了整流器输出最大电压值，限最小触发角 。 图 2.1 转速、电流反馈控制系统原理图 黄石理工学院 6 图 2.2 主电路图 ( (二二) ) 器件的选择及参数的计算器件的选择及参数的计算 2 2. .2 2.1.1 可控整流变压器的选择与计算可控整流变压器的选择与计算 （1 1）变压器二次侧电压）变压器二次侧电压 U2U2 的计算的计算 2U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。一般可按下式计算，即： )(cos22minmax2NshTdIICUAnUUU （2-1） 式中maxdU -整流电路输出电压最大值； 黄石理工学院 7 TnU -主电路电流回路 n 个晶闸管正向压降； C - 线路接线方式系数； shU-变压器的短路比，对 10100KVA，shU =0.050.1； 2I/NI2-变压器二次实际工作电流与额定之比，应取最大值。 在要求不高场合或近似估算时，可用下式计算，即： BAUUd2 . 112 （2-2） 式中 A-理想情况下，=0时整流电压0dU与二次电压2U之比即A=0dU/2U； B-延迟角为时输出电压 Ud 与0dU之比，即 B=dU/0dU； 电网波动系数； 11.2考虑各种因数的安全系数；根据设计要求，采用公式： BAUUd2 . 112 （2-3） 由表查得 A=2.34；取=0.9；角考虑 10裕量，则 B=cos=0.985 VU133111985.09.034.22302.112 取2U=125V。 电压比 K=1U/2U=380/125=3.04。 （2 2）一次、二次相电流）一次、二次相电流 I1I1、I2I2 的计算的计算 由表查得 1IK=0.816, 2IK=0.816 考虑变压器励磁电流得： AKIKIdI9.5804.3209816.005.105.111 黄石理工学院 8 AIKIdI54.170209816. 022 （3 3）变压器容量的计算）变压器容量的计算 1111IUmS （2-4） 2222IUmS ； （2-5） )(2121SSS； （2-6） 式中 m1、m2 一次侧与二次侧绕组的相数； 由表查得 m1=3，m2=3 1111IUmS =338058.9=67.146 KVA 2222IUmS =3120170.54=61.394 KVA )(2121SSS=1/2（67.146+61.394）=64.27 KVA 取 S=64.3 KVA 2 2. .2 2. .2 2 晶闸管的选择与计算晶闸管的选择与计算 （1 1）晶闸管的额定电流的计算）晶闸管的额定电流的计算 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TNI大于实际流过管子电流最大有效值TI8，即 TAVTTNIII)(57. 1 或 57. 1)(TAVTII=57. 1TIddII=KdI （2-7） 考虑（1.52）倍的裕量 BKIIdAVT)25 . 1 ()( （2-8） 式中 K=TI/（1.57dI）-电流计算系数。 此外，还需注意以下几点： 黄石理工学院 9 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 dAVTKII25 . 1 A8.1534.115209368.025.1 取)(AVTI=150A。故选晶闸管的型号为 KP100-7。 (2) (2) 晶闸管的额定电压的计算晶闸管的额定电压的计算 晶闸管实际承受的最大峰值电压TNU，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TNU，即mTNUU)32( 整流电路形式为三相全控桥，查表得26UUm，则 mTNUU)32(=26)32(U=1206)32(V=882588V 取TNU=800V。 （3 3）晶闸管保护环节的计算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。 过电流保护过电流保护 本系统采用电流截止反馈环节作限流保护外， 还没有与元件串联的快速熔断器作过载与短路保护，用过电流继电器切断故障电流。 黄石理工学院 10 1）快速熔断器的选择 接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管电流有效值 IT=Id/1.732=82.55A/1.732=47.66A,故选用 RC1A-60 的熔断器，熔体电流为 60A。 2）过电流继电器的选择 根据负载电流为 82.55A，可选用吸引线圈电流为 200A 的 JL14-11ZS 型手动复位直流过电流继电器，整流电流可取1.25 82.55A 110A 过电压保护过电压保护 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。 1）交流侧过电压保护 a.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=25kvA, U2=120V Iem 取值：当 S10KVA 时，取 Iem=10。 26USICem=231202510106F=104.2F 耐压1.5Um =1.51202=254.52V 选取 100F,耐压 300V 的 CZJD-2 型金属化纸介电容器。 取shU=5V， emshIUSUR223 . 2=105250001203 . 22=0.94，取 1 6102CcfCUI =610120100502=3.76A RIPCR2)43( =176. 3)43(2W=55.564 .42W 选取 1、60W 的金属膜电阻。 b.压敏电阻的计算 黄石理工学院 11 2123 . 1UUmA =12023 . 1V=220.58V 取2201mAUV， 流通量取5KA。 选MY31-220/5型压敏电阻。 允许偏差+10。 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dtdi/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。 DCmAUU)2 . 28 . 1 (1 =(1.82.2) 230V=414460V 选 MY31-430/3 型压敏电阻。允许偏差+10。 3）闸管及整流二极管两端的过电压保护 查下表： 表 2.1 阻容保护的数值一般根据经验选定 晶闸管额定电流/A 10 20 50 100 200 500 1000 电容/F 0.1 0.15 0.2 0.25 0.5 1 2 电阻/ 100 80 40 20 10 5 2 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mU的 1.11.15 倍。 由上表得2C0.25F，2R20， 电容耐压1.5mU=265 . 1U=1.56120=441V 选2C为 0.3F,耐压为 400V 的 CZJD-2 型金属化纸介质电容器,。 62210cRfCUP=6210)1203(3 . 050W=0.65W 黄石理工学院 12 取2R为 23，1W 普通金属膜电阻器。 2 2.2.3.2.3 平波电抗器的选择与计算平波电抗器的选择与计算 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dL，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1L可用下式计算，单位 mH。 min211dIUKL （2-10） 式中1K为与整流电路形式有关的系数，可由表查得； inIdim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1K=0.695 所以 inIdim=0.05dI=0.05209A=10.45A，则 1L=%5209125695.0=8.31mH 2）限制输出电流脉动的临界电感量2L 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2L（单位为 m）可用下式计算 diISUKL222 （2-11） 黄石理工学院 13 式中2K系数，与整流电路形式有关，iS电流最大允许脉动系数，通常三相电路iS（510）。 根据本电路形式查得2K=1.045,iS=0.1， 所以 diISUKL222=209%10125045.1=6.25mH 3）电动机电感量DL和变压器漏电感量TL 电动机电感量DL（单位为 mH）可按下式计算 3102DDdDpnIUKL （2-12） 式中 DU、DI、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；DK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DK=8、DU=230V、DI=47.8A、n=1450r/min、p=1 3102DDdDpnIUKL=3102091450122308=3.036mH 变压器漏电感量TL（单位为 mH）可按下式计算 DshTTIUUKL1002 （2-13） 式中TK计算系数，查表可得 shU变压器的短路比，一般取 5%10%。 黄石理工学院 14 本设计中取TK=3.9、shU=5 所以TL=3.92125/（100209）=0.047mH 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： 37.5)047.02036.3(31.8)2(,max121TDdLLLLLmH 5)电枢回路总电感: TDdLLLL21=5.373.03620.047 mH =8.5mH 电气总图请查看附录一 黄石理工学院 15 第第三三章章 转速、电流双闭环直流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统调节器设计调节器设计 （一）触发器电路选择（一）触发器电路选择 选用集成六脉冲触发器电路模块，其电路如附录二所示。 从产品目录中查得晶闸管的触发电流为 8mA 到 150mA 之间时,触发电压VUG5 . 3。 在触发电路直流电源电压为 15V 时， 脉冲变压器的匝数比为 2:1，gu可获得约 6V 左右的电压，脉冲变压器一次电流只要大于 75mA,即可满足晶闸管要求。 这里选用 3DG12B 作为脉冲功率放大管， 其极限参数V45BVCEO.另外有mA300ICM，完全可以满足要求。脉冲变压器实际上不用计算，一般市场上一只 50A 晶闸管的脉冲变压器即可。 触发电路需要三个互差 120，且与主电路三个电压 U、V、W 同相的同步电压，故要设计一个三相同步变压器。但是考虑到同步变压器功率很小，一般每相不超过 1W，这样在市场上很难买到，故可以用三个单相变压器接成三相变压器组来代替，联成 DY。同步电压取 30V，一次侧直接与电网连接，每相绕组电压为 380V,最后确定单相变压器参数为：容量为 3VA，电压为 380/30V，数量为3 只。 （二二） 转速调节器设计转速调节器设计 （1）确定时间常数 1)电流环等效时间常数IK1,取,5.0iITK则 黄石理工学院 16 ssTKiI0074.00037.0221 （3-1） 已知转速环滤波时间常数onT=0.01s，故转速环小时间常数 sTKTonIn0174. 001. 00074. 01。 转速反馈系数007.0145010 （3-2） （2）计算转速调节器参数： 按跟随和抗干扰性能较好原则，取 h=6,则 ASR 的超前时间常数为： shTnn1044.00174.06， （3-3） 转速环开环增益 222224.3960174.052621sThhKnN （3-4） ASR 的比例系数为 136.850174.06.0007.06284.1115.005.0721nmenRThTChK。 （3-5）（3）选择转速调节器结构： 按设计要求，选用 PI 调节器 ssKsWnnnASR1 （3-6） 式中系数；为转速调节器的比例nK n 转速调节器的超前时间常数。 （4）检验近似条件 黄石理工学院 17 转速环截止频率为 1115.34087.04.396ssKKWnNNcn （3-7） 电流环传递函数简化条件为 cniIWsTK17 .630037. 01 .1353131，满足条件。 转速环小时间常数近似处理条件为 cnonIWsTK17 .3801. 01 .1353131，满足近似条件。 （5）计算调节器电阻和电容： 转速调节器原理图如下： 图 3.1 转速调节器 取0R=40k，则kRKRnn4.340540136.850，取 3500k。 FkRCnnn0298.035001044.0，取 0.03F FkCon14001. 04，取 1F。 故 ssssKsWnnnASR1044.011044.0136.851。 黄石理工学院 18 （6）校核转速超调量： 由 h=6，查得%10%6.43n，不满足设计要求，应使 ASR 退饱和重计算n。设理想空载 z=0，h=6 时，查得bCCmax=84.0%，重新计算则满足要求，即 mnNbnTTnnzCC)( 2max （3-8） 计算得n0.79% ciW，满足条件。 2）忽略反电动势变化对电流环动态影响条件： cilmWSTT1792.1203. 084. 11313，满足条件。 3)电流环小时间常数近似处理条件： oisTT131ciWs18.180002.00017.0131，满足条件。 （5） 计算调节器的电阻和电容 图图 3 3. .2 2 电流调节器电流调节器 取0R=40k，则kRKRnn4.340540136.850，取 3500k。 FkRCnnn0298.035001044.0，取 0.03F FkCon14001. 04，取 1F。 故 ssssKsWnnnASR1044.011044.0136.851 黄石理工学院 21 第第四四章章 转速、电流双闭环直流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统反馈、保护及反馈、保护及其他电路其他电路 （一（一） 反馈电路的设计反馈电路的设计 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。 （1）测速发电机的选择 因为VnUnm101450007. 0max*，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 42ZYS-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/min ZYS-14A 12 120 100 3000 取负载电阻GR=2K,P=2W 的电位器，测速发电机与主电动机同轴连接。 （2）电流截止反馈环节的选择 选用 LEM 模块 LA100-NP 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MR=47,， P=1W的绕线电位器。 黄石理工学院 22 负载电流为 1.2NI时。让电流截止环节起作用，此时 LA100-MP 的输出电流为 1.2NI/1000=1.2209/1000=0.2508A，输出电压为 470.2508=11.78V，再考虑一定的余量，可选用 2CW9 型的稳压管作为比较电压，VUVC2。 ( (二）二） 给定器给定器 由于放大器输入电压和输出电压极性相反，而触发器的移相控制电压cU又为正电压，故给定电压gdU就取得负电压，而一切反馈均取正电压。为此，给定电压与触发器共用一个-15V 电源，用一个 2.2k、1W 电位器引出给定电压。 （三）（三） 稳压电源稳压电源 选用 CM7815 和 CM791 三端集成稳压器作为控制电路电源，如下图所示 黄石理工学院 23 图 4.1 直流稳压电源原理图 第第五五章章 系统系统 MATLABMATLAB 仿真仿真 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。 根据选择的 ASR 和 ACR 两个调节器的 PI 参数可知: (1)(1) 电流环的仿真电流环的仿真 电流环的仿真模型如图 5.1 图 5.1 仿真模型 黄石理工学院 24 仿真结果如图 5.2： 图 5.2 仿真结果 转速换的仿真转速换的仿真 转速环的仿真模型如图 5.3 图 5.3 仿真模型 黄石理工学院 25 在仿真模型中增设了饱和非线性模块（Saturation）,它来自于 Discontinuities 组，双击改模块，把饱和的上界和下界参数分别设为+10 和-10。双击阶跃数入模块把阶跃设置为 10，把负载电流设置为 209A，其他的参数也由以上所计算的结果可直接给出。选中 Simulink 模块窗口的 SimultionConfiguration Parameters 菜单项，把 Start time 和 Stop time 栏目分别填写为 0.0s 和 1.5s。起动仿真过程，用 自动刻度调整示波器模块所显示的曲线，则满载起动。 图 5.4 仿真结果 如图 5-4 所示，此时在是在关系参数 KT=0.5，过载倍数时5 . 1时候得到的仿真结果，即对于电流环来说是实际的电流扩大 1.5 倍后的仿真结果，图 5-4 的每一格实际代表的是133.3A。图上部为电机转速曲线，下部为电机电流曲线。 从仿真结果可以看出， 电动机的起动经历了电流上升、 恒流升速和转速超调后的调节三个阶段。 转速曲线：在电流上升阶段，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器 ASR 饱和，电流调节器 ACR 起主要作用。转速一直上升。当到达恒流升速阶段时，ASR一直处于饱和状态，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统为恒值电流调节系统，因此，系统的加速度为恒值，电动机转速呈线性增长直至给定转速。使系统在最短时间内完成启动。当转速上升到额定转速时，ASR 的输入偏差为 0，但其输出由于积分作用仍然保持限幅值，这时电流也保持为最大值，导致转速继续上升，出现转速超调。转速超调后，nU极性发生了变化，0nU，则 ASR 推出饱和。其输出电压立即从限幅值下降，主电流也随之下降。此后，电动机在负载的阻力作用下很快趋于稳定。 黄石理工学院 26 电流曲线：直流电机刚启动时，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器 ASR 饱和，达到限幅值，迫使电流急速上升。当电流值达到限幅电流时，由于电流调节器 ACR 的作用使电流不再增加。当负载增大时，由于转速下降，此时转速调节器 ASR起主要的调节作用，因此，电流调节器 ACR 电流有所下降，当转速调节器 ASR 饱和，达到限幅值，使电流上升。但是由于电流值达到限幅电流时，电流调节器 ACR 的作用使电流不再增加。 起动电流稳态值C=209A，峰值maxC=312A， 电流超调量%9.4209209312%100maxiCCC； 转速稳态值C=1428r/min，峰值maxC=1437 r/min， 转速超调量%6.0142814281437%100maxnCCC 超调量反映系统的相对稳定性，超调量越小，系统相对稳定性越好。 交流交流调压调压调速系统建模与仿真调速系统建模与仿真 第一章第一章 闭环控制的变压调速系统及其静特性闭环控制的变压调速系统及其静特性 采用普通异步电动机实行变电压调速时，调速范围很窄，采用高转子电阻的力矩电动机可以增大调速范围，但机械特性又变软，因此当负载变化时静差率很大，开环控制很难解决这个矛盾。为此，对于恒转矩性质的负载，要求调速范围大于 2 时，往往采用带转速反馈的闭环控制系统，如图 1-1a 所示。 黄石理工学院 27 图 1-1b 所示的是闭环控制变压调速系统的静特性。当系统带负载LT在 A 点运行时，如果负载增大引起转速下降，反馈控制作用能提高定子电压，从而在右边一条机械特性上找到新的工作点A。同理，当负载降低时，会在左边一条特性上得到定子电压低一些的工作点A。按照反馈控制规律，将A、A 、A 、连接起来便是闭环系统的静特性。 尽管异步电动机的开环机械特性和直流电动机的开环特性差别很大，但是在不同电压的开环机械特性上各取一个相应的工作点，连接起来便得到闭环系统静特性， 这样分析方法对两种电动机的闭环系统静特性却可以很硬。改变给定信号*nU，则静特性平行的上下移动，达到调速目的。 异步电动机闭环变压调速系统不同于直流电动机闭环变压调速系统的地方是：静特性左右两边都有极限，不能无限延长，它们是额定电压sNU下的机械特性和最小输出电压minsU 下的机械特性。当负载变化时，如果电压调节到极限值，闭环系统便失去控制能力，系统的工作点只能沿着极限开环特性变化。 ASRGTUcUnM3TGnTVC图 1-1 带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统 a）原理图 b）静特性图 黄石理工学院 28 第二章第二章 闭环变压调速系统的近似动态结闭环变压调速系统的近似动态结( )MAWs构框图构框图 对系统进行动态分析和设计时，须先绘出结构框图。由图 1-1 可以直接画出如图 2-2 所示的动态结构框图。其中多数环节的传递甘薯可以很容易地写出来，只有异步电动机传递函数的推导须费一番周折。 转速调节器 ASR 常用 PI 调节器，用以消除静差并改善动态特性，其传递函数为 1( )nASRnnsWsKs （2-1） 晶闸管交流调压器和触发装置的输入-输出关系原则上是非线性的，在一定范围内可假定为线性函数，在动态中可以近似成一阶惯性环节，正如直流调速系统中的晶闸管触发和整流装置那样，传递函数可写成( )1sGT VsKWsT s 其近似条件是：13cswT，对于三相全波 Y 联结调压电路，可取sT=3.3ms，对其他形式的调压电路则须另行考虑。 考虑到反馈滤波作用，测速反馈环节 FBS 的传递函数可写成 ( )1FBSonWsT s （2-2） 黄石理工学院 29 第三章第三章 交流调压调速系统的交流调压调速系统的 Matlab 仿真仿真 （一）三相电源的建模 三相电源要可以由三个独的单相交流电压源组成， 如图 8-1 所示， 一个单相交流电压源主要有三个参数，1、峰值电压 Peak amplitude；2、相位 Phase；3、 频率 Frequency。 在此需要的是线电压 380V， 50Hz的交流电， 顺因而每个交流电压源的幅应设为 311V，频率设为 50Hz，Va、Vb、Vc 的相位分别设为 0、-120和 12 （二）晶闸管三相交流调压器的建模 晶闸管三相交流调压器通常是采用三对反并联的晶闸管元件组成， 单个晶闸管元件采用“相位控制”方式，利用电网自然换流。每对反并联晶闸管的仿真模型如图 3-2 所示。 （三）移相触发器的建模 交流调压晶闸管控制角的移相范围是 180，=0的位置定在电源电压 过零的时刻。在阻感负载时按控制角与负载阻抗角arctan( /)L R的关系，电路有两种工作状态。 1、180时 调压器输出电压和电流的正负半周是不连续的，在这范围内调节控制角，负图 3-1 三相交流电源的模型 a）一对反并联晶闸管的仿真模型 b）一对反并联晶闸管的仿真模型符号 图 3-2 一对反并联晶闸管的仿真模型及其模块符号 黄石理工学院 30 载的电压和电流将随之变化。 1、0 时 调压器输出处于失控状态，即虽然控制角变化，但负载电压不变，且是与电源电压相同的完整正弦波。这是因为阻感负载电流滞后于电压，因此如果控制角较小，在一个晶闸管电流尚未下降到零前，另一个晶闸管可能已经触发（但不能导通） ，一旦电流下降到零，如果另一个晶闸管的触发脉冲还存在，则该晶闸管立即导通，使负上电压成为连续的正弦波，出现失控现象。正因为如此，交流调压器的晶闸管必须采用后沿固定在 180的宽脉冲触发方式，以保证晶闸管能正常触发。根据以上要求设计的交流调压器触发电路如图 3-3 所示。其中 In1 为同步电压输入端，In2 为移相控制电压输入端，Out2 和 Out3 为两个差 180的触发脉冲输出端。 （四）转速调节器（PI）的建模 转速调节器采用 PI 调节器，其传函为： 11( )PIppisWsKKK ss （3-1） 式中，PK为比例系数；iK为积分系数；piK K。 由上述PI调节器的传递函数可以直接调用SIMULINK中的传递函数或零极点模块。而考虑饱和输出限幅的 PI 调节器模型如图 3-4 所示。模型中比例和积分调节分为两个通道，其中积分调节器 integrate 的限幅表示调节器的饱和限幅企，而调节器的输出限幅值由饱和模块 Saturation 设定。当该调节器作转速调图 3-3 交流调压器触发模型及其符号 黄石理工学院 31 节器 ASR 时，在起动中由于开始转速偏差大，调节器输出很快达到输出限幅值，在转速超调后首先积分器退出饱和，然后转速调节器输出才从限幅值开始下降。 图 3-4 带饱和、输出限幅的 PI 调节器及其模块符号 图 3-5 交流调压调速仿真模型 黄石理工学院 32 第四章第四章 交流调压调速系统的仿真交流调压调速系统的仿真 MATLAB 中的 power system 是适合于电力电子与电气传动研究领域仿真的一种优秀工具软件，它是一个基于图形编程的电路仿真工具。本文采用 MATLAB 仿真技术实现交流调压调速系统进行仿真研究。在开始仿真前，需要对仿真器参数进行设置，选择“Simulation”菜单中的“Simulation parameters”命令，出现仿真参数设置对话框。 选择 ode23tb 算法， 将相对误差设置为 1e-3 （110-3） ，开始时间设置为 0.0，停止时间设置为 0.2，然后点击“OK”退出设置。单击工具栏的按钮，即可进行仿真。 （1） 设定转速为 1500 r/min，负载为零，运行仿真，得到如图 4-1 所示运行结果。从图可以看出，空载起动时，转速大约在 0.4s 达到给定转速1500r/min，随后出现超调，其峰值约达到 1750r/min，随后开始下降，最终稳定在给定转速 1500r/min。在这个启动过程中，电枢电流先是比较大幅度地做衰减振荡运动，随着转速接近给定值，电枢电流也几本稳定在某个值上。但电机的电磁转矩一直处于振荡状态。 （2） 设定转速为 1500r/min，负载设为 10，启动仿真，得到如图 4-2 所示的运行结果。从图可以看出，负载启动时，转速的上升明显比空载时慢，而且转速达到 1000r/min 后，转速上升更慢。而电枢电流在开始时出现衰减振荡，很快就几本稳定在一个电流值上。电机的电磁转矩一直处于振荡状态。 （3）设定转速为 1500r/min，负载先空载，在 1 秒后突加大负载。模型仿真的实现方法是将图 8-5 中的负载给定换成阶跃信号发生模块， 并将阶跃信号的延时时间设为 1s，初始值设为 0，终值设为 50，启动仿真，得到如图 4-3 所示。从图可以看出，突加大负载后，转速迅速下降，直到为 0。电机的电枢电流有增大 黄石理工学院 33 图 4-1 交流调压调速系统在给定转速为1500r/min，空载时的仿真结果 图 4-2 交流调压调速系统在给定转速为1500r/min，负载为 10 时的仿真结果 黄石理工学院 34 从以上的仿真结果可看出： 交流调压调速系统的建模与仿真成功。 交流调压调速系统的带负载启动性能较差。 交流调压调速系统过负载能力差。 交流调压调速系统的调速范围小。 图 4-3 交流调压调速系统在给定转速为 1500r/min， 突加大负载时的仿真结果 黄石理工学院 35 小结小结 此次课程设计结束了，经过这两个星期的设计，从刚开始对直流部分“电流双闭环直流调速系统”与“交流调压调速系统建模及仿真”的含糊不清到对直流和交流调速系统的设计各个环节和步骤有了较好的掌握。 在整个过程包括系统整体结构构思、资料的搜集、具体设计与仿真。这次的课程设计要求掌握的知识面比较广，所以这使我不仅对电气控制与计算机控制应用有了更系统化地学习，而且对其他方面的知识也有较好的了解。 在设计完成后进行仿真， 我们利用 MATLAB仿真，把电路连好设定好参数就可以进入参数调试，仿真。调试的主要任务是排除系统的故障和错误。调试阶段，找出硬件、参数间不相匹配和有错的地方，反复修改，直到符合设计要求。另外该过程中，还加深了相关的辅助工具的应用，对 MATLAB 仿真软件的运用更加熟练。此外，在写设计报告过程，也经过多次修改和校正，使我更加懂得用心去做好一件事，需要时间，需要毅力，做好每一件事情都很不容易。 由于理论知识没有掌握熟练，刚接触这个题目时还不知道怎么下手，后来通过老师的讲解和查阅资料，慢慢的有点头绪了。然而看花容易绣花难，在实际过程中，总会遇到各种问题和困难。在计算过程中，主电路的选择，触发电路的选择，各种基本电路芯片的选择与匹配问题，仿真模型的建立，由于以前这方面的经验比较缺乏，在选择时很困难，只能去请教老师和其他有经验的同学，自己也到处查资料，最后通过自己的努力，仿真模型终于建立起来了，波形也出来了，两周时间很快就过去了，这期间我学会了很多东西，对直流、交流调速控制系统的有了更深一步地了解。此设计可以为以后从事相关工作打下基础。 感谢老师及其他人的悉心指导和帮助，没有你们的无私奉献，我是不可能顺利完成此次课程设计的。 黄石理工学院 36 参考文献 1、石玉等.电力电子技术题例与电路设计指.北京：机械工业出版社，1998 2、王兆安.电力电子技术. 第 4 版北京：机械工业出版社，200 3、王离九等. 电力拖动自动控制系统. 武汉：华中科技大学出版社，1991 4、胡寿松.自动控制原理：第 4 版.北京：国防工业出版社 5、李华德主编.交流调速控制系统.电子工业出版社，2003 6、黄忠霖等.控制系统 MATLAB 设计及仿真.机械工业出版社，2001 7、洪乃刚等. 电力电子和电力拖动控制系统的 MATLAB 仿真.机械工业出版社，2007