《电力拖动与控制系统》课程设计说明书

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1、电力拖动与控制系统课程设计说明书 目录 摘要 2 1计任务及要求 3 1.1初始条件 3 1.2 设计要求 3 1.2.1技术要求 3 1.2.2设计内容 3 2系统设计方案 4 2.1 原理框图 4 2.2稳态结构图 5 3调节器设计 6 3.1电流调节器的设计 7 3.1.1电流调节器的工作原理及作用 7 3.1.2电流环结构图的简化 8 3.1.3时间常数的计算 9 3.1.4选择电流调节器结构 9 3.1.5计算电流调节器参数 10 3.1.6检验近似条件 10 3.1.7计算电流调节器电阻和电容 11 3.2转速调节器的设计 12 3.2.1转速调节器的工作原理及作用 12 3.2.

2、2电流环的等效闭环传递函数 12 3.2.3 时间常数的计算 13 3.2.4选择转速调节器结构 14 3.2.5转速调节器参数的计算 15 3.2.6检验近似条件 15 3.2.7检验转速超调量 16 3.2.8计算转速调节器电阻和电容 17 4 系统建模与仿真实验 17 4.1 MATLAB仿真软件Simulink 仿真环境 17 4.2双闭环模型的建立 18 4.3双闭环系统的仿真 20 4.4系统的电气原理总图 23 5总结与体会 24 参考文献 25 附录 26 摘要 直流调速系统凭借优良的调速特性，调速平滑、范围宽、精度高、过载能力大、动态性能好和易于控制等优点，能满足生产过程自动

3、化系统中各种不同的特殊运行要求，所以在电气传动中获得了广泛应用。本次采用的直流双闭环调速系统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。对各个环节设计好之后，我们采用计算机仿真技术。计算机仿真可以不运行实际系统，只要在计算机上建立数字仿真模型，模仿被仿真对象的运行状态及其随时间变化的过程。 关键词：调速 反馈 模拟 仿真 V-M双闭环直流调速系统 建模与仿真2 1计任务及要求 1.1初始条件 技术数据及技术指标如下： 直流电动机： PN=55KW , UN=220V , IN=287A , nN=1500r/min , Ra=0.1 最大允许电流：

4、 Idbl=1.5IN ,三相全控整流装置： Ks=30 , 电枢回路总电阻： R=0.15 ，系统主电路： Tm=0.12s ，Tl=0.012s 滤波时间常数： Toi=0.002s , Ton=0.012s, 其他参数： Unm*=8V , Uim*=8V , Ucm=8V i5% , n10% 1.2 设计要求 1.2.1技术要求 (1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D10），系统在工作范围内能稳定工作。 (2) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续 。 1.2.2设计内容 (1) 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭

5、环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图 。 (2) 根据双闭环直流调速系统原理图分析转速调节器和电流调节器的作用。 (3) 对调节器参数进行设计,通过MATLAB对系统进行仿真和参数的调节。 (4) 绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图。 (5) 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。 2系统设计方案 2.1 原理框图 V-M双闭环直流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。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。带电流截止负反馈的单闭环调

6、速系统起动时的电流和转速波形如图 2-1（a）所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，起动（调整时间ts）的时间就比较长。在实际工作中为了尽快缩短过渡时间，使起动的电流保护在最大允许值上，并且始终允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形如图 2-1（b）所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。 IdL n t Id O Idm IdL n t Id O Idm n n (a) (b) (a)带

7、电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 (b)理想快速起动过程 图2-1 调速系统起动过程的电流和转速波形 实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突变，为了实现在允许条件下最快启动，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

8、和电流，二者之间实行嵌套连接，如图3-2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，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。 图2-2 转速、电流反馈控制 直流调速系统原理图 原理如图2-2所示，ASR是转速调节器，ACR是电流调节器，TG是测速发电机， TA是电流互感器，UPE是电力电子变换器，Un*是转速给定电压，Un是转速反馈电压，Ui*是电流给定电压，Ui是电流反馈电压。 2.2稳态结构图 双闭环直流调速系统稳态结构如图2-3所示，两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR

9、的输出限幅电压Uim*决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR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。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。 双闭环直流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，转速负反馈起主要作用，Un*=Un=n。当负载电流达到

10、Idm时对应于转速调节器为饱和输出Uim*，这时，电流调节器起主要作用Id=Uim*/=Idm，系统表现为电流无静差，起到过电流的自动保护作用。 图2-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图 转速反馈系数 电流反馈系数 3调节器设计 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。 双闭环电流调速系统结构如图3-1所示。系统外环是速度环，内环是电流环，分别对转速和电流进行调节，两者之间实行串行联接。用于串联校正和改变系统静态和动态特性以及综合输入和反馈信号。 图3-1 双闭环调速系统原理图 3.1电流调节器的设计 3.1.1电流调节器的工作

11、原理及作用 电流调节器有两个输入信号。一个是转速调节器输出反映偏差大小的主控信号Ui*，一个是由交流互感器测出的反映主回路电流反馈信号Ui，当突加一个很大的给定速度输入值，其输出整定在最大饱和值上，与此同时电枢电流为最大值，从而电动机在加速过程中始终保持在最大转距和最大加速度，使起、制动过程时间最短。如果电网电压发生突变（如降低）时，整流器输出电压也会随之变化（降低），引起主回路电流变化（减小），由于快速性好，立即使调节器的输出变化（增大），则也变化（变小），最后使整流器输出电压又恢复（增加）至原来的数值，这就抑制了主回路电流的变化。也就是说，在电网电压变化时，在电动机转速变化之前，电流的变化

12、首先被抑制了。 同样，如果机械负载或电枢电流突然发生很大的变化，由于采用了频率响应较好的快速电流负反馈，当整流器电流侧发生类似短路的严重故障时，电流负反馈也及时的把电流故障反馈到电流控制回路中去，以便迅速减小输出电压，从而保护晶闸管和电流电动机不致因电流过大而损坏。 综上所述，电流调节器ACR的主要作用如下： (1) 对电网电压波动起抗干扰作用 ； (2) 启动时保证获得容许的最大电流 Idm ； (3) 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。 3.1.2电流环结构

13、图的简化 电流环结构图如图4-2所示。 图3-2 电流环的动态结构图 由于突加给定阶跃后，速度调节器输出马上达到饱和限幅值，电流环投入工作使电机电枢电流很快上升，相对电流来说，速度变化很缓慢。因此，可以认为反电势产生的影响很小，令E=0，则图4-2通过结构图变换，简化为图3-3。 图3-3 电流环动态结构图等效成单位负反馈系统 查表得三相桥式全控平均失控时间Ts =0.0017s，电流滤波时间常数Toi 0.002s ，电磁 时间常数Tl 0.012s，Ts和Toi都比Tl小得多，可以当作小惯性环节处理，看成一个惯性环节，取 则电流环结构图最终简化成图3-4. 图3-4 电流环动态结构图小惯性

14、环节近似处理 3.1.3时间常数的计算 （1）三相桥式电路的平均失控时间Ts 三相桥式电路晶闸管最大失控时间在00.0033s之间随机分布，取其平均值，即 Ts 0.0017s （2）电流滤波时间常数Toi 0.002s （3）电流环小时间常数Ti 按小时间常数近似处理，取 0.0017s+0.002s0.0037s （4）电磁时间常数Tl 0.012s （5）ACR超前时间常数 Tl0.012s 3.1.4选择电流调节器结构 电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态过程中不超过容许值，因而在突加控制作用时不希望有超调，或者超调量越小越好。可电流环还有另一个对电网电压波动及时调节的作用，因此还要提高其抗扰性能。 由于设计要求超调量i5并且保证系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续，有好的动态性能，我们采用典型 型来设计电流调节器。电流调节器选用PI型。 令电流调节器的传递函数为 检查对电源电压的抗扰性能 当KT=0.5时，得各项指标都是可以接受的。 3.1.5计算电流调节器参数 ACR超前时间常数Tl0.012s 由于超调量i5，取 = 0.5 因此，电流环的开环增益为 电流反馈系数，电流调节器限幅值为8V，则 =8/（1.5*287）=0.019 V/A 于是ACR的比例系数为 3.1.6检验近似条件 电流环截止频