直流调速系统设计

直流调速系统设计姓名：吴永康课程名称：直流拖动自动控制系统指导教师：车海军老师2018年6月第1页V--M双闭环直流调速系统仿真吴永康（燕山大学电气工程学院）摘要：转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。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的应用。常用的电机调速系统有转速闭环控制系统和电流闭环控制系统，二者都可以在一定程度上克服开环系统造成的电动机静差率，但是不够理想。实际设计中常采用转速、电流双闭环控制系统，一般使电流环(ACR)作为控制系统的内环，转速环(ASR)作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。本文是按照工程设计的方法来设计转速和电流调节器的。使电动机满足所要求的静态和动态性能指标。电流环应以跟随性能为主，即应选用典型Ⅰ型系统，而转速环以抗扰性能为主，即应选用典型Ⅱ型系统为主。关键词：直流双闭环调速系统电流调节器转速调节器1设计任务及要求1.1设计任务设计V-M双闭环直流可逆调速系统1.1.1技术数据：•直流电动机：额定电枢电压NU=400V，额定功率1.9kW，额定电枢电流dNI=6.9A，额定转速Nn=855r/min，电动机电动势系数Ce=0.1925Vmin/r，允许过载倍数λ=1.5；•晶闸管装置放大系数：Ks=40；整流装置平均滞后时间常数sT=0.00167s，•电枢回路总电阻：R=11.67Ω；•电枢回路电感110mH，电力拖动系统机电时间常数Tm=0.075s；•电枢电流反馈系数：β=0.121V/A（≈10V/1.5NI），电流滤波时间常数oiT=0.002s；•转速反馈系数α=0.01V.min/r（≈10V/Nn）；转速滤波时间常数noT=0.01s；第2页1.2设计要求：(1)根据试凑法设计电流调节器和转速调节器参数进行仿真，电流超调量i≤5%；实现转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量n≤5%；(2)试利用Matlab仿真软件中的Simulink或Simulink中的Powersystem模块进行仿真，在Matlab仿真软件中构建仿真模型；(3)用Plot函数绘制理想空载启动到设定转速500r/min下电机启动过程，转速达到设定值后经过20s给定反向信号*nU=-10V时正反转启动过程中转速、电枢电流波形。(4)对仿真波形及结果进行分析。2V-M双闭环调速系统的设计改变电枢两端的电压能使电动机改变转向。尽管电枢反接需要较大容量的晶闸管装置，但是它反向过程快，由于晶闸管的单向导电性，需要可逆运行时经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，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。如图1所示两组晶闸管分别由两套触发装置控制，可以做到互不干扰，都能灵活地控制电动机的可逆运行，所以本设计采用两组晶闸管反并联的方式。并且采用三相桥式整流。虽然两组晶闸管反并联的可逆V-M系统解决了电动机的正、反转运行的问题，但是两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，，称作环流，一般地说，这样的环流对负载无益，只会加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率。环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。为了防止产生直流平均环流，应该在正组处于整流状态、Udof为正时，强迫让反组处于逆变状态、使Udor为负，且幅值与Udof相等，使逆变电压Udor把整流电压Udof顶住，则直流平均环流为零。于是有：dofUUdor又由于：第3页fdodofrdodorUUUUmaxmax其中，αr和αf分别为VF和VR的控制角。由于两组晶闸管装置相同，两组的最大输出电压Umaxdo是一样的，因此，当直流平均环流为零时，应有frcoscos,0r180f。如果反组的控制角用逆变角βr表示，则αr=βr按照这样控制就可以消除环流。图1两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路系统设计的一般原则为：先内环后外环。即从内环开始，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2为转速、电流双闭环调速系统的原理图，图3为双闭环调速系统的结构图。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U*im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。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。其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机第4页发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUcKFKR+-图2转速、电流双闭环调速系统的原理图图3双闭环调速系统的结构图3电流调节器设计3.1电流环结构框图的化简电流环结构图的简化分为忽略反电动势的动态影响、等效成单位负反馈系统、小惯性环节的近似处理等环节。第5页3.2电流环参数的计算3.2.1确定时间常数(1)整流装置滞后时间常数Ts。按表1，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.00167s。(2)电流滤波时间常数本设计初始条件已给出，即Toi=0.002s。(3)电流环小时间常数之和T∑=Ts+Toi=0.00367s(4)电磁回路时间常数Tl=L/R=0.01s表1各种整流装置的失控时间3.2.2电流调节器结构的选择从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用I型系统就够了。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。+-ACRUc(s)Ks/R(Tls+1)(Tis+1)Id(s)U*i(s)+-ACRUc(s)Ks/Rvfdsfss(vv(Tls+1)(Tis+1)Id(s)图4电流环的简化结构图整流电路形式最大失控时间Tsmax（ms）平均失控时间Ts（ms）单相半波单相桥式（全波）三相半波三相桥式、六相半波20106.673.331053.331.67第6页电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成ssKWiiACR)1(i式中Ki—电流调节器的比例系数；i—电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能：57.20367.001.0liTT参照典型Ⅰ型系统动态抗扰性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。3.2.3计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：i=Tl=0.07s。电流环开环增益：要求δi＜5%时，应取KIT∑i=0.5，因此114.1355.0sTKiI于是，ACR的比例系数为：3.26121.04067.1101.014.135isiiKRKK3.2.4校验近似条件电流环截止频率：ci=KI=135.14s-1。晶闸管整流装置传递函数的近似条件：60.91976001.03131sT满足近似条件忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件第7页109.5410.0075.01313lmTT满足近似条件电流环小时间常数近似处理条件182.39002.076001.01131oisTT满足近似条件3.2.5计算调节器电阻和电容运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为kkkRKRii1304130.403.260取FFRCiii9760.01013010.03FFFRTCoioi2.02.01040002.04430取按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为δi=4.3%5%,满足设计要求。4转速调节器的设计4.1转速环结构框图电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为Ui*(s),用电流环的等效环节代替电流环后,再把时间常数为1/KI和T0n的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节,最后转速环结构简图为图4所示。第8页图5等效转速环结构框图4.2转速环参数的计算4.2.1确定时间常数（1）电流环等效时间常数1/KI。由电流环参数可知KIT∑i=0.5，则sTKiI0074.00037.0221（2)转速滤波时间常数Ton。根据已知条件可知Ton=0.01s（3)转速环小时间常数T∑n。按小时间常数近似处理，取sTKTonIn0174.001.00074.014.2.2选择转速调节器结构为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中，在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型Ⅱ型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为：式中Kn—转速调节器的比例系数；n—转速调节器的超前时间常数。4.2.3计算转速调节器参数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shTnn087.00174.05ssKsWnnnASR)1()(第9页转速环开环增益为：2222235.3960174.052621sThhKnNASR的比例系数为：0.520174.011.6710.052075.09251.0121.062)1(nmenRThTChK4.2.4检验近似条件转速环截止频率为1132.13087.035.396sKKnNNcn（1）电流环传递函数简化条件为107.6376003.041.1353131sTKiI满足近似条件（2）转速环小时间常数近似处理条件为157.3801.041.1353131sTKonI满足近似条件4.2.5计算调节器电阻和电容取R0=40k，则；取kkkRKRnn2120.8400.520；取FFFRCnnn2.01977.010440087.03FFFRTConon11104001.04430取4.2.6校核转速超调量第10页当h=5时，查询典型Ⅱ型系统阶跃输入跟随性能指标的表格可以看出%6.37n，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(空载Z=0)。此时超调量为：，所以不符合要求。因为5%27.65%%65.27075.00174.08551925.067.119.65.1%2.812))((2*maxmnNbnTTnnzCC取h=3，则ASR的超前时间常数为shTnn5220.00174.03转速环开环增益为：22222733.990174.032421sThhKnNASR的比例系数为：0.570174.011.6710.052075.09251.0121.042)1(nmenRThTChK转速环截止频率为1138.315220.0733.99sKKnNNcn（1）电流环传递函数简化条件为107.6376003.041.1353131sTKiI满足近似条件（2）转速环小时间常数近似处理条件为157.3801.041.1353131sTKonI满足近似条件此时超调量为：第11页，所以不符合要求。因为5%24.6%%6.42075.00174.