双闭环直流调速系统的设计与仿真

1、实验目的

1．熟悉晶闸管直流调速系统的组成及其基本原理。 2．掌握晶闸管直流调速系统参数及反馈环节测定方法。 3．掌握调节器的工程设计及仿真方法。

2、实验内容 1．调节器的工程设计 2．仿真模型建立 3．系统仿真分析

3、实验要求

用电机参数建立相应仿真模型进行仿真

4、双闭环直流调速系统组成及工作原理

晶闸管直流调速系统由三相调压器，晶闸管整流调速装置，平波电抗器，电动机—发电机组等组成。

本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制回路可直接由给定电压Uct作为触发器的移相控制电压，改变Uct的大小即可改变控制角，从而获得可调的直流电压和转速，以满足实验要求。

为了实现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，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，二者之间实行嵌套联接，如图4.1。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流的输出去控制电力电子变换器UPE。在结构上，电流环作为内环，转速环作为外环，形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态特性，转速和电流两个调节器采用PI调节器。 TA Ui i L + U*n + - Un ASR U*- + ACR Uc V Id UPUd - TTG M M - n 图4.1 转速、电流双闭环调速系统 5、电机参数及设计要求 5.1电机参数

直流电动机：220V，136A，1460r/min，??e=0.192V ? min/r，允许过载倍数=1.5，晶闸管装置放大系数：??s=40

电枢回路总电阻：R=0.5

时间常数：??l=0.00167s, ??m=0.075s 电流反馈系数：??=0.05V/A

转速反馈系数：=0.007 V ? min/r

5.2设计要求

要求电流超调量σi≤5%，转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量σn≤10%。

6、调节器的工程设计 6.1电流调节器ACR的设计

（1）确定电流环时间常数

1）装置滞后时间常数??s=0.0017s； 2）电流滤波时间常数??oi=0.002s；

3）电流环小时间常数之和??∑i=??s+??oi=0.0037s； （2）选择电流调节结构

根据设计要求σi≤5%，并且保证稳态电流无差，电流环的控制对象是双惯性型的，且??l/??∑i=0.03/0.0037=8.11<10，故校正成典型 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

??ACR(??)=??i

式中??i— 电流调节器的比例系数； ????— 电流调节器的超前时间常数。

（3）计算电流调节器参数

电流调节器超前时间常数：????=??l=0.03s。

电流环开环增益：要求σi≤5%时，取??I??∑i=0.5，因此

0.5??I=≈135.1s?1

??∑i

于是，ACR的比例系数为

??I??i????i=≈1.013

??s??（4）校验近似条件

电流环截止频率??ci=??I≈135.1s?1

1）校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足：因为1/3??s≈196.1s?1>??ci，所以满足近似条件；

2）校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足：3√1/??m??l≈40.82s?1

3) 校验小时间常数近似处理是否满足条件：(1/3)√1/??m??l≈180.8s?1>??ci，所以满足近似条件。

按照上述参数，电流环满足动态设计指标要求和近似条件。 同理，当KT=0.25时，可得??i=0.5067 ????=16.89;

当KT=1.0时，可得??i=2.027 ????=67.567

??i??+1

??????6.2转速调节器ASR的设计

（1）确定转速环时间常数

1）电流环等效时间常数为2??∑i=0.0074s；

2）电流滤波时间常数??on根据所用测速发电机纹波情况，取??on=0.01s； 3）转速环小时间常数??∑n=2??∑i+??on； （2）转速调节器的结构选择

由于设计要求转速无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态设计要求，应按典型

型系统设计转速环，转速调节器选用比例积分调节器（PI），其传递函数为

??n??+1

??ASR(??)=??n

??????

式中??n— 电流调节器的比例系数； ??n— 电流调节器的超前时间常数。 （3）选择转速调节器参数

按照跟随和抗扰性能都较好的原则取h=5，则转速调节器的超前时间常数为

????=???∑n=0.087s，

转速开环增益为

????=

所以转速调节器的比例系数为

????=

（4）校验近似条件

转速环截止频率??cn=????????≈34.5s?1

1）校验电流环传递函数简化条件是否满足：由于(1/3)√??I/??∑i≈63.7s?1>??cn,所以满足简化条件；

2）校验转速环小时间常数近似处理是否满足条件：由于(1/3)√??I/??on≈38.7s?1>??cn，所以满足近似条件。

3）核算转速超调量

当h=5时，???max/????=81.2%，而???N=??N??/??e=515.2rpm，因此

σn=(???max/????)×2(λ???)(???N??∑n)/(?????m)=8.31%<10%

能满足设计要求。

(?+1)????m??e

≈11.7

2?α????∑n?+12?2??∑n

2

≈396.4s?2

7、仿真模型的建立

利用MATLAB上的SIMULINK仿真平台，建立仿真模型。如图7.1为电流环的仿真模型，图7.2为加了转速环之后的双闭环控制系统的仿真模型。

图7.1 电流环的仿真模型

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图7.2 转速环的仿真模型

8、仿真结果分析

当取??i=1.013，????=33.77时，电流环阶跃响应快，超调量小。

图8.1 电流环仿真结果

当??i=0.5067，????=16.89时，电流环阶跃响应无超调，但上升时间长。

图8.2 无超调的仿真结果

当??i=2.027，????=67.567时，电流环阶跃响应超调大，但上升时间短。

图8.3 超调量较大的仿真结果

当????=11.7，????=134.48时，图7.2中“step1”中“step time”值为0，“final value”值为10，代表空载状态，此时系统起动速度快，退饱和超调量较大。

图8.4 转速环空载高速起动波形图

当????=11.7，????=134.48时，图7.2中“step1”中“step time”值为0，“final value”值为136，代表满载状态，此时系统起动时间延长，退饱和超调量减小。

图8.5 转速环满载高速起动波形图