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。 图4.1 转速、电流双闭环调速系统 TA L + 5、电机参数及设计要求 Ui *电机参数 U*i - U5.1 n=40 ASR ，UP? min/rUd 直流电动机：220V+ 136A，1460r/min，=0.192V ，允许过载倍数=1.5，晶闸管装置放大系数：+ - Un ACR Uc V Id M ME - TTG - 电枢回路总电阻：R=0.5 时间常数：=0.00167s, =0.075s 电流反馈系数：=0.05V/A 转速反馈系数：=0.007 V ? min/r n 5.2设计要求 要求电流超调量5%，转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量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=0.0017s； 2）电流滤波时间常数（2）选择电流调节结构 根据设计要求
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
=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
=0.002s；
=+
=0.0037s；
3）电流环小时间常数之和
式中— 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：==0.03s。 电流环开环增益：要求
5%时，取
=0.5，因此
于是，ACR的比例系数为
（4）校验近似条件 电流环截止频率
=
135.1
196.1
>
，所以满足近似条件；
<
，所以满足近似条
40.82>
1）校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足：因为 2）校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足：件；
3) 校验小时间常数近似处理是否满足条件：
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=0.5067 =16.89;
当KT=1.0时，可得=2.027 =67.567
180.8
，所以满足近似条件。
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）电流滤波时间常数3）转速环小时间常数
=
=0.0074s；
=0.01s；
+
；
型系统设计
根据所用测速发电机纹波情况，取
（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，应按典型转速环，转速调节器选用比例积分调节器（PI），其传递函数为
式中
— 电流调节器的比例系数；
— 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
，
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34.5
63.7
>
,所以满足简化条件；
>
，所以满足近似条件。
38.7
1）校验电流环传递函数简化条件是否满足：由于2）校验转速环小时间常数近似处理是否满足条件：由于3）核算转速超调量 当h=5时，能满足设计要求。
=81.2%，而
=
=515.2rpm，因此
=8.31%<10%
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
图7.2 转速环的仿真模型
8、仿真结果分析
当取=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
=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
=2.027，
=67.567时，电流环阶跃响应超调大，但上升时间短。