转速电流双闭环直流调速系统的课程设计MATLABSimulink.docx

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转速电流双闭环直流调速系统的课程设计MATLABSimulink

电力拖动自动控制系统课程设计

电气工程及其自动化专业

任务书

1.设计题目

转速、电流双闭环直流调速系统的设计

2.设计任务

某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，

根本数据为：

直流电动机：

Un=440V，In=365A，nN=950r/min，Ra=0.04,

电枢电路总电阻R=0.0825,

电枢电路总电感L=3.0mH,

电流允许过载倍数=1.5，

折算到电动机飞轮惯量GD2=20Nm2。

晶闸管整流装置放大倍数Ks=40，滞后时间常数Ts=0.0017s

电流反响系数=0.274V/A（10V/1.5IN）

转速反响系数=0.0158Vmin/r（10V/nN）

滤波时间常数取Toi=0.002s，Ton=0.01s

===15V；调节器输入电阻Ra=40k

3.设计要求

（1）稳态指标:

无静差

（2）动态指标:

电流超调量5%；采用转速微分负反响使转速超调量等于0。

前言

许多生产机械要求在一定的围进展速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。

而直流调速系统调速围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期几乎都采用直流电力拖动系统。

双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中开展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。

它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。

我们知道反响闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反响环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。

采用转速负反响和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。

但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。

在单闭环系统中，只有电流截止至负反响环节是专门用来控制电流的。

但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反响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。

在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流〔转矩〕为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，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的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。

随着社会化大生产的不断开展，电力传动装置在现代化工业生产中的得到广泛应用，对其生产工艺、产品质量的要求不断提高，这就需要越来越多的生产机械能够实现制动调速，因此我们就要对这样的自动调速系统作一些深入的了解和研究。

本次设计的课题是双闭环晶闸管不可逆直流调速系统，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局部。

第一章双闭环直流调速系统的工作原理

1.1双闭环直流调速系统的介绍

双闭环〔转速环、电流环〕直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。

它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。

我们知道反响闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反响环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。

采用转速负反响和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。

但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。

在单闭环系统中，只有电流截止负反响环节是专门用来控制电流的。

但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反响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。

带电流截止负反响的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图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，因而加速过程必然拖长。

（a）带电流截止负反响的单闭环调速系统起动过程（b）理想快速起动过程

图1调速系统起动过程的电流和转速波形

在实际工作中，我们希望在电机最大电流〔转矩〕受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流〔转矩〕为允许最大值，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。

实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，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的恒流过程，按照反响控制规律，采用某个物理量的负反响就可以保持该量根本不变，那么采用电流负反响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响，而不能让它和转速负反响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响，不再靠电流负反响发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。

这样就能做到既存在转速和电流两种负反响作用又能使它们作用在不同的阶段。

1.2双闭环直流调速系统的组成

为了实现转速和电流两种负反响分别起作用，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，如图2所示，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。

从闭环构造上看，电流调节环在里面，叫做环；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。

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。

图2转速、电流双闭环直流调速系统

图中U*n、Un—转速给定电压和转速反响电压；U*i、Ui—电流给定电压和电流反响电压；ASR—转速调节器；ACR—电流调节器；TG—测速发电机；TA—电流互感器；UPE—电力电子变换器

1.3双闭环直流调速系统的稳态构造图和静特性

图3：

双闭环直流调速系统的稳态构造图

双闭环直流系统的稳态构造图如图3所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征。

一般存在两种状况：

饱和——输出到达限幅值；不饱和——输出未到达限幅值。

当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。

当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳太时总是为零。

实际上，在正常运行时，电流调节器是不会到达饱和状态的。

因此，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。

1．转速调节器不饱和

这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此，

===〔1-1〕

==〔1-2〕

由式〔1-1〕可得：

n==

从而得到静特性曲线的CA段。

与此同时，由于ASR不饱和，<可知<，这就是说，CA段特性从理想空载状态的Id=0一直延续到=。

而，一般都是大于额定电流的。

这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。

2．转速调节器饱和

这时，ASR输出到达限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。

双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。

稳态时：

==〔1-3〕

其中，最大电流取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度，由上式可得静特性的AB段，它是一条垂直的特性。

这样是下垂特性只适合于的情况，因为如果，那么，ASR将退出饱和状态。

。

图4双闭环直流调速系统的静特性曲线

1.4双闭环直流调速系统的数学模型

1.4.1双闭环直流调速系统的动态数学模型

双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为根底的系统动态构造图。

双闭环直流调速系统的动态构造框图如图5所示。

图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。

为了引出电流反响，在电动机的动态构造框图中必须把电枢电流显露出来。

图5：

双闭环直流调速系统的动态构造框图

1.4.2起动过程分析

双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速调节器输出电压、电流调节器输出电压、可控整流器输出电压、电动机电枢电流和转速的动态响应波形过程如图2—8所示。

由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个阶段。

图6双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形

第一阶段是电流上升阶段。

当突加给定电压时，由于电动机的机电惯性较大，电动机还来不及转动〔n=0〕，转速负反响电压，这时，很大，使ASR的输出突增为，ACR的输出为，可控整流器的输出为，使电枢电流迅速增加。

当增加到〔负载电流〕时，电动机开场转动，以后转速调节器ASR的输出很快到达限幅值，从而使电枢电流到达所对应的最大值〔在这过程中的下降是由于电流负反响所引起的〕，到这时电流负反响电压与ACR的给定电压根本上是相等的，即

〔1-3〕

式中，——电流反响系数。

速度调节器ASR的输出限幅值正是按这个要求来整定的。

第二阶段是恒流升速阶段。

从电流升到最大值开场，到转速升到给定值为止，这是启动过程的主要阶段，在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速负反响不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统表现为恒流调节。

由于电流保持恒定值，即系统的加速度为恒值，所以转速n按线性规律上升，由知，也线性增加，这就要求也要线性增加，故在启动过程中电流调节器是不应该饱和的，晶闸管可控整流环节也不应该饱和。

第三阶段是转速调节阶段。

转速调节器在这个阶段中起作用。

开场时转速已经上升到给定值，ASR的给定电压与转速负反响电压相平衡，输入偏差等于零。

但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在以最大电流下加速，使转速超调。

超调后，，使ASR退出饱和，其输出电压〔也就是ACR的给定电压〕才从限幅值降下来，也随之降了下来，但是，由于仍大于负载电流，在开场一段时间转速仍继续上升。

到时，电动机才开场在负载的阻力下减速，知道稳定〔如果系统的动态品质不够好，可能振荡几次以后才稳定〕。

在这个阶段中ASR与ACR同时发挥作用，由于转速调节器在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用那么力图使尽快地跟随ASR输出的变化。

稳态时，转速等于给定值，电枢电流等于负载电流，ASR和ACR的输入偏差电压都为零，但由于积分作用，它们都有恒定的输出电压。

ASR的输出电压为

〔1-4〕

ACR的输出电压为

〔1-5〕

由上述可知，双闭环调速系统，在启动过程的大局部时间，ASR处于饱和限幅状态，转速环相当于开路，系统表现为恒电流调节，从而可根本上实现理想过程。

双闭环调速系统的转速响应一定有超调，只有在超调后，转速调节器才能退出饱和，使在稳定运行时ASR发挥调节作用，从而使在稳态和接近稳态运行中表现为无静差调速。

故双闭环调速系统具有良好的静态和动态品质。

综上所述，双闭环调速系统的起动过程有以下三个特点：

〔1〕饱和非线形控制：

随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态，在不同情况下表现为不同构造的线形系统，只能采用分段线形化的方法来分析，不能简单的用线形控制理论来笼统的设计这样的控制系统。

〔2〕转速超调：

当转速调节器ASR采用PI调节器时，转速必然有超调。

转速略有超调一般是容许的，对于完全不允许超调的情况，应采用其他控制方法来抑制超调。

〔3〕准时间最优控制：

在设备允许条件下实现最短时间的控制称作“时间最优控制〞，对于电力拖动系统，在电动机允许过载能力限制下的恒流起动，就是时间最优控制。

但由于在起动过程Ⅰ、Ⅱ两个阶段中电流不能突变，实际起动过程与理想启动过程相比还有