直流双闭环调速系统的设计与仿真.doc

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实用标准文案

目录

第一篇直流调速系统的设计及仿真

1系统方案选择和总体结构设计

1.1调速方案的选择

1.2总体结构设计.

2控制电路的设计与计算

2.1给定环节的选择

2.2控制电路的直流电源

3主电路设计与参数计算

3.1晶闸管的选择

3.1.1晶闸管的额定电流

3.1.2晶闸管的额定电压

3.2整流变压器的设计

3.2.1变压器二次侧电压U2的计算

3.2.2一次、二次相电流I1、I2的计算

3.2.3变压器容量的计算

4触发电路的选择

4.1触发电路的选择

5双闭环励磁设计和校验

5.1电流调节器的设计和校验

5.2转速调节器的设计和校验

6转速、电流双闭环直流调速系统的电气总图

7直流系统MATLAB仿真

7.1系统的建模与参数设置

7.2系统仿真结果的输出

第二篇交流调压调速系统的建模与仿真

8交流调压调速系统的原理及特性

8.1异步电动机改变电压时的机械特性

8.2闭环控制的变压调速系统及其静特性

8.3闭环变压调速系统的近似动态结构框图

9交流调压调速系统的Matlab仿真

9.1交流调压调速系统的建模

9.2交流调压调速系统的仿真

总结

参考文献

摘要

转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、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。

20世纪70年代初出现了交流电动机的矢量控制原理，为高性能交流控制奠定了理论基础，实现像直流电动机那样的对磁场和转矩的解耦控制。

矢量控制理论的提出和成功应用，开创了用交流调速系统代替直流调速系统的时代。

80年代掀起了交流调速热，矢量控制理论进一步完善和发展，一些新的控制策略和方法相继提出并被采用，例如“直接转矩控制”就是80年代中期提出的又一交流调速控制技术，直接转矩控制利用观察电动机的电磁转矩和宽一子磁链，不需在进行复杂的坐标变换，采用闭环控制，直接控制电磁转矩和定子磁链，系统更加简单，控制更加直接，受到各国学者的重视。

第一篇直流调速系统的设计及仿真

1系统方案选择和总体结构设计

1.1调速方案的选择

本次设计选用的电动机型号Z2-92型，其具体参数如下表1-1所示

表1-1Z2-92型电动机具体参数

电动机

型号

PN（KW）

UN（V）

IN（A）

NN（r/min）

Ra（Ω）

GDa2（Nm2）

P极对数

Z2-92

67

230

291

1450

0.2

68.60

1

（一）电动机供电方案的选择

变压器调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：

旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。

旋转变流机组简称G-M系统，适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。

静止可控整流器又称V-M系统，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。

直流斩波器和脉宽调制交换器采用PWM受器件各量限制，适用于中、小功率的系统。

根据本此设计的技术要求和特点选V-M系统。

在V-M系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压。

由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。

考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。

因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。

并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省。

而且工作可靠，能耗小，效率高。

同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。

综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。

（二）调速方案的选择

由vmin/r,

当电流连续时，系统额定速降为:

r/min,.

开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率:

，大大超过了S≤5%.

若D=10，S≤5%.，则，可知开环调速系统的额定速降是1090.4，而工艺要求的是7.6，故开环调速系统无能为力，需采用反馈控制的闭环调速系统。

因调速要求较高，故选用转速负反馈调速系统，采用电流截止负反馈进行限流保护，出现故障电流时由过流继电器切断主电路电源。

为使线路简单，工作可靠，装载体积小，宜用KJ004组成的六脉冲集成触发器。

该系统采用减压调速方案，故励磁应保持恒定。

采用三相全控桥式整流电路供电。

1.2总体结构设计

对于双闭环调速系统，可近似在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流（转矩）受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。

采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。

而双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主调作用，系统表现为电流无静差。

得到过电流的自动保护。

显然静特性优于单闭环系统。

在动态性能方面，双闭环系统在起动和升速过程中表现出很快的动态跟随性，在动态抗扰性能上，表现在具有较强的抗负载扰动，抗电网电压扰动。

直流调速系统的框图如图1-1所示：

图1-1直流双闭环调速系统结构图

图1-2主电路图回路

2控制电路的设计与计算

2.1给定环节的选择

已知触发器的移相控制电压为正值，给定电压经过两个放大器它的输入输出电压极性不变，也应是正值。

为此给定电压与触发器共用一个15V的直流电源，用一个2.2、1W的电位器引出给定电压。

2.2控制电路的直流电源

这里选用CM7815和CM7915三端集成稳压器作为控制电路电源.如图4-1所示：

图2—1直流稳压电源原理图

3主电路设计与参数计算

3.1晶闸管的选择

3.1.1晶闸管的额定电流

选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值大于实际流过管子电流最大有效值，即

=1.57>或>==K考虑（1.5～2）倍的裕量=（1.5～2）K式中K=/（1.57）--电流计算系数。

取。

故选晶闸管的型号为KP20-7。

3.1.2晶闸管的额定电压

晶闸管实际承受的最大峰值电压，乘以（2～3）倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压，即=（2～3）

整流电路形式为三相全控桥，查表得，则

取V.

3.2整流变压器的设计

3.2.1变压器二次侧电压U2的计算

U2是一个重要的参数，一般可按下式计算，即：

I2/I2N--变压器二次实际工作电流与额定之比，应取最大值。

在要求不高场合或近似估算时，可用下式计算，即：

式中A--理想情况下，α=0°时整流电压与二次电压之比,即A=/；B--延迟角为α时输出电压与之比，即B=/；

ε——电网波动系数；

（1～1.2）——考虑各种因数的安全系数；根据设计要求，采用公式：

由表查得A=2.34；取ε=0.9；α角考虑10°裕量，则B=cosα=0.985

取U2=130V。

电压比K=U1/U2=380/130=2.92。

3.2.2一次、二次相电流I1、I2的计算

由表查得=0.816,=0.816

考虑变压器励磁电流得：

3.2.3变压器容量的计算

；

式中--一次侧与二次侧绕组的相数；

由表查得

=3×380×81.32=92.704KVA

=3×130×237.46=92.609KVA

=1/2（92.704+92.609）

=92.657KVA

取S=92.7KVA

4触发电路的选择

4.1触发电路的选择

触发器的电路图如下图所示：

图4-1触发电路

从产品目录中查得晶闸管KP20-7的触发电流为（5～100）mA触发电压3.5V。

由已知条件可以计算出

触发器选用15V电源，则：

Ks=

。

因为，3.5V，所以触发变压器的匝数比为

取14:

1，设触发电路的触发电流为100mA，则脉冲变压器的一次侧电流只需大于100/14=7.14mA即可。

这里选用3DG12BNPN管作为脉冲功率放大管，其极限参数.

触发电路需要三个互差120°，且与主电路三个电压U、V、W同相的同步电压，故要设计一个三相同步变压器。

这里用三个单相变压器接成三相变压器组来代替，并联成DY型。

同步电压二次侧取30V，一次侧直接与电网连接，电压为380V,变压比为380/30=12.7。

5双闭环励磁设计和校验

5.1转速调节器的设计和校验

（1）确定时间常数：

有则，已知转速环滤波时间常数=0.01s，故转速环小时间常数。

（2）选择转速调节器结构：

按设计要求，选用PI调节器

（3）计算转速调节器参数：

按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=4,则ASR的超前时间常数为：

，

转速环开环增益。

ASR的比例系数为：

。

（4）检验近似条件

转速环截止频率为。

电流环传递函数简化条件为，满足条件。

转速环小时间常数近似处理条件为：

，满足。

（5）计算调节器电阻和电容：

取=40，则，取1000。

，取0.1

，取1。

故。

校核转速超调量：

由h=4，查得，不满足设计要求，应使ASR退饱和，重计算。

设理想空载z=0，h=4时，查得=77.5%，所以

=0.00792

=0.79%<10%满足设计要求.

5.2电流调节器的设计和校验

（1）确定时间常数

在三相桥式全控电路有：

已知，，所以电流环小时间常数

=0.0017+0.002=0.0037S。

（2）选择电流调节器的结构

因为电流超调量，并保证稳态电流无静差，可按典型Ⅰ型系统设计电流调节器电流环控制对象是双惯性型的，故可用PI型电流调节器。

（3）电流调节器参数计算：

电流调节器超前时间常数==0.03s，又因为设计要求电流超调量，查得有=0.5，所以==，电枢回路总电阻R=2=0.4Ω，所以ACR的比例系数