bwci%ufq双闭环直流调速-本科电拖课程设计[1].docx

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1、我们Il打败了敌人。我们Il（把敌人）打（败了。课程设计名称：.仿程设程设计.目：双闭环直流调速系统的建模与仿真试验探讨专业：应用,电.壬技班级：姓名：学号：的工作.2.2.2.3.3.5.5.6.7.9.9.9.91OII131415书目双闭环调速系统的动态数学模型-）直流电机数学模型二）整流装置的传递函数三.）电流调整器的设计四）转速调整器的设计速度与电流双闭环调速系统-）速度电流双闭环调速系统二）双闭环调速系统的组成和基本原理双闭环限制并联逆变器的建模分析.转速与电流双闭环直流自动调速系统-）启动过程二）负载变更时的自动调速过程三）电动机堵转过程四）双闭环调速系统的特点仿真探讨在工业生产

2、中，须要高性能速度限制的电力拖动场合，直流调速系统发挥着极为重要的作用。而采纳速度、电流双闭环调速系统，就可以充分利用电动机的过载实力来获得最快的动态过程.依据双闭环调速系统的组成和基本原理，分析r转速与电流双闭环直潦自动调速系统的工作过程及其特点。关键词：直流调速系统；基本原理-双闭环调速系统的动态数学模型在工程实践中，虽然沟通电动机结构简洁、价格便宜、制造便利、维护简洁。但由于直潦电动机双闭环调速系统在理论和实践上都比较成熟，具有极好的运行和限制性能,在工业生产中仍占有相当的比例,其双闭环调速系统结构如图1-1所示。ASR-速度调整器ACR-电流调用器TA-沟通变换潜TG测速发电机1.*n

3、-给定速度伯号Un一速度反馈信号Oi一给定电液信号1.i一电流反馈信号图IT直流电动机双闭环调速系统结构系统中电潦内环的作用是使电机电枢电流Id听从它的给定值U*i,当U*i不变时,它表现为恒流调整，否则表现为随动谢整。速度外环的输出为U*i,不干脆推动后面的放大器，而是作为电流环的给定值,二名共同构成串级限制系统,不仅能限制转速，而且能限制电流,可充分利用电机的过教实力，费得较快的动态响应。1.1直流电机数学模型在电力拖动限制系统中，直流电机通常以电枢电压为输入量，以电机转速为输出量。假设电机补偿良好,忽视电枢反应、涡流效应和磁滞的影响，并设励礴电流恒定，得宜流电机数学模型和运动方程分别为：

4、UjRil1.*E_T也,x3751.1式中：Ud电枢电压;1.id、R一分别为电枢回路电感、电流和总电阻；E一电机的反电动势,且有E=Cer1；Te、T1.-分别为电机的电磁转矩和负载转能,且有Te=Cmid;GD2-电力拖动系统整个运动部分折算到电动机轴上的转动惯量。整理得电流与电JK以及电动势与电潦之间的传递函数分别为：UwE($)Tia*1E(三)R1.(三)TQTj1-2式中：TI=1./R电枢回路的电磁时间常数(三);Id1.=T1./Cm-负我电流S);Tm电力拖动系统的机电时间常数(三)。考虑n=E/Ce,可得直流电机的动态结构图如图1-2所示。1.2整流装置的传递函数图1-2

5、H流电动机的动态结构图由于品闸管整流装置总离不开触发电路，因此在分析系统时往往把它们看成个整体,当作一个环节处理.从图1-1上可以看出，这一环节的输入址是触发电路的限制电压UCt,输出域是电枢电压Vd.假如在肯定的范围内将非线性特性线性化,就可以把它看成一个滞后时间较小的纯滞后环节,如式l-3o因传递函数中包含指数函数,使系统成为非最小相位系统,给分析和设计带来了麻烦，般状况下,把它近似成一阶惯性环节。UjS),*T,s+1-3式中：Ts一晶闸管整流装置的失控时间(三)。1.3 电流调整器的设计在设计电流环时,因Tl比Tm小得多，故电流的调整过程比转速的变更过程快得多，因此在电流调整港快速调整

6、过程中，可以认为反电动势E基本不变。这样在设计电流环时，可以短哲不考虑反电动势E图1，电流环的动态结构图变更的影响而得到图17所示的电流环近似动态结构图。为了使电流环稳态上做到无静差以获得志向的堵转特性,动态上保持电动机电枢电流的不超调,保证系统的跟随性。把电流环校正成典型1型系统,其传递函数为：Au1)式中：Ki,Ti一分别为电流调整耦的比例放大系数和时间常数。依据“对消原理”，为了对消掉限制对软中时间常数较大的惯性环节，以使校正后系统的响应速度加快,取Ti=T1;Pl阔整器的比例放大系数Ki取决于系统的动态性能指标。依据“电子最佳调整原理”中的“二阶最佳系统”原理。取KiTZi-O5,由此

7、可得：T1R1.4 转速调整器的设计图卜5转速环的动态结构图在转速调整器设i时,可以把己经设计好的电潦环作为转速环的限制对象，由此得到转速环的动态结构图如图1-5所示。为了实现转速无睁差,提高系统动态抗扰性能,把转速环设计成典型Il型系统,其传递函数为：式中：Kn1Tn一分别为转速调整器比例放大倍数和时间常数。依据II型典型系统参数确定的方法,有TrhT2,于是有n=hTn,其中h为中频宽，TXn=Ton+2TZi,依据“调整器股佳整定设计法”，一般取h=5。然后按典型II里系统的最小闭环幅须特性峰值Mrmin准则，得：2速度与电流双闭环调速系统2.1速度电流双闭环调速系统速度与电流双闭环调速

8、系统是20世纪60年头在国外出现的种新型的调速系统。70年头以来，在我国的冶金、机械、制造以及印染工业等领域得到日益广泛的应用.双闭环调速系统是由单闭环自动调速系统发屣而来的。单闭环调速系统运用了一个比例积分调整器组成速度调整器可以得到转速的无静差谓整，见图2-1、图2-2。从扩大调速范围的角度来看，单环系统已能基本上满意生产机械对调速的要求。但是，任何调速系统总是须要启动与停车的，从电机能承受的过载电流有肯定限制来看，要求启动电流的峰值不要超过允许数值。为达到这个目的，采纳电流截止负反馈的系统，它能得tz图2-11总环系绘静态方块图图2-3带有电流极力.负反馈系统启动电流波形到启动电流波形，

9、见图2-3中实线所示。波形的峰值正好达到直流电动机所允许的最大冲击电流Idm,其启动时间为tl实际的调速系统,除要求对转速进行调整外,许多生产机械还提出加快启动和制动过程的要求，例如可逆轧钢，龙门刨床都是常常处正反转工作状态的，为了提裔生产率，要求尽量缩短过渡过程的时间。从图2-3启动电流变更的波形可以看到，电流只在很短的时间内就达到了最大允许值Idm,而其他时间的电流均小于此值.可见在启动过程中，电机的过教实力并没为充分利用。假如能使启动电流按虚线的形态变更，充分利用电动机的过载实力，使电机始终在较大的加速转矩下启动，启动时间就会大大缩短，只要t2就够了。上述设想提出一个志向的启动过程曲线,

10、其特点是在电机启动时，启动电流很快加大到允许过我实力值Idm1并且保持不变，在这个条件下，转速n得到线性增长，当升到须要的大小时,电机的电流急剧下降到克服负载所需的电流IZf值,对应这种要求可控硅整流器的电压在启动一起先时应为IdmK,随着转速n的上升，U=IdmR+Cen也上升,达到稳定转速时，Ud=IzfR+Cne,这就要求在启动过程中，把电动机的电流当作被调整量，使之维持在电机允许的最大值Idm1并保持不变。这就要求有一个电潦调整器来完成这个任务。带仃速度谢整器和电流谢整器的双闭环调速系统便是在这种耍求下产生的。图24转速、电流双闭环直流自动御速2.2双闭环调速系统的组成和基本原理图2-

11、4为转速、电流双闭环直流自动调速系统.该系统有两个PI调整器，一个是用于转速调整的转速调整器(ST),另一个是用于电流调整的电流调整器(1.T),两个调整器串级连接，其输出均有限幅，输出限幅值分别为Usm和Umi。由于调速系统的主要被调员是转速，故把转速负反馈组成的环作为外环(主环),以保证电动机的转速精确地跟随给定值，并反抗外来的干扰：把由电流负反馈组成的环作内环(副环)，以保证动态电流为最大值并保持不变，使电动机快速地起动、制动，同时还能起限流作用，并可以对电网电压波动起刚好抗扰作用。电动机转速由给定电压Ug来确定，转速调整器ST的输入M偏差电压为Uis=Ug-Unf,转速调整器ST的输出

12、电压Us作为电流调整器1.T的绐定信号（ST输出电压的限幅值1.sm确定了1.T给定信号的最大值）；电流调整器1.T的输入偏差电压为Uci=Us+Ufi,电流调整器1.T的输出电压Uc作为触发电路的限制电压（1.r输出电压的限幅值Umi确定了晶附管整流电压的最大值Udm）;Uc限制着触发延迟角，使电动机在期望转速下运转。3双闭环限制并联逆变潺的建模分析单相半桥逆变器由逆变桥和1.C输山滤波器构成.采纳输出电压瞬时值和滤波电感电流瞬时值双闭环反馈限制策略。电压外环采纳Pl调整粉，限制输出电乐跟踪基准正弦电压，PI调整器的输出作为电流给定：电流内环采纳滞环限制方式，限制电感电流在正负滞环宽度范围内

13、跟踪给定电流变更。当逆变器的开关频率远大于输出电压频率o,且fo较低时，电流内环可以等效为一个受控放大器。图3-1为两台逆变器构成的并联系统等效输出模型，其中uo是并联沟通母线电压，uol、uo2分别为两台逆变器的输电电压，Zl和Z2分别为两台逆变器与沟通母线之间的线路阻抗，Ze为并联系统负载，F分别为两台逆变器的输出电流，i。为负载电流。定义环流3。TM3-1由3-1可以得到K1.SAII1.1.1.R-f）所以，对于由两台逆变器构成的并联系统，一台逆变器担当一半的负载电流加环流狂,另一台逆变器担当一半的负我电流减环流量。假如忽视逆变器和并联沟通母线之间的线路阻抗，可认为两台逆变潺输出电压U

14、ol和uo2相等。因为两台逆变器电路参数不行避开地存在误差,因此环流必定存在。所以处于并联工作时的电用电流双闭环限制逆变器单模块系统电路模型如图3-2所示。该模型考虑了环流因素，与单独工作的逆变器相比.多了虚线框所示部分。uref为基准正弦波，uvf为反馈电压，Kvf为电压反馈系数，KP、Kl为PI谢整器的比例和积分系数，iref为电流给定，i1.为电感电流，K为电流环放大倍数,Go为输出滤波电容Cf与负载并联的传递函数，为输出角频率。J-牝f色1e4“口乙1z1e图3-1两台逆变/并联系统等效输出模型图3-2并联工作的双闭环眼制逆变器单模块电路模型逆变器输出电压为rUJs稣p+KJs)Kh(

15、三)G,t+(Kp+KjS)KMKG。3.3要让两台逆变潜在参数不一样时输出电压相等，即UOhUo2,有-zu(三)(KP+心力=+h3Ga-1+(5+KJs)Km-%-_Sm(三)(KP2+K12/$冰2/H(SHGO2=-1+(%+%/.，)&-3-44转速与电流双闭环直流自动调速系统的工作过程4.1启动过程双闭环直流自动调速系统的启动过程可分为以下3个阶段,)电流上升阶段。起先启动时，n=0.Ufh=O.Usi=Ug,故ST的输入值很高，使ST的输出US快速达到饱合限幅值Usm.在此后的启动升速过程中，只要Usi(即nvnl)Ugan,则ST就将保持该饱和值而不能起调整作用。1.T的输入

16、偏差电压AUic=-Us+Uif,由于此时-Us=-Usm,而Uif=BId,故AUCi=-Usm+!dO,1.T的积分作用将使Uc快速上升，电潦Id以最快速度上升，电动机获得较大的启动转矩，加快了电动机的启动。直到Ufi=Id=Usm(即Uic=O)时，Uc不再增加,Ud也不再增加，电动机电流Id达到所允许的最大电流Idnu(2)电流保持恒值，电动机恒加速阶段。此阶段从Id刚上升到Idm起先，到n达到其期望值nl为止。在此阶段中，由于nnl的转速超调现象。但在nnl后，由于UnfUg,故UsiIdm,此时，由于转速的快速下降，使Usi0t故ST快速饱和，而不再起转速调整作用，ST的输出为饱和

17、限幅值-Usm:同时，由于IdIdm,使AUCiAUsm+Id0,故1.T的输出Uc快速下降，Ud和I随之快速下降，转速急剧下降，但1.T的调整作用将使Id维持Idm不变，直到堵转为止。因此，双闭环调速系统的堵转电流ID与转折电流IB相差很小，这样便获得了比较志向的“挖土机特性4.4双闭环调速系统的特点双闭环调速系统的特点，一是系统的调速性能好；二是能获得较志向的“挖上机特性”;三是有较好的动态特性.过渡过程短,启动时间短.稳定性好；四是抗干扰实力强：五是两个调整器分别设计和整定，调试便利.5仿真探讨基于以上分析,得双闭环调速系统的动态结构图如图5所示,其中包括r电流、转速戏波和两个给定海波环

18、节。仿真中采纳；.相桥式全控整流电路供电,Ts=O00167s,基本仿J数据如下。直潦电机:220V,I36A,1480rmin,允许过载倍数入=】-5;电机轴上总飞轮力矩：GD2=225Nn2;电枢回路总电阻:R=O5Q;电枢回路总电感：1.=15础;滤波时间常数：TOi=O-005s,Ton=O-Ols;晶闸管装置放大系数：KS=40。由此可得：电流环小时间常数TEi=Ts+TOi=O00667s：电磁时间常数T1=1.R=O03s;电潦反馈系数B=l*imIdm=O0392V:转速反馈系数=U*nmaxnmax=000338Vmin/r;Ki=0717：n=01167s;Kn=H302,

19、仿真结果如图5-2-5-8所示。图5-1双闭环调速系统动态结构图由仿真结果来看，ASR从起动到稳速运行经验了两个状态,如图5-3所示,即饱和限幅输出与线性调图5-6,=12OA时电机电流特性图5-7l=120A时电机转递节状态,而ACK只有一个线性调整状态，如图5-4所示。图5-5所示为电机的启动特性已接近志向特性，目系统对负载的大幅突变具有良好的调整实力，如图5-7所示。但系统性能指标与理论最佳设计存在杆定的差距,特殊是转速的超调量较大，如图5-2所示,这主要是对系统的非线性模型进行线性化所引起的，假如对系统的动态性能要求很高，可以在转速调整器上引入转速微分负反馈。结论本文基丁直流电机基本方

20、程,建立直流电机转速、电流双闭环调速系统数学模型,给出了系统动态结构图并进行了仿无。双闭环调速系统是基于“最短时间限制”的，在充分发挥电机过载实力的同时，可以获得良好的静、动态性能，在实际工程中有肯定的应用价值。设计体会这次试验是最终一个课程设计1所以做得特殊仔细，通过这次试脸是我具体的明白了双闭环直流调速系统的原理，也是我知道了一些他在工业中的一些应用，以前没明白的一些细微环节在这次设计中也得到了深刻的理解。理合实际相互结合是我对电力拖动自动限制系统这门课有了进步的相识。同时还要感谢给我帮助的同学和在技术给我指导的老师。参考文献11陶永华，尹怡欣，芦生新型PID限制及其应用M北京:机械工业出版社,2001【2】薛定宇反馈限制系统设计与分析MAT1.AB语言应用M清华高校出版社,2000(31尔桂花,窦口轩运动限制系统清华高校出版社1梁亦柏，王正茂全数字直流电机调速系统的原理及数学模型J中小型电机,2001,