1、V-M雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真摘要本課程設(shè)計描述的是“V-M雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真”的過程。我們可以看到主電路是晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（俗稱V-M系統(tǒng)），系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)器出發(fā)裝置的控制電壓Uc來移動出發(fā)脈沖的相位，即控制晶閘管可控整流器的輸出改變平均整流電壓Ud，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。V-M系統(tǒng)主要由其系統(tǒng)由整流變壓器、晶閘管整流調(diào)速裝置、平波電抗器和電動機-發(fā)電機組等組成。整流變壓器和晶閘管整流調(diào)速裝置的功能是將輸入的交流電整流后變成直流電；平波電抗器的功能是使輸出的直流電流更平滑；電動機-發(fā)電機組提供三相交流電源。1. 概述轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能良好、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系

2、統(tǒng)。本章著重闡明其控制規(guī)律、性能特點和設(shè)計方法，是各種交、直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在起動過程中有以下三個特點：(1)飽和非線性控制。隨著ASR的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)，在不同情況下表現(xiàn)為不同的結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)，只能采用分段線性化的方法來分析，不能簡單地用線性控制理論來分析整個起動過程，也不能簡單地用線性控制理論來籠統(tǒng)地設(shè)計這樣的控制系統(tǒng)。(2)轉(zhuǎn)速超調(diào)。當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用PI調(diào)節(jié)器時，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。超調(diào)量一般是容許的，對于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其他控制方法來一直超調(diào)。(3)準時間最有控制。在設(shè)備允許條件下實現(xiàn)時間最短的控制稱作“時間

3、最優(yōu)控制”，對于電力拖動系統(tǒng)，在電機過載能力允許的限制下的恒流起動，就是時間最優(yōu)控制。一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。2設(shè)計任務(wù)及要求2.1設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個V-M雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)和技術(shù)指標如下：(1)技術(shù)數(shù)據(jù)： 晶閘管整流裝置：Ks=45-48。負載電機額定數(shù)據(jù)：PN=555KW，UN=750V，IN=760A，nN=375r/min，=1.5。系統(tǒng)主電路：R=0.14，Tm=0.112s,=0.031s.其他參數(shù)：給定轉(zhuǎn)速電壓最大值及ASR、ACR輸出限幅值均為10V，。調(diào)解器

4、輸入電阻=40，電流濾波時間常數(shù)Toi =0.02s，轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)=0.01.(2)技術(shù)指標：穩(wěn)態(tài)指標：無靜差 ；動態(tài)指標：電流超調(diào)量：5%，起動到額定轉(zhuǎn)速時的超調(diào)量：8%； 過渡過程時間Ts1s2.2課程設(shè)計應(yīng)完成的工作(1) 根據(jù)課題的設(shè)計任務(wù)要求，確定主電路的結(jié)構(gòu)形式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖(2) 根據(jù)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖，分析轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的作用(3) 據(jù)雙臂環(huán)工程設(shè)計方法，計算調(diào)節(jié)器電路各元件參數(shù)。用Matlab畫出內(nèi)外開環(huán)Bode圖(4) 用simulink進行仿真，必要的話可根據(jù)仿真波形圖進行參數(shù)修正。使系統(tǒng)滿足動態(tài)要求(5) 整理設(shè)計數(shù)據(jù)資料

5、，設(shè)計總結(jié)，撰寫課程設(shè)計計算書明書。3.理論設(shè)計3.1系統(tǒng)設(shè)計圖1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR-電流調(diào)節(jié)器 TG-測速發(fā)電機TA-電流互感器 UPE-電力電子變換器 Un*-轉(zhuǎn)速給定電壓Un-轉(zhuǎn)速反饋電壓Ui*-電流給定電壓Ui-電流反饋電壓為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。兩者之間實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接，如圖1所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當做電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)

6、速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。由圖1中的內(nèi)容，可以分析出電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用：（1）電流調(diào)節(jié)器的作用：作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量變化對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。當電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。對負載變化起抗擾作用輸出限幅值決定電機允許的最大電流 雙閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用了PI

7、調(diào)節(jié)器，所以保持了無靜差調(diào)速的優(yōu)點，也克服了快速性不好的缺點，較之單閉環(huán)控制系統(tǒng)，其動態(tài)性能也優(yōu)越得多 。為了在動態(tài)時限制沖擊電流和獲得飽和的電流波形，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器組成的轉(zhuǎn)速環(huán)之內(nèi)設(shè)置了一個有電流調(diào)節(jié)器構(gòu)成的電流閉環(huán)，不但改善了動態(tài)性能，而且系統(tǒng)有良好的靜態(tài)性能。圖2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖如上圖所示。圖中標出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。圖中還表示了兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)

8、速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓Uim*決定后了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制電壓Ucm 限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。3.2器件的選擇及參數(shù)的計算晶閘管選擇及計算一般的變壓器有整流跟變壓兩項功能,其中整流是把交流變直流。整流的過程中,采用三相橋式全控整流電路。三相橋式全控整流電路原理圖如下：圖3 三相橋式全控整流電路原理圖可控整流的原理：當晶閘管的陽極和陰極之間承正向電壓并且門極加觸發(fā)信號晶閘管導通，并且去掉門極的觸發(fā)信號晶閘管依然維持導通。當晶閘管的陽極和陰極之間承受反向電壓并且門極不管加不加觸發(fā)信號晶閘管關(guān)斷。晶閘管導通的條件：受正向陽極電壓，同時

9、受正向門極電壓，一旦導通后，門極信號去掉后晶閘管仍導通。晶閘管維持導通的條件：繼續(xù)受正向陽極電壓，同時流過晶閘管的電流大于它的維持電流。晶閘管關(guān)斷條件：必須去掉陽極所加的正向電壓，或者給陽極施加一反電壓，或者設(shè)法使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。晶閘管參數(shù)計算如下：Ud=440VU2=Ud/2.34=440/2.34V=188VId0=In×=220×1.5A=330AIvt=Id0/=190.5AIvt(AV)=Ivt/1.57=121.3AURM=U2=460.5V根據(jù)通態(tài)電流的大小和峰值電壓的確定，可選擇合適的晶閘管來完成三相整流的功能。晶閘管的保護晶閘管

10、的保護電路，大致可以分為兩種情況：一種是在適當?shù)牡胤桨惭b保護器件，例如，R-C阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器、壓敏電阻或硒堆等。再一種則是采用電子保護電路，檢測設(shè)備的輸出電壓或輸入電流，當輸出電壓或輸入電流超過允許值時，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時內(nèi)工作于有源逆變工作狀態(tài)，從而抑制過電壓或過電流的數(shù)值。 （1）晶閘管的過流保護 晶閘管設(shè)備產(chǎn)生過電流的原因可以分為兩類:一類是由于整流電路內(nèi)部原因；另一類則是整流橋負載外電路發(fā)生短路而引起的過電流，另外，如整流變壓器中心點接地，當逆變負載回路接觸大地時，也會發(fā)生整流橋相對地短路。 1.對于第一類過流，即整流橋內(nèi)部原因引起的過流，以及逆變器負

11、載回路接地時，可以采用第一種保護措施，最常見的就是接入快速熔短器的方式。2、對于第二類過流，即整流橋負載外電路發(fā)生短路而引起的過電流，則應(yīng)當采用電子電路進行保護。 （2）晶閘管的過壓保護 晶閘管設(shè)備在運行過程中，會受到由交流供電電網(wǎng)進入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。同時，設(shè)備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現(xiàn)。 1.過電壓保護的第一種方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用壓敏電阻或硒堆等非線性元件加以抑制。2.過電壓保護的第二種方法是采用電子電路進行保護。3.3.2調(diào)節(jié)器的選擇及計算系統(tǒng)給定: U*nm=U*im=10V =1.5 Idm=Id轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： = U*nm/nmax電流反

12、饋系數(shù)： = U*im/Idm=10/750×1.5=0.009V/A(一）電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇：電流環(huán)的傳遞函數(shù)可以寫成：電流環(huán)以跟隨性能為主，即選用典型I系統(tǒng)。 圖4 電流環(huán)等效近似處理后校正成為典型I系統(tǒng)框圖ACR選用PI型電流調(diào)節(jié)器，傳函如下：電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。（二）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇：轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型II系統(tǒng)，系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。圖5轉(zhuǎn)速環(huán)等效近似處理后校正成為典型II系統(tǒng)框圖ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)以上完成了對此系統(tǒng)的主電

13、路的選擇、主要器件的參數(shù)的確定和調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)的選擇。3.3電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計 確定時間常數(shù)1） 整流裝置滯后時間常數(shù)Ts。按課本中的表1-2查得，三相橋式電路的平均失控時間=0.0017s。2） 電流濾波時間常數(shù) Toi。三相橋式電路每個波頭的時間是3.3ms,為了基本濾平波頭，應(yīng)有（12）Toi=3.33ms,因此取Toi=2ms=0.002s。3） 電流環(huán)小時間常數(shù)之Ti近似處理，取Ti =Ts+Toi=0.0037s。4） 電樞回路電磁時間常數(shù)=0.0315） 題目中給的時間常數(shù)：=0.112s6）電動機參數(shù)Ce：Ce=1.82V/rpm選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差

14、，可按典型型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)見式檢查對電源電壓的抗干擾性能：，查表得各項指標都是可以接受的。計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)： = =0.031s電流環(huán)開環(huán)增益：要求5%時,查表得=0.5,因此 =135.1于是，ACR的比例系數(shù)為 =1.44校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：= =135.1晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件=1/3×0.0017s=196.1滿足近似條件。2）忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件3=353.26滿足近似條件。電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件1/3 =1/3×=180.8滿足近似條件

15、。計算調(diào)節(jié)器電阻和電容取=40，各電阻和電容值為=1.36×40=54.4，取55。 = =0.775F，取0.8F。=4=4×=0.0002F，取0.0002F。 圖6含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟蹤性能指標為，滿足設(shè)計要求。3.4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計確定時間常數(shù)1）電流環(huán)等效時間常數(shù)： 已知=0.5，則 =2=2×0.0037s=0.0074s2）轉(zhuǎn)速時間常數(shù)Ton。根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取=0.01s3）轉(zhuǎn)速小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取 +=0.0174s選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 由于設(shè)計要求無靜差,故選用PI型

16、電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為 =h=5×0.0174s=0.087s轉(zhuǎn)速開環(huán)增益 = =396.4ASR的比例系數(shù)為 = =15.06檢驗近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 = =396.4×0.087=34.5 1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為（）/3（）/3=63.7 2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為 （）/3=（）/3=38.7校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當系統(tǒng)是理想空載啟動的時候，超調(diào)量應(yīng)該是最大，不如令：Z=0，而又由參數(shù)可知：=1.5，R=0.14，Idn=76

17、0A,nN=375r/min，Ce=1.82Vmin/r，Tm=0.112s=0.0174s。當h=5時，由書上表2-7查得 Cmax / Cb=81.2%。因此有 =2(Cmax / Cb)(-Z)(nN/n*)(Tn / Tm)=2×81.2%×1.5×(760×0.14/1.82/375)×0.0174/0.112=5.9%<8% 能滿足設(shè)計要求。計算調(diào)節(jié)器電阻和電容取=40，各電阻和電容值為=15.06×40=602.4，取600。 = =145 uF，取150 uF。=4=4×=0.001uF。圖7 含給定濾

18、波和反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器3.5 反饋和保護電路電流反饋與過流保護電路的主要功能是檢測主電源輸出的電流超過某一設(shè)定值時發(fā)出過流信號切斷控制屁輸出主電源。電流反饋與過流保護電路的設(shè)計思想是利用電流互感器從電機主電路中獲取主電路中電流的參數(shù)并反饋到電流調(diào)節(jié)電路當中，使電路擁有電流反饋和過流保護的作用。電流反饋與過流保護電路如圖圖8電流反饋與過流保護電路 RP7的滑動抽頭端輸出作為電流反饋信號，從If端輸出到電流調(diào)節(jié)器，反饋系數(shù)從RP7中進行調(diào)節(jié)。而過流動作電流的大小設(shè)定由RP8的滑動觸頭位置決定。該電路當中設(shè)有過流復(fù)位電流，當系統(tǒng)過流后能手動進行復(fù)位或讓系統(tǒng)通過一段時間后自動復(fù)位，當系統(tǒng)過流后

19、能啟動報警裝置，進行報警系統(tǒng)調(diào)試。 4.轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)MATLAB電路與仿真為了驗證調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計的正確性，需要對設(shè)計的系統(tǒng)進行仿真，利用MATLAB下的SIMULINK軟件和電力系統(tǒng)模塊庫(SimPowerSystems)進行系統(tǒng)仿真是十分簡單和直觀的.我們可以通過仿真波形觀察到所設(shè)計的系統(tǒng)式否滿足課設(shè)題目要求，如果不滿足，可以對調(diào)節(jié)器的參數(shù)進行修改，然后再觀察波形，直到設(shè)計的系統(tǒng)符合要求。在我們實際應(yīng)用中，仿真是必須的，它能幫助我們節(jié)省資金和資源，也幫助我們更好的完成任務(wù)4.1.仿真模型的建立（1）打開模型編輯窗口：通過單擊SIMULINK工具欄中新模型的圖標或選擇FileN

20、ewModel菜單實現(xiàn)。（2）把轉(zhuǎn)速電流上閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)框圖所需的模塊都已經(jīng)拖入模型編輯窗口。如圖8所示。（3）雙擊模塊圖案，則出現(xiàn)關(guān)于該圖案的對話框，通過修改對話框內(nèi)容來設(shè)定模塊的參數(shù)。（4）然后將線路聯(lián)接組合起來，以鼠標左鍵點擊起點模塊輸出端，拖動鼠標致終點模塊輸入端處，則在兩模塊間產(chǎn)生“”線圖9 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真圖4.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)空載時仿真(1)仿真參觀設(shè)定，因為要做空載仿真，則設(shè)置負載電流Idl=0A。(2)仿真過程的啟動：單擊啟動仿真工具條的按鈕 或選擇SimulationStart菜單項，則可啟動仿真過程，再雙擊示波器模塊就可以顯示仿真結(jié)果，

21、圖10雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)空載時的仿真波形（3）觀察此波形，即可知電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計沒有問題，最終電流穩(wěn)定在0A并且無靜差。（4）分析此波形，因為做的是空載情況下的仿真，則轉(zhuǎn)速很快的能上升到1800r/min。此時，得到空載時，給定為10V時候的穩(wěn)定空載轉(zhuǎn)速。（5）轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的空載仿真結(jié)束。4.3轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)滿載時的仿真(1)將轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的負載設(shè)定為滿載時，即Idl=220A。(2)仿真過程的啟動：單擊啟動仿真工具條的按鈕 或選擇SimulationStart菜單項，則可啟動仿真過程，再雙擊示波器模塊就可以顯示仿真結(jié)果，如圖11所示。圖11雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)滿載時的仿真波形（3）分析此波形，發(fā)現(xiàn)得到的轉(zhuǎn)速曲線無靜差，最終穩(wěn)定在1800r/min。（4）通過在示波器上細小的觀察，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的變化隨著電流的變化有分為3階段。在第一階段中，轉(zhuǎn)速上升的比較平緩。第二階段時，轉(zhuǎn)速處于線性增長階段。第三階段時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，此階段的轉(zhuǎn)速通過超調(diào)，恢復(fù)到額定值。（5）轉(zhuǎn)速閉環(huán)波形仿真結(jié)束4.4仿真結(jié)果分析一般的系統(tǒng)中，空載時候的超調(diào)量最大，從仿真圖形可以看出，空載的時候的電流超調(diào)量明顯小于5%，轉(zhuǎn)速超調(diào)量在退飽和的時候的超調(diào)量也小于8%。說明設(shè)計的系統(tǒng)的起動性能符合課設(shè)要求。在系統(tǒng)負載擾動仿真中，系統(tǒng)又表現(xiàn)出良好的抗擾性能。動態(tài)速降達到設(shè)計要求，充分體現(xiàn)了雙閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)越