双闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告

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- M T 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U ct 作为触发器的移相控制电压，改变U ct 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

5、电机参数及设计要求 5.1电机参数 直流电动机：220V ，136A ，1460r/min ，=0.192V • min/r ，允许过载倍数=1.5，晶闸管装置放大系数：=40 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

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=0.002s ；

3）电流环小时间常数之和

=+

=0.0037s ；

（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

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

1）校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足：因为196.1>，所以满足近似条件；

2）校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足：40.82<，所以满足近似条件；

3) 校验小时间常数近似处理是否满足条件：180.8>，所以满足近似条件。

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

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=0.0074s；

2）电流滤波时间常数根据所用测速发电机纹波情况，取=0.01s；

3）转速环小时间常数=+；

（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，应按典型型系统设计转速环，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

1）校验电流环传递函数简化条件是否满足：由于63.7>,所以满足简化条件；

2）校验转速环小时间常数近似处理是否满足条件：由于38.7>，所以满足近似条件。

3）核算转速超调量

当h=5时，=81.2%，而==515.2rpm，因此

=8.31%<10%

能满足设计要求。

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