电流转速单闭环直流调速系统课程设计..pdf
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1、1 皖 西 学 院 课程设计 系别:机电系 专业:09 电气 (电力拖动方向 ) 学 生 姓 名: 课程设计题目: 电流转速单闭环直流调速系统 起迄日期: 11 月 5 日11 月 18 日 课程设计地点: 指导教师:俞鹤 2 一、摘要 反馈控制系统的规律是要想维持系统中的某个物理量基本 不变,就引用该量的负反馈信号去与恒值给定相比较,构成闭环 系统。对调速系统来说,若想提高静态指标,就得提高静特性硬 度,也就是希望转速在负载电流变化时或受到扰动时基本不变。 要想维持转速这一物理量不变,最直接和有效的方发就是采用转 速负反馈构成转速闭环调节系统。 本文通过利用 Matlab 仿真平台设计单闭环
2、直流调速系统, , 包括单闭环直流调速系统的基本构成和工作原理、对所设计系统 的静态性能指标和动态性能指标进行分析、根据动态性能指标设 计调节器、根据设计任务书的具体要求设计出系统的Simulink 仿真模型,验证所设计系统的性能。 关键词 :稳态性能稳定性 开环 闭环负反馈静差 二、总体方案设计 1、控制原理 设计如下的原理图: 图 1、单闭环直流调速系统原理图 根据设计要求,所设计的系统为单闭环直流调速系统,该系 统的控制对象是直流电动机,被控对象是电动机的转速,晶闸管 同步脉冲触发电路用来调节晶闸管的控制角,晶闸管触发及整流 3 电路为功率放大和执行环节,测速模块把测得的转速反馈到输入
3、中。采用变电压调节方式,实现对直流电机的无极平滑调速。 本系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、 电动机 -发电机和测速反馈组成。 图中将反映转速变化的电压信号 作为反馈信号,经速度变换后接到电流调节器的输入端,与给定 的电压相比较经放大后,得到移相控制电压Uct 用作控制整流桥 的触发电路,触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间。 通过改变脉冲相位来改变三相全控整流的输出电压,达到控制电 机转速的目的。电动机的转速随着给定电压变化,即反馈控制的 闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统,只要被调量出现偏 差,它就会自动产生纠正偏差的作用。 这里,电压放大环节采用集成电路运算放大
4、器实现,主电路 用晶闸管可控整流器调节对电机的电源供给。 所以,更具体的原理图如下: 图 2、单闭环直流调速系统具体原理图 2、控制结构图 有了原理图之后,把各环节的静态参数用自控原理中的结构 图表示,就得到了系统的稳态结构框图。 4 图 3、单闭环直流调速系统稳态结构框图 三、 各部件相关参数选择 1、VM系统简介 晶闸管电动机调速系统(简称VM系统) ,其简单原理图 如图 1。图中 VT是晶闸管的可控整流器,它可以是单相、三相或 更多相数,半波、全波、半控、全控等类型。 优点: 通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相 位,即可改变整流电压从而实现平滑调速。 缺点: (1 )由于晶
5、闸管的单向导电性,它不允许电流反向,给系 统的可逆运行造成困难。 (2 )元件对过电压、过电流以及过高的du/dt 和 di/dt都 十分敏感,其中任一指标超过允许值都可能在很短时间内损坏元 件。 因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件,而且在 选择元件时还应有足够的余量。 5 图 4 V M系统 2、比例放大器 运算放大器用作比例放大器(也称比例调节器、P调节器) , 如图 5, ex UUin和为放大器的输入和输出电压, bal R为同相输入端 的平衡电阻,用以降低放大器失调电流的影响 放大系数为 0 1 R R U U K in ex p 3、UPE环节的原理图设计 该环节的时间常
6、数和放大系数的计算。UPE环节的动态结构图如 下图 6: 整流电路:采用三相桥式全控整流。 6 三相桥式全控整流电路原理图如图所示。三相桥式全控整流电 路是由三相半波可控整流电路演变而来的,它由三相半波共阴极 接法(VT1,VT3,VT5)和三相半波共阳极接法(VT1,VT6,VT2)的 串联组合。 其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通,构 成电流通路。接线图中晶闸管的编号方法使每个周期内6 个管子 的组合导通顺序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。 四 、参数计算 设计完系统框图,就可以用已知的传递函数结合设计要求中 给定的参数进行对系统静态和动态两套参数的计算
7、。以便于后续 步骤利用经典控制论对系统的分析。 为了方便以下的计算,每个参数都采用统一的符号,这里先 列出设计要求中给出的参数及大小: 电动 机 : PN=10kw UN=220v IdN=55A nN=1000rpm Ra=0.5 晶闸管整流装置:二次线电压E2l=230v Ks=44 主回路总电阻: R=1 测 速 发 电 机 : PNc=23.1kw UNc=110v IdN=0.21A nNc=1900rpm 系统运动部分:飞轮矩GD 2=10Nm2 电枢回路总电感量: 要求在主回路电流为额定值10时,电 流仍连续 生产机械: D=10 s5 7 N a dN N n Ce RIU 1
8、、静态参数设计计算 A、空载到额定负载的速降 nN 由公式: (其中 D,s 已知) 得:nN5.26rpm B、系统开环放大倍数K 由公式: (由公式 可算出 Ce =0.1925Vmin/r) 得:K=53.3 C、测速反馈环节放大系数a 测速发电机电动势系数 : UNc/ nNc=0.0579 Vmin/r 测速发电机输出电位器RP2分压系数 a2 根据经验,人为选定a2=0.2 则 a=Cec a2=0.01158 注:RP2的选择主要从功耗方面考虑,以不致过热为原则。 D、运算放大器的放大系数Kp 由公式(其中 即 a) Kp 20.14 取 Kp=21 (若向小方向取, 可能影响快
9、速性, 由于后加限幅电路, 略大无妨) 此处的近似,使 k 由 53.3 变为 55.58 2、动态参数设计计算 在经典控制论中,动态分析基于确定系统的传递函数,所以 要求出传递函数并根据已知求的传递函数中的未知参数,再用劳 斯判据得出系统稳定性,在稳定的基础上再加校正以优化系统, 使稳、准、快指标平衡在要求范围内的值上。 构成系统的主要环节是电力电子变换器和直流电动机。不同 电力电子变换器的传递函数,它们的表达式是相同的,都是 e sp C KK K )1( e d KC RI n )1 ( N N sn sn D 1 )( s s s sT K sW 8 只是在不同场合下,参数 Ks 和T
10、s 的数值不同而已。 直流电动机的传递函数: 假 定 主 电 路 电 流 连 续 , 则 动 态 电 压 方 程 为 : E t I LRIU d dd dd0 , 如果,忽略粘性磨擦及弹性转矩,电机轴上的动力学方程为: t nGD TT d d 375 2 Le 额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为: dme ICT, nCE e L T 包括电机空载转矩在内的负载转矩,N-m ; 2 GD 电力拖动系统折算到电机轴上的飞轮惯量, N-m2 ; em 30 CC电机额定励磁下的转矩系数,N-m/A; R L Tl电枢回路电磁时间常数,s; me 2 m 375CC RGD T 电力拖动系统
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