交直流与MATLAB仿真

《交直流调速系统与MATLAB仿真》

课程设计说明书

双闭环晶闸管直流调速系统的设计

学 院： 电气与信息工程学院

学生姓名： 郭风

指导教师： 李建军 职称/学位 教授

专 业： 自动化

班 级： 1301班

学 号：

完成时间： 2016年4月30日

《 交直流调速系统与MATLAB仿真》

课程设计任务书

学院：电气与信息工程学院 适应专业：自动化

指导教师 李建军 学生姓名 郭富强

课题名称 双闭环晶闸管直流调速系统的设计

内

容

及

任

务

一、设计内容

1、直流电动机的选择。

2、系统的结构选择。

3、控制电路的设计与计算。

4、双闭环直流调速系统的仿真。

二、设计任务

1、计算相关参数和记录相关波形。

2、撰写设计报告。

拟

达

到

的

要

求

或

技

术

指

标 一、基本要求与指标

1、电枢回路总电阻取R=2Ra:总飞轮力矩;5.222aGDGD

要求调速范围D=10，静差率%;5S稳态无静差，电流超调量%5%i，电流脉动系数%;10iS启动到额定转速退饱和超调量10%n%。

进

度

安

排 起止日期 工作内容

4月5日至20日 通过互联网、图书馆查阅相关资料。

4月21日至28日 设计相关电路并计算相关参数、仿真和记录波形。

4月29日至5月5日 撰写课程设计说明书。

主

要

参

考

资

料 [1]陈伯时．电力拖动自动控制系统[M]．北京：机械工业出版社，2003第二章

[3]莫正康．半导体变流技术[M]．北京：机械工业出版社，1999

[4]王兆安．电力电子技术[M]．北京：机械工业出版社，2003

[5]李发海，王岩．电机与拖动基础[M]．清华大学出版社，2005

[6]钱平．伺服系统 [M]．北京：机械工业出版社，2005

[7]任彦硕．自动控制系统[M]．北京：邮电大学出版社，2005

[8]陈治明．电力电子器件[M]．北京：机械工业出版社，1992

[9]邵丙衡．北京电力电子技术[M]．北京：中国铁道出版社，1997

[10]黄家善，王廷才．电力电子技术[M]．北京：机械工业出版社，2000

[11]李友善,自动控制原理 .北京 :国防工业出版社 , 1987

指导教师意见

签名：

年 月 日

教研室

意见

签名：

年 月 日

摘要

本设计是以含电流环、转速环双闭环晶闸管直流调速系统，在该系统的主电路中含有交流电源、同步脉冲触发、平波电抗器、直流电动机、晶闸管整流电路等部分。控制电路有转速调节器ASR、电流调节器ACR、偏置电路、反相器、电流反馈环节、转速反馈环节等。该系统在启动时，让转速外环饱和不起作用，电流环起主要作用，调节启动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳定运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调速电机的电枢电流以平衡负载电流。

关键词：双闭环、转速调节器ASR、电流调节器ACR

目 录

1 转速电流双闭环直流调速系统设计及原理 …………………………………1

1.1 电路的设计思路…………………………………………………………1

1.2 电路原理图………………………………………………………………3

2 晶闸管整流电源的设计 ………………………………………………………4

2.1 主电路及电机参数………………………………………………………4

2.2 整流变压器计算…………………………………………………………4

2.3 整流器件的设计…………………………………………………………5

3 控制电路的设计 ………………………………………………………………6

3.1 电流环设计………………………………………………………………6

3.2 转速环设计………………………………………………………………8

4 转速电流双闭环调速系统的建模和仿真 ……………………………………9

4.1 系统仿真结果分析………………………………………………………9

5 心得体会 ………………………………………………………………………11

参考文献……………………………………………………………………………12

附录…………………………………………………………………………………

1 1 转速电流双闭环直流调速系统设计及原理

1.1 电路的设计思路

为了了解转速、电流双闭环直流调速系统的特性，分别从动态和静态两个方面进行分析。图1所示为双闭环调速系统的稳态结构图、

图1所示为双闭环调速系统的稳态结构图

静态特性：

（1）以电流调节器ACR为核心的电流环。它由电流调节器ACR和电流负反

馈环组成，通过电流负反馈的自动调节作用去稳定电流。

（2）以转速调节器ASR为核心的转速环。它由转速调节器ASR和转速负反

馈组成，通过转速负反馈的作用维持稳定，最终消除转速偏差。

（3）图2为双闭环调速系统的静态特性曲线。电流负反馈器起恒流作用，

转速环起主导作用，消除转速偏差，使转速保持恒定。该图的n0-A段实

线为考 虑工程实际情况后的特性，而虚线是为理想工作条件下的特性。

图2 为双闭环调速系统的静态特性曲线

动态特性：

双闭环直流调速系统的动态结构图，如图3所示。 2

图3为双闭环调速系统的动态结构图

转速调节器ASR输出到电流Id之间的传递函数为

11111)(11sTsTKKsTsTkKsWiRssiiRSsi

双闭环直流调速系统突加给定电压*nU，由静止状态起动时。转速 和电流的动态过程如图4所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。

第I阶段（1~0t）是电流上升阶段。突加给定电压*nU后，cU、0dU、dI都上升，在dI没有达到负载电流dLI以前，电机还不能转动。当dLdII后，电机开始起动，由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压nnnUUU*的数值仍较大，其输出电压保持限幅值*imU，强迫电流dI迅速上升。直到dmdII，*imiUU，电流调节器很快就压制了dI的增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR不饱和。

第II阶段（21~tt）是恒流升速阶段。ASR饱和，转速环相当于开环，在恒值电流给定*imU下的电流调节系统，基本上保持电流dI恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电机的反电动势E也按线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，0dU和cU也必须基本上按线性增长，才能保持dI恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压iimiUUU*必须维持一定的恒值，也就是说，dI应略低于dmI。 3

图4 双闭环直流调速系统启动过程转速、电流和电压波形

1.2 电路的原理图

图5所示为转速、电流双闭环调速系统原理图。

图5所示为转速、电流双闭环调速系统原理图

系统的工作原理

（1）电动机启动时，突加阶跃信号Un，由于机械惯性，转速很小，转 4 速偏差电压△Un很大，转速调节器ASR饱和，输出限幅值Uim且不变，

转速环相当于开环。在这种情况下，电流负反馈环起恒流调节作用，

id=Id,转速线性上升。

（2）当转速达到给定值且稍有超调时，转速调节器的输入信号变极

性，转速调节器退饱和，转速负反馈起调节作用，使转速保持恒定，

即n=Un/α保持不变。

（3）转速环要求电流迅速响应转速n的变化，电流环则要求维持电流

不变，不利于电流对转速变化的响应，有使静态特性变软的趋势。但

由于转速环是外环，起主导作用，电流环的作用相当于转速环内的一

种扰动，只要转速环的开环放大倍数够大，靠ASR的积分作用，消

除转速偏差。

2 晶闸管整流电源的设计

2.1 主电路及电机参数

本课程设计的直流电动机的参数：额定功率19.5KW,额定转速900r/min，电

枢电流59.1A，励磁功率1050W，电枢回路电感15.2mH,效率79.1，电枢回路电阻0.675欧。晶闸管装置放大系数：40SK。电流反馈系数：)5.1/10(/05.0nIVAV。转速反馈系数)/10(min/007.0nVrA。

时间常数：022.0RLTl （2-1）

04.0375e2mmCCRGDT （2-2）

设计要求：稳态指标，无静差；动态指标，电流超调量%5i，空载启动到额定转速时转速超调量%10n

2.2 整流变压器计算

可控整流的原理：当晶闸管的阳极和阴极之间承受正向电压并且门极加触发信号时晶闸管导通，并且去掉门极的触发信号晶闸管依然维持导通。当晶闸管的阳极和阴极之间承受反向电压并且门极不管加不加触发信号晶闸管都是处于关断状态。

由电机铭牌数据可知，在以上整流电路中，变压器二次测所承受电压为电机在额定工作状态下的额定电压，故其二次侧额定电压可选为220V ,考虑要留有裕量，整流变压器额定电压Ue为440V，长期允许工作的电流为电机的额定电流59.1A。整流变压器二次测额定电流选择为59.1A。变压器容量：