单闭环调速系统

带电流截止负反馈的单闭环系统仿真实验报告

一、课题要求

已知参数：电动机：60KW、220V、305A、1000r/min、0.066Ω， 变流器：Ks = 30 ，V—M系统电枢回路总电阻R = 0.18 Ω 测速发电机：23.1W、110V、0.21A、1900r/min，GD2=78N m2 要求：D=20 ，S ≤5%

二、设计参数

(1)电动机：额定数据为60kw，220v，305A，1000r/min，电枢电阻RS=0.066Ω,飞轮力矩GD2=78N.m2。

(2)晶闸管装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y联结,触发整流环节的放大系数Ks=30。

(3)V-M系统主电路总电阻R=0.18Ω，总电感为2.16mH

(4)测速发电机：永磁式，额定数据为23.1w，110v，0.21A，1900r/min (5)系统静动态指标：调速指标D=20，s≤5%，γ=60°

(6)电流截止负反馈环节：要求加入合适的电流截止负反馈环节。

三、设计要求

试设计闭环系统，使系统达到动静态指标，并使系统可以在阶跃给定信号下直接启动。

四、实验原理

与电动机同轴安装一个测速发电机，从而产生与转速成正比的负反馈电压Un，与给定电压Un相比较后，得到转速偏差电压，经过放大器,产生电力电子变换器所需的控制电压Uct，用以控制电动机的转速。

电流截止负反馈的作用是在电动机发生超载或堵转的时候电流截止负反馈和给定信号相比较抵消。使电动机处于停止运行状态，以保护电机。

*

五、闭环直流调速系统稳态参数的计算

首先考虑比例调节器的电流截止负反馈的单闭环系统，因为稳态时电流截止环节不起作用，故先不考虑电流截止负反馈环节

（1）额定负载时的稳态速降应为: 2.63r/min

ncl

nnoms1000 0.05

r/min 2.63r/min

D(1 s)20 (1 0.05)

（2）闭环系统应有的开环放大系数：

计算电动机的电动势系数：0.2V min/r

Ce

Unom InomRa220 305 0.066

V min/r 0.2V min/r

nnom1000

InomR305 0.18

r/min 275r/min Ce0.2

nop ncl

闭环系统额定速降为：275r/min

nop

闭环系统的开环放大系数为：103.6

K 1

275

1 103.6 2.63

（3）计算转速负反馈环节的反馈系数和参数 测速发电机的电动势：0.0579V.min/r

KTG

110V

0.0579V min/r

1900r/min

转速反馈电压：11.58V（α=α2KTG α2取0.2）

Un=nnom α

2

KTG=1000×0.2×0.0579=11.58V

转速反馈系数为：0.0116 V.min/r

αn=0.2×0.0579=0.0116 V min/r

（4) 计算运算放大器的放大系数和参数 运算放大器放大系数Kp为: 59.5

KCeΦ103.6×0.2KP===59.5

Sαn取KP=60。

（5)电流截止环节设计

电流反馈系数为β=I

（6)判断系统的稳定性计算：

系统中各环节的时间常数： 电磁时间常数Tl:0.012s

Ui

dbl

=λ

UiInom

=

10×3051.5

=0.022V/A

Tl=

机电时间常数Tm:0.098s

L0.00216==0.012s R0.18

GD2R78×0.18

Tm===0.098s

eΦCmΦ晶闸管装置的滞后时间常数Ts:0.00167s

TmTmTs0.0980.0980.00167K<++=++=67

sll计算出开环放大系数应满足的稳定条件为K>103.6，又因为K<67，所以比例调节器

成的系统是不稳定的，必须作动态校正。

输出示波器波形：很明显系统振荡

（由于没加限幅，电流早已过大，电机已毁，实际中是不存在的）

六、动态校正

这里将采用开环对数频率特性设计串联校正调节器。经过静态设计后满足静态性能指标的负反馈闭环系统的开环系统传递函数为

103.6

W s =

现在我们采用PI调节即比例积分调节器构成串联滞后校正，其传递函数为Kp

τs+1τs

于系统不稳定，要设法将截止频率减下来，以使系统有足够的稳定裕量，因此将校正环节的转折频率1/τ设置在远小于被校正系统截止频率ωcl处。为了方便起见，通常令τ=T1，即在传递函数上使校正装置的比例微分项（τs+1）与被校正系统中时间常数大的惯性环节T1s+1对消，以此来确定校正环节的转折频率。

1

校正后系统的传递函数为

W obj=

103.6KPI τs+1

×

KKPI

τs T2s+1 (TsS+1)

=

校正后的稳定裕量为γ=180° 90° tan 1ωc2T2 tan 1ωC2TS （1） 若要求γ=60°，利用式（1）可以求出ωcr=35.7s 1,可以求出ωc2=35s 1。校正后的系统的开环对数幅频特性绘于下图。

比较开环频率特性，在ωc2处，被校正系统的L1=30.9dB，校正后的L2=0dB。因此，校正环节的L3应与L1正负相抵，即L3=-L1=30.9dB。这样确定的校正环节的对数频率特性如曲线3所示。

1 τ1

L3= 20log10= 20log10PI PI

τ所以 20log10

1KP

=30.9dB

KPI=0.0285 于是校正环节的传递函数为

0.0285（0.084s+1）

又因为被校正系统中的比例系数为Kp=60的比例调节器串联。将比例调节器的比例系数综

Wcl s =

合考虑到比例积分调节器，则调速系统中所串联比例积分调节器的传递函数为 0.0285×60（0.084s+1）1.17（0,084s+1）

=

若取调节器输入电阻R0=20kΩ，则调节器反馈网络中的参数为

R1=1.17×R0=34.2 kΩ

WC2 s =

0.084

C1=τ R=×103=2.45(μF)

1输入程序：

GH=tf([103.6],conv([0.00167,1],conv([0.014,1],[0.084,1])))//校正前开环传递函数 GH =

103.6

---------------------------------------------------------- 1.964e-06 s^3 + 0.00134 s^2 + 0.09967 s + 1

T=tf([2.9],conv([0.084,0],conv([0.00167,1],[0.014,1])))//校正后开环传递函数 T =

2.9

--------------------------------------------------------- 1.964e-06 s^3 + 0.001316 s^2 + 0.084 s

W=tf(conv([0.0285],[0.084,1]),[0.084,0])//PI调节函数 W =