yuwei邏輯無環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真

1、課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 余 威 專業(yè)班級： 自動化0805班 指導(dǎo)教師： 饒浩彬 工作單位： 自動化學(xué)院 題 目: 邏輯無環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真 初始條件：1技術(shù)數(shù)據(jù)及技術(shù)指標(biāo)： 直流電動機：PN=27KW, UN=220V , IN=136A , nN=1500r/min , 最大允許電流 Idbl=1.5IN , 三相全控整流裝置：Ks=40 ,電樞回路總電阻 R=0. 5 ，電動勢系數(shù)： Ce= 0.132V.min/r系統(tǒng)主電路：Tm=0.18s ，Tl=0.03s濾波時間常數(shù)：Toi=0.002s , Ton=0.01s,其他參數(shù)：Unm*=10V , Uim*=10V ,

2、 Ucm=10V i5% , n10%要求完成的主要任務(wù): 1技術(shù)要求： (1) 該調(diào)速系統(tǒng)能進行平滑的速度調(diào)節(jié)，負載電機可逆運行，具有較寬的調(diào)速范圍（D10），系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作 (2) 系統(tǒng)在5%負載以上變化的運行范圍內(nèi)電流連續(xù) 2設(shè)計內(nèi)容：(1) 根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)型式和閉環(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) 通過對調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計, 得到轉(zhuǎn)速和電流的仿真波形，并由仿真波形通過MATLAB來進行調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)節(jié)。(4) 繪制邏輯無環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖（要

3、求計算機繪圖） (5) 整理設(shè)計數(shù)據(jù)資料，課程設(shè)計總結(jié)，撰寫設(shè)計計算說明書時間安排：課程設(shè)計時間為一周半，共分為三個階段：（1） 復(fù)習(xí)有關(guān)知識，查閱有關(guān)資料，確定設(shè)計方案。約占總時間的20%（2） 根據(jù)技術(shù)指標(biāo)及技術(shù)要求，完成設(shè)計計算。約占總時間的40%（3） 完成設(shè)計和文檔整理。約占總時間的40%指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄摘要11設(shè)計條件及任務(wù)21.1 初始條件22系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計32.1 方案論證32.2系統(tǒng)主電路設(shè)計32.3主電路參數(shù)設(shè)計44調(diào)節(jié)器的設(shè)計64.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計64.1.1確定電流調(diào)節(jié)器時間常數(shù)64.1.3校驗近似條件74.1.4計算調(diào)

4、節(jié)器電阻和電容84.2速度調(diào)節(jié)器設(shè)計84.2.1確定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時間常數(shù)84.2.2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)84.2.3校驗近似條件95系統(tǒng)建模與仿真105.1建立仿真模型105.2仿真模型運行125.2.1空載時仿真圖形125.2.2滿載時仿真波形13小結(jié)與體會14參考文獻15附圖16摘要邏輯無環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)主電路由正橋及反橋反正并聯(lián)組成，這種線路有能實現(xiàn)可逆運行、回饋制動等優(yōu)點，但也會產(chǎn)生環(huán)流。為保證系統(tǒng)安全，必須消除其中的環(huán)流。所謂邏輯無環(huán)流系統(tǒng)就是在一組晶閘管工作時，用邏輯電路封鎖另一組晶閘管的觸發(fā)脈沖，使該組晶閘管完全處于阻斷狀態(tài)，從根本上切斷環(huán)流通路。這種系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)邏輯無環(huán)流可逆

5、調(diào)速，還能實現(xiàn)回饋制動。本課設(shè)對邏輯無環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)進行了設(shè)計并對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器進行了建模與仿真。關(guān)鍵詞：邏輯無環(huán)流 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器 建模 仿真 邏輯無環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真1設(shè)計條件及任務(wù)1.1 初始條件1技術(shù)數(shù)據(jù)及技術(shù)指標(biāo)： 直流電動機：PN=27KW, UN=220V , IN=136A , nN=1500r/min , 最大允許電流 Idbl=1.5IN , 三相全控整流裝置：Ks=40 ,電樞回路總電阻 R=0. 5 ，電動勢系數(shù)： Ce= 0.132V.min/r系統(tǒng)主電路：Tm=0.18s ，Tl=0.03s濾波時間常數(shù)：Toi=0.002s , T

6、on=0.01s,其他參數(shù)：Unm*=10V , Uim*=10V , Ucm=10V i5% , n10%1.2 設(shè)計任務(wù): 1技術(shù)要求： (1) 該調(diào)速系統(tǒng)能進行平滑的速度調(diào)節(jié)，負載電機可逆運行，具有較寬的調(diào)速范圍（D10），系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作 (2) 系統(tǒng)在5%負載以上變化的運行范圍內(nèi)電流連續(xù) 2設(shè)計內(nèi)容：(1) 根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)型式和閉環(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) 通過對調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計, 得到轉(zhuǎn)速和電流的仿真波形，并由仿真波形通過MATLAB來進行調(diào)節(jié)器

7、的參數(shù)調(diào)節(jié)。(4) 繪制邏輯無環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖（要求計算機繪圖）2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1 方案論證在可逆調(diào)速系統(tǒng)中，電動機最基本的要素就是能改變旋轉(zhuǎn)方向。而要改變電動機的旋轉(zhuǎn)方向有兩種辦法：一種是改變電動機電樞電壓的極性，第二種是改變勵磁磁通的方向。對于大容量的系統(tǒng)，從生產(chǎn)角度出發(fā)，往往采用既沒有直流平均環(huán)流，又沒有瞬時脈動環(huán)流的無環(huán)流可逆系統(tǒng)，無環(huán)流可逆系統(tǒng)省去了環(huán)流電抗器，沒有了附加的環(huán)流損耗，和有環(huán)流系統(tǒng)相比，因換流失敗造成的事故率大為降低。因此，邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)中被廣泛運用。2.2系統(tǒng)主電路設(shè)計邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路如下圖3所示:圖2-1 邏輯無環(huán)

8、流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)主電路兩組橋在任何時刻只有一組投入工作（另一組關(guān)斷），所以在兩組橋之間就不會存在環(huán)流。但當(dāng)兩組橋之間需要切換時，不能簡單的把原來工作著的一組橋的觸發(fā)脈沖立即封鎖，而同時把原來封鎖著的一組橋立即開通，因為已經(jīng)導(dǎo)通的晶閘管并不能在觸發(fā)脈沖取消的一瞬間立即被關(guān)斷，必須待晶閘管承受反壓時才能關(guān)斷。如果對兩組橋的觸發(fā)脈沖的封鎖和開放同時進行，原先導(dǎo)通的那組橋不能立即關(guān)斷，而原先封鎖著的那組橋已經(jīng)開通，出現(xiàn)兩組橋同時導(dǎo)通的情況，因沒有環(huán)流電抗器，將會產(chǎn)生很大的短路電流，把晶閘管燒毀。為此首先應(yīng)是已導(dǎo)通的的晶閘管斷流，要妥當(dāng)處理主回路中的電感儲存的一部分能量回饋給電網(wǎng)，其余部分消耗在電機上

9、，直到儲存的能量釋放完，主回路電流變?yōu)榱悖乖чl管恢復(fù)阻斷能力，隨后再開通原來封鎖著的那組橋的晶閘管，使其觸發(fā)導(dǎo)通。2.3主電路參數(shù)設(shè)計Ud=2.34U2cos Ud=UN=220V, 取=0 U2=Idmin=(5%-10%)IN,這里取10% 則L=0.693晶閘管參數(shù)計算：對于三相橋式整流電路，晶閘管電流的有效值為：則晶閘管的額定電流為：取1.52倍的安全裕量，由于電流連續(xù)，因此晶閘管最大正反向峰值電壓均為變壓器二次線電壓峰值，即：取23倍的安全裕量，3調(diào)節(jié)器作用分析3.1調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖如下圖3-1所示：圖3-1邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖3.2轉(zhuǎn)

10、速調(diào)節(jié)器的作用根據(jù)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖分析，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用可歸納如下：1） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)劑器，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。2） 對負載變化起抗擾作用。3） 其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。3.3電流調(diào)節(jié)器的作用1 ）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)解過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓 （即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。2 ）對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。3 ）在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電動機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。4 ）當(dāng)電動機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的

11、最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。4調(diào)節(jié)器的設(shè)計4.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計4.1.1確定電流調(diào)節(jié)器時間常數(shù)（1）、整流裝置滯后時間常數(shù)Ts：三相橋式電路平均失控時間Ts = 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3.33ms，為了基本濾平波頭應(yīng)有（12）Toi = 3.33s。則Toi=0.002s（3）、電流小時間常數(shù)：按小時間常數(shù)近似處理： 4.1.2選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)采用含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器，其原理圖如圖4-1所示。圖中為電流給定電壓，為電流負反饋電壓，調(diào)節(jié)器

12、的輸出就是電力電子變換器的控制電壓。圖4-1 PI型電流調(diào)速器根據(jù)設(shè)計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，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型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：檢查對電源電壓的抗擾性能：電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：取電流反饋系數(shù)：電流環(huán)開環(huán)增益：取，因此于是，ACR的比例系數(shù)為：4.1.3校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：，滿足近似條件忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件：，滿足近似條件電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：，滿足近似條件4.1.4計算調(diào)節(jié)器電阻和電容按所用運算放大器取，各電阻和電容值為：，取，取，取4.2速度調(diào)節(jié)器設(shè)計4.2

13、.1確定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)：轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)：轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)：按小時間常數(shù)近似處理，取電壓反饋系數(shù)：4.2.2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)采用含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，其原理圖如圖4-2所示。圖中為轉(zhuǎn)速給定電壓，為轉(zhuǎn)速負反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。圖4-2 PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器按設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：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：轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為：于是，ASR的比例系數(shù)為：4.2.3校驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為：電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為：，滿足近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為：，滿足近似條件4

14、.2.4計算調(diào)節(jié)器的電阻和電容值按所用運算放大器取，則，取480k，取，取4.2.5校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量理想空載啟動時設(shè)z=0，已知數(shù)據(jù)：，R=0.5，IN=136A，nN=1500r/min,Ce=0.132V.min/r,Tm=0.18s,Tn=0.0174s。當(dāng)h=5時，=81.2%。按退飽和超調(diào)量的計算方法計算調(diào)速系統(tǒng)空載啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量：=281.2%1.5(1360.5/0.132)/1500(0.0174/0.18)=8.0%10%滿足設(shè)計要求。5系統(tǒng)建模與仿真5.1建立仿真模型 (1)打開模型編輯窗口：通過單擊SIMULINK工具欄中新模型的圖標(biāo)或選擇FileNewMod

15、le菜單項實現(xiàn)。 (2)復(fù)制相關(guān)模塊：雙擊所需子模塊庫圖標(biāo)，則可以打開它，以 選中所需的子模塊，拖入模型編輯窗口。 (3)修改模塊參數(shù)：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)模塊連接：以鼠標(biāo)左鍵單擊起點模塊輸出端，拖動鼠標(biāo)至終點模塊輸入端，則在兩模塊間產(chǎn)生線。當(dāng)一個信號要分送到不同模塊的多個輸入端時，需要繪制分支線，通?？砂咽髽?biāo)移到期望的分支線的起點處，按下鼠標(biāo)的右鍵，看到光標(biāo)變?yōu)槭趾?，拖動鼠?biāo)直至分支線的終點處，釋放鼠標(biāo)按鈕，就完成了分支線的繪制。如圖5-1所示為仿真模型： 圖5-1轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型5.2仿真模型運行5.2.1空載時仿真圖形(1)

16、設(shè)置負載電流為0;(2)啟動仿真：點擊按鈕，仿真啟動，雙擊示波器就可以發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果如下圖5-2所示： 圖5-2 轉(zhuǎn)速環(huán)空載高速起動波形圖（3）觀察波形可發(fā)現(xiàn)ASR調(diào)節(jié)器經(jīng)過了不飽和，飽和，退飽和三個階段，最終穩(wěn)定與給定轉(zhuǎn)速。電流最終穩(wěn)定為0A。5.2.2滿載時仿真波形(1)把負載電流設(shè)置為136A，滿載啟動(2)按照前面步驟啟動模型，波形得到如圖5-3所示： 圖5-3 滿載時波形圖(3)根據(jù)圖形發(fā)現(xiàn)啟動時間延長了，退飽和超調(diào)量減小了。起動過程的三個階段都能很清楚的看到。電流最后穩(wěn)定在額定值。小結(jié)與體會通過本次課程設(shè)計，我對邏輯無環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)有了更深入的理解。其中主要包括轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)

17、的設(shè)計、邏輯控制器的設(shè)計及對轉(zhuǎn)速與電流的建模與仿真，涉及到了電力電子，電力拖動等多學(xué)科。轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)的核心是電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器，在確定兩個調(diào)節(jié)器的類型和結(jié)構(gòu)時采用常用的工程設(shè)計方法，電流調(diào)節(jié)器采用典型型系統(tǒng)，計算其基本參數(shù)后，校驗近似條件，能夠滿足系統(tǒng)的要求，若不能滿足則要重新設(shè)計調(diào)節(jié)器的類型和結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用典型型系統(tǒng)，和電流調(diào)節(jié)器一樣，計算其基本參數(shù)，校驗近似條件，能滿足系統(tǒng)的要求。通過這個環(huán)節(jié)設(shè)計，我對調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算掌握的更牢固。完成本設(shè)計用到了很多電力拖動以外的知識，單用電力拖動書本上的知識是設(shè)計不出來的，現(xiàn)在的系統(tǒng)設(shè)計都會涉及到多方面的知識，因此學(xué)好書本上的基本知識點以

18、后還要做相應(yīng)的拓展學(xué)習(xí)，將其他的與之相關(guān)的內(nèi)容聯(lián)系起來，對開闊我們的知識面有很大的幫助。 通過這次課程設(shè)計，我深刻體會到了學(xué)好運動控制系統(tǒng)的重要性，在此過程運用到了許多書本知識，有很多不懂的地方，都是通過查閱書本，上網(wǎng)查詢或和同學(xué)探討解決的，如果能夠深刻體會到課本知識的精髓就會節(jié)約大量的時間。 總之，本次課程設(shè)計體會頗多，不僅是自己在對所涉及到的知識有了更深的認識外，對自己在動手能力，動腦能力也是有很大的提高。最后感謝學(xué)校，感謝指導(dǎo)老師給了我這個鍛煉自己的機會！ 參考文獻1. 陳伯時主編.電力拖動自動控制系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社,20032. 楊蔭福.電力電子裝置及系統(tǒng).北京：清華大學(xué)出版社,20063. 王兆安.電力電子技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社,20074. 漆漢宏. PLC電氣控制技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，20065. 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社,20066. 馬莉. MATLAB數(shù)學(xué)實驗與建模.北京：清華大學(xué)出版社,2010附圖附圖 電氣原理總圖本科生課程設(shè)計成績評