V-M雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)設計

1、武漢理工大學電力拖動運動控制系統(tǒng)課程設計說明書課程設計任務書 題 目: V-M雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)設計 初始條件：1技術數(shù)據(jù)及技術指標： 直流電動機：PN=3KW , UN=220V , IN=17.5A , nN=1500r/min , Ra=1.25堵轉電流 Idbl=2IN , 截止電流 Idcr=1.5IN ，GD2=3.53N.m2三相全控整流裝置：Ks=40 , Rrec=1. 3平波電抗器：RL=0. 3電樞回路總電阻 R=2.85 ，總電感 L=200mH , 濾波時間常數(shù)：Toi=0.002s , Ton=0.01s,其他參數(shù)：Unm*=10V , Uim*=10V , U

2、cm=10V i5% , n10要求完成的主要任務: 1技術要求： (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設計內(nèi)容：(1) 根據(jù)題目的技術要求，分析論證并確定主電路的結構型式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖 (2) 調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計算（包括有變壓器、電力電子器件、平波電抗器與保護電路等） (3) 動態(tài)設計計算：根據(jù)技術要求，對系統(tǒng)進行動態(tài)校正，確定ASR調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的結構型式及進行參數(shù)計算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能

3、指標的要求 (4) 繪制V-M雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖（要求計算機繪圖） (5) 整理設計數(shù)據(jù)資料，課程設計總結，撰寫設計計算說明書時間安排：課程設計時間為一周半，共分為三個階段：（1） 復習有關知識，查閱有關資料，確定設計方案。約占總時間的20%（2） 根據(jù)技術指標及技術要求，完成設計計算。約占總時間的40%（3） 完成設計和文檔整理。約占總時間的40%指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日 目錄摘要·············

4、·················································11設計任務

5、及要求·················································

6、83;21.1技術數(shù)據(jù)················································&

7、#183;···21.2設計要求·············································

8、;·······22雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的總體設計········································23主

9、電路的設計·················································&

10、#183;··53.1主電路電氣原理圖及其說明····································5 3.2平波電抗器參數(shù)的計算······

11、··································6 3.3 變壓器參數(shù)的計算·············

12、3;······························73.4晶閘管元件參數(shù)的計算·················&#

13、183;······················73.5保護電路··························

14、··························84電流調(diào)節(jié)器的設計······················&#

15、183;·························9 4.1電流環(huán)結構框圖的化簡······················

16、;··················9 4.2電流環(huán)參數(shù)的計算·····························

17、3;·············10 4.2.1確定時間常數(shù)··································&#

18、183;·······10 4.2.2電流調(diào)節(jié)器結構的選擇··································10 4.2.3計算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)··&#

19、183;·······························11 4.2.4校驗近似條件················

20、··························11 4.2.5計算調(diào)節(jié)器的電阻和電容·····················

21、;···········125轉速調(diào)節(jié)器的設計·····································

22、··········13 5.1轉速環(huán)結構框圖的化簡·····································&#

23、183;·14 5.2轉速環(huán)參數(shù)的計算···········································14 5.2.1確定時間常數(shù)

24、3;·········································14 5.2.2轉速調(diào)節(jié)器結構的選擇·····

25、3;····························15 5.2.3轉速調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算··················

26、3;···············16 5.2.4校驗近似條件································&#

27、183;·········16 5.2.5計算調(diào)節(jié)器的電阻和電容································16 5.2.6校核轉速超調(diào)量··

28、3;·····································176系統(tǒng)建模及仿真實驗··········

29、3;··································186.1 MATLAB仿真軟件介紹············

30、3;···························186.2 雙閉環(huán)建模·····················

31、;···························186.3 雙閉環(huán)仿真·····················

32、···························186.4 仿真波形分析·····················

33、·························19 7總結與體會·······················

34、83;·····························21參考文獻···················

35、83;··································22附錄···············

36、;·············································23摘要直流調(diào)速系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過

37、程中應用最廣的電氣傳動裝置之一。廣泛地應用于軋鋼機、冶金、印刷、金屬切削機床等許多領域的自動控制系統(tǒng)中。它通常采用三相全控橋式整流電路對電動機進行供電，從而控制電動機的轉速，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，如晶體管、各種線性運算電路等，在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求。 V-M雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)），系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)器觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來移動出發(fā)脈沖的相位，即控制晶閘管可控整流器的輸出改變平均整流電壓Ud，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。本次課設用實際電動機和整流裝置數(shù)據(jù)對V-M雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行設計，建模與仿真。關鍵詞 ： 雙閉環(huán)調(diào)速 ACR ASR 建模與仿真1設計任

38、務及要求1.1技術數(shù)據(jù)直流電動機：PN=3KW , UN=220V , IN=17.5A , nN=1500r/min , Ra=1.25堵轉電流 Idbl=2IN , 截止電流 Idcr=1.5IN ，GD2=3.53N.m2三相全控整流裝置：Ks=40 , Rrec=1. 3平波電抗器：RL=0. 3電樞回路總電阻 R=2.85 ，總電感 L=200mH , 濾波時間常數(shù)：Toi=0.002s , Ton=0.01s,其他參數(shù)：Unm*=10V , Uim*=10V , Ucm=10V i5% , n101.2設計要求(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

39、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雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的總體設計改變電樞兩端的電壓能使電動機改變轉向。盡管電樞反接需要較大容量的晶閘管裝置，但是它反向過程快，由于晶閘管的單向導電性，需要可逆運行時經(jīng)常采用兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路，電動機正轉時，由正組晶閘管裝置VF供電；反轉時，由反組晶閘管裝置VR供電。如圖2-1所示兩組晶閘管分別由兩套觸發(fā)裝置控制，可以做到互不干擾，都能靈活地控制電動機的可逆運行，所以本設計采用兩組晶閘管反并聯(lián)的方式。并且采用三相橋式整流。雖然兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆V-M系統(tǒng)解決了電動機的正、反轉運行的問題

40、，但是兩組裝置的整流電壓同時出現(xiàn)，便會產(chǎn)生不流過負載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱作環(huán)流，一般地說，這樣的環(huán)流對負載無益，只會加重晶閘管和變壓器的負擔，消耗功率。環(huán)流太大時會導致晶閘管損壞，因此應該予以抑制或消除。為了防止產(chǎn)生直流平均環(huán)流，應該在正組處于整流狀態(tài)、Udof 為正時，強迫讓反組處于逆變狀態(tài)、使Udor為負，且幅值與Udof相等，使逆變電壓Udor把整流電壓Udof頂住，則直流平均環(huán)流為零。于是又由于其中，分別為VF和VR的控制角。由于兩組晶閘管裝置相同，兩組的最大輸出電壓是一樣的，因此，當直流平均環(huán)流為零時，應有如果反組的控制角用逆變角表示，則 按照這樣控制就可以消除環(huán)

41、流。圖2-1 兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)可逆線路系統(tǒng)設計的一般原則為：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。即從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴展。在這里，首先設計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設計轉速調(diào)節(jié)器。圖2-2為轉速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖，圖2-3為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結構圖。圖中兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR分別為轉速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，二者串級連接，即把電流調(diào)節(jié)器的輸出作為轉速調(diào)節(jié)器的輸入，再用轉速調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。轉速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定電壓的最大值；轉速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變

42、換器的最大輸出電壓Udm。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。其中主電路中串入平波電抗器，以抑制電流脈動，消除因脈動電流引起的電機發(fā)熱以及產(chǎn)生的脈動轉矩對生產(chǎn)機械的不利影響。圖2-2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖+-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMUPE-IdLUd0Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*iUcKs Tss+1Id1Ce+Tl s+1b T0is+11 T0is+1ASR1 T0ns+1a T0ns+1U*nn圖2-3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

43、結構框圖3主電路的設計3.1主電路電氣原理圖及其說明主電路采用轉速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，使電流環(huán)(ACR)作為控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，轉速環(huán)(ASR)作為控制系統(tǒng)的外環(huán)，以此來提高系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能。二者串級連接，即把電流調(diào)節(jié)器的輸出作為轉速調(diào)節(jié)器的輸入，再用轉速調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從而改變電機的轉速。通過電流和轉速反饋電路來實現(xiàn)電動機無靜差的運行。圖3-1 系統(tǒng)電氣原理框圖3.2平波電抗器參數(shù)的計算： Ud=2.34U2cos Ud=UN=220V, 取=0°U2=Idmin=(5%-10%)IN,這里取10% 則L=0.6933.3變壓器參數(shù)的計算變壓器副邊電壓采用

44、如下公式進行計算： 因此變壓器的變比近似為：一次側和二次側電流I1和I2的計算I1=1.05×287×0.861/3.45=75AI2=0.861×287=247A變壓器容量的計算S1=m1U1I1=3×380×75=85.5kVAS2=m2U2I2=3×110×247=81.5kVAS=0.5×(S1+S2)=0.5×(85.5+81.5)=83.5kVA因此整流變壓器的參數(shù)為：變比K=3.45，容量S=83.5kVA3.4晶閘管元件參數(shù)的計算晶閘管的額定電壓通常選取斷態(tài)重復峰值電壓UDRM和反向重復峰

45、值電壓URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓。晶閘管的額定電流一般選取其通態(tài)平均電流的1.5-2倍。在橋式整流電路中晶閘管兩端承受的最大正反向電壓均為，晶閘管的額定電壓一般選取其最大正反向電壓的2-3倍。帶反電動勢負載時，變壓器二次側電流有效值I2是其輸出直流電流有效值Id的一半，而對于橋式整流電路，晶閘管的通態(tài)平均電流IVT=I，則在本設計中晶閘管的額定電流IVT(AV)=523-698A本設計中晶閘管的額定電壓UN=311-466V3.5保護電路的設計對于過電壓保護本設計采用RC過電壓抑制電路，該裝置置于供電變壓器的兩側或者是電力電子電路的直流上，如圖3-2所示。對于過電流保護本設計采用

46、在電力變壓器副邊每相母線中串接快速熔斷器的方法來保護電路圖3-2 過壓保護電路4電流調(diào)節(jié)器設計4.1電流環(huán)結構框圖的化簡電流環(huán)結構圖的簡化分為忽略反電動勢的動態(tài)影響、等效成單位負反饋系統(tǒng)、小慣性環(huán)節(jié)的近似處理等環(huán)節(jié)。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時間常數(shù) Tl遠小于機電時間常數(shù)Tm，因此轉速的變化往往比電流變化慢得多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在按動態(tài)性能設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，即DE0。這時，電流環(huán)如圖4-1所示。Ud0(s)+-Ui (s)ACR1/RTl s+1U*i(s)Uc (s)Ks Tss+1Id (s)b T0is+11 T0is+1圖4-

47、1 忽略反電動勢動態(tài)影響的電流環(huán)動態(tài)結構圖如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成U*i(s) /b ，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)，如圖4-2所示。+-ACRUc (s)Ks /R (Tss+1)(Tl s+1)Id (s)U*i(s)bb T0is+1圖4-2等效成單位負反饋系統(tǒng)的電流環(huán)的動態(tài)結構圖最后，由于Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多，可以當作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為 Ti = Ts + Toi 則電流環(huán)結構圖最終簡化成圖4-3+-ACRUc (s)bKs /R (Tls+1)(TSis+1)Id (s)U*i(s)b+-A

48、CRUc (s)bKs /R (Tls+1)(TSis+1)Id (s)U*i(s)b圖4-3 電流環(huán)的簡化結構圖4.2電流環(huán)參數(shù)的計算4.2.1確定時間常數(shù)1)整流裝置滯后時間常數(shù) Ts。按表4.2.1，三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.0017s。2 )電流濾波時間常數(shù)本設計初始條件已給出，即Toi=0.002s。3)電流環(huán)小時間常數(shù)之和T=Ts+Toi=0.0037s表4.2.1 各種整流裝置的失控時間4.2.2電流調(diào)節(jié)器結構的選擇 從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉特性，采用 I 型系統(tǒng)就夠了。從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電

49、流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應以跟隨性能為主，應選用典型I型系統(tǒng)。 電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型 I 型系統(tǒng)，顯然應采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成 式中 Ki 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； ti 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。檢查對電源電壓的抗擾性能：，參照典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系表格，可以看出各項指標都是可以接受的。4.2.3計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：ti=Tl=0.07s。電流環(huán)開環(huán)增益：要求i5%時，應取KITi=0.5，因此于是，ACR的比例系數(shù)為：4.2.4校驗近似條件電流環(huán)截止頻

50、率：ci=KI=135.1s-1。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4.2.5計算調(diào)節(jié)器電阻和電容由圖4-4，按所用運算放大器取R0=40k，各電阻和電容值為按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為i=4.3%<5%,滿足設計要求 圖4-4含給定濾波與反饋濾波的 PI型電流調(diào)節(jié)器5轉速調(diào)節(jié)器的設計5.1轉速環(huán)結構框圖的化簡電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，接入轉速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應為Ui*(s),因此電流環(huán)在轉速環(huán)中應等效為用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后，

51、整個轉速控制系統(tǒng)的動態(tài)結構圖便如圖5-1所示和電流環(huán)一樣，把轉速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成U*n(s)/a，再把時間常數(shù)為1 / KI 和 T0n 的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中n (s)+-Un (s)ASRCeTmsRU*n(s)Id (s)a T0ns+11 T0ns+1U*n(s)+-IdL (s)圖5-1 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)的轉速環(huán)的動態(tài)結構圖最后轉速環(huán)結構簡圖為圖5-2圖5-2 等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理的轉速環(huán)結構框圖5.2轉速環(huán)參數(shù)的計算5.2.1確定時間常數(shù)1)電流環(huán)等效時間常數(shù)1/KI。由電流環(huán)參數(shù)可知KITi=0.5，則 2)轉速濾波時間常數(shù)Ton。根據(jù)已知條件可知Ton=0.01s3)轉速環(huán)小時間常數(shù)Tn。按小時間常數(shù)近似處理，取5.2.2選擇轉速調(diào)節(jié)器結構 為了實現(xiàn)轉速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉速調(diào)節(jié)器 ASR 中，現(xiàn)在在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積