雙閉環(huán)不可逆直流V-M調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

1、ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 運 動 控 制 系 統(tǒng) 大 作 業(yè) 雙閉環(huán)不可逆直流V-M調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真院 （部）： 電子信息與電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級： 電氣工程及其自動化 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號： 指導(dǎo)教師姓名： 指導(dǎo)教師職稱： 講 師 2013年12 月 30日摘  要電力拖動自動控制系統(tǒng)是把電能轉(zhuǎn)換成機械能的裝置，它被廣泛地應(yīng)用于一般生產(chǎn)機械需要動力的場合，也被廣泛應(yīng)用于精密機械等需要高性能電氣傳動的設(shè)備中，用以控制位置、速度、加速度、壓力、張力和轉(zhuǎn)矩等。直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力

2、拖動領(lǐng)域中得到應(yīng)用。晶閘管問世后，生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，組成晶閘管電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)），和旋轉(zhuǎn)變流機組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。而轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。 關(guān)鍵字:電力拖動；直流電動機；V-M系統(tǒng)目 錄摘  要2第一章、調(diào)速的方案選擇41.1電動機供電方案的選擇41.2系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選擇41.3確定直流調(diào)速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖4第二章、主電路的計算82.1整流變壓器計算92.2晶閘管元件的選擇102.3晶閘管保護(hù)環(huán)節(jié)的計算112.4平波電抗器計

3、算12第三章、 觸發(fā)電路的選擇與校驗13第四章、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計154.1系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖154.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計164.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計17第五章、總結(jié)19第六章、參考文獻(xiàn)20第一章、調(diào)速的方案選擇1.1電動機供電方案的選擇 采用晶閘管三相全控橋變流器供電方案（1）給定電機及系統(tǒng)參數(shù) ， 主回路總電阻 系統(tǒng)飛輪慣量 系統(tǒng)最大給定電壓 ACR、ASR調(diào)節(jié)器限幅值調(diào)到為 （2）性能指標(biāo)要求： 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：系統(tǒng)無靜差 動態(tài)指標(biāo)：；空載起動到額定轉(zhuǎn)速時。1.2系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選擇直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，而直流調(diào)速系統(tǒng)又分為開環(huán)調(diào)速、單閉環(huán)調(diào)速和雙閉環(huán)調(diào)速等調(diào)

4、速方式。其中開環(huán)調(diào)速的靜差率不高，且只能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無極調(diào)速；而在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)時專門用來控制電流的，它不能很理想的控制電流的動態(tài)波形，但雙閉環(huán)控制可解決以上的所有問了題，故本系統(tǒng)采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。1.3確定直流調(diào)速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖（1）雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。二者之間實行串級聯(lián)接，如圖1所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

5、。圖1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機TA電流互感器 UPE電力電子變換器為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖如圖2所示。圖2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 圖中標(biāo)出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。圖中還表示了兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。（2

6、）穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。它可以很方便地根據(jù)原理圖畫出來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示PI 調(diào)節(jié)器就可以了。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：飽和輸出達(dá)到限幅值，不飽和輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI的作用使輸入偏差電壓U在穩(wěn)態(tài)時總為零。圖3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù)實際上，在正常運行時

7、，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和和不飽和兩種情況。1.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此由第一個關(guān)系式可得從而得到圖4所示靜特性的CA段。與此同時，由于ASR不飽和，從上述第二個關(guān)系式可知。這就是說，CA段特性從理想空載狀態(tài)的Id=0一直延續(xù)到Id=Idm，而Idm一般都是大于額定電流的。這就是靜特性的運行段，它是一條水平的特性。2.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時，ASR輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時其中，最大電流Idm是由設(shè)計

8、者選定的，取決于電動機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。其所描述的靜特性對應(yīng)于圖4中的AB段，它是一條垂直的特性。這樣的下垂特性只適合于，則，ASR將退出飽和狀態(tài)。圖4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到Idm后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護(hù)。這就是采用了兩個PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性好。（3）各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算 由圖4可以看出，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作

9、中，當(dāng)兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有下列關(guān)系上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉(zhuǎn)速n是由給定電壓決定的；ASR的輸出量是由負(fù)載電流決定的；而控制電壓Uc的大小則同時取決于n和Id，或者說，同時取決于和。這些關(guān)系反映了PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要PI調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止所以， 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為 電流反饋系數(shù)為 第二章、主電路的計算 在直流調(diào)速系統(tǒng)中，我們采用的是晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)(簡稱V-M系統(tǒng))的原理圖如圖5所示。它通過調(diào)節(jié)處罰裝置G

10、T的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。與旋轉(zhuǎn)變流機組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟性和可靠性上都很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯現(xiàn)出較大的優(yōu)越性。圖5 V-M 系統(tǒng)原理對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，根據(jù)晶閘管的特性，可以通過調(diào)節(jié)控制角大小來調(diào)節(jié)電壓。當(dāng)整流負(fù)載容量較大或直流電壓脈動較小時應(yīng)采用三相整流電路，其交流側(cè)由三相電源供電。三相整流電路中又分三相半波和全控橋整流電路，因為三相半波整流電路在其變壓器的二次側(cè)含有直流分量，故本設(shè)計采用了三相全控橋整流電路來供電。 該電路是目前應(yīng)用最廣泛

11、的整流電路，輸出電壓波動小，適合直流電動機的負(fù)載，并且該電路組成的調(diào)速裝置調(diào)節(jié)范圍廣，能實現(xiàn)電動機連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電動機不可逆運行等技術(shù)要求。圖6 主電路原理圖三相全控制整流電路由晶閘管VT1、VT3、VT5接成共陰極組，晶閘管VT4、VT6、VT2接成共陽極組，在電路控制下，只有接在電路共陰極組中電位為最高又同時輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，以及接在電路共陽極組中電位最低而同時輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，同時導(dǎo)通時，才構(gòu)成完整的整流電路。為了使元件免受在突發(fā)情況下超過其所承受的電壓電流的侵害，在三相交流電路的交、直流側(cè)及三相橋式整流電路中晶閘管中電路保護(hù)有電壓、電流保護(hù)。一般保護(hù)有快速熔斷器，壓敏電

12、阻，阻容式。2.1整流變壓器計算 在一般情況下，晶閘管裝置所要求的交流供電電壓與電網(wǎng)電壓往往不一致；此外，為了盡量減小電網(wǎng)與晶閘管裝置間的相互干擾，要求它們相互隔離，故通常均要配用整流變壓器。變壓器額定參數(shù)計算主要是根據(jù)給定的電網(wǎng)相電壓有效值、已確定的整流電路形式、負(fù)載條件、直流輸出電壓和功率來計算變壓器二次側(cè)相電壓、相電流和一次測電流，以及變壓器二次側(cè)容量和一次側(cè)容量。 1）變壓器二次側(cè)相電壓U2、相電流I2和一次側(cè)電流I1式中：為負(fù)載的額定電壓，取230V為整流元件的正向?qū)▔航?，?Vn為電流回路所經(jīng)過的整流元件的個數(shù)，橋式電路取2A為理想情況下時，取2.34為實際電壓與理想空載電壓比，

13、取0.92為最小移相角，取C為線路接線方式系數(shù)，取0.5為變壓器阻抗電壓比，取0.05為二次側(cè)允許出現(xiàn)的最大電流與額定電流之比，取1.2 所以將數(shù)據(jù)代入輸出電壓平均值=2.34=252.252V，取250V =A，取170A忽略變壓器勵磁電流，可計算變壓器一次側(cè)相電流為2）變壓器二次側(cè)容量和一次側(cè)容量忽略變壓器勵磁功率，則三相橋式相控整流電路整流變壓器二次側(cè)容量和一次側(cè)容量相等2.2晶閘管元件的選擇1）選擇晶閘管元件主要根據(jù)是晶閘管整流裝置的工作條件，計算管子電壓、電流值，正確確定晶閘管型號規(guī)格，以得到滿意的技術(shù)經(jīng)濟效果。已知的電壓，對于三相橋式全控整流電路，可知晶閘管最大承受正反向電壓峰值，

14、考慮一定的安全裕量，則有,取650V按平波電抗器電感量足夠大、電流連續(xù)且平直考慮，則流過晶閘管的電流有效值=,取130A 根據(jù)上述計算，查閱相關(guān)手冊，可選擇型號KK506為的晶閘管。2.3晶閘管保護(hù)環(huán)節(jié)的計算晶閘管原件有很多優(yōu)點，但與其它電氣設(shè)備相比，由于元件的擊穿電壓較接近運行電壓，熱時間常數(shù)小，因此過電壓，過電流能力差，短時間的過電流，過電壓都可能造成元件損壞。為使晶閘管裝置能正常工作而不損壞，只靠合理選擇元件還不行，還要十分重視保護(hù)環(huán)節(jié)，因此在晶閘管裝置中，必須采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。1）交流側(cè)過電壓保護(hù)主電路交流側(cè)過電壓保護(hù)選擇阻容保護(hù)和壓敏電阻保護(hù)，并且均采用Y接法。阻容保護(hù)電容值可由下

15、式計算式中：為變壓器二次側(cè)線電壓：為變壓器空載電流百分?jǐn)?shù)，一般取2%10%。取C=電容C耐壓值 1.5，取=300V，故可以選擇金屬化紙介電容器。電阻值可由下式計算，取R=4電阻功耗，取=18W，因此R可選擇線繞電阻。壓敏電阻標(biāo)稱電壓式中，為電網(wǎng)電壓波動系數(shù)，取380V壓敏電阻通流容量的選擇原則是壓敏電阻允許通過的最大電流應(yīng)大于泄放浪涌電壓時流過壓敏電阻的實際浪涌峰值電流。通流容量，取5KA根據(jù)上述計算選擇用MY31380/5型壓敏電阻。2）晶閘管兩端過電壓保護(hù)晶閘管兩端過電壓保護(hù)采取阻容保護(hù)，電阻、電容值可根據(jù)晶閘管額定電流來直接選擇經(jīng)驗數(shù)據(jù)，見下表1晶閘管額定電流1000500200100

16、502010電容（F）210.50.250.20.150.1電阻（）2510204080100表1由上表知，C=，R=10電容耐壓值 1.5，取為400V電阻功率取為2W?？蛇x用3）過電流保護(hù)過電流保護(hù)采用晶閘管串聯(lián)快速熔斷器方案。快速熔斷器的額定電流通常要大于流過晶閘管的電流有效值的1.3倍，由于流過晶閘管的有效電流值=130A，故選熔體電流為75A的快速熔斷器。查閱手冊，選用RS3型。4）直流側(cè)過電壓保護(hù)直流側(cè)由于是電感性負(fù)載,故在某種情況下,會發(fā)生浪涌過電壓.如電壓過高的話,有可能會造成晶閘管硬開通而損壞。為避免它，故在直流負(fù)載兩端并接壓敏電阻來保護(hù)。選擇根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電壓和通流容量通過查表可

17、得出：通流容量選擇。 故查表得壓敏電阻型號規(guī)格為。 2.4平波電抗器計算1）維持電流連續(xù)的臨界電感值，取=7.3mH2）電動機電感量按下式計算式中，、分別為直流電動機電壓、電流和轉(zhuǎn)速的額定值，p為電動機磁極對數(shù)；為計算系數(shù)，一般無補償電動機取812快速無補償電動機取68，有補償電動機取56。本例取=10，得=H 取1.9mH3）整流變壓器每相漏電感按下式計算式中，與電路形式有關(guān)，單相橋式相控整流電路取3.18，三相橋式相控整流電路取3.9，計算可得4）平波電抗器實際電感量，取，流過電抗器的電流為209A。第三章、 觸發(fā)電路的選擇與校驗晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管

18、在必要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶閘管觸發(fā)電路往往包括觸發(fā)時刻進(jìn)行控制相位控制電路、觸發(fā)脈沖的放大和輸出環(huán)節(jié)。觸發(fā)脈沖的放大和輸出環(huán)節(jié)中，晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求： （1）觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通，三相全控橋式電路應(yīng)采用寬于60°或采用相隔60°的雙窄脈沖。 （2）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應(yīng)增大為器件最大觸發(fā)電流35倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達(dá)12Aus。 （3）所提供的觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極的伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。 （4）應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。理想的觸

19、發(fā)脈沖電流波形如圖7。 圖7 理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形-脈沖前沿上升時間（）-強脈沖寬度 -強脈沖幅值（）-脈沖寬度 -脈沖平頂幅值（）本設(shè)計課題是三相全三相全控橋整流電路中有六個晶閘管，觸發(fā)順序依次為：VT1VT2VT3VT4VT5VT6，晶閘管必須嚴(yán)格按編號輪流導(dǎo)通，6個觸發(fā)脈沖相位依次相差60O，可以選用3個KJ004集成塊和一個KJ041集成塊，即可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進(jìn)行脈沖放大，就可以構(gòu)成三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路如圖8。圖8三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路 第四章、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計4.1系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖9 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)的動態(tài)

20、結(jié)構(gòu)圖如圖9所示，圖中：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)； 電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)；晶閘管整流與觸發(fā)裝置的靜態(tài)放大倍數(shù)； 電流反饋濾波時間常數(shù)；轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)；晶閘管整流電路的失控時間，對于三相橋式電路；電動機電樞回路的電磁時間常數(shù)；機電時間常數(shù) ；R主回路總電阻；電動機電勢系數(shù)；電動機轉(zhuǎn)矩系數(shù)；轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；電流反饋系數(shù)；KI-電流開環(huán)增益其中：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為 電流反饋系數(shù) .25 取4.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計1）整流裝置的滯后時間常數(shù)。對于三相橋式電路，平均失控時間為。2）電流環(huán)小時間常數(shù)之和3）選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 按照設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器4）計算ACR參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：，要求%時，應(yīng)取電流環(huán)開環(huán)增益所以ACR的比例系數(shù)： 5)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:，滿足條件所以。 6）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容其電路實現(xiàn)如下圖10。取，各電阻和電容值計算如下：圖10計算調(diào)節(jié)器電阻和電容其電路實現(xiàn)4.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)