三相全控橋晶閘管不可逆直流調速系統

課程設計題 目：三相全控橋晶閘管不可逆直流調速系統院（系）： 電信學院 班 級： 自動化08--4 姓 名： 肖煥超 學 號： 17號 指導教師： 葉瑰鈞 年十二月摘要轉速、電流雙閉環(huán)控制直流調速系統是性能很好、應用最廣的直流調速系統。在設計中調速系統的主電路采用了三相全控橋整流電路來供電。本文采用轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統為對象來設計直流電動機調速控制器。為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋，二者之間實行嵌套聯接。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內環(huán)；轉速環(huán)在外邊，稱做外環(huán)。這就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統。先確定其結構形式和設計各元部件，并對其參數計算。最后采用MATLAB/SIMULINK對整個調速系統進行了仿真分析關鍵詞：三相全控橋；雙閉環(huán)；轉速調節(jié)器；電流調節(jié)器目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"緒論 31.1直流調速系統的概述 31.2研究課題的目的和意義 4\o"CurrentDocument"1.3設計內容和要求 4\o"CurrentDocument"雙閉環(huán)直流調速系統的組成和工作原理 4\o"CurrentDocument"2.1雙閉環(huán)直流調速系統的結構圖 5\o"CurrentDocument"2.2雙閉環(huán)直流調速系統的電流調節(jié)環(huán) 6\o"CurrentDocument"2.3雙閉環(huán)直流調速系統的速度調節(jié)環(huán) 6\o"CurrentDocument"雙閉環(huán)調速系統的主電路各器件的選擇和計算 7\o"CurrentDocument"3.1直流電機的基本參數 7\o"CurrentDocument"3.2.參數的選取和計算 73.2.1模塊參數設置 83.2.2電流調節(jié)器的設計 83.2.3轉速調節(jié)器的設計 8\o"CurrentDocument"基于MATLAB/SIMULINK的調速系統的仿真 94.1穩(wěn)態(tài)結構框圖和動態(tài)數學模型 94.1.1雙閉環(huán)調速系統的靜態(tài)結構框圖 94.1.2雙閉環(huán)調速系統的動態(tài)數學模型 94.2基于原理圖的SINULINK仿真 104.2.1基于直流雙閉環(huán)動態(tài)結構圖的仿真模型 104.3仿真結果 104.3.1轉速響應曲線 104.3.2電流響應曲線 11\o"CurrentDocument"4.4仿真結果與原理圖形的比較 11\o"CurrentDocument"小結 11\o"CurrentDocument"致謝 12參考文獻................................................................................................................................................121緒論1.1直流調速系統的概述三十年來，直流電機調速控制經歷了重大的變革。首先實現了整流器的更新換代，以晶閘管整流裝置取代了習用已久的直流發(fā)電機組及水銀整流裝置使直流電氣轉動完成了一次大的飛躍。同時，控制電路已經實現高度集成化，小型化，高可靠性及低成本。以上技術的應用，使直流調速系統的性能指標大幅提高，應用范圍不斷擴大。直流調速技術不斷發(fā)展，走向成熟化，完善化，系列化，標準化，在可逆脈寬調速，高精度的電氣轉動領域中仍然難以代替。直流調速是指人為的或自然的改變直流電機的轉速，以滿足工作機械要求。從機械性能上看，就是通過改變電機的參數或外加電壓的方法來改變電機的機械特性，從而改變電動機機械特性和工作機械特性的交點，使電機的穩(wěn)定轉速發(fā)生變化。直流電機具有良好的起，制動性能，宜于在廣泛的范圍內平滑調速，在軋鋼機，礦井卷揚機，挖掘機，海洋鉆機，金屬切削機床，造紙機，高層電梯等需要高性能可控電力拖動的領域中得到了廣泛的應用。近年來，交流調速系統發(fā)展的很快，然而直流拖動系統無論在理論上和實踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統的基礎，所以直流調速系統在生產生活中有著舉足輕重的作用。2研究課題的目的和意義在單閉環(huán)調速系統中，電網電壓擾動的作用點離被調量較遠，調節(jié)作用受到多個環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調速系統地勘電壓擾動的性能要差一些。雙閉環(huán)系統中，由于增設了電流內環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調節(jié)，不必等它影響到轉速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統小得多。用經典的動態(tài)校正設計調節(jié)器需同時解決穩(wěn)，準，快，抗干擾等個反面相互有矛盾的靜動態(tài)性能要求，需要設計者扎實的理論基礎和豐富的實踐經驗，而初學者則不易掌握，于是有必要建立使用的設計方法。大多數現代的電力拖動自動控制系統均可低階系統近似。若事先深入研究低階典型系統的形式再與圖表對照，設計過程就簡單多了。這樣，就有了建立工程設計方法的可能性。1.3設計內容和要求設計要求系統靜差特性良好，無靜差動態(tài)性能指標：轉速超調量8%，電流超調量7%，主電路米用三相全控橋。設計內容1.根據題目的技術要求，分析論證并確定主電路的結構形式和閉環(huán)調速系統的組成，畫出系統的原理框圖。調速系統主電路元部件的確定及其參數計算。驅動控制電路的選型設計動態(tài)設計計算：根據技術要求，對系統進行動態(tài)校正，確定ASR調節(jié)器與ACR調節(jié)器的結構形式及進行參數計算，使調速系統工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標要求。繪制V-M雙閉環(huán)直流調速不可逆調速系統電氣原理圖，并用軟件進行拖動控制系統仿真以及硬件仿真。2雙閉環(huán)直流調速系統的組成和工作原理直流電機的供電需要三相直流電，在生活中提供的三相交流380V電源，因此要進行整流，則本設計采用三相橋式整流電路變成三相直流電源，最后達到要求把電源提供給直流電動機。如圖1設計的總框架。圖1雙閉環(huán)直流調速系統設計總框架2.1雙閉環(huán)直流調試系統的結構圖雙閉環(huán)調速系統的特征是系統的電流和轉速分別由兩個調節(jié)器控制，由于調速系統調節(jié)的主要參數是轉速，故轉速環(huán)作為主環(huán)放在外面，而電流環(huán)作為副環(huán)放在里面,可以及時抑制電網電壓擾動對轉速的影響.實際系統的組成如下圖1所示。

ASR--轉速調節(jié)器ACR--電流調節(jié)器圖2轉速電流雙閉環(huán)直流調速系統主電路采用三相橋式全控整流電路供電。系統工作時，首先給電動機加上額定勵磁，改變轉速給定電壓U*n可方便的調節(jié)電動機的轉速。速度調節(jié)器ASR，電流調節(jié)器ACR，均設有限幅電路，ASR的輸出U*i作為ACR的給定，利用ACR的輸出限幅序前起限制起動電流的作用；ACR的輸出U作為觸發(fā)器GT的移相控制電壓，利用ACR的輸出限幅Ucm起限制amin的作用。 °）并出現超調，使ASR當突加給定的電壓上時，ASR立即達到飽和輸出U*im，使電動機以限定的最大電流idm加速起動，直流電動機轉速達到指定轉速（即U「U*）并出現超調，使ASR△U「-U*j+Ufi=-U*j△U「-U*j+Ufi=-U*j+當U*j—定時'，由于電以ACR為核心的電流環(huán)一一作用是穩(wěn)定電流，穩(wěn)態(tài)時，P1=0，即Id=U*/p其中Uf邛I，p為電流反饋系數。d i id流負反饋的作用，使輸出電流保持在U*i/p數值上。當Id>U*i/p時，調節(jié)過程如下：ctIdT^AU=(—U*+pI)JtUJtUItIJct最終可保持電樞電流穩(wěn)定。當電流下降時，也有類似的調節(jié)過程。

圖3含濾波環(huán)節(jié)的PI型電流調節(jié)器2.3雙閉環(huán)直流調速系統的速度調節(jié)環(huán)以ASR為核心的轉速環(huán)——作用是穩(wěn)定轉速，穩(wěn)態(tài)時，△Un=U*n-Ufn=0,其中Ufn=an艮口n=U*n/a。其中a為轉速反饋系數。當U*n一定時，轉速n將穩(wěn)定在U*n/a數值上。當n<U*n/a時，其自動調節(jié)過程如下：負栽一nJtU=U-an)>0^^<0T?W<0TtU個弋T-nT最終可保持轉速穩(wěn)定。當轉速上升時，也有類似的調節(jié)過程圖4含濾波環(huán)節(jié)的PI型轉速調節(jié)器3雙閉環(huán)調速系統的主電路各器件的選擇和計算3.1直流電機的基本參數某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調速系統，整流裝置采用三相橋式電路，基本數據如下：額定電壓:Un=220V額定電流：In=136A額定轉速：Nn=1460r/min(4極)電樞電阻：Ra=0.21QGD”2=22.5N*m"2勵磁電壓：Uf=220V勵磁電流：If=1.5A電動機電勢系數：Ce=0.132V*min/r采用三相橋式整流電路，整流器內阻Rrec=1.3Q，電抗器：Lp=200mH3.2參數的選取和計算取電流反饋濾波時間常數Toi=0.002s；轉速反饋濾波時間常數Ton=0.01s；取轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的飽和值為12V，輸出限幅值為10V，額定轉速時轉速給定Un*=10V。3.2.1參數設置供電電源電壓為：U2=(Unom+Rrec*In)/2.34cosamin=(220+0.21*136)/2.34*cos30V=123V電機參數設置：勵磁電阻為：Rf=Uf/If=220/1.5=146.7Q,(說明：勵磁電阻在恒定磁場中可取零)電樞電阻Ra=0.21Q，電樞電感由下式估計：La=19.1*C*Unom/2*p*Nn*In=19.1*0.4*220/2*2*1460*136=0.00021H電樞繞組和勵磁繞組互感Laf為：因為：Ce=0.132V*min/rKe=60*Ce/2*n=60*0.132/6.28=1.26所以：Laf=Ke/If=1.26/1.5=0.84H額定負載轉矩為:Tl=9.55Ce/Inom=9.55*0.132*17.5=22N*m3.2.2電流調節(jié)器的設計電流反饋系數：p=Uim/入*Inom=10/1.5*136=0.05電動機轉矩時間常數：Tm=GDA2*RE/375*Ce*Cm=3.53*2.85/375*9.55*0.132=0.161s電動機電磁時間常數：Ti=LE/RE=(200+16)*0.001/2.85=0.076s三相晶閘管整流電路平均失控時間：Ts=0.0017s根據電流超調量\%W7%的要求，電流環(huán)按典型I型系統設計，點樓調節(jié)器選用PI調節(jié)器，其傳遞函數為：Wacr(s)=Ki*(1+TS)/tS其中：t=Ti=0.076sKi=T*R/2*T*p*Ks=0.076*2.85/2*0.0037*0.272*37.84=2.84Kli=T/Ki=0.076/2.84=0.02683.2.3轉速調節(jié)器的設計轉速反饋系數：a=Unom/Nnom=10/1500=0.00667V*min/r根據轉速超調量：On%W8%的要求為加快轉速的調節(jié)速度，轉速環(huán)按典型II型系統設計，并選中頻帶寬度h=5,轉速調節(jié)器的傳遞函數：Wasr(s)=Kn*(1+TS)/tS其中T=h*T=h*(2*TZi+Ton)=5*92*0.0037+0.01)=0.087sKn=(h+1)*pCe*Tm/2*h*a*R*T=6*0.272*0.132*0.161/2*5*0.00667*2.85*0.0174=10.49Kin=T/Kn=0.087/10.84=0.00834基于MATLAB/SIMULINK的調速系統的仿真4.1穩(wěn)態(tài)結構框圖和動態(tài)數學模型4.1.1靜態(tài)結構框圖雙閉環(huán)直流調速系統一靜態(tài)結構圖

5 5 流反饋系數a—轉速反饋系數4.1.2動態(tài)數學模型4.2基于MATLAB/SIMULINK的調速系統的仿真4.2.1基于直流雙閉環(huán)動態(tài)結構圖的仿真模型帶飽和輸出限幅的Pi調節(jié)器及分支模塊4.3仿真結果:4.3.1電機啟動時轉速的響應曲線:4.4仿真結果與原理圖的比較仿真結果與理論上電機啟動的結果比較：轉速沒有超調量，不過符合第二和第三階段，電流響應，電機啟動以最大電流（并維持一段時間，略有下降）使電機加速，等電機達到額定轉速時，電流逐步減小，趨于一個最小值，但是最帶電流有一點衰減，這和給定的階躍響應有關。小結本文是對雙閉環(huán)直流電機調速系統的設計，通過一周的努力對該電路有了較為深入的研究，也進一步熟悉了雙閉環(huán)直流調速系統的結構形式、工作原理及各個器件的作用和設計。通過做課程設計，也有了不少的收獲，進一步了解和掌握了雙閉環(huán)直流調速系統及其控制電路的一些特性，比較全面的將所學的電力電子和電力拖動方面的知識運用于設計當中，對設計中一些參數的計算也比較清析得到，整個雙閉環(huán)直流調速電路分階段地完成，從電力電子方面的設計到電力拖動方面的設計，最后MATLAB/SIMULINK的運用，是一步一步的完成和組合。照搬理論會發(fā)現做出來的設計結果有點出入，因為理論是不考慮任何的外在原因，是在理想化的情況。而現實它則除了內在不可改變的原因，還有不可避免的外在原因，外在原因可以改變但是智能改善。所以本設計在有限的條件下和本人有限的學識，做出的設計還是存在著一些不足。本設計采用PI調節(jié)器，輸出的轉速存在這超調量比較大，而且快速性也相對受到影響。則今后可以采用PID調節(jié)器可以全面的提高系統的控制性能，但是具體實現與調試要復雜，做的工做比現在就更多。設計研究是一個漫長的過程，要想讓它真正的