V-M双闭环直流电机调速系统.doc-资料库

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实训报告题目 V-M 双闭环直流调速系统的设计学生学院专业班级自动化学院 07 自动化 4 班学号_ 3107000981 学生姓名_ 指导教师__ 汪俊彬谢莉萍 2011 年 3 月 25 日 1

1.概述........................................................................................................................................................3 2．设计任务和要求.................................................................................................................................4 2.1 任务和要求：.................................................................................................................................4 2.1.1 任务..........................................................................................................................................4 2.1.2.要求..........................................................................................................................................4 2.2 设计思路.........................................................................................................................................4 2.2.1...................................................................................................................................................4 2.2.2...................................................................................................................................................4 2.2.3...................................................................................................................................................4 3.可逆系统电路结构设计........................................................................................................................5 3.1 方案论证.........................................................................................................................................5 3.2 主电路和控制电路设计................................................................................................................ 6 3.2.1．主电路设计...........................................................................................................................6 3.2.2．控制电路设计.......................................................................................................................6 4．系统设计.............................................................................................................................................8 4.1 电流调节器(ACR)设计................................................................................................................. 8 4.1.1 确定时间常数.........................................................................................................................8 4.1.2．选择电流调节器结构...........................................................................................................8 4.1.3．计算电流调节器参数...........................................................................................................8 4.1.4．校验近似条件.......................................................................................................................9 4.1.5 计算调节器电阻和电容..........................................................................................................9 4.2 速度调节器(ASR)设计................................................................................................................10 5．系统仿真........................................................................................................................................... 11 5.1 用 MATLAB 进行仿真................................................................................................................ 11 5.2 仿真结果.......................................................................................................................................12 6．总结...................................................................................................................................................13 7．参考文献...........................................................................................................................................13 2

1.概述直流电动机拖动控制系统在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。这主要由于直流电机具有良好的起，制动性能，宜于在大范围内平滑调速，并且直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。由于要对电机进行稳定的转速控制，双闭环直流调速系统是现今在工业生产中应用最广泛的调速装置。该装置转速控制稳定，抗干扰能力强但由于直流系统的本身缺陷为得到较大的调速范围自动控制的直流调速系统往往采用变压调速为主。而在变压整流装置中应用最广的是三相全控桥式整流。这是用于三相全控桥式整流器输出直流电流的谐波小，脉动电流小，电流连续性好，往往只需要平波电抗器就可以输出稳定直流。可保证电机稳定运行不会有较大的脉动转矩，不仅保证了拖动系统的稳定同时对直流电机的损耗也小。本设计根据题目要求设计双闭环直流调速系统，采用三相全控桥整流电路，利用工程设计方法对转速调节器和电流调节器进行设计，以达到题目设计的要求。并且绘制整个调速系统的电路原理图，详细的分析各个模块的功能与应用，最后建立动态数学模型并用 MATLAB 对其仿真，使仿真结果达到题目要求。 3

2．设计任务和要求 2.1 任务和要求： 2.1.1 任务试设计一双闭环 V-M 直流调速系统。采用三相桥式全控整流电路，二次相电压有效值 U 2  110 V 。已知他励直流电动机参数为： nomp =10kW ， nomU =220V， nomI =53.3A， nomn =1500r/min，主回路总电阻等于电枢绕组电阻，即 R aR =0.3  ，电枢回路电磁时间常数 TL 03.0 s ，系统机电时间常数 Tm 18.0 s ，系统飞轮力矩 2 GD  .5.5 MN 2 ，转速和电流给定电压最大值分别 U im *  。 8 V 为 * U nm  10 V , 2.1.2.要求按工程设计方法设计，要求调速系统的电流超调量 %5%  ，空载起动到额定转速时的转速超调量 %10%  ，其过渡过程时间 ts 5.0 s ，堵转电流 dblI =2.0 nomI ，稳态无静差。 2.2 设计思路 2.2.1.设计一个不可逆 V-M 双闭环直流调速系统，进行系统总体结构设计。 2.2.2.用工程设计方法进行设计，决定 ASR 和 ACR 结构并选择参数。 2.2.3.设计过程中应画出双闭环调速系统的电路原理图及建立系统动态数学模型，写出设计过程。 4

3.可逆系统电路结构设计 3.1 方案论证双闭环直流调速系统控制原理图如图 1 所示速度调节器根据转速给定电压  nU 和速度反馈电压 nU 的偏差进行调节，其输出是电流的给定电压  iU （对于直流电动机来说，控制电枢电流就是控制电磁转矩，相应的可以调速）。电流调节器根据电流给定电压  iU 和电流反馈电压 iU 的偏差进行调节，其输出是功率变换器件（三相整流装置）的的控制信号 cU 。通过 cU 电压进而调节镇流装置的输出，即电机的电枢电压，由于转速不能突变，电枢电压改变后，电枢电流跟着发生变化，相应的电磁转矩也跟着变化，由 T e  T L  dnJ dt ，只要 eT 与 LT 不相等那么转速 n 会相应的变化。整个过程到电枢电流产生的转矩与负载转矩达到平衡，n 不变后，达到稳定。图 1 双闭环直流调速系统控制原理图在双闭环直流调速系统中，转速和电流调节器的结构选择与参数设计须从动态校正的需要来解决。如果采用单闭环中的伯德图设计串联校正装置的方法设计双闭环调速系统这样每次都需要先求出该闭环的原始系统开环对数频率特性，在根据性能指标确定校正后系统的预期特性，经过反复调试才能确定调节器的特性，从而选定其结构并计算参数但是这样计算会比较麻烦。所以本设计采用工程设计方法：先确定调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳定精度。再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。这样做，就把稳，准，快和抗干扰之间相互交叉的矛盾问题分成两步来解决，第一步先解决主要矛盾，即动态稳定性和稳定精度，然后再进一步满足其他动态性能指标。按照“先内环后外环” 的一般系统设计原则，从内环开始，逐步向外扩展。 5

3.2 主电路和控制电路设计 3.2.1．主电路设计主电路为一个三相桥式全控整流电路，从电网接过来的 220V 电压，通过变比为 2 的变压器可将二次侧电压降为 110V，在二次侧再接入一个电流互感器以便检测直流电机的电流。主电路的电路图如下：图 2 三相桥式全控整流电路原理图其工作特点为：1）每个时刻均需 2 个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中 1 个晶闸管是共阴极组的，1 个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。2)6 个晶闸管的触发 VT 1 脉冲按  VT 4 VT 2 VT 3 VT 5 VT 6 的顺序相为、位依次相差 60 ；共阴极组的   脉冲依次差 120 ，共阳极组也依次差 120 ;同一相的上下两个桥臂即 1VT 与 4VT ， 3VT 与 180 。3）整流输出电压 du 一周期脉动 6 次，每次脉动的波形都 6VT ， 5VT 与 2VT 脉冲相差一样。4）在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为保证电路的正常工作，需保证同时导通的 2 个晶闸管均有触发脉冲。  3.2.2．控制电路设计由图 1 的系统框图可知，控制电路主要包括以下几个电路设计，ACR、ASR 和晶闸管的触发电路。 1）电流调节器(ACR) 具体电阻电容参数请参照 4.1.5，电路图如下：该调节器为 PI 调节器，含给定滤波和反馈滤波 6

2）转速调节器(ASR) 该调节器为 PI 调节器，含给定滤波和反馈滤波，电路图和各参数如下：图 3 电流调节器电路图 3）晶闸管触发电路图 4 转速调节器电路图三相整流电路中必须对两组中应导通的一对晶闸管同时给触发脉冲为此可以采用两种办法：一种是使每个触发脉冲宽度大于 60 ，称宽脉冲触发；另一种是在触发某一号晶闸管的同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，相当于用两个窄脉冲等效代替一个宽脉冲，称为双脉冲触发。随着工业自动化，集成化的不断把发展；现在市场中已有多种型号的六脉冲触发集成电路广泛应用于各种控制中，从本设计的简单和稳定性出发，本设计直接采用 KJ 系列的三相全控桥式整流电路的集成触发器 KJ041 作为三相整流电路的触发电路。KJ041 的内部是由 12 个二极管构成的 6 个或门，其作用是将 6 路单脉冲输入转换为 6 路双脉冲输出。以上触发电路均为模拟量，这样使集成片内部结构、可靠，但是却是其容易受电网电压影响，导致触发脉冲的不对称度较高，可达 0 3 0 4 。在对精度要求高的大容量变流装置中，采用了数字触发 7

电路，可获得很好触发脉冲对称度。具体电路请参照手绘电路图。 4．系统设计 4.1 电流调节器(ACR)设计 4.1.1 确定时间常数 1）整流装置滞后时间常数 sT 。按表 1-2，三相桥式电路的平均失控时间是 sT = 0.0017s 2）电流滤波时间常数 oiT 。三相桥式电路每个波头的时间是 3.3ms，为了基本滤平波头，应有(1~2) oiT =3.33ms，故取 oiT =2ms=0.002s。 3）电流环小时间常数之和 iT = oiT + sT =0.0037s。 4.1.2．选择电流调节器结构根据设计要求 %5i ，可按典型 I 型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用 PI 型电流调节器，其传递函数为 ( s  i s  i )( s W K ACR  i  )1 检查对电源电压的抗扰性能： L T T  i  03.0 s 0037 .0 s  11.8 ，参照表 2-3，各项指标正常。 4.1.3．计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：  i TL 03.0 s 。电流环开环增益：要求 %5i 时，按表 2-2，应取 ITK ,5.0i 因此 K I  5.0 T  i  5.0 0037 s .0  135 11.  s 则，ACR 比例系数为 8

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