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V-M双闭环直流调速系统课程设计（详细）.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.99M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    课 程 设 计 课程名称 电力拖动自动控制系统 题目名称 V-M 双闭环直流调速系统 学生学院___ 自动化______ 指导教师 谢莉萍 2012 年 3 月 22 日 目 录
    摘 要••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••2 一. 概述••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••2 二. 设计任务及要求•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••2 三.可逆系统电路结构设计••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••3 1. 方案论证••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••3 2. 控制电路和主电路设计•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••5 3. 手工绘制系统原理结构图纸一张（50*40cm）•••••••••••••••••••••••7 四．系统设计•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••7 1．电流调节器（ACR）设计••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••7 2．速度调节器（ASR）设计••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••9 五．系统仿真•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••12 1．用 MATLAB 进行仿真••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••12 2. 仿真曲线打印•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••13 3. 仿真结果与计算设计值进行比较••••••••••••••••••••••••••••••••14 六. 实验验证•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••15 1．实验内容•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••15 2．设备及仪器•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••15 3．实验步骤•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••15 4．实验结果与分析•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••15 七. 总结••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••16 参考文献•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••16 附录••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••17 可逆 V-M 双闭环直流调速系统 摘要 转速、电流双闭环控制直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易 于控制等优点，广泛应用于电气传动系统中。根据晶闸管的特性，通过调节控制角α 1
    大小来调节电压。本设计调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。为了 实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器,采用转速、电 流双闭环控制系统，一般使电流环作为控制系统的内环，转速环作为控制系统的外环， 以此来提高系统的动态和静态性能。本文是按照工程设计的方法来设计转速和电流调 节器的。使电动机满足所要求的静态和动态性能指标、电流环应以跟随性能为主，转 速环以抗扰性能为主。 关键词：直流双闭环 调速系统 电流调节器 转速调节器 一. 概述 直流电动机具有良好的起、制动性能。几十年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。 首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及 水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小 型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范 围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在不可逆脉 宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流调速是指人为地或自动地改变直流电 动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工 电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点, 使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围 内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电 梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快， 然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它 又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。 二. 设计任务及要求 1、已知条件及控制对象的基本参数： （ 1 ） 直 流 电 动 机 参 数 为 ： nomp =2.8kW ， nomU =220V ， nomI =10+0.2*(1518-1491)=15.4A( 按 学 号 递 增 , 本 人 学 号 为 3108001518) ， nomn =1500r/min，电枢绕组电阻 aR =1.5  ， 2GD =3.6 2N m 。 （ 2 ） 设 ASR 和 ACR 均 采 用 PI 调 节 器 ， ASR 限 幅 输 出 imU  = － 8V ， ACR 限 幅 输 出 ctmU =7.5V，最大给定 nmU  =10V，调速范围 D=20，堵转电流 dblI =2.0 nomI =30.8A，临 界截止电流 dcrI =1.5 nomI =23.1A。 参考数据：参考采用三相全控桥式电路，整流装置内阻 recR =1.3  。平波电抗器电阻 LR =0.3  。整流回路总电感 L=200mH。 2
    2、设计指标 电流超调量δ i %  5%，空载起动到额定转速时的转速超调量δ n  10%，空载起动 到额定转速的过渡过程时间 t s  1.0s。 3、设计要求 （1）设计一个可逆 V-M 双闭环直流调速系统。 （2）用工程设计方法进行设计，决定 ASR 和 ACR 结构并选择参数。 （3）设计过程中应画出双闭环调速系统的电路原理图及写出设计过程。 4、设计方法及步骤： （1）确定方案，绘制出系统原理图。 （2）绘制出系统的动态方框图，并确定各环节的数学模型。 （3）理论计算。按照“先内环后外环” 的设计原则，从内环开始，逐步向外扩展。 在这里，首先设计电流调节器的参数，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一 个环节，再设计转速调节器的参数。 （4）系统仿真。 （5）实验验证。 三.可逆系统电路结构设计 1. 方案论证 整体设计 直流电机的供电需要三相直流电，在生活中直接提供的三相交流 380V 电 源，因此要进行整流，则本设计采用三相桥式整流电路变成三相直流电源，最后 达到要求把电源提供给直流电动机。如图 2.1 设计的总框架。 三相交流电源 三相桥式整流电路 直流电动机 整流 供电 保护电路 驱动电路 双闭环直流调速机 本设计中直流电动机由单独的可调整流装置供电，采用三相桥式全控整流电 路作为直流电动机的可调直流电源。通过调节触发延迟角а的大小来控制输出电 3
    压 Ud 的大小，从而改变电动机 M 的电源电压。由改变电源电压调速系统的机械 特性方程式: n=( Ud/CeФ)-(RO+Ra)T/ CeCTФ2 注解：Ud 整流电压 ,R0 为整流装置内阻 由此可知，改变 Ud，可改变转速 n。 用工程设计方法设计 （1）系统设计的一般原则： 按照“先内环后外环” 的设计原则，从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计 电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。 双闭环调速系统的实际动态结构框图如图 2-22 所示，它包括了电流滤波，转速滤波和 两个给定信号的滤波环节。由于电流检测信号中经常含有交流分量，为了不使它影响到调节 器的输入，需要加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时 间常数 Toi 按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在一直交流分量的同时，滤波环 节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间 常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同时间的延 时，是二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。 由于测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用 Ton 表示。再根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为 Ton 的给定滤 波环节。 （2）电流环设计 电流环动态结构图及简化 在图 2-22 点画线框内的电流环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工 作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成反比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下， 系统的电磁时间常数 Tl 远小于几机电时间常数 Tm,因此，转速的变化往往比电流的变化慢 的多，对电流环来说，反电动势是一个变化比较缓慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认 为反电动势基本不变，即 dE=0.在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的 影响，也就是说，可以暂且把电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如图 2-23 所示。可证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是：式中 wci---电流环开环频率特 性的截止频率。 4
    如果吧给定滤波和反馈两个环节都等效的移到环内，同时把给定信号改成 Ui*(s)/, 则电流环就等效成电流负反馈系统，从这里可以看出两个滤波环节时间常数取值相同的方便 之处了。 最后由于 Ts 和 Toi 一般都比 Tl 小的多，可应当作小惯性群而近似的看作一个惯性环节， 其时间常数为： T  i TT  s oi 进而再一步简化电流环动态结构图。 2. 控制电路和主电路设计 直流调速系统常用的直流电源有三种①旋转变流机组；②静止式可控整流 器；③直流斩波器或脉宽调制变换器。 1957 年晶闸管问世，已生产成套的晶闸管整流装置，即右图 2.2 晶闸管-电 动机调速系统(简称 V-M 系统)的原理图。通过调节 阀装置 GT 的控制电压 cU 来移动触发脉冲的相位， 即可改变平均整流电压 dU ，从而实现平滑调速。 和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管 整流装置不仅在经济性和可靠性上都很大提高，而 且在技术性能上也现实出较大的优越性。 虽然三相半波可控整流电路使用的晶闸管个数只是三相全控桥整流电路的 一半，但它的性能不及三相全控桥整流电路。三相全控桥整流电路是目前应用最 广泛的整流电路，其输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路组成 的调速装置调节范围广（将近 50）。把该电路应用于本设计，能实现电动机连续、 平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。主电路图如下： 图 2.2 V—M 系统原理 图 5
    图 2.3 主电路原理图 三相全控桥整流电路实际上是组成三相半波晶闸管整流电路中的共阴极组 和共阳极组串联电路。三相全控桥整流电路可实现对共阴极组和共阳极组同时进 行控制，控制角都是 。在一个周期内 6 个晶闸管都要被触发一次，触发顺序依 次为：VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，6 个触发脉冲相位依次相差 60°。为了构 成一个完整的电流回路，要求有两个晶闸管同时导通，其中一个在共阳极组，另 外一个在共阴极组。为此，晶闸管必须严格按编号轮流导通。晶闸管与按 A 相， 晶闸管与按 B 相，晶闸管与按 C 相，晶闸管接成共阳极组，晶闸管接成共阴极组。 在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸 管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通 时，才构成完整的整流电路。如图 2.3 所示。 由于电网电压与工作电压（U2）常常不一致，故在主电路前端需配置一个整 流变压器，以得到与负载匹配的电压，同时把晶闸管装置和电网隔离，可起到降 低或减少晶闸管变流装置对电网和其他用电设备的干扰。 考虑到控制角α增大，会使负载电流断续，并且负载为直流电动机时，由于 电流断续和直流的脉动，会使晶闸管导通角θ减少，整流器等效内阻增大，电动 机的机械特性变软，换向条件恶化，并且增加电动机的损耗，故在直流侧串接一 个平波电抗器，以限制电流的波动分量，维持电流连续。 为了使元件免受在突发情况下超过其所承受的电压电流的侵害，电路中加入 了过电压、过电流保护装置。 闭环调速系统 如下图： 6
    为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器， 这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图2所示。图中标出了两个调节 器输入输出电压的实际极性，他们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压 的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。 3. 手工绘制系统原理结构图纸一张（50*40cm） 详见附录 四．系统设计 1．电流调节器（ACR）设计 1） 确定时间常数 根据已知数据得 主电路总电阻 R=Rrec+Ra+RL=1.3+1.5+0.3=3.1 欧 额定电动势系数 Ce= = =0.11484V·min/r Unom-InomR 220-15.4*3.1 Nnom 1500 = 3.6*3.1*3.14 375*0.11484*0.11484*30 s = 0.236 s 2 GD R 375 e m C C 200*10-3 3.1 T m = TL= L R = s=0.0645 s 三 相 桥 式 晶 闸 管 整 流 电 路 的 平 均 时 间 sT  0.0017 s ， 取 电 流 反 馈 滤 波 时 间 常 数 oiT  0.002 s ，可得电流环的小时间常数为 iT  sT + oiT = 0.0017 s+0.002 s = 0.0037 s 2） 选择电流调节器结构 T 虽然 l T i = 0.0645 0.0037 = 17.43 > 10 ，但从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突 加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，对电流超调量有较严 格要求，而抗扰指标却没有具体要求，所以对电网电压的波动的及时抗扰作用只是次要因素。 为此，电流环应以跟随性能为主，因此电流环仍按典型 I 型系统设计。电流调节器选用 PI 调节器，其传递函数为： 1 ( ) W S ACR  K i s   i s  i 式中 Ki — 电流调节器的比例系数； i — 电流调节器的超前时间常数。 3） 选择电流调节器参数 7
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