三相全控桥晶闸管不可逆直流调速系统.docx

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三相全控桥晶闸管不可逆直流调速系统

课程设计

题目：

三相全控桥晶闸管不可逆直流调速系统

院（系）：

电信学院

班级：

自动化08--4

姓名：

肖焕超

学号：

17号

指导教师：

叶瑰钧

二0一一年十二月

摘要

转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。

在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。

本文采用转速、电流双闭环直流调速系统为对象来设计直流电动机调速控制器。

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，二者之间实行嵌套联接。

从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称做外环。

这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

先确定其结构形式和设计各元部件，并对其参数计算。

最后采用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行了仿真分析

关键词：

三相全控桥；双闭环；转速调节器；电流调节器

1绪论

1.1直流调速系统的概述

三十年来，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组及水银整流装置使直流电气转动完成了一次大的飞跃。

同时，控制电路已经实现高度集成化，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，在可逆脉宽调速，高精度的电气转动领域中仍然难以代替。

直流调速是指人为的或自然的改变直流电机的转速，以满足工作机械要求。

从机械性能上看，就是通过改变电机的参数或外加电压的方法来改变电机的机械特性，从而改变电动机机械特性和工作机械特性的交点，使电机的稳定转速发生变化。

直流电机具有良好的起，制动性能，宜于在广泛的范围内平滑调速，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，交流调速系统发展的很快，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。

1.２研究课题的目的和意义

在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统地勘电压扰动的性能要差一些。

双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速动态变化会比单闭环系统小得多。

用经典的动态校正设计调节器需同时解决稳，准，快，抗干扰等个反面相互有矛盾的静动态性能要求，需要设计者扎实的理论基础和丰富的实践经验，而初学者则不易掌握，于是有必要建立使用的设计方法。

大多数现代的电力拖动自动控制系统均可低阶系统近似。

若事先深入研究低阶典型系统的形式再与图表对照，设计过程就简单多了。

这样，就有了建立工程设计方法的可能性。

1.3设计内容和要求

　　　设计要求

1.系统静差特性良好，无静差

2.动态性能指标：

转速超调量8％，电流超调量7％，

3.主电路采用三相全控桥。

设计内容

1.根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构形式和闭环调速系统的组成，画出系统的原理框图。

2.调速系统主电路元部件的确定及其参数计算。

3.驱动控制电路的选型设计

4.动态设计计算：

根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ＡＳＲ调节器与ＡＣＲ调节器的结构形式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标要求。

5.绘制Ｖ-Ｍ双闭环直流调速不可逆调速系统电气原理图，并用软件进行拖动控制系统仿真以及硬件仿真。

２双闭环直流调速系统的组成和工作原理

　　直流电机的供电需要三相直流电，在生活中提供的三相交流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１设计的总框架。

图1双闭环直流调速系统设计总框架

2.1双闭环直流调试系统的结构图

双闭环调速系统的特征是系统的电流和转速分别由两个调节器控制,由于调速系统调节的主要参数是转速,故转速环作为主环放在外面,而电流环作为副环放在里面,可以及时抑制电网电压扰动对转速的影响.实际系统的组成如下图1所示。

ASR--转速调节器

ACR--电流调节器

图2转速电流双闭环直流调速系统

主电路采用三相桥式全控整流电路供电。

系统工作时，首先给电动机加上额定励磁，改变转速给定电压U*n可方便的调节电动机的转速。

速度调节器ASR，电流调节器ACR，均设有限幅电路，ASR的输出U*i作为ACR的给定，利用ACR的输出限幅U*im起限制起动电流的作用；ACR的输出Uc作为触发器GT的移相控制电压，利用ACR的输出限幅Ucm起限制amin的作用。

当突加给定的电压U*n时，ASR立即达到饱和输出U*im，使电动机以限定的最大电流Idm加速起动，直流电动机转速达到指定转速（即Un=U*n）并出现超调，使ASR退出饱和，最后稳定运行在给定转速上（略低于给定转速）。

2.2双闭环直流调速系统的电流调节环

以ACR为核心的电流环——作用是稳定电流，稳态时，ΔUi=-U*i+Ufi=-U*i+βId=0，即Id=U*i/β其中Ufi=βId，β为电流反馈系数。

当U*i一定时，由于电流负反馈的作用，使输出电流保持在U*i/β数值上。

当Id>U*i/β时，调节过程如下：

最终可保持电枢电流稳定。

当电流下降时，也有类似的调节过程。

图3含滤波环节的PI型电流调节器

2.3双闭环直流调速系统的速度调节环

以ASR为核心的转速环——作用是稳定转速，稳态时，ΔUn=U*n-Ufn=0，其中Ufn=αn即n=U*n/α。

其中α为转速反馈系数。

当U*n一定时，转速n将稳定在U*n/α数值上。

当n

最终可保持转速稳定。

当转速上升时，也有类似的调节过程

图4含滤波环节的PI型转速调节器

3双闭环调速系统的主电路各器件的选择和计算

3.1直流电机的基本参数

某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：

额定电压:

Un=220V

额定电流:

In=136A

额定转速:

Nn=1460r/min（4极）

电枢电阻：

Ra=0.21Ω

GD^2=22.5N*m^2

励磁电压：

Uf=220V

励磁电流：

If=1.5A

电动机电势系数:

Ce=0.132V*min/r

采用三相桥式整流电路，整流器内阻Rrec=1.3Ω，电抗器：

Lp=200mH

3.2参数的选取和计算

取电流反馈滤波时间常数Toi=0.002s；

转速反馈滤波时间常数Ton=0.01s；

取转速调节器和电流调节器的饱和值为12V，输出限幅值为10V，额定转速时转速给定Un*=10V。

3.2.1参数设置

供电电源电压为：

U2=（Unom+Rrec*In）/2.34cosαmin=（220+0.21*136）/2.34*cos30V=123V

电机参数设置：

励磁电阻为：

Rf=Uf/If=220/1.5=146.7Ω,（说明：

励磁电阻在恒定磁场中可取零）

电枢电阻Ra=0.21Ω，电枢电感由下式估计：

La=19.1*C*Unom/2*p*Nn*In=19.1*0.4*220/2*2*1460*136=0.00021H

电枢绕组和励磁绕组互感Laf为：

因为：

Ce=0.132V*min/r

Ke=60*Ce/2*π=60*0.132/6.28=1.26

所以：

Laf=Ke/If=1.26/1.5=0.84H

额定负载转矩为：

Tl=9.55Ce/Inom=9.55*0.132*17.5=22N*m

3.2.2电流调节器的设计

电流反馈系数：

β=Uim/λ*Inom=10/1.5*136=0.05

电动机转矩时间常数：

Tm=GD^2*R∑/375*Ce*Cm=3.53*2.85/375*9.55*0.132=0.161s

电动机电磁时间常数：

Ti=L∑/R∑=（200+16）*0.001/2.85=0.076s

三相晶闸管整流电路平均失控时间：

Ts=0.0017s

根据电流超调量σi%≤7%的要求，电流环按典型Ⅰ型系统设计，点楼调节器选用PI调节器，其传递函数为：

Wacr（s）=Ki*（1+τS）/τS

其中：

τ=Ti=0.076s

Ki=τ*R/2*T*β*Ks=0.076*2.85/2*0.0037*0.272*37.84=2.84

Kli=τ/Ki=0.076/2.84=0.0268

3.2.3转速调节器的设计

转速反馈系数：

α=Unom/Nnom=10/1500=0.00667V*min/r

根据转速超调量：

σn%≤8%的要求

为加快转速的调节速度，转速环按典型Ⅱ型系统设计，并选中频带宽度h=5，转速调节器的传递函数：

Wasr（s）=Kn*（1+τS）/τS

其中τ=h*T=h*（2*TΣi+Ton）=5*92*0.0037+0.01）=0.087s

Kn=（h+1）*βCe*Tm/2*h*α*R*T=6*0.272*0.132*0.161/2*5*0.00667*2.85*0.0174=10.49

Kin=τ/Kn=0.087/10.84=0.0083

4基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真

4.1稳态结构框图和动态数学模型

4.1.1静态结构框图

双闭环直流调速系统—静态结构图

α—转速反馈系数β—电流反馈系数

4.1.2动态数学模型

4.2基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真

4.2.1基于直流双闭环动态结构图的仿真模型

带饱和输出限幅的Pi调节器及分支模块

4.3仿真结果：

4.3.1电机启动时转速的响应曲线：

4.3.2电机启动时电机电流的响应曲线：

4.4仿真结果与原理图的比较

仿真结果与理论上电机启动的结果比较：

转速没有超调量，不过符合第二和第三阶段，电流响应，电机启动以最大电流（并维持一段时间，略有下降）使电机加速，等电机达到额定转速时，电流逐步减小，趋于一个最小值，但是最带电流有一点衰减，这和给定的阶跃响应有关。

小结

本文是对双闭环直流电机调速系统的设计，通过一周的努力对该电路有了较为深入的研究，也进一步熟悉了双闭环直流调速系统的结构形式、工作原理及各个器件的作用和设计。

通过做课程设计，也有了不少的收获,进一步了解和掌握了双闭环直流调速系统及其控制电路的一些特性，比较全面的将所学的电力电子和电力拖动方面的知识运用于设计当中，对设计中一些参数的计算也比较清析得到，整个双闭环直流调速电路分阶段地完成，从电力电子方面的设计到电力拖动方面的设计，最后MATLAB/SIMULINK的运用，是一步一步的完成和组合。

照搬理论会发现做出来的设计结果有点出入，因为理论是不考虑任何的外在原因，是在理想化的情况。

而现实它则除了内在不可改变的原因，还有不可避免的外在原因，外在原因可以改变但是智能改善。

所以本设计在有限的条件下和本人有限的学识，做出的设计还是存在着一些不足。

本设计采用PI调节器，输出的转速存在这超调量比较大，而且快速性也相对受到影响。

则今后可以采用PID调节器可以全面的提高系统的控制性能，但是具体实现与调试要复杂，做的工做比现在就更多。

设计研究是一个漫长的过程，要想让它真正的使用到现实中，还需要不断的改善。

致谢

通过做课程设计，我从中得了不少收获。

进一步了解课本的理论知识的最要性，而且也知道实践如何运用理论，理论联系实践。

虽然，在做课程设计的过程中遇到了很多困难，也发现了不少问题，但是我坚持到底，尽自己的力量做到最好。

相信通过这次的设计将会给我以后的学习和工作添加不少实践经验。

我也会在今后更多的时间学习各种新知识。

给自己不断的充电，增值。

在这一周的设计学习中我得到了很多人的帮助和关怀，感谢我的指导教师叶老师,在课程设计中给我的悉心指导,感谢我的室友在我无助、心烦的时候鼓励和支持，让我克服设计道路上的困难。

最后感谢老师们平时认真授课，让我在设计中学会了运用知识。

参考文献

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