不可逆VM双闭环直流调速系统设计运动控制系统课程设计Word格式文档下载.docx
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晶闸管;
功率开关器件
二、参数和物理量文字符号
B磁通密度
C电容;
输出被控变量
Cc直流电机在额定刺痛下的电动势系数
Ƒ频率
GD2飞轮惯量
I电流;
电枢
K控制系统放大系数
Kρ比例放大系数
n转速
Pm电磁功率
R电阻;
电枢回路总电阻
Ra直流电机电枢电阻
R0限流电阻
S视在功率
s静差率;
转差率
T时间常数,开关周期
t时间
Te电磁转矩
TL负载转矩
tp峰值时间
tr上升时间
U电压;
电枢供电电压
U2变压器二次侧(额定)电压
Ud整流电压;
直流平均电压
Um峰值电压
α转速反馈系数;
可控整流器的触发延迟角
β电流反馈系数;
可控整流器的逆变角
γ电压反馈系数;
相角裕度;
PWM电压系数
ξ阻尼比
λ电压允许过载倍数
σ漏磁系数;
转差功率损耗系数,超调量
φ磁通
摘要
电力拖动实现了电能与机械能之间的能量转换,而电力拖动系统-运动控制系统的任务是通过控制电动机电压、电流频率等输出量,来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量,使各种工作机械按人们期望的要求运行,以满足生产工艺及其他应用的需要。
随着发展,人们研制并生产出了各类新型控制系统。
而直流调速系统因具有良好的启动、制动性能,宜于在宽范围内平滑调速,在电力拖动领域中得到了广泛的应用。
随着电力电子技术的发展,近代直流调速系统经常使用以电力电子器件组成的静止式可控直流电源作为电动机的供电装置。
采用可控晶闸管组成整流器的是晶闸管整流器-电动机系统。
目前,采用晶闸管整流供电的直流电动机调速系统(即晶闸管-电动机调速系统,简称V-M系统,又称静止Ward-Leonard系统)已经成为直流调速系统的主要形式。
关键词:
V-M;
直流调速系统;
双闭环
第1章系统设计任务
1.1性能指标要求:
稳态指标:
系统无静差
动态指标:
;
空载起动到额定转速时。
1.2给定电机及系统参数
,,,,,
主回路总电阻,
系统飞轮惯量,
系统最大给定电压,
ACR、ASR调节器限幅值调到为,
1.3设计步骤及说明书要求
1画出双闭环系统结构图,并简要说明工作原理。
2根据给定电机参数,设计整流变压器,并选择变压器容量;
选择晶闸管的参数并确定过流、过压保护元件参数。
3分析触发电路及同步相位选择。
4设计ACR、ASR并满足给定性能指标。
5完成说明书,对构成系统的各环节分析时,应先画出本环节原理图,对照分析。
第2章主电路选型和闭环系统
2.1整体设计
本设计如图2.1设计的总框架,由三相直流电给直流电机的供电,采用三相桥式整流电路变成三相直流电源将生活中的三相交流380V电源进行整流,最后提供给直流电动机。
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)-(R0+Ra)T/CeCTФ2(2-1)
式中Ud—整流电压(V);
R0—整流装置内阻(Ω);
由此可知,改变Ud,可改变转速n。
图2.1双闭环直流调速系统设计总框架
2.2主电路选型
图2.2晶闸管整流器-电动机调速系统(V-M系统)原理图
变压调速是直流调速系统的主要调速方法,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。
图2.2绘出了晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统)的原理图。
通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位,改变可控整流器平均输出直流电压Ud,从而实现直流电动机的平滑调速。
晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上,门极电流可以直接用电子控制;
响应时间是毫秒级,具有快速的控制作用;
运行损耗小,效率高;
这些优点使V-M系统获得了优越的性能。
目前在各种整流电路中,由于三相全控桥整流电路输出电压波动小,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)。
所以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。
主电路图如图2.3所示。
图2.3主电路原理图
如图所示,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α。
在一个周期内6个晶闸管都要被导通一次,导通顺序依次为VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6。
对触发脉冲来说,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。
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。
由于电网电压与工作电压(U2)常常不一致,故在主电路前端配置一个整流变压器,以得到与负载相匹配的电压,同时为了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而把晶闸管装置和电网隔离。
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。
2.3双闭环直流调速系统的静特性
在转速反馈控制直流调速系统(以下简称单闭环系统)中用PI调节器实现转速稳态无静差,消除负载转矩扰动对稳态转速的影响,并用电流截止负反馈限制电枢电流的冲击,避免出现过电流现象。
但转速单闭环系统不能充分按照理想要求控制电流的动态过程。
如图2.4(a)所示。
当电流从最大值降低下来以后,电机转矩也随之减小,因而加速过程必然拖长。
在实际工作中,对于经常正、反转运行的调速系统,如龙门刨床、可逆轧钢机等,缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。
为此,在起动(或制动)过渡过程中,希望始终保持电流(或电磁转矩)为允许的最大值,使调速系统以最大的加(减)速度运行。
当到达稳态转速时,最好使电流立即降下来,使电磁转矩与负载转矩相平衡,从而迅速转入稳态运行。
这样的理想起动过程波形如图2.4(b)所示,起动电流成矩波形,转速按线性增长。
这是在最大电流(转矩)受限时调速系统所能获得的最快的起动(制动)过程。
(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程
(b)理想快速起动过程
图2.4调速系统起动过程的电流和转速波形
实际上,由于主电路电感的作用,电流不能突跳,为了实现在允许条件下最快启动,关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程,按照反馈控制规律,采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变,那么采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。
问题是,应该在启动过程中只有电流负反馈,而没有转速负反馈,在到达稳态转速后,又希望只要转速负反馈,不再靠让电流负反馈发挥作用。
因此我们采用双闭环调速系统,在系统中设置了两个调节器,分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流。
使系统做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。
2.4双闭环直流调速系统
如图2.5所示,即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。
从闭环结构上看,电流环在里面,称作内环;
转速环在外边,称作外环。
这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统(以下简称双闭环系统)。
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。
因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度,使系统在稳态运行时得到无静差调速,又能提高系统的稳定性;
作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。
一般的调速系统要求以稳和准为主,采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。
在图2.5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。
开环直流调速系统调节控制电压Uc就可改变电动机的转速。
如果负载的
图2.5转速、电流双闭环直流调速系统结构框图
生产工艺对运行时的静差率要求不高,这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速,但是,对静差率有较高要求时,开环调速系统往往不能满足要求。
这时就要采用闭环调速系统。
2.4.1双闭环调速系统电路原理图
ASR—转速调节器ACR—电流调节器TG—测速发电机
TA—电流互感器UPE—电力电子变换器Un*—转速给定电压
Un—转速反馈电压Ui*—电流给定电压Ui—电流反馈电压
2.4.2双闭环直流调速系统的稳态结构图
双闭环直流系统的稳态结构图如图2.7所示,为了实现电流的实时控制和快速给随,希望电流调节起不要进入饱和状态,因此,对于静态性来说,只有转速调节饱和与不饱和两种状况。
即饱和——输出达到限幅值;
不饱和——输出未达到限幅值。
当调节器饱和时,输出为恒值,输入量的变化不再影响输出,相当与使该调节环开环。
当调节器不饱和时,PI作用使输入偏差电压在稳态时总是为零
图2.7双闭环直流调速系统的稳态结构图
α—转速反馈系数β—电流反馈系数
2.4.3双闭环直流调速系统数学模型
双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。
双闭环直流调速系统的动态结构框图如图2.8所示。
图中α和β分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。
为了引出电流反馈,在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流Id显露出来,如图2.8所示。
图2.8双闭环直流调速系统的动态结构框图
第3章主电路元部件及参数计算
3.1整流变压器容量计算
3.1.1次级电压U2
为了保证负载能正常工作,当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后,晶闸管交流侧的电压U2只能在一个较小的范围内变化,为此必须精确计算整流变压器次级电压U2。
此外,为了尽可能的避免电网与晶闸管装置的相互干扰,要求它们相互隔离,故通常要配用整流变压器(一次侧绕组采用△联接,二次侧绕组采用Y联接)。
影响U2值的因素有:
(1)U2值的大小首先要保证满足负载所需求的最大直流值Ud;
(2)晶闸管并非是理想的可控开关元件,导通时有一定的管压降,用UT表示;
(3)变压器漏抗的存在会产生换相压降;
(4)平波电抗器有一定的直流电阻,当电流流经该电阻时就要产生一定的电压降;
(5)电枢电阻的压降。
综合以上因素得到的U2精确表达式为:
(3-1)
式中:
A=Ud0/U2,表示当控制角α=0°
时,整流电压平均值与变压器
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- 可逆 VM 闭环 直流 调速 系统 设计 运动 控制系统 课程设计