(资料)V-M双闭环不可逆直流调速系统设计.doc
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四川师范大学本科毕业设计
V-M双闭环不可逆直流调速系统设计
学生姓名
院系名称
工学院
专业名称
电气工程及其自动化
班级
学号
指导教师
完成时间
2012年5月4日
43
V-M双闭环不可逆直流调速系统设计
内容摘要
在现有的G-M,V-M,P-M直流调速系统中,V-M(晶闸管-电动机调速系统)是应用最广,发展最成熟,性能最好的系统。
根据晶闸管的特性,可以通过调节控制角α的大小来改变电压。
本题中,采用电流,转速双闭环的控制电路实现直流电动机的不可逆调速。
本文首先确定整个系统框图和方案。
然后设计主电路的结构形式和各部件参数,包括整流变压器、晶闸管、电抗器和保护电路的参数计算。
在调速系统中的主电路采用三相全控整流电路供电。
接着进行驱动电路的设计。
最后设计控制电路,即电流,转速双闭环调速控制器。
系统中设置两个调节器,分别调节转速和电流,即引入转速负反馈和电流负反馈,实行串级控制。
电流环在里面,称作内环;转速环在外边,称做外环。
形成转速、电流双闭环调速系统。
按照多环控制系统的一般原则:
从内环开始,逐步向外扩展。
即先从电流环开始。
然后分析结构形式和设计各元部件,计算参数,包括给定电压、转速调节器、电流调节器、检测电路、触发电路和稳压电路的参数,最后采用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行仿真分析,从而得到较为理想的系统框图。
根据系统框图,使用POWERSYSTEM模块进行直流双闭环系统的仿真。
关键词:
双闭环;转速调节器ASR;电流调节器ACR
DoubleclosedloopDCreversiblespeedcontrolsystemdesign
Abstract
AmongtheexistingD.CspeedcontrolledsystemofG-M,V-M,P-M,V-Misthe mostwidelyused,mostmaturedevelopmentandthebestperformancesystem.Basedonthecharacteristicofthyristor,itadjustsvoltagebyregulatingthetriggerangle“α”ofSCR.Inpaper,D.Cmotorspeedcontrollerisusingofcurrentandspeeddoubleclosed-loopspeedcontrolcircuit.
Firstly,determinestheentiredesigntheplanandthediagram.Secondly,makesurethestructureofpowercircuitandthedesignofelements,andcalculatetheelementparameter,includingrectifiertransformer,thyristor,reactorandprotectioncircuit.Theenergyofpowercircuitissuppliedofthree-phasefull-bridgecontrolledrectifier.Finally,actuatestheelectriccircuitthedesignincludingtotriggertheelectriccircuitandthepulse.Thepapermainlyfocusesonthedesignofcontrollercircuit.
Establishtworegulatorsinthesystem,adjuststherotationalspeedandtheelectriccurrentseparately,namelyintroducestherotationalspeednegativefeedbackandtheelectriccurrentnegativefeedbackseparately,betweenthetwoimplementsthenestingjoint.Theprinciplesofmultiloopcontrolsystem:
startfromtheinnerloopascurrentlooptotheoutside.Makesurethestructureofthecircuitanddesigntheelementsfirstly,then,calculatetheelementparameter,includingthesettlingvoltage,speedregulator,currentregulatoretc.Secondly,thepapersimulatethespeedcontrolsystemwithSIMULINKtogettheidealchart.AtlastdrawtheelectricdiagramofthespeedcontrolcircuitandusePOWERSYSTEMforsystemsimulation.
keywords:
twoclosed-loop;ASR;ACR
目录
前言 1
1绪论 2
1.1直流调速系统的概述 2
1.2研究课题的目的和意义 2
1.3设计内容和要求 3
1.3.1设计要求 3
1.3.2设计内容 3
1.3.3技术参数 3
2双闭环直流调速系统设计框图 4
3系统电路的结构形式和双闭环调速系统的组成 5
3.1主电路的选择 5
3.2双闭环调速系统的组成 7
3.3稳态结构框图和动态数学模型 8
3.3.1稳态结构框图 8
3.3.2动态数学模型 10
4主电路各器件的选择和计算 12
4.1变流变压器容量的计算和选择 12
4.2整流元件晶闸管的选型 14
4.3电抗器的选择 14
4.4主电路保护电路设计 16
4.4.1过电压保护设计 16
4.4.2过电流保护设计 18
5驱动电路的设计 21
5.1晶闸管的触发电路 21
5.2脉冲变压器的设计 23
6双闭环调速系统调节器的动态设计 25
6.1电流调节器的设计 25
6.2转速调节器的设计 27
7基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真 32
7.1基于MATLAB/SIMULINK的动态系统的仿真 32
7.2使用POWERSYSTEM模块的双闭环系统仿真 35
致谢 39
参考文献 40
附表 41
附图 43
V-M双闭环不可逆直流调速系统设计
前言
直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。
在20世纪60年代,随着晶闸管的出现,现代电力电子、控制理论和计算机技术的结合促进了高效、高性能的动力。
尽管现在交流调速迅速发展,技术越趋成熟,交流电机的经济性和易维护性使其广受欢迎。
但是直流电机调速系统以其良好的起、制动性能和调速性能仍有广阔的市场,它易于在大范围内平滑调速,且调速后的效率很高。
该控制器具有调速平稳,安全可靠,提高生产效率;直流电机正反转控制简便;可以实现数字控制。
同时,建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。
直流电动机的转速和其它参量的关系可用式1表示
(1)
式中n表示转速,U表示电枢电压,I表示电枢电流,R表示电枢回路总电阻,Φ表示励磁磁通,Ke是由电机结构决定的电动势常数。
由此可知,有三种方法调节转速,改变电枢供电电压、励磁磁通和电枢回路电阻。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说,以调节电枢电压方式为最好。
改变电阻只能有级调速;减弱磁通虽然能平滑调速,但是调速范围不大,往往只能配合调压方案,在基速(即电动机额定转速)以上作小范围的升速。
因此,自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。
调节电枢供电电压需要专门的可控直流电源。
常见的有旋转变流机组,静止可控整流器,直流斩波器和脉宽调制变换器。
静止可控整流器能克服旋转变流机组设备多、体积大、费用高、效率低、噪声等缺点。
可以是单相、三相或更多相数,半波,全波和桥式等类型,通过调节出发装置GT的控制来移动触发脉冲的相位,即可改变整流电压,实现平滑调速。
以毫秒级的快速性提高了系统的动态性能。
在V-M系统中,仅用触发装置GT的控制电压来调节电动机转速,是开环控制的调速系统,如果对静差率要求不高的话,在一定范围内也能实现无极调速。
但是要求一定的静差率时,需要引入反馈,闭环控制。
从而得到更硬的机械特性。
在增设检测和反馈装置和电压放大器的条件下可以保证静差率要求并且提高调速范围。
转速闭环调速系统具有三个基本特征:
被调量有静差,抵抗扰动与服从给定,系统精度依赖于给定和反馈检测精度。
1绪论
1.1直流调速系统的概述
近几十年,直流电机调速控制日新月异。
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。
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
采用转速负反馈和PI调节的单闭环直流调速可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。
但是如果对系统要求较高,比如要求快速起制动,突加负载动态速降小等,单闭环无法满足。
原因是单闭环不能随意控制电流和转矩的动态过程,在单闭环中,电流截止负反馈是专门用来控制电流的,但是只能在超临界电流值Idcr后靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击,并不能很理想地控制电流动态波形。
因此,在双闭环系统中,为了实现在允许条件下的最快起动,关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。
采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变,采用电流反馈应该近似恒流。
利用转速,电流调节器,为了获得更好的静动态性能,两个调节器都采用PI调节。
是从而可以实现:
在起动过程中,只有电流反馈,无转速反馈。
在稳态时,只有转速反馈,无电流反馈。
1.3设计内容和要求
1.3.1设计要求
1.该调速系统能进行平滑地速度调节,负载电机不可逆运行,具有较宽的转速调速范围(),系统在工作范围内能稳定工作。
2.系统静特性良好,无静差(静差率)。
3.动态性能指标:
转速超调量,电流超调量,动态最大转速降,调速系统的过渡过程时间(调节时间)。
4.系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续。
5.调速系统中设置有过电压、过电流保护,并且有制动措施。
1.3.2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,画出系统组成的原理框图。
2.调速系统主电路元部件的确定及其参数计算(包括有变压器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等)。
3.驱动控制电路选型设计(模拟触发电路、集成触发电路、数字触发电路)。
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与ACR调节器结构形式进行参数计算,使调速系统工作稳定,满足动态性能指标的要求。
5.绘制V—M双闭环直流不可逆调速系统电器原理图(要求用计算机绘图),并用Orcad或Matlab软件进行拖动控制系统仿真以及硬件仿真。
(建立传递函数方框图),并研究参数变化时对直流电动机动态性能的影响。
1.3.3技术参数
1.晶闸管整流装置:
,Ks=30。
2.负载电机额定数据:
,,,,。
3.系统主电路:
,。
2双闭环直流调速系统设计框图
直流电机的供电需要直流电,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
双闭环直流调速机
驱动电路
保护电路
图1双闭环直流调速系统设计总框架
三相交流电路的交、直流侧及三相桥式整流电路中晶闸管中电路保护有电压、电流保护。
一般保护有快速熔断器,压敏电阻,阻容式。
根据不同的器件和保护的不同要求采用不同的方法。
根据选用的方法,分别计算保护电路的各个器件的参数。
驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口,是电力电子装置的重要环节,对整个装置的性能有很大的影响。
采用性能良好的驱动电路,可使是电力电子器件工作在较理想的开关状态,缩短开关时间,减小开关损耗,对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。
驱动电路的基本任务,就是就将信息电子电路穿来的信号按照其控制目标的要求,转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间,可以使其开通或关断的信号。
本设计使用的是晶闸管,即半控型器件。
驱动电路对半控型只需要提供开通控制信号。
对与晶闸管的驱动电路叫作触发电路。
所以对晶闸管的触发电路也是重点设计。
直流调速系统中应用最普通的方案是转速、电流双闭环系统,采用串级控制的方式。
转速负反馈环为外环,其作用是保证系统的稳速精度。
电流负反馈环为内环,其作用是实现电动机的转距控制,同时又能实现限流以及改善系统的动态性能。
转速、电流双闭环直流调速系统在突加给定下的跟随性能、动态限流性能和抗扰动性能等,都比单闭环调速系统好。
本课题设计主要是设计双闭环的中两个调节器参数计算与检测。
最后是用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行了仿真分析。
3系统电路的结构形式和双闭环调速系统的组成
3.1主电路的选择
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。
机组供电的直流调速系统在20世纪60年代以前曾广泛地使用着,但该系统需要旋转变流机组,至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机还要仪态励磁发电机,因此设备多,体积大,费用高,效率低。
1957年晶闸管问世,已生产成套的晶闸管整流装置,即图2晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统)的原理图。
通过调节处罚装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位,即可改变平均整流电压,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。
图2V—M系统原理图
直流斩波器-电动机系统的原理图示于图3,其中VT用开关符号表示任何一种电力电子开关器件,VD表示续流二极管。
当VT导通时,直流电源电压US加到电动机上;当VT关断时,直流电源与电机脱开,电动机电枢经VD续流,两端电压接近于零。
如此反复,得到电枢端电压波形,如图4所示,好像是电源电压US在时间内被接上,又在(T--)时间内被斩断,故称“斩波”。
这样,电动机得到的平均电压为
(2)
式中T------功率开关器件的开关周期;
------开通时间;
------占空比,,其中为开关频率。
图3直流斩波器-电动机系统原理图图4波形图
因此,根据本设计的要求应选择第二个可控直流电源。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说,以调节电枢供电电压的方式为最好,自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主,根据晶闸管的特性,可以通过调节控制角α大小来调节电压。
当整流负载容量较大或直流电压脉动较小时应采用三相整流电路,其交流侧由三相电源供电。
三相整流电路中又分三相半波和全控桥整流电路,因为三相半波整流电路在其变压器的二次侧含有直流分量,故不采用,本设计采用了三相全控桥整流电路来供电,该电路是目前应用最广泛的整流电路,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,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。
主电路原理图如图5所示
图5主电路原理图
三相全控制整流电路由晶闸管VT1、VT3、VT5接成共阴极组,晶闸管VT4、VT6、VT2接成共阳极组,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。
晶闸管的控制角都是,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,晶闸管必须严格按编号轮流导通,6个触发脉冲相位依次相差60O,只有这样才能使电路正常工作。
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、过电流等保护装置。
3.2双闭环调速系统的组成
速度与电流双闭环调速系统是20世纪60年代在国外出现的一种新型的调速系统。
70年代以来,在我国的冶金、机械、制造以及印染工业等领域得到日益广泛的应用。
双闭环调速系统是由单闭环自动调速系统发展而来的。
单闭环调速系统使用了一个比例积分调节器组成速度调节器可以得到转速的无静差调节。
从扩大调速范围的角度来看,单环系统已能基本上满足生产机械对调速的要求。
但是,任何调速系统总是需要启动与停车的,从电机能承受的过载电流有一定限制来看,要求启动电流的峰值不要超过允许数值。
为达到这个目的,采用电流截止负反馈的系统,它能得到启动电流波形,见图6中实线所示。
波形的峰值正好达到直流电动机所允许的最大冲击电流,其启动时间为。
图6带有截止负反馈系统启动电流波形
实际的调速系统,除要求对转速进行调整外,很多生产机械还提出了加快启动和制动过程的要求,例如可逆轧钢,龙门刨床都是经常处于正反转工作状态的,为了提高生产率,要求尽量缩短过渡过程的时间。
从图6启动电流变化的波形可以看到,电流只在很短的时间内就达到了最大允许值,而其他时间的电流均小于此值,可见在启动过程中,电机的过载能力并没有充分利用。
如果能使启动电流按虚线的形状变化,充分利用电动机的过载能力,使电机一直在较大的加速转矩下启动,启动时间就会大大缩短,只要就够了。
上述设想提出一个理想的启动过程曲线,其特点是在电机启动时,启动电流很快加大到允许过载能力值,并且保持不变,在这个条件下,转速n得到线性增长,当开到需要的大小时,电机的电流急剧下降到克服负载所需的电流值,对应这种要求可控硅整流器的电压在启动一开始时应为,随着转速n的上升,U也上升,,达到稳定转速时,。
这就要求在启动过程中把电动机的电流当作被调节量,使之维持在电机允许的最大值,并保持不变。
这就要求一个电流调节器来完成这个任务。
带有速度调节器和电流调节器的双闭环调速系统便是在这种要求下产生的。
如下图7
图7转速、电流双闭环直流调速系统原理框图
(注:
ASR—转速调节器UPE—电力电子装置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)
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,在系统中设置了两个调节器,分别调节转速和电流,二者之间实行串级联接,如图7所示。
这就是说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晶闸管整流器的触发装置。
从闭环结构上看,电流调节环在里面,叫内环;转速调节环在外边,叫做外环。
这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。
为了获得良好的静、动态性能,双闭环调速系统的两个调节器都采用PI调节器。
采用PI型的好处是其输出量的稳态值与输入无关,而是由它后面环节的需要决定的。
后面需要PI调节器提供多么大的输出值,它就能提供多少,直到饱和为止。
双闭环调速系统的静特性在负载电流小于最大电流时表现为转速无静差,这时,转速负反馈起主要调节作用。
当负载电流达到后,转速调节器饱和,电流调节器起主要调节作用,系统表现为电流无静差,得到过电流的自动保护。
这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。
3.3稳态结构框图和动态数学模型
3.3.1稳态结构框图
为了分析双闭环调速系统的静特性,必须先绘出它的稳态结构框图,如下图8所示。
电流调节器和转速调节器均为具有限幅输出的PI调节器,当输出达到饱和值时,输出量的变化不再影响输出,除非产生反向的输入才能使调节器退出饱和。
当输出未达到饱和时,稳态的输入偏差电压总是为零。
正常运行时,电流调节器设计成总是不会饱和的,而转速调节器有时运行在饱和输出状态,有时运行在不饱和状态。
图8双闭环直流调速系统的稳态结构框图
a—转速反馈系数;b—电流反馈系数
Ks
a
1/Ce
U*n
Uc
Id
E
n
Ud0
Un
+
+
-
ASR
+
U*i
-
R
b
ACR
-
Ui
UPE
分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征,一般存在两种状况:
①饱和——输出达到限幅值。
即饱和调节器暂时隔断了输入和输出间的联系,相当于使该调节环开环。
②不饱和——输出未达到限幅值。
即PI的作用使输入偏差电压在稳态时总为零。
实际上,在正常运行时,电流调节器是不会达到饱和状态的。
因此,对于静特性来说,只有调速调节器饱和与不饱和两种状况:
(1)转速调节器不饱和:
稳态时,他们的输入偏差电压都是零,因此,而得到下图9静特性的CA段。
(2)转速调节器饱和:
输出达到限幅值,转速外环呈开环状态,转速的变化对系统不再产生影响。
双闭环系统变成一个电流无静差的点电流闭环调节系统。
稳态时,从而得到下图9静特性的AB段。
这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。
然而,实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大,特别是为了避免零点漂移而采用“准PI调节器”时,静特性的两段实际上都N略有很小的静差,见图9的虚线。
图9双闭环直流调速系统的静特性
n0
Id
Idm
IdN
O
n
A
B
C
ASR主导,表现为转速无静差
ACR主导,表现为电流无静差(过电流保护)
3.3.2动态数学模型
如下图10表示双闭环直流调速系统的动态框图,和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。
在分析双闭环直流调速系统的动态性能时,着重分析电机的起动过程及抗扰动性能。
在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、
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