双闭环直流可逆调速系统设计

课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 逻辑无环流直流可逆调速系统建模与仿真 初始条件：1技术数据： 直流电动机：P N=55KW , UN=220V , IN=287A , nN=1500r/min , Ra=0.1最大允许电流 I dbl=1.5IN , (GD2=46.57N.m2)三相全控整流装置：K s=40,电枢回路总电阻 R=0.15 ，系统主电路：T m=0.12s ，T l=0.03s滤波时间常数：T oi=0.002s , Ton=0.012s,其他参数：U nm*=8V , Uim*=8V , Ucm=8V2技术指标 稳态指标：无静差（静差率 s2, 调速范围 D10 ） 动态指标：电流超调量：5%，起动到额定转速时的超调量：8%，（按退饱和方式计算）要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1技术要求： (1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽的调速范围（D10），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 s2） (3) 动态性能指标：转速超调量 n8% ，电流超调量 i5%，动态速降 n10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）t s1s (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、过电流等保护，并且有制动措施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型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图 (2) 根据双闭环直流调速系统原理图, 分析转速调节器和电流调节器的作用, (3) 通过对调节器参数设计, 得到转速和电流的仿真波形，并由仿真波形通过 MATLAB来进行调节器的参数调节。(4) 绘制 V-M 双闭环直流可逆调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图） (5) 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书时间安排：查阅资料 12 月 21-12 月 23任务设计 12 月 24-12 月 30校正打印 12 月 31指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要晶闸管反并联的电枢可逆线路是可逆调速系统的典型线路之一。这种线路有能实现可逆运行、回馈制动等优点，但也会产生环流。为保证系统安全，必须消除其中的环流。所谓逻辑无环流系统就是在一组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使该组晶闸管完全处于阻断状态，从根本上切断环流通路。这种系统不仅能实现逻辑无环流可逆调速，还是交一交变频的基础。本文采用 Matlab 的 Simulink 和 Power System 工具箱，介绍如何实现逻辑无环流可逆调速系统的建模与仿真。逻辑无环流可逆直流调速系统省去了环流电抗器，没有了附加的环流损耗，节省变压器和晶闸管装置的附加设备容量。和有环流系统相比，因换流失败造成的事故率大为降低。本文对逻辑无环流可逆直流调速系统进行了仿真研究，对 DLC（逻辑控制器）、ACR 和 ASR 的参数进行了设计，给出了仿真结果和分析。关键词: 无环流 可逆直流调速系统 逻辑控制器 Matlab Simulink Power System目录1 设计任务与方案 .12 逻辑无环流可逆直流调速系统分析 .22.1 可逆 V-M 直流调速系统的环流问题 .22.2 移相方法 = 配合控制 .22.3 逻辑无环流可逆直流调速系统的组成与工作原理 .42.4 无环流逻辑控制器 .53 逻辑无环流可逆直流调速系统设计 .63.1 主要参数计算 .63.2 主电路设计 .73.3 DLC（逻辑控制器）设计 .73.4 电流调节器设计 .103.4.1 电流环结构框图的化简 .103.4.2 确定时间常数 .113.4.3 选择电流调节器结构 .113.4.4 计算电流调节器参数 .113.4.5 校验近似条件 .123.4.6 计算调节器电阻电容 .123.5 转速调节器设计 .123.5.1 确定时间常数 .133.5.2 选择转速调节器结构 .133.5.3 计算转速调节器参数 .133.5.4 检验近似条件 .133.5.5 计算调节器电阻和电容 .143.5.6 校核转速超调量 .144 系统建模与仿真 .154.1 逻辑控制器的建模 .154.2 总系统建模 .164.2.1 各部分的传递函数 .164.2.2 传递函数建模 .174.2.3 利用 PowerSystem 工具箱的物理模型建模 .194.3 仿真结果 .214.3.1 逻辑控制器（DLC）仿真 .214.3.2 电机正反转仿真 .224.4 仿真结果分析 .225 总结 .245.1 心得体会 .245.2 改进意见及展望 .24参考文献 .25附录 电气原理图 .26武汉理工大学电力拖动自动控制系统课程设计说明书1逻辑无环流直流可逆调速系统建模与仿真1 设计任务与方案在可逆调速系统中，往往采用既没有直流平均环流，又没有脉动环流的无环流可逆系统，无环流可逆系统省去了环流电抗器，没有了附加的环流损耗，节省变压器和晶闸管装置的附加设备容量。和有环流系统相比，因换流失败造成的事故率大为降低。因此，逻辑无环流可逆调速系统在生产中被广泛运用。本文通过对逻辑无环流可逆直流调速系统仿真分析，研究了逻辑无环流可逆直流调速系统各个重要环节的设计，仿真结果证明了设计的正确性。在两组反并联供电的直流电动机可逆调速系统中，如果在一组整流器工作时，封锁状态另一组整流器，即切断这组整流器的触发脉冲，使这组整流器不工作，这样两组整流器之间就没有环流通道，既不会产生直流环流也不会产生脉动环流。这种系统一般由逻辑控制器来判断在正反转或制动过程中那组整流器应该工作（包括整流和逆变两种状态） ，那组整流器应该封锁，故称为逻辑控制无环流可逆调速系统。逻辑无环流可逆系统的思路简洁，并且由于不存在环流和没有环流带来的损耗，整流器的容量可以减少，也不需要限制环流的电抗器，是目前晶闸管直流电动机可逆调速系统常用的控制方案。设计要求逻辑无环流直流可逆调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽的调速范围（D10），系统在工作范围内能稳定工作；系统静特性良好，无静（静差率 s2）；动态性能指标要求转速超调量 n10%，电流超调量 i5% ，动态速降 n10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）t s1s；系统在 5%负载以上变化的运行范围内电流连续；调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。本设计采用 MATLAB 进行建模与仿真，文中将采用传递函数和 PowerSystem 工具箱分别进行建模和仿真。控制系统传统的计算机仿真是用传递函数方法来完成的，各环节的传递函数是将实际模型经过一定的简化而得到的，较容易实现，但是很多重要细节会被忽略。而利用 PowerSystem 工具箱提供了利用物理模型仿真的可能，其仿真建模方法与构建实际电路相似，仿真结果非常接近于实际，但是仿真难度较大。武汉理工大学电力拖动自动控制系统课程设计说明书22 逻辑无环流可逆直流调速系统分析2.1 可逆 V-M 直流调速系统的环流问题采用两组晶闸管反并联的可逆 V-M 系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流。一般地说，这样的环流对负载无益，徒然加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。只要合理的对环流进行控制，保证晶闸管的安全工作，可以利用环流作为流过晶闸管的基本负载电流，使电动机在空载或轻载时可工作在晶闸管装置的电流连续区，以避免电流断续引起的非线性对系统性能的影响。在不同情况下，会出现下列不同性质的环流。第一种是静态环流，它是两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流，其中它又可以分为两类：1）直流平均环流由晶闸管装置输出的直流平均电压所产生的环流称作直流平均环流。2）瞬时脉动环流两组晶闸管输出的直流平均电压差为零，但因电压波形不同，瞬时电压差仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。其中直流平均环流可以采用 = 配合控制来消除，瞬时脉动环流可以使用电抗器来抑制。第二种是动态环流仅在可逆 V-M 系统处于过渡过程中出现的环流。2.2 移相方法 = 配合控制在两组晶闸管反并联的可逆 V-M 系统中，如果让正组 VF 和反组 VR 都处于整流状态，两组的直流平均电压正负相连，必然产生较大的直流平均环流。为了防止直流平均环流的产生，需要采取必要的措施，比如：采用封锁触发脉冲的方法，在任何时候，只允许一组晶闸管装置工作；采用配合控制的策略，使一组晶闸管装置工作在整流状态，另一组则工作在逆变状态。为了防止产生直流平均环流，应该当正组处于整流状态时，强迫让反组处于逆变状态，且控制其幅值与之相等，用逆变电压把整流电压顶住，则直流平均环流为零。于是 00 drdfU由于， 0max cosdf f rr武汉理工大学电力拖动自动控制系统课程设计说明书3其中 和 分别为 VF 和 VR 的控制角。由于两组晶闸管装置相同，两组的最大输fr出电压 是一样的，因此，当直流平均环流为零时，应有d0maxUcos rfa或 0 18rf如果反组的控制用逆变角 表示，则r fr由此可见，按上式来控制就可以消除直流平均环流，这称作 配合控制。为了更可靠地消除直流平均环流，可采用 fr为了实现 配合控制控制，可将两组晶闸管装置的触发脉冲零位都定在 ，即 90o当控制电压 时，使 ，此时 ，电机处于停止状态。0cU009ofr0dfrU增大控制电压移相时，只要使两组触发装置的控制电压大小相等符号相反就可以了。配合控制系统的移相控制特性如图 2-1 所示。图 2-1 配合控制系统的移相控制特性为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中逆变角太小而导致换流失败，出现“逆变颠覆”现象，必须在控制电路中采用限幅作用，形成最小逆变角 保护。与此同时，对 角也min实施 保护，以免出现 而产生直流平均环流。通常取 。min0dfrUinmi30o武汉理工大学电力拖动自动控制系统课程设计说明书42.3 逻辑无环流可逆直流调速系统的组成与工作原理逻辑无环流可逆直流调速系统的电气原理图如图 2-2 所示。系统主电路也采用两组整流器反并联方案，由于没有环流，不用设置环流电抗器，但为了保证稳定运行时电流波形连续，仍应保留平波电抗器 。控制系统采用典型的转dL速、电流双闭环系统，由转速调节器、电流调节器、逻辑控制器等组成。为了得到不反映极性的电流检测方法，在图 2-2 中画出了交流互感器和整流器，可以为正反向电流分别各设一个电流调节器，1ACR 用来控制正组触发装置 GTF，2ACR 用来控制正组触发装置 GTR，1ACR 的给定信号 经反号器 AR 作为 2ACR 的给定信号 。*Ui *Ui为了不出现环流，设置无环流逻辑控制器 DLC，这是系统中的关键环节，它按照系统的工作状态指挥正反组的自动切换。其输出信号 用来控制正组触发脉冲的封锁或开放，blf用来控制反组触发脉冲的封锁或开放。blrU在任何情况下，两个信号必须是相反的，决不允许两组晶闸管同时开放脉冲，以确保主电路没有出现环流的可能。但是，和自然无环流系统一样，触发脉冲的零位仍整定在 ，移相方法仍采用 配合控制。 09ofr图 2-2 逻辑无环流可逆直流调速系统的电气原理图武汉理工大学电力拖动自动控制系统课程设计说明书52.4 无环流逻辑控制器无环流逻辑控制环节是逻辑无环流控制系统的关键环节，无环流逻辑控制器的任务是当需要正组晶闸管工作时，则封锁反组晶闸管，当需要反组晶闸管工作时，则封锁正组晶闸管。采用数字逻辑电路、PLC、微机等，可以使其数字输出信号 0 和 1 来执行封锁与开放晶闸管的功能，为了确保正反组不会同时开放，应使两者不能同时为 1。逻辑控制器的切换动作应该根据电流环给定信号 来指挥。因为当系统在反转时当*iU然应该开放反组晶闸管封锁正组晶闸管；但当系统正转运动中要制动或减速时，也要用反组晶闸管的逆变状态来实现回馈制动。在这两种情况下都要开放反组，封锁正组。由此可以发现，ASR 的输出信号 满足这项工作，反转运行和正转制动都需要电动机产生*iU负的转矩；反之，正转运行和反转制动都需要电动机产生正的转矩， 的极性恰好放映*iU了电机电磁转矩方向的变化。但是，仅用 ACR 给定信号 去控制 DLC 还是不够。因为，当