电力拖动自动控制课程设计

目录1.前言 .11.1 V-M 双闭环直流调速系统的应用 .11.2 设计任务 .22. V-M 双闭环直流调速系统的基本构成与工作原理 .32.1 V-M 双闭环直流调速系统结构框图 .32.2 V-M 双闭环直流调速系统的工作原理 .32.3 调速系统的两个基本矛盾 .43. 主电路设计 .63.1 主电路设计结果 .63.2 主要参数计算 .73.3 电路器件选择 .94. 保护电路设计 .94.1 过电压保护 .94.2 过电流保护 .105. 基于 MATLAB/SIMULINK 的调速系统的仿真 .11设计心得 .14参考文献 .15附录 .161V-M 双闭环直流调速系统摘要直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一。广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中。V-M 双闭环直流调速系统是晶闸管-电动机调速系统（简称 V-M 系统） ，系统通过调节器触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移动出发脉冲的相位，即控制晶闸管可控整流器的输出改变平均整流电压 Ud，从而实现平滑调速。本次课设用实际电动机和整流装置数据对 V-M 双闭环直流调速系统进行设计，建模与仿真。1.前言1.1 V-M 双闭环直流调速系统的应用现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置。因此调速系统成为当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一种系统。随着生产工艺、产品质量要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速。对可调速的传动系统，可分为直流调速和交流调速。直流电动机的调速的方法有：调节电枢供电电压 U 、减弱励磁磁通 、改变电枢回路电阻 R 。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。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。直流调速系统凭借优良的调速特性，调速平滑、范围宽、精度高、过载能力大、动态性能好和易于控制等优点，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，所以在电气传动中获得了广泛应用。至今在金属切削机床、轧钢、矿山采掘、纺织、造纸机等需要高调速性能的各类可控电力拖动生产机械大多采用直流传动，直流调速到目前为止仍是调速系统的主要形式2本次采用的直流双闭环调速系统的设计是从内环到外环，即先设计好电流环后将其等效成速度环中的一个环节，再对速度环进行设计。在实际系统的设计和调试时可以根据得到的变换趋势，按系统性能指标的要求来调整和选择调节器参数，从而获得实际系统要求的动态响应。传统的调试方法是将整个系统按理论设计的结果建立一个实际系统，然后将系统分成若干个控制单元，并对每个控制单元进行调试，最后将各个单元构成一个完整的系统，并进行调试，这种传统的调试方法在使用过程中不仅费时、费力且不易产生满意的结果。因此我们采用计算机仿真技术。计算机仿真可以不运行实际系统，只要在计算机上建立数字仿真模型，模仿被仿真对象的运行状态及其随时间变化的过程。1.2 设计任务这次课程设计要求结合给定的初始条件来完成直流双闭环调速系统的设计，其中包括分析和绘制该调速系统的原理图，对主电路，控制电路和驱动电路进行工程设计，选择调节器结构并且计算其参数，最后对设计的系统进行 matlab仿真并对系统参数进行相应的调试。要实现直流双闭环调速系统的设计需先对控制系统的组成及工作原理有一定深入的理解，弄清楚调速系统每个组成部分的作用，弄清楚转速环和电流环的工作原理，合理选择调节器的参数以便进行合理的工程设计。 技术数据及技术指标如下： 直流电动机： PN=55KW , UN=220V , IN=287A , nN=1500r/min , Ra=0.1最大允许电流： I dbl=1.5IN ,三相全控整流装置： K s=30 ,电枢回路总电阻： R=0.15 ，系统主电路： T m=0.12s ，T l=0.012s滤波时间常数： T oi=0.002s , Ton=0.012s,其他参数： U nm*=8V , Uim*=8V , Ucm=8V i5% , n10%32. V-M 双闭环直流调速系统的基本构成与工作原理2.1 V-M 双闭环直流调速系统结构框图在生活中，直接提供的是三相交流 760V 电源，而直流电机的供电需要三相直流电， 因此要进行整流，本设计采用三相桥式整流电路将三相交流电源变成三相直流电源，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。要求把电源提供给直流电动机。如图 2-1 设计的总框架。图 2-1 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。 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， 它将信息电子电路传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，对于晶闸管的驱动电路叫作触发电路。直流调速系统中应用最普遍的方案是转速、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。保护电路三相交流电源三相直流电源直流电机驱动电路 双闭环调速系统整流 供电42.2 V-M 双闭环直流调速系统的工作原理生产工艺对控制系统性能的要求经量化和折算后可以表达为稳态和动态性能指标。设计任务书中给出了本系统调速指标的要求。深刻理解这些指标的含义是必要的，也有助于我们构想后面的设计思路。在以下四项中，前两项属于稳态性能指标，后两项属于动态性能指标调速范围 D 生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，即（2-1）静差率 s 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率，即（2-2）静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的。2.2.1 跟随性能指标 在给定信号 R（t）的作用下，系统输出量 C(t)的变化情况可用跟随性能指标来描述。具体的跟随性能指标有下列各项：上升时间 ，超调量 ，调节时rt间 。st2.2.2 抗扰性能指标 此项指标表明控制系统抵抗扰动的能力，它由以下两项组成：动态降落，恢复时间 。%maxCvt2.3 调速系统的两个基本矛盾在理解了本设计需满足的各项指标之后，我们会发现在权衡这些基本指标的两个矛盾，即动态稳定性与静态准确性对系统放大倍数的要求互相矛盾；起动快速性与防止电流的冲击对电机电流的要求互相矛盾。采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭环调速系统,在保证系统稳定的条件下 ,实现转速无静差，解决了第一个矛盾。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速启制动，突加负载动态速降小等等，则单闭环系统就难以满足要5求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程中的电流和转矩。无法解决第二个基本矛盾。在电机最大电流受限的条件下，希望充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态后，又让电流立即降低下来，使转速马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流 Idcr 值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图 2-2a 所示。（a) （b)图 2-2 调速系统启动过程的电流和转速波形（a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统的启动过程 （b) 理想快速启动过程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。对于经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大电流(转矩)受限的条件下,希望充分地利用电机的过载能力,最好是在过渡过程中始终保持电流(转矩)为允许的最大值,使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动,到达稳定转速后,又让电流立即降低下来,使转矩马上与负载平衡,从而转入稳态运行.这样的理想起动过程波形如图 2-2b 所示,起动电流呈方形波,而转速是线性增长的。这是在最大电流(转矩)受限的条件下，调速系统所能得到的最快的启动过程。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突变，图 2-2b 所示的理想波形nId nIdlt0IdlnIdn0 t6只能得到近似的逼近，不能完全的实现。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后,希望只有转速反馈,不再靠电流负反馈发挥主要作用,而双闭环系统就是在这样的基础上产生的。3. 主电路设计 3.1 主电路设计结果在直流调速系统中，我们采用的是晶闸管-电动机调速系统(简称 V-M 系统)的原理图如图 3-1 所示。它通过调节处罚装置 GT 的控制电压 来移动触发脉cU冲的相位，即可改变平均整流电压 ，从而实现平滑调速。与旋转变流机组及dU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显现出较大的优越性。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，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 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，适图 3-1 V-M 系统原理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。图 3-1 主电路原理图7三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。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，在三相交流电路的交、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。3.2 主要参数计算一般情况下，晶闸管变流装置所要求的交流供电电压与电网电压是不一致的，所以需要变流变压器，通过变压器进行电压变换，并使装置于电网隔离，减少电网于晶闸管变流装置的互相干扰。这里选项用的变压器的一次侧绕组采用联接，二次侧绕组采用 Y 联接。为整流变压器的总容量， 为变压器一次侧的容量， 为一次侧电压, 为一SS1U1I次侧电流, 为变压器二次侧的容量， 为二次侧电压， 为二次侧的电流，2 22I、 为相数。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1m额定电压确定之后，晶闸管交流侧的电压 只能在一个较小的范围内变化，为2此必须精确计算整流变压器次级电压 。U影响 值的因素有：2U(1) 值的大小首先要保证满足负载所需求的最大电流值的 。maxdI(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 表示。TV(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 精确表达式为：2U（3-1） max2 ax1(1)%0dNTdKIrnICAB8式中 为电动机额定电压； ； 及 C 见表 3-1；NU20UAd0dUB， 为电动及额定电流， 为电动机电枢电路总电阻； 表示aRIrI RTn主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降； 为电网电压波动系数，通常取，供电质量较差，电压波动较大的情况 应取较小值；0.915为变压器的短路电压百分比，100 千伏安以下的变压器取 ，%K 5%K1001000 千伏安的变压器取 ； - 负载电流最大值；%510KUmaxdI所以 , 表示允许过载倍数。maxddNImaxdNI也可以用下述简化公式计算2U=（ 1.0-1.2） （ 3-2）2BA其中，系数（1.0-1.2）为考虑各种因素的安全系数， 为整流输出电压。aU对于本设计：为了保证电动机负载能在额定转速下运转,计算所得 应有一2定的裕量,根据经验所知,公式中的控制角 应取 300 为宜。， ， ， , ， （ 其9.034.2A230cosOB5.0C%K中 A、 B、 C 可 以 查 表 3-1 中 三 相 全 控 桥 ） ， NaURIr=1.78.045.8maxdNI表 3-1 变流变压器的计算系数把已知条件代入式（3-1）可得结果：表 3-1 变流变压器的计算系数= = V max2 ax1()%0dNTdKIUrnUCABI 7.10%5.239.04812.8909根据主电路的不同接线方式，有表 3-1 查的 ，即可得二次侧电流2/IdK的有效值 ，从