V-M双闭环直流可逆调速系统设计

1、武汉理工大学电力拖动运动控制系统课程设计说明书课程设计任务书 题 目: V-M双闭环直流可逆调速系统设计 初始条件：1技术数据及技术指标： 直流电动机：PN=3KW , UN=220V , IN=17.5A , nN=1500r/min , Ra=1.25堵转电流 Idbl=2IN , 截止电流 Idcr=1.5IN ，GD2=3.53N.m2三相全控整流装置：Ks=40 , Rrec=1. 3平波电抗器：RL=0. 3电枢回路总电阻 R=2.85 ，总电感 L=200mH , 滤波时间常数：Toi=0.002s , Ton=0.01s,其他参数：Unm*=10V , Uim*=10V , U

2、cm=10V i5% , n10要求完成的主要任务: 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) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续 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) 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) 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调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能

3、指标的要求 (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：课程设计时间为一周半，共分为三个阶段：（1） 复习有关知识，查阅有关资料，确定设计方案。约占总时间的20%（2） 根据技术指标及技术要求，完成设计计算。约占总时间的40%（3） 完成设计和文档整理。约占总时间的40%指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 目录摘要·············

4、·················································11设计任务

5、及要求·················································

6、83;21.1技术数据················································&

7、#183;···21.2设计要求·············································

8、;·······22双闭环调速系统的总体设计········································23主

9、电路的设计·················································&

10、#183;··53.1主电路电气原理图及其说明····································5 3.2平波电抗器参数的计算······

11、··································6 3.3 变压器参数的计算·············

12、3;······························73.4晶闸管元件参数的计算·················&#

13、183;······················73.5保护电路··························

14、··························84电流调节器的设计······················&#

15、183;·························9 4.1电流环结构框图的化简······················

16、;··················9 4.2电流环参数的计算·····························

17、3;·············10 4.2.1确定时间常数··································&#

18、183;·······10 4.2.2电流调节器结构的选择··································10 4.2.3计算电流调节器的参数··&#

19、183;·······························11 4.2.4校验近似条件················

20、··························11 4.2.5计算调节器的电阻和电容·····················

21、;···········125转速调节器的设计·····································

22、··········13 5.1转速环结构框图的化简·····································&#

23、183;·14 5.2转速环参数的计算···········································14 5.2.1确定时间常数

24、3;·········································14 5.2.2转速调节器结构的选择·····

25、3;····························15 5.2.3转速调节器参数的计算··················

26、3;···············16 5.2.4校验近似条件································&#

27、183;·········16 5.2.5计算调节器的电阻和电容································16 5.2.6校核转速超调量··

28、3;·····································176系统建模及仿真实验··········

29、3;··································186.1 MATLAB仿真软件介绍············

30、3;···························186.2 双闭环建模·····················

31、;···························186.3 双闭环仿真·····················

32、···························186.4 仿真波形分析·····················

33、·························19 7总结与体会·······················

34、83;·····························21参考文献···················

35、83;··································22附录···············

36、;·············································23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

37、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。它通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速，传统的控制系统采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等，在一定程度上满足了生产要求。 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。关键词 ： 双闭环调速 ACR ASR 建模与仿真1设计任

38、务及要求1.1技术数据直流电动机：PN=3KW , UN=220V , IN=17.5A , nN=1500r/min , Ra=1.25堵转电流 Idbl=2IN , 截止电流 Idcr=1.5IN ，GD2=3.53N.m2三相全控整流装置：Ks=40 , Rrec=1. 3平波电抗器：RL=0. 3电枢回路总电阻 R=2.85 ，总电感 L=200mH , 滤波时间常数：Toi=0.002s , Ton=0.01s,其他参数：Unm*=10V , Uim*=10V , Ucm=10V i5% , n101.2设计要求(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

39、范围（D10），系统在工作范围内能稳定工作 (2) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续2双闭环调速系统的总体设计改变电枢两端的电压能使电动机改变转向。尽管电枢反接需要较大容量的晶闸管装置，但是它反向过程快，由于晶闸管的单向导电性，需要可逆运行时经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电；反转时，由反组晶闸管装置VR供电。如图2-1所示两组晶闸管分别由两套触发装置控制，可以做到互不干扰，都能灵活地控制电动机的可逆运行，所以本设计采用两组晶闸管反并联的方式。并且采用三相桥式整流。虽然两组晶闸管反并联的可逆V-M系统解决了电动机的正、反转运行的问题

40、，但是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，只会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。为了防止产生直流平均环流，应该在正组处于整流状态、Udof 为正时，强迫让反组处于逆变状态、使Udor为负，且幅值与Udof相等，使逆变电压Udor把整流电压Udof顶住，则直流平均环流为零。于是又由于其中，分别为VF和VR的控制角。由于两组晶闸管装置相同，两组的最大输出电压是一样的，因此，当直流平均环流为零时，应有如果反组的控制角用逆变角表示，则 按照这样控制就可以消除环

41、流。图2-1 两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路系统设计的一般原则为：先内环后外环。即从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。图2-2为转速、电流双闭环调速系统的原理图，图2-3为双闭环调速系统的结构图。图中两个调节器ASR和ACR分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把电流调节器的输出作为转速调节器的输入，再用转速调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。两个调节器的输出都是带限幅作用的。转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值；转速调节器ASR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变

42、换器的最大输出电压Udm。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。其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。图2-2 双闭环调速系统电路原理图+-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMUPE-IdLUd0Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*iUcKs Tss+1Id1Ce+Tl s+1b T0is+11 T0is+1ASR1 T0ns+1a T0ns+1U*nn图2-3 双闭环调速系统

43、结构框图3主电路的设计3.1主电路电气原理图及其说明主电路采用转速、电流双闭环调速系统，使电流环(ACR)作为控制系统的内环，转速环(ASR)作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。二者串级连接，即把电流调节器的输出作为转速调节器的输入，再用转速调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从而改变电机的转速。通过电流和转速反馈电路来实现电动机无静差的运行。图3-1 系统电气原理框图3.2平波电抗器参数的计算： Ud=2.34U2cos Ud=UN=220V, 取=0°U2=Idmin=(5%-10%)IN,这里取10% 则L=0.6933.3变压器参数的计算变压器副边电压采用

44、如下公式进行计算： 因此变压器的变比近似为：一次侧和二次侧电流I1和I2的计算I1=1.05×287×0.861/3.45=75AI2=0.861×287=247A变压器容量的计算S1=m1U1I1=3×380×75=85.5kVAS2=m2U2I2=3×110×247=81.5kVAS=0.5×(S1+S2)=0.5×(85.5+81.5)=83.5kVA因此整流变压器的参数为：变比K=3.45，容量S=83.5kVA3.4晶闸管元件参数的计算晶闸管的额定电压通常选取断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰

45、值电压URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。晶闸管的额定电流一般选取其通态平均电流的1.5-2倍。在桥式整流电路中晶闸管两端承受的最大正反向电压均为，晶闸管的额定电压一般选取其最大正反向电压的2-3倍。带反电动势负载时，变压器二次侧电流有效值I2是其输出直流电流有效值Id的一半，而对于桥式整流电路，晶闸管的通态平均电流IVT=I，则在本设计中晶闸管的额定电流IVT(AV)=523-698A本设计中晶闸管的额定电压UN=311-466V3.5保护电路的设计对于过电压保护本设计采用RC过电压抑制电路，该装置置于供电变压器的两侧或者是电力电子电路的直流上，如图3-2所示。对于过电流保护本设计采用

46、在电力变压器副边每相母线中串接快速熔断器的方法来保护电路图3-2 过压保护电路4电流调节器设计4.1电流环结构框图的化简电流环结构图的简化分为忽略反电动势的动态影响、等效成单位负反馈系统、小惯性环节的近似处理等环节。在一般情况下，系统的电磁时间常数 Tl远小于机电时间常数Tm，因此转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即DE0。这时，电流环如图4-1所示。Ud0(s)+-Ui (s)ACR1/RTl s+1U*i(s)Uc (s)Ks Tss+1Id (s)b T0is+11 T0is+1图4-

47、1 忽略反电动势动态影响的电流环动态结构图如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成U*i(s) /b ，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图4-2所示。+-ACRUc (s)Ks /R (Tss+1)(Tl s+1)Id (s)U*i(s)bb T0is+1图4-2等效成单位负反馈系统的电流环的动态结构图最后，由于Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为 Ti = Ts + Toi 则电流环结构图最终简化成图4-3+-ACRUc (s)bKs /R (Tls+1)(TSis+1)Id (s)U*i(s)b+-A

48、CRUc (s)bKs /R (Tls+1)(TSis+1)Id (s)U*i(s)b图4-3 电流环的简化结构图4.2电流环参数的计算4.2.1确定时间常数1)整流装置滞后时间常数 Ts。按表4.2.1，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s。2 )电流滤波时间常数本设计初始条件已给出，即Toi=0.002s。3)电流环小时间常数之和T=Ts+Toi=0.0037s表4.2.1 各种整流装置的失控时间4.2.2电流调节器结构的选择 从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用 I 型系统就够了。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电

49、流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。 电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型 I 型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成 式中 Ki 电流调节器的比例系数； ti 电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能：，参照典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表格，可以看出各项指标都是可以接受的。4.2.3计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：ti=Tl=0.07s。电流环开环增益：要求i5%时，应取KITi=0.5，因此于是，ACR的比例系数为：4.2.4校验近似条件电流环截止频

50、率：ci=KI=135.1s-1。晶闸管整流装置传递函数的近似条件： 满足近似条件忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 满足近似条件电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件4.2.5计算调节器电阻和电容由图4-4，按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为i=4.3%<5%,满足设计要求 图4-4含给定滤波与反馈滤波的 PI型电流调节器5转速调节器的设计5.1转速环结构框图的化简电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为Ui*(s),因此电流环在转速环中应等效为用电流环的等效环节代替电流环后，

51、整个转速控制系统的动态结构图便如图5-1所示和电流环一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成U*n(s)/a，再把时间常数为1 / KI 和 T0n 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中n (s)+-Un (s)ASRCeTmsRU*n(s)Id (s)a T0ns+11 T0ns+1U*n(s)+-IdL (s)图5-1 用等效环节代替电流环的转速环的动态结构图最后转速环结构简图为图5-2图5-2 等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理的转速环结构框图5.2转速环参数的计算5.2.1确定时间常数1)电流环等效时间常数1/KI。由电流环参数可知KITi=0.5，则 2)转速滤波时间常数Ton。根据已知条件可知Ton=0.01s3)转速环小时间常数Tn。按小时间常数近似处理，取5.2.2选择转速调节器结构 为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积