三相全控桥晶闸管不可逆直流调速系统

课程设计题 目：三相全控桥晶闸管不可逆直流调速系统院（系）： 电信学院 班 级： 自动化08--4 姓 名： 肖焕超 学 号： 17号 指导教师： 叶瑰钧 年十二月摘要转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。本文采用转速、电流双闭环直流调速系统为对象来设计直流电动机调速控制器。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，二者之间实行嵌套联接。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称做外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。先确定其结构形式和设计各元部件，并对其参数计算。最后采用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行了仿真分析关键词：三相全控桥；双闭环；转速调节器；电流调节器目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"绪论 31.1直流调速系统的概述 31.2研究课题的目的和意义 4\o"CurrentDocument"1.3设计内容和要求 4\o"CurrentDocument"双闭环直流调速系统的组成和工作原理 4\o"CurrentDocument"2.1双闭环直流调速系统的结构图 5\o"CurrentDocument"2.2双闭环直流调速系统的电流调节环 6\o"CurrentDocument"2.3双闭环直流调速系统的速度调节环 6\o"CurrentDocument"双闭环调速系统的主电路各器件的选择和计算 7\o"CurrentDocument"3.1直流电机的基本参数 7\o"CurrentDocument"3.2.参数的选取和计算 73.2.1模块参数设置 83.2.2电流调节器的设计 83.2.3转速调节器的设计 8\o"CurrentDocument"基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真 94.1稳态结构框图和动态数学模型 94.1.1双闭环调速系统的静态结构框图 94.1.2双闭环调速系统的动态数学模型 94.2基于原理图的SINULINK仿真 104.2.1基于直流双闭环动态结构图的仿真模型 104.3仿真结果 104.3.1转速响应曲线 104.3.2电流响应曲线 11\o"CurrentDocument"4.4仿真结果与原理图形的比较 11\o"CurrentDocument"小结 11\o"CurrentDocument"致谢 12参考文献................................................................................................................................................121绪论1.1直流调速系统的概述三十年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。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组及水银整流装置使直流电气转动完成了一次大的飞跃。同时，控制电路已经实现高度集成化，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，高精度的电气转动领域中仍然难以代替。直流调速是指人为的或自然的改变直流电机的转速，以满足工作机械要求。从机械性能上看，就是通过改变电机的参数或外加电压的方法来改变电机的机械特性，从而改变电动机机械特性和工作机械特性的交点，使电机的稳定转速发生变化。直流电机具有良好的起，制动性能，宜于在广泛的范围内平滑调速，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。近年来，交流调速系统发展的很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。2研究课题的目的和意义在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统地勘电压扰动的性能要差一些。双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速动态变化会比单闭环系统小得多。用经典的动态校正设计调节器需同时解决稳，准，快，抗干扰等个反面相互有矛盾的静动态性能要求，需要设计者扎实的理论基础和丰富的实践经验，而初学者则不易掌握，于是有必要建立使用的设计方法。大多数现代的电力拖动自动控制系统均可低阶系统近似。若事先深入研究低阶典型系统的形式再与图表对照，设计过程就简单多了。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。1.3设计内容和要求设计要求系统静差特性良好，无静差动态性能指标：转速超调量8%，电流超调量7%，主电路米用三相全控桥。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，画出系统的原理框图。调速系统主电路元部件的确定及其参数计算。驱动控制电路的选型设计动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节器的结构形式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标要求。绘制V-M双闭环直流调速不可逆调速系统电气原理图，并用软件进行拖动控制系统仿真以及硬件仿真。2双闭环直流调速系统的组成和工作原理直流电机的供电需要三相直流电，在生活中提供的三相交流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。图1双闭环直流调速系统设计总框架2.1双闭环直流调试系统的结构图双闭环调速系统的特征是系统的电流和转速分别由两个调节器控制，由于调速系统调节的主要参数是转速，故转速环作为主环放在外面，而电流环作为副环放在里面,可以及时抑制电网电压扰动对转速的影响.实际系统的组成如下图1所示。

ASR--转速调节器ACR--电流调节器图2转速电流双闭环直流调速系统主电路采用三相桥式全控整流电路供电。系统工作时，首先给电动机加上额定励磁，改变转速给定电压U*n可方便的调节电动机的转速。速度调节器ASR，电流调节器ACR，均设有限幅电路，ASR的输出U*i作为ACR的给定，利用ACR的输出限幅序前起限制起动电流的作用；ACR的输出U作为触发器GT的移相控制电压，利用ACR的输出限幅Ucm起限制amin的作用。 °）并出现超调，使ASR当突加给定的电压上时，ASR立即达到饱和输出U*im，使电动机以限定的最大电流idm加速起动，直流电动机转速达到指定转速（即U「U*）并出现超调，使ASR△U「-U*j+Ufi=-U*j△U「-U*j+Ufi=-U*j+当U*j—定时'，由于电以ACR为核心的电流环一一作用是稳定电流，稳态时，P1=0，即Id=U*/p其中Uf邛I，p为电流反馈系数。d i id流负反馈的作用，使输出电流保持在U*i/p数值上。当Id>U*i/p时，调节过程如下：ctIdT^AU=(—U*+pI)JtUJtUItIJct最终可保持电枢电流稳定。当电流下降时，也有类似的调节过程。

图3含滤波环节的PI型电流调节器2.3双闭环直流调速系统的速度调节环以ASR为核心的转速环——作用是稳定转速，稳态时，△Un=U*n-Ufn=0,其中Ufn=an艮口n=U*n/a。其中a为转速反馈系数。当U*n一定时，转速n将稳定在U*n/a数值上。当n<U*n/a时，其自动调节过程如下：负栽一nJtU=U-an)>0^^<0T«W<0TtU个弋T-nT最终可保持转速稳定。当转速上升时，也有类似的调节过程图4含滤波环节的PI型转速调节器3双闭环调速系统的主电路各器件的选择和计算3.1直流电机的基本参数某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：额定电压:Un=220V额定电流：In=136A额定转速：Nn=1460r/min(4极)电枢电阻：Ra=0.21QGD”2=22.5N*m"2励磁电压：Uf=220V励磁电流：If=1.5A电动机电势系数：Ce=0.132V*min/r采用三相桥式整流电路，整流器内阻Rrec=1.3Q，电抗器：Lp=200mH3.2参数的选取和计算取电流反馈滤波时间常数Toi=0.002s；转速反馈滤波时间常数Ton=0.01s；取转速调节器和电流调节器的饱和值为12V，输出限幅值为10V，额定转速时转速给定Un*=10V。3.2.1参数设置供电电源电压为：U2=(Unom+Rrec*In)/2.34cosamin=(220+0.21*136)/2.34*cos30V=123V电机参数设置：励磁电阻为：Rf=Uf/If=220/1.5=146.7Q,(说明：励磁电阻在恒定磁场中可取零)电枢电阻Ra=0.21Q，电枢电感由下式估计：La=19.1*C*Unom/2*p*Nn*In=19.1*0.4*220/2*2*1460*136=0.00021H电枢绕组和励磁绕组互感Laf为：因为：Ce=0.132V*min/rKe=60*Ce/2*n=60*0.132/6.28=1.26所以：Laf=Ke/If=1.26/1.5=0.84H额定负载转矩为:Tl=9.55Ce/Inom=9.55*0.132*17.5=22N*m3.2.2电流调节器的设计电流反馈系数：p=Uim/入*Inom=10/1.5*136=0.05电动机转矩时间常数：Tm=GDA2*RE/375*Ce*Cm=3.53*2.85/375*9.55*0.132=0.161s电动机电磁时间常数：Ti=LE/RE=(200+16)*0.001/2.85=0.076s三相晶闸管整流电路平均失控时间：Ts=0.0017s根据电流超调量\%W7%的要求，电流环按典型I型系统设计，点楼调节器选用PI调节器，其传递函数为：Wacr(s)=Ki*(1+TS)/tS其中：t=Ti=0.076sKi=T*R/2*T*p*Ks=0.076*2.85/2*0.0037*0.272*37.84=2.84Kli=T/Ki=0.076/2.84=0.02683.2.3转速调节器的设计转速反馈系数：a=Unom/Nnom=10/1500=0.00667V*min/r根据转速超调量：On%W8%的要求为加快转速的调节速度，转速环按典型II型系统设计，并选中频带宽度h=5,转速调节器的传递函数：Wasr(s)=Kn*(1+TS)/tS其中T=h*T=h*(2*TZi+Ton)=5*92*0.0037+0.01)=0.087sKn=(h+1)*pCe*Tm/2*h*a*R*T=6*0.272*0.132*0.161/2*5*0.00667*2.85*0.0174=10.49Kin=T/Kn=0.087/10.84=0.00834基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真4.1稳态结构框图和动态数学模型4.1.1静态结构框图双闭环直流调速系统一静态结构图

5 5 流反馈系数a—转速反馈系数4.1.2动态数学模型4.2基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真4.2.1基于直流双闭环动态结构图的仿真模型带饱和输出限幅的Pi调节器及分支模块4.3仿真结果:4.3.1电机启动时转速的响应曲线:4.4仿真结果与原理图的比较仿真结果与理论上电机启动的结果比较：转速没有超调量，不过符合第二和第三阶段，电流响应，电机启动以最大电流（并维持一段时间，略有下降）使电机加速，等电机达到额定转速时，电流逐步减小，趋于一个最小值，但是最带电流有一点衰减，这和给定的阶跃响应有关。小结本文是对双闭环直流电机调速系统的设计，通过一周的努力对该电路有了较为深入的研究，也进一步熟悉了双闭环直流调速系统的结构形式、工作原理及各个器件的作用和设计。通过做课程设计，也有了不少的收获，进一步了解和掌握了双闭环直流调速系统及其控制电路的一些特性，比较全面的将所学的电力电子和电力拖动方面的知识运用于设计当中，对设计中一些参数的计算也比较清析得到，整个双闭环直流调速电路分阶段地完成，从电力电子方面的设计到电力拖动方面的设计，最后MATLAB/SIMULINK的运用，是一步一步的完成和组合。照搬理论会发现做出来的设计结果有点出入，因为理论是不考虑任何的外在原因，是在理想化的情况。而现实它则除了内在不可改变的原因，还有不可避免的外在原因，外在原因可以改变但是智能改善。所以本设计在有限的条件下和本人有限的学识，做出的设计还是存在着一些不足。本设计采用PI调节器，输出的转速存在这超调量比较大，而且快速性也相对受到影响。则今后可以采用PID调节器可以全面的提高系统的控制性能，但是具体实现与调试要复杂，做的工做比现在就更多。设计研究是一个漫长的过程，要想让它真正的