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1、 运 动 控 制 系 统 大 作 业 转速、电流双闭环不可逆V-M直流调速系统的设计与仿真V-Mdoubleclosedloopirreversiblecocurrent Velocitymodulation systemsdesign and simulation院（部）： 电子信息与电气工程学院 专业班级： 学生姓名： 学生学号： 指导教师姓名： 指导教师职称： 讲 师 2015 年 12月转速、电流双闭环不可逆V-M直流调速系统的设计与仿真摘要：直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。本文系统中设置了电流检测
2、环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。并通过MATLAB进行系统的数学建模和系统仿真，分析双闭环直流调速系统的特性。关键词：直流调速；晶闸管；双闭环；仿真0第一章 绪论1.1 直流调速系统的概述 在现代工业中，为了实现各种生产工艺过程的要求，需要采用各种各样的生产机械，这些生产机械大多采用电动机拖动。随着工艺技术的不断发展，各种生产机械根据其工艺特点，对生产机械和拖动的电动机也不断提出各种不同的要求，这些不同的工艺要求，都是靠电动机
3、及其控制系统和机机械传动装置实现的。可见各种拖动系统都是通过控制转速来实现的，因此，调速控制技术是最基本的电力拖动控制技术。由于直流调速控制系统具有良好的启制动、正反转及调速等性能，目前在调速领域中仍占主要地位。按供电方式，它可分交流机组供电、水银整流供电和晶闸管供电三类。晶闸管供电的直流调速控制系统具有良好的技术经济指标。因此，在国内外已取代了其他两种供电方式。本文中主电路设计就是依据晶闸管-电动机（V-M）系统组成，其系统由整流变压器TR、晶闸管整流调速装置、平波电抗器L和电动机-发电机组等组成。整流变压器TR和晶闸管整流调速装置的功能是将输入的交流电整流后变成直流电；平波电抗器L的功能是
4、使输出的直流电流更平滑。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。1.2 设计参数与要求1.2.1 设计参数他励直流电动机，额定功率29.92kW，额定电压220V，额定电流136A，额定转速1460r/min，Ce=0.132Vmin/r，允许过载倍数l=1.5。要求电流连续的最小负载电流平均值为10A，晶闸管装置放大系数Ks=40，电枢回路总电阻R=0.1W，机电时间常数Tm=0.18s，电磁时间
5、常数Tl=0.03s，电流反馈系b=0.05V/A，转速反馈系数a=0.007Vmin/r，转速反馈滤波时间常数T on=0.005s，T oi=0.005s，总飞轮力矩GD2=2.5N.m，h=5。1.2.2 设计要求1、稳态指标：稳态无静差，调速范围D=10，静差率5%；2、动态指标：电流超调量i 5% ，转速超调量n 10%；3、画出完整详细的系统原理图；4、基于 MATLAB 7.1 ，仿真启动过程，分析是否满足动态性能指标。第二章 直流调速系统的总体设计2.1 系统的整体设计在单闭环系统中，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值以后，靠强烈的负反馈作用限
6、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2.1（a）所示。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。在实际工作中,我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，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（转矩）为允许最大值，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，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形如图2.1（b）所示，这时，启动电流成方波形，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起动
7、过程。 图2.1 调速系统起动过程的电流和转速波形 实际上，由于主电路电感的作用，电流 不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。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，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。 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，
8、分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，原理图如图2.2所示，即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。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单环系统就难以满足需要
9、。这是就要考虑采用转速、电流双环控制的直流调速系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流。二者之间实行嵌套（串联）联接。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电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。稳态结构图如图2.3所示，动态结构图如图2.4所示。图2.2 转速、电流双闭环直流调速系统原理图图2.3 转速、电流双闭环直流调速系统稳态结构图图2.4 转速、电流双闭环直流调速系统动态结构图2.2 主电路的确定1957年晶闸管问世，已生产成套
10、的晶闸管整流装置，即图2.5晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统)的原理图。通过调节阀装置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2.5 VM系统原理虽然三相半波可控整流电路使用的晶闸管个数只是三相全控桥整流电路的一半，但它的性能不及三相全控桥整流电路。三相全控桥整流电路是目前应用最广泛的整流电路，其输出电压波动小，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（将近50）。把该电路应用于本设计，能实现电动机连续、平滑
11、地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。主电路图如图2.6所示。图2.6 主电路原理图三相全控桥整流电路实际上是组成三相半波晶闸管整流电路中的共阴极组和共阳极组串联电路。三相全控桥整流电路可实现对共阴极组和共阳极组同时进行控制，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、VT6，6个触发脉冲相位依次相差60。为了构成一个完整的电流回路，要求有两个晶闸管同时导通，其中一个在共阳极组，另外一个在共阴极组。为此，晶闸管必须严格按编号轮流导通。晶闸管与按A相，晶闸管与按B相，晶闸管与按C相，晶闸管接成共阳极组，晶闸管接成共阴极组。在电路控
12、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。如图2.4所示。由于电网电压与工作电压（U2）常常不一致，故在主电路前端需配置一个整流变压器，以得到与负载匹配的电压，同时把晶闸管装置和电网隔离，可起到降低或减少晶闸管变流装置对电网和其他用电设备的干扰。考虑到控制角增大，会使负载电流断续，并且负载为直流电动机时，由于电流断续和直流的脉动，会使晶闸管导通角减少，整流器等效内阻增大，电动机的机械特性变软，换向条件恶化，并且增加电动机的损耗，故在直流侧串接一个平波电抗器，以限制电流的波动分量，
13、维持电流连续。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、过电流保护装置。2.3 控制电路整流电路的触发采用KC04控硅移相触发电路触发，KC04可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。KC04器件输出两路相差180度的移相脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器线路。该电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。第三章 系统主电路和保护电路的设计3.1 整流变压器的参数计算3.1.1 二次侧相电压U2的计算变压器二次测相电压U2的计算公式为式中，
14、为变流装置的最大整流输出电压（ V ） ； R为整流变压器内阻和平波电抗器之和（ ） ；为电动机额定电流（A ） ；为主电路中电流经过几个串联晶闸管的正向压降（ V ） ；A为时与之比，本设计整流电路用的是三相桥式整流，故A取2.34；为电网波动系数，通常取；为最小控制角，一般可控系统，不可逆系统取，C 为线路接线方式系数，本设计取C=0.5，变压器短路电压比，100以下，1001000取=0.050.08，1000以上=0.080.1；为变压器二次实际工作电流与二次额定电流之比。忽略R，则有所以变压器电压比为：3.1.2 二次侧相电流I2与一次侧相电流I1对不同型式的整流线路，变压器二次、一
15、次电流有效值，与负载电流的关系不同，三相全控桥式电路有，K为电压匝数比（）。故二次侧相电流：一次侧相电流：3.1.3 变压器容量的计算变压器二次容量、一次容量、平均计算容量（视在容量）分别为二次容量：一次容量：平均计算容量：式中，和为整流变压器一次侧、二次侧的相数3.2 主电路器件的参数计算及选择正确合理地选择晶闸管元件是保证主电路可靠运行的重要条件之一。所谓正确合理地选择元件，系指晶闸管元件额定电流（通态平均电流）和额定电压一定要考虑合适的电流储备和电压储备系数，通常称安全系数。从设计和使用的经验来看，其安全系数应适当选大些，以保证系统工作可靠，特别是对某些生产上的关键设备更应如此。3.2.1 整流元件的额定电压3.2.2 整流元件额定电流最大负载电流
