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1、 ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 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院（部）： 电子信息与电气工程学院 专业班级： 12级自动化专升本 学生： 三 川 学生学号： 8 指导教师： 雷 慧 杰 指导教师职称： 讲 师 2013年 12月V-M双闭环不可逆直流调速系统的设计与仿真摘要电力拖动自动控制系统是把电能转换成机械能的装置，它被广泛地应用于一般生产机械需要动力的场合，也被广泛应用于精密机械等需要高性能电气传动的设备中，用以控制位置、速度、加速度、压力、力和转矩等。本文所论述的是“V-M双闭环不可逆直流调速系统
2、的设计与仿真”。主电路设计是依据晶闸管-电动机（VM）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的功能是使输出的直流电流更平滑；电动机-发电机组提供三相交流电源。关键词：V-M系统；直流调速；双闭环引言当前全球经济发展过程中，有两条显著的相互交织的主线：能源和环境。能源的紧不仅制约了相当多发展中国家的经济增长，也为许多发达国家带来了相当大的问题。能源集中的地方也往往成为全世界所关注的热点地区。而能源的开发与利用又对环境的保护有着重大影响。全球变暖、酸雨等一系列
3、环境灾难都与能源的开发与利用有关。 能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都极为重要。在高速增长的经济环境下，中国能源工业面临经济增长与环境保护的双重压力。有资料表明，受资金、技术、能源价格的影响，中国能源利用效率比发达国家低很多。90年代中国高耗能产品的耗能量一般比发达国家高12% 55%左右，90%以上的能源在开采、加工转换、储运和终端利用过程中损失和浪费。如果进行单位GNP能耗（吨标准煤/千美元）的国家比较（90年代中期），中国分别是瑞士、意大利、日本、法国、德国、英国、美国、加拿大的14.4倍、11.3倍、10.6倍、8.8倍、8.3倍、7.2倍、4.6倍
4、、和4.2倍。1995年，中国火电厂煤耗为412克标准煤kW/h，是国际先进水平的1.27倍。 由此可见，对能源的有效利用在我国已经非常迫切。作为能源消耗大户之一的电机在节能方面是大有潜力可挖的。我国电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。我国各类在用电机中，80%以上为0.55 220kW以下的中小型异步电动机。我国在用电机拖动系统的总体装备水平仅相当于发达国家50年代水平。因此，在国家十五计划中，电机系统节能方面的投入将高达500亿元左右。所以直流调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。目前，国直流调速系统的研究非常活跃，但是在产业化方面还不是很理想
5、，市场的很大一部分还是被国外公司所占据。因此，为了加快国直流调速系统的发展，就需要对国际直流调速技术的发展趋势和国的市场需求有一个全面的了解。直流双闭环调速系统是工业生产过程中应用最广泛的电气传动装置之一。广泛的应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切割机床等很多领域的自动控制中。它在以计算机做为工具的仿真系统应用时不仅省钱，而且安全，周期短、见效快。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流调速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，它又是交流调速系统的基础1，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备。在各种高精工业生产中，工作可靠
6、、速度控制精度高，并且不受环境温度等条件的影响、具有参数自整定、故障报警、故障记忆等功能，给用户的使用、维护提供极大方便的调速系统成为了当今的热门。而计算机和直流双闭环调速系统的结合体，刚好具有以上特点。应而，将来相当长的一段时间，它将具有不可替代的优势。目录摘要I引言II1 直流调速系统简介11.1 晶闸管-电动机直流调速系统简介11.2 单闭环调速系统简介21.2.1 系统的组成21.2.2 系统的工作原理21.2.3 单闭环调速系统的基本性质31.3 双闭环调速系统简介41.3.1 双闭环调速系统的构成41.3.2 双闭环调速系统的稳态结构及其静特性61.3.3 双闭环调速系统的动态分析
7、92 直流双闭环调速系统方案确定132.1 总体方案132.2 电流环设计方案142.2.1 电流调节器的工作原理142.2.2 电流调节器的作用142.3 转速环设计方案152.3.1 转速调节器的工作原理152.3.2 转速调节器的作用153 直流双闭环调速系统设计163.1 电流环的设计163.2 转速调节器的设计184基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真20设计总结24参考文献25附图261 直流调速系统简介调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用最普遍的一种系统。目前，需要高性能可控电力拖动的领域多数都采用直流调速系统。1.1 晶闸管-电动机直流调速系统简介20世纪50
8、年代末，晶闸管（大功率半导体器件）变流装置的出现，使变流技术产生了根本性的变革，开始进入晶闸管时代。由晶闸管变流装置直接给直流电动机供电的调速系统，称为晶闸管-电动机直流调速系统，简称V-M系统，又称为静止的Ward-leonard系统。这种系统已成为直流调速系统的主要形式。图1.1是V-M系统的简单原理图1,3,5。图中V是晶闸管变流装置，可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，以改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。由于V-M系统具有调速围大、精度高、动态性能好、效率高、易控制等优点，且已比较成熟，因此已在世界各主要工
9、业国得到普遍应用。 -图1.1 晶闸管-电动机直流调速系统（V-M系统）但是，晶闸管还存在以下问题：（1）由于晶闸管的单向导电性，给系统的可逆运行造成困难； （2） 由于晶闸管元件的过载能力小，不仅要限制过电流和反向过电压，而且还要限制电压变化率（du/dt）和电流变化率(di/dt)，因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件；（3） 当系统处于深调速状态，即在较低速下运行时，晶闸管的导通角小，使得系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流，引起电网电压波形畸变，对电网产生不利影响；（4） 由于整流电路的脉波数比直流电动机每对极下的换向片数要小得多，因此，V-M系统的电流脉动很严重。1.2
10、单闭环调速系统简介1.2.1 系统的组成由前面的分析可知，开环系统不能满足较高的调速要求。许多需要无级调速的生产机械，常常不允许有很大的静差率。为了使系统同时满足D、S的要求，提高调速质量，必须采用闭环系统。用转速检测装置，例如在电动机上安装一台测速发电机TG，检测出输出量或被调量n的大小和极性，并把它变换成与转速成正比的负反馈电压Ufn，与转速给定电压Un相比较后，得到偏差电压Un，经放大产生触发装置GT的控制电压Uc，用以控制电动机的转速。这就组成了转速负反馈单闭环调速系统，其原理图如图1.2。根据自动控制原理，反馈闭环控制系统是按被调量的偏差进行控制的系统。只要被调量出现偏差，它就会产生
11、纠正偏差的自动调节过程。而前述转速降落正是由负载引起的转速偏差，因此闭环调速系统应该能大大减小转速降落。图1.2 单闭环调速系统1.2.2 系统的工作原理改变转速给定电压Un的大小，就可以改变直流电动机的转速，实现平滑调速。如图1.3所示，设电动机在Ud1决定的特性上的点1处以转速n1稳定运行，这时负载电流Id=Id1，控制电压Uc=Uc1,整流平均电压Ud=Ud1,当电动机上的负载转矩TL加大时有如下自动调节过程,整流电压平均值的增量Ud=Ud2-Ud1,用与补偿电阻牙降增量IdR=(Id2-Id1)R中的很大部分，使转速最后稳定在Ud2决定的特性上的点2处，显然n2略小于n1。 图1.3
12、闭环系统静特性与开环机械特性的关系上述自动调节作用表明，增加或减小负载，就相应地提高或降低整流电压，因而得到一条新的开环机械特性。按上述工作原理在每条开环机械特性上取一个相应的工作点，再将这些点集合起来 ，就是闭环系统的静特性，也就是说，闭环调速系统的静特性实际上是由许多机械特性上的不同运行点集合而成，可视为一条综合的特性直线，它代表闭环调节作用的结果。由此可知，闭环系统能减小稳态降速的实际在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变整流电路。1.2.3 单闭环调速系统的基本性质转速单闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，具有以下具体特征，也就是反馈控制的基本规律：（1） 应用比例
13、调节器的单闭环系统是有静差的；（2） 单闭环系统对于给定输入绝对服从；（3） 单闭环系统具有较强的抗扰性能。1.3 双闭环调速系统简介1.3.1 双闭环调速系统的构成单闭环调速系统可以实现转速调节无静差，且采用电流截止负反馈作限流保护可以限制启（制）动时的最大电流。单闭环调速系统还存在以下问题：（1） 在单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，系统的动态性能不够好。在采用电流截止负反馈和转速负反馈的单闭环调速系统中，一个调节器需完成两种调节任务：正常负载时实现速度调节，过载时进行电流调节。一般而言，在这种情况下，调节器的动态参数无法保证两种调节
14、过程同时具有良好的动态品质。（2） 系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应，即最佳过度过程。为了获得近似的理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的办法就是将主要的被调量转速与辅助被调量分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速电流双闭环调速系统。1.3.1.1 直流双闭环调速系统的组成 图1.4 直流双闭环调速系统电路原理图在转速、电流双闭环调速系统中，即要控制转速，实现转速无静差调节，又要控制电流使系统在充分利用电动机过载能力的条件下获得最佳过度过程，其关键是处理好转速控制和电流控制之间的关系，就是将两者分开，用转速调节器ASR调节转速，用电流调节器ACR调节电流。ASR与ACR之间实现串级调节，即以ASR的输出电压Ui作为电流调节器的电流给定信号，再用ACR的输出电压Uc作为晶闸管触发电路的移相控制电压。从闭环反馈的结构看，速度环在外面为外环，电流环在里面为环。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具有输入、输出限幅电路的PI调节器4，且转速和电流都采用负反馈环。系统原理图如图1.4。1.3.1.2 调节器输出限幅值的整定在双闭环系统中转速调节器ASR的输出电压Ui是电流调节器ACR的电流给定信号，其限幅值Uim为最大电流给定值，因此，ASR的限幅
