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1、武汉理工大学电力拖动自动控制系统课程设计说明书V-M双闭环直流可逆调速系统建模与仿真1设计任务与分析有许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地起动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是说，需要可逆的调速系统。本设计是V-M双闭环直流可逆调速系统建模与仿真，主要包括可逆部分和双闭环直流调速部分。可逆部分可以由两组晶闸管可控整流装置反并联实现，通过控制电路和触发电路来实现整流与逆变的转换。而设计要求调速系统能进行平滑的速度调节，具有较宽的调速范围（D10），系统在工作范围内能稳定工作，系统静特性良好，动态性能指标要求转速超调量n10%，电流超调量i5%，动态
2、速降n10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts1s ，系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续，这些可以按双闭环直流调速部分的知识设计电流调节器和转速调节器来实现。 转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统，采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律、性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础，所以掌握直流双闭环调速系统对于电力拖动控制系统的学习有很重要的作用。针对本设计的仿真，应用软件MATLAB的Simulink软件包，Simulink是实现动态系统建模，仿真的一个集成环境。它使MA
3、TLAB的功能得到进一步扩展。它提供的丰富功能块，可以迅速的创建动态系统模型；实现了可是换建模，用户可以通过简单的鼠标操作建立直观模型进行仿真；实现了多工作环境间文件互用和数据交换。使用MATLAB中的Simulink任务，根据各个环节的函数模型，建立数学仿真模型，进行系统仿真。本课程设计就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，其中包括绘制该调速系统的原理图，对调节器进行工程设计，选择调节器的参数等。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
4、程设计并进行仿真。2系统原理本设计是V-M双闭环直流可逆调速系统，主要包括可逆部分和双闭环直流调速部分。可逆部分可以实现电动机既能正转，又能反转，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，直流调速部分可以实现快速地起动和制动以及满足其他性能指标等。 2.1可逆系统原理2.1.1可逆原理改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电机的旋转方向，这本来是很简单的事。然而当电机采用电力电子装置供电时，由于电力电子器件的单向导电性，问题就变得复杂起来了，需要专用的可逆电力电子装置和自动控制系统。中、小功率的可逆直流调速系统多采用由电力电子功率开关器件组成的桥式可逆PWM变换器。较大功率
5、的可逆直流直流调速系统多采用晶闸管电动机系统。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直流装置反并联的可逆线路，如图2-1所示。图2-1 两组晶闸管可控整流装置反并联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。两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能灵活地控制电动机的起、制动和升、降速。但是，不允许让两组晶闸管同时处于整流状态，否则将造成电源短路，因此对控制电路提出了严格的要求。2.1.2 V-M系统的回馈制动在两组晶闸管反并联线路的V-M系统中，晶闸管装置可以工作在整流或有源逆变状态。当控制角为，晶闸管装置处于整流状态；当控制角为，晶闸
6、管装置处于逆变状态。在电流连续的条件下，晶闸管装置的平均理想空载输出电压为因此在整流状态中，为正值；在逆变状态中， 为负值。为了方便起见，定义逆变角 ，则逆变电压公式可改写为现以正组晶闸管装置整流和反组晶闸管装置逆变为例，说明两组晶闸管装置反并联可逆线路的工作原理。2.1.3两组SCR反并联的整流和逆变a) 正组晶闸管装置VF整流VF处于整流状态： 此时， ，电机从电路输入能量作电动运行，如图2-2所示。图2-2 两组晶闸管反并联可逆V-M系统的正组整流和反组逆变状态b) 反组晶闸管装置VR逆变当电动机需要回馈制动时，由于电机反电动势的极性未变，要回馈电能必须产生反向电流，而反向电流是不可能通
7、过VF流通的。这时，可以利用控制电路切换到反组晶闸管装置VR，并使它工作在逆变状态。VR处于逆变状态：此时，电机输出电能实现回馈制动。图2-3两组晶闸管反并联可逆V-M系统的反组逆变状态整流状态：V-M系统工作在第一象限，逆变状态：V-M系统工作在第二象限。2.1.4 V-M系统的四象限运行在可逆调速系统中，正转运行时可利用反组晶闸管实现回馈制动，反转运行时同样可以利用正组晶闸管实现回馈制动。这样，采用两组晶闸管装置的反并联，就可实现电动机的四象限运行。归纳起来，可将可逆线路正反转时晶闸管装置和电机的工作状态列于表2-1中.表2-1 V-M系统反并联可逆线路的工作状态2.2 a = b 配合控
8、制电路采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统，如果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，徒然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。在两组晶闸管反并联的可逆V-M系统中，如果让正组VF 和反组VR都处于整流状态，两组的直流平均电压正负相连，必然产生较大的直流平均环流。为了防止直流平均环流的产生，需要采取必要的措施，比如：采用封锁触发脉冲的方法，在任何时候，只允许一组晶闸管装置工作；采用配合控制的策略，使一组晶闸管装置工作在整流状态，另一组则工作在逆变状态。为了防
9、止产生直流平均环流，应该当正组处于整流状态时，强迫让反组处于逆变状态，且控制其幅值与之相等，用逆变电压把整流电压顶住，则直流平均环流为零。于是由于， ， ，其中 和分别为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 或 如果反组的控制用逆变角表示，则 由此可见，按上式来控制就可以消除直流平均环流，这称作 配合控制。为了更可靠地消除直流平均环流，可采用 2.3调速系统原理2.3.1调速系统组成直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 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。
10、转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差；对负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定电机允许的最大电流。电流调节器作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化；对电网电压的波动起及时抗扰的作用；在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程；当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用；一旦故障消失，系统立即自动恢复正常；这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。转速调节器
11、ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 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，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。如图2-4所示：图2-4 直流双闭环调速系统为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。这样构成的双闭环直流调速系统。直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相全控
12、桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，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2.3.2 启动环节原理分析由前面分析可知，设置转速电流双闭环控制系统的重要目的是实现快速的起动过程。在当系统土家给定电压由静止状态起动过程中，转速调节器ASR经历了不饱和，饱和，退饱和三种情况，把起动过程分为三个阶段，如图2-5所示图2-5 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形（1）第I阶段电流上升的阶段（0t1）当突加给定电压后， 上升，调节器的跟随作用使各参数上升，当 小于负载电流 时，电机还不能转动。当 后，电机开始起动，由于机电惯性
13、作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值，强迫电流 迅速上升。直到 = ， = 电流调节器很快就压制 的增长。在此过程中ASR很快进入并保持饱和状态，ACR一般不饱和。（2）第 II 阶段恒流升速阶段（t1t2） 在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流 给定下的电流调节系统，基本上保持电流 恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。同时，电机的反电动势E 也按线性增长，对电流调节系统产生一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，和 也须按线性增长，才能保持 恒定。ACR采用PI调节器，要使其输出量按线性增长，其
14、输入偏差电压必须维持一定的恒值，即应略低于。（3）第III阶段转速调节阶段（ t2 以后） 当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态， 和很快下降。只要 仍大于负载电流 IdL ，转速就继续上升。直到 =时，转速n才到达峰值。此后，电动机开始在负载的阻力下减速， ，直到稳定。在最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，ACR则力图使 尽快地跟随其给定值，电流内环是一个电流随动子系统。 综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程
15、有以下三个特点：饱和非线性控制；转速超调；准时间最优控制。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idm后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。2.4系统原理框图 为了实现配合控制，可将两组晶闸管装置的触发脉冲零位都定在90，即当控制电压 时，使，此时 ，电机处于停止状态。增大控制电压Uc 移相时，只要使两组触发装置的控制电压大小相等符号相反就可以了。这样的触发控制电路图如图2-6。图2-6 a = b 配合控制可逆V-M系统原理框图主电路采用两组三相桥式晶闸管装置反并联的可逆线路，其中：正组晶闸管VF，由GTF控制触发，正转时，VF整流；反转时，VF逆变。反组晶闸管VR，由GTR控制触发，反转时，VR整流；正转时，VR逆变。控制电路采用典型的转速、电流双闭环系统，其中：转速调节器ASR控制转速，设置双向输出限幅电路，以限制最大起制动电流；电流调节器AC
