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1、武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 电气1106班 指导教师： 工作单位： 自动化学院 题 目: V-M双闭环直流可逆调速系统建模与仿真4全套设计加扣 3346389411或3012250582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最大允许电流：Idbl=2IN , 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
2、：Toi=0.002s , Ton=0.01s,其他参数：Unm*=10V , Uim*=10V , Ucm=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) 根据双闭环直流调速系统原理图, 分析转速调节器和电流调节器的作用, (3) 通过对调节器参数设计, 得到转速和电流的仿真波形，并由仿真
3、波形通过MATLAB来进行调节器的参数调节。(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I1设计任务及要求11.1技术数据11.2设计要求11.3 设计内容12双闭环调速系统的总体设计23电流调节器设计43.1电流环结构框图的化简43.2电流环参数的计算63.2.1确定时间常数63.2.2电流调节器结构的选择63.2.3计算电流调节器参数73.2.4校验近似条件73.2.5计算调节器电阻和电容84转速调节器的设计94.1转速环结构框图
4、的化简94.2转速环参数的计算104.2.1确定时间常数104.2.2选择转速调节器结构114.2.3计算转速调节器参数114.2.4检验近似条件114.2.5计算调节器电阻和电容124.2.6校核转速超调量125系统仿真实验135.1 MATLAB仿真软件介绍135.2 双闭环建模13 5.3 双闭环可逆调速系统仿真145.3.1 双闭环的仿真模型14 5.3.2 仿真参数设置185.3.3 仿真波形176总结与体会18参考文献19附录20 摘要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
5、流器的输出改变平均整流电压Ud，从而实现平滑调速。本次课设为可逆调速系统，用到了正反组晶闸管控制，本文主要对电流调节器ACR和转速调节器ASR参数的设计，然后在matlab里进行仿真实验，从而达到设计所需要的要求。关键词 ： 双闭环调速 ACR ASR matlab I1设计任务及要求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
6、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1.3 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) 根据双闭环直流调速系统原理图, 分析转速调节器和电流调节器的作用, (3) 通过对调节器参数设计,
7、得到转速和电流的仿真波形，并由仿真波形通过MATLAB来进行调节器的参数调节。(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
8、用两组晶闸管反并联的方式。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，但是两组装置同时工作时，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。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的触发延迟角。由于两组晶闸管装置相同， 两组的最大输出电压是一样的
9、，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
10、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图2.2 双闭环调速系统电路原理图图2.2双闭环调速系统电路原理图图2.3 双闭环调速系统结构框图 3电流调节器设计3.1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
11、 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3.1所示。Ud0(s)+-Ui (s)ACR1/RTl s+1U*i(s)Uc (s)Ks Tss+1Id (s)b T0is+11 T0is+1图3.1 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3.2所示。+-ACRUc (s)Ks /R (Tss+1)(Tl s+1)Id
12、 (s)U*i(s)bb T0is+1 图3.2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3.3所示。+-ACRUc (s)bKs /R (Tls+1)(TSis+1)Id (s)U*i(s)b+-ACRUc (s)bKs /R(Tls+1)(TSis+1)Id (s)U*i(s)b图3.3 电流环的简化结构图3.2电流环参数的计算3.2.1确定时间常数1)整流装置滞后时间常数 Ts。按表1，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017
13、s。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3.1 各种整流装置的失控时间 3.2.2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。3.2.3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：3.2.4校验近似条件电流环截止频率：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3.2.5计算调节器电阻和电容由图7，按所用运算放大器取R0=40k，
