逻辑无环流可逆直流调速系统.doc

摘要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的启动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是需要可逆的调速系统。采用两组晶闸管反并联的可逆调速系统解决了电动机的正、反转运行和回馈制动问题，但是，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，称做环流。有环流可逆系统虽然具有反向快、过渡平滑等优点，但设置几个环流电抗器终究是个累赘。因此，当工艺过程对系统过度特性的平滑性要求不高时，特别是对于大容量的系统，常采用既没有直流平均环流又没有瞬时脉动环流的无环流可逆系统。本文介绍了逻辑无环流可逆直流调速系统的基本原理及其构成，并对其控制电路进行了计算和设计。运用了一种基于Matlab的Simulink和Power System工具箱、面向系统电气原理结构图的仿真新方法，实现了转速电流双闭环逻辑无环流直流可逆调速系统的建模与仿真。关键词: 直流电机；环流；逻辑无环流可逆调速；Matlab仿真 目 录第一章 绪论11.课题研究的目的与意义1第二章MATLAB的基本知识22.1 MATLAB软件介绍2 2.2 MATLAB（Sumilink）的介绍2第三章 逻辑无环流可逆直流调速系统工作原理33.1系统工作原理33.2系统的组成4第四章 系统各环节模块的设计54.1 主电路的设计54.1.1 主电路的模型64.1.2 主电路参数的设定及仿真模型64.2. 逻辑控制器DLC模块74.3 电流调节器的模块及参数设计94.4 转速调节器的模块及参数设计10五章 调速系统的调试及动态仿真125.1 逻辑无环流可逆调速系统主电路的建模125.2仿真波形145.3图形分析16第六章 心得体会16参 考 文 献17第一章 绪论1 课题研究的目的与意义直流电动机具有良好的起、制动性能和调速性能，易于在大范围内平滑调速，且调速后的效率很高等优点，因而直流电机调速系统在工业传动系统中的到广泛应用。在实际的生产中，许多生产机械不仅要求调速系统能够完成调速的任务，而且还要求系统能够可逆运转，；有些生产机械虽然不要求可逆运行，但要求能进行快速电气制动。从直流电动机的工作原理可知，要使其制动或者改变旋转方向，就必须改变电动机的电磁转矩的方向。改变电动机电磁转矩的方向有两种方法：一种是改变电动机电枢电压的极性，另一种是改变励磁磁通的方向。与此对应，晶闸管-直流调速系统的可逆线路有两种：电枢反接线路和励磁反接可逆线路。对于大容量的系统，从生产角度出发，往往采用既没有直流平均环流，有没有脉动环流的无环流可逆系统。无环流可逆系统省去了环流电抗器，没有了附加的环流损耗，节省变压器和晶闸管装置的附加设备容量。和有环流系统相比，因环流失败造成的事故率大为降低。因此，无环流可逆调速系统在生产中被广泛运用。所以我选择了用MATLAB仿真软件来研究电动机中无环流直流可逆调速系统的分析设计与仿真。以考察自己的所学的知识和分析能力,达到理论与实际相结合的目的。第二章 MATLAB的基本知识2.1 MATLAB的介绍MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称。MATLAB 是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。使用 MATLAB，您可以较使用传统的编程语言更快地解决技术计算问题。MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。2.2 MATLAB（Sumilink）的介绍MathWork开发的Sumilink是MATLAB里的重要软件工具之一，其主要的功能是实现动态系统建模、仿真与分析，从而在实际系统制作出来之前，可以预先对系统进行仿真与分析，并可以对系统做适当的实际修正或者按照仿真的最佳效果来调试及整定控制系统的参数，以提高系统的性能，减少系统设计过程中反复修改时间，实现高效率地开发系统的目标。实际的鼠标操作是用其点击与拖曳功能。在构建完一个模型以后，可以通过Simulink的菜单或者在MATLAB命令里窗口键入命令来对系统进行仿真机分析其动态特性。其次，Simulink内置有各种分析工具：多种仿真算法、系统线性化、寻找平衡点等，都是非常先进而使用的。还有，采用Scop示波器模块与其他的画图模块，可以在仿真进行的同时，就观看到仿真结果。第三章 逻辑无环流可逆直流调速系统工作原理 3.1系统工作原理逻辑无环流可逆直流调速系统采用了两个电流调节器和两套触发装置分别控制正、反组晶闸管。两组桥在任何时刻只有一组投入工作（另一组关断），所以在两组桥之间就不会存在环流。但当两组桥之间需要切换时，不能简单的把原来工作着的一组桥的触发脉冲立即封锁，而同时把原来封锁着的一组桥立即开通，因为已经导通晶闸管并不能在触发脉冲取消的一瞬间立即被关断，必须待晶闸管承受反压时才能关断。如果对两组桥的触发脉冲的封锁和开放式同时进行，原先导通的那组桥不能立即关断，而原先封锁着的那组桥已经开通，出现两组桥同时导通的情况，因没有环流电抗器，将会产生很大的短路电流，把晶闸管烧毁。为此首先应是已导通的的晶闸管断流，要妥当处理主回路中的电感储存的一部分能量回馈给电网，其余部分消耗在电机上，直到储存的能量释放完，主回路电流变为零，使原晶闸管恢复阻断能力，随后再开通原来封锁着的那组桥的晶闸管，使其触发导通。 图3-1 逻辑无环流可逆调速系统原理图ASR速度调节器 ACR1ACR2正反组电流调节器 GTF、GTR正反组整流装置 VF、VR正反组整流桥 DLC无环流逻辑控制器 HX推装置 TA交流互感器 TG测速发电机 M工作台电动机 LB电流变换器 AR反号器 GL过流保护环节3.2系统的组成这种逻辑无环流系统有一个转速调节器ASR，一个反号器AR，采用双电流调节器1ACR和2ACR，双触发装置GTF和GTR结构。主电路采用两组晶闸管装置反并联线路，由于没有环流，不用再设置环流电抗器，但是为了保证稳定运行时的电流波形的连续，仍应保留平波电抗器，控制线路采用典型的转速电流双闭环系统，1ACR用来调节正组桥电流，其输出控制正组触发装置GTF；2ACR调节反组桥电流，其输出控制反组触发装置GTR，1ACR的给定信号经反号器AR作为2ACR的给定信号,这样可使电流反馈信号的极性在正反转时都不必改变，从而可采用不反映极性的电流检测器，在逻辑无环流系统中设置的无环流逻辑控制器DLC，这是系统中关键部件。它按照系统的工作状态，指挥系统进行自动切换，或者允许正组触发装置发出触发脉冲而封锁反组，或者允许反组触发装置发出触发脉冲而封锁正组。在任何情况下，决不允许两组晶闸管同时开放，确保主电路没有产生环流的可能。第四章 系统各环节模块的设计4.1 主电路的设计4.1.1 主电路的模型图4-1系统的主电路系统采用的主电路是两组晶闸管装置反并联可逆线路。两组晶闸管分别由两套触发装置控制，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。本系统采用的是三相桥式反并联可逆线路，可使电动机在四个象限内运转。 4.1.2 主电路参数的设定及仿真模型电源：交流160（峰值） 50hz,直流电动机的额定参数: Un=220V，In=136A，n=1460r/min，电枢电阻 Ra =0.21电枢电感 La =0.000543H; 转动惯量J=2.29Kgm2;电枢回路的总电阻 R=0.375，励磁电压Uf=220V，励磁电阻Rf =14.7。平波电抗器Ld=15mH。晶闸管整流器放大倍数 Ks=40，过载倍数 =1.5. 整流变压器二次侧额定相电压的有效值：U2=Un+R*In/2.34cosa=220+0.21*136/*/2.34*cos30=123v电动机的参数：（1）励磁电流If=Uf/Rf=220/14.7=14.97A(2)励磁电感在恒定磁场控制时可取0(3)电动势系数：Ce=(Un-RaIn)/n=0.131V.min/r(4)转矩系数：Cm=30Ce/3.14=30*0.131/3.14=1.25(5)电枢绕组和励磁绕组互感：Laf=Cm/If=0.083(6)额定负载转矩：TL=30CeIn/3.14=9.55*0.131*136=170N.m本实验采用MATLAB 7.0.1版本中模块库，其控制子模块库中有6脉冲触发器、三相子模块库中有晶闸管三相全控桥模块、附加电机子模块库中有直流电机模块，如图所示。 图4-2脉冲触发器、晶闸管全控桥、直流电机模块符号4.2. 逻辑控制器DLC模块逻辑无环流可逆调速系统通常采用典型的转速电流双闭环系统结构，关键是设置了一套无环流逻辑切换装置(DLC)。逻辑控制器模块DLC是根据控制器输入来判断输出的逻辑状态的。设计的逻辑控制器如图3-2所示。逻辑控制器由电平检测、逻辑判断、延时电路和联锁保护等四个环节组成。图3-2下方的是封装后的逻辑控制器图标。图4-3逻辑控制器(1) 电平检测电平检测是将输入的模拟信号(Ui*、Ui)转换为数字信号(UT、UI)，转换由两个滞环控制模块(Relay)实现，转换的要求如下： 转矩极性检测。当Ui* 0时，UT=1；当Ui 0时，UT=0。 零电流检测。当有电流即Ui 0时，UI=0；当电流为零(Ui =0)时，UI=1。表3-3 逻辑真值表UTUIUblfUblr111010100010010100011001(2) 逻辑判断电路按表3-3可以得到逻辑控制器输入和输出的逻辑关系表达式为(用与非门实现) (3-1) (3-2) 逻辑判断电路由与非门YF1YF4组成，其输入为转矩极性和零电流信号UT、UI；输出为逻辑切换信号UF、UR。(3) 延时电路逻辑判断电路发出切换指令后还不能立即改变整流器工作状态，因为在检测到电流为零时，电枢电流还不一定真正到零，必须延迟3ms(关断延时)左右以保证电流真正为零后，才能发出指令使导通的整流器截止；并且为了确保截止的整流器能恢复阻断状态，需开放的整流器也需要延迟一段时间再开放，即开放延时，一般开放延时取7ms左右。关断延时和开放延时由逻辑控制器中的延时电路产生。由于延时发生在逻辑判断电流输出UF和UR从“0”变“1”时的上升沿，而信号下降沿不需要延时，因此设计延时仿真模块如图3-5所示。图4-4 延时模块(4) 联锁保护为了保证正反两组整流器不会发生同时开放，逻辑控制器中由与非门YF5YF7组成了联锁保护电路，YF5和YF6采用与非门是因为输出Ublf和Ublr的电平与触发单元Block端的电平要求一致。在UF和UR同时为“1”时，两组整流器都关断，避免发生整流器短路故障。4.3 电流调节器的模块及参数设计1.通过MATLAB制作电流调节器模块如3-5所示图4-5 电流调节器模块2. 电流调节器的参数计算(1) 整流装置滞后时间常数 Ts三相桥式电路的平均失控时间 Ts=0.017s (2) 电流滤波时间常数Toi 三相桥式电路每个波头的时间是 3.33ms，为了基本滤平波头，应该有 (12)Toi=3.33ms ,因此取Toi=0.002s 。(3)电流环小时间常数按小时间常数处理，取Ti=Ts+Toi=0.0037s2.5.2 电流调节器的结构选择电流调节器选用比例积分调节器(PI)，其传递函数为 WACRs=Ki(is+1)is2.5.3 选择电流调节器参数电流调节器超前时间常数i=Tl=0.03s ；电流开环增益：取 KITi=0.5 ,因此KI=0.5Ti=135.1s-1 ，于是电流调节器(ACR)的比例系数为Ki=KIiRKs=5.013 。ACR 为PI调节器，其中: Kp =5.013; Ki =33.8。电流调节器ACR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。本系统调节器限幅值Ucm*=10V4.4 转速调节器的模块及参数设计1.通过MATLAB制作电流调节器模块如3-6所示图4-6 转速调节器模块2.确定时间常数(1) 电流环等效时间常数为 1KI=2Ti=0.0074s ；(2) 转速滤波时间常数 Ton 根据所用测速发电机纹波情况，取 Ton=0.01s ； (3) 转速环小时间常数 Tn 。按小时间常数近似处理，取Tn=1KI+Ton=0.0174s 。3 转速环设计由于设计要求转速无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态设计要求，应按典型 II 型系统设计转速环。转速调节器选用比例积分调节器(PI)，其传递函数为 WASRs=Kn(ns+1)ns 4选择转速调节器参数按照跟随和抗扰性能都较好的原则,取 h=5 ，转速调节器的超前 时间常数为 n=hTn=0.0087s 转速开环增益为KN=h+12h2Tn2=396.4s-2所以转速调节器(ASR)的比例系数为Kn=(h+1)CeTm2hRTn=11.7 ASR 为PI调节器，其中: Kp =11.7; Kn = 134.5。 第五章 调速系统的调试及动态仿真5.1 逻辑无环流可逆调速系统主电路的建模组成逻辑无环流可逆调速系统的主要子模块包括：三相交流电源、反并联的晶闸管三相全控整流桥、同步电源与6脉冲触发器、速度和电流调节器ASR及ACR、逻辑切换装置DLC、直流电动机。系统主电路采用两组整流器反并联方案，系统的控制电路有转速调节器，电流调节器，逻辑控制器等组成，且两组整流器分别由两个电流调节器控制，其中反组整流器VR的电流调节器ACR2输入经过了倒相器，以确保两组整流器的控制角=。两组整流器的工作或封锁由逻辑控制器控制。图5-1逻辑无环流可逆调试系统的仿真模型 5.2 仿真波形图3-8 整流电压波形图 图3-9 正转过程转速曲线和电枢电流曲线图3-10反转过程转速曲线和电枢电流曲线图3-11正转过程变换到反转过程转速曲线和电枢电流曲线5.3 图形分析在无环流直流可逆调速系统中，电动机带载起动( TL =200Nm )时，电动机从正转起动到稳定运行(0-2s) ，给出反转指令后电动机经历正转制动到反转起动、反转运行的转速变化过程,然后系统又从反转切换到正转状态。从仿真结果可以看出，当给定正信号时，在电流调节器作用下，电机电枢电流接近最大值，在1.7 s左右时转速超调，电流很快下降，在2.5s时达到稳态；在起动后3 s，转速给定Un*从“+”切换到“-”，系统进入反转的调节状态。电枢电流迅速改变方向，并从正变到负的最大值，电动机也在电枢电流为0时迅速下降，也从正变为负，系统经历了本桥逆变和反接