V -M双闭环直流调速系统

1、目录1 前言11.1 V-M双闭环直流调速系统的应用11.2 设计任务12 V-M双闭环直流调速系统的基本构成与工作原理32.1 V-M双闭环直流调速系统结构框图32.2 V-M双闭环直流调速系统的工作原理32.3调速系统的两个基本矛盾43 主电路设计63.1 主电路设计结果63.2 主要参数计算73.3 电路器件选择94 保护电路设计104.1 过电压保护104.2过电流保护115 基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真1设计心得4参考文献5附录6摘 要直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一。广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机床等

2、许多领域的自动控制系统中。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。本次课设用实际电动机和整流装置数据对V-M双闭环直流调速系统进行设计，建模与仿真。关键词：直流调速系统；V-M双闭环；直流调速1 前言1.1 V-M双闭环直流调速系统的应用现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置。因此调速系统成为当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一种系统。随着生产工艺、产品质量要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速

3、。对可调速的传动系统，可分为直流调速和交流调速。直流电动机的调速的方法有：调节电枢供电电压 U 、减弱励磁磁通 、改变电枢回路电阻 R 。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。直流调速系统凭借优良的调速特性，调速平滑、范围宽、精度高、过载能力大、动态性能好和易于控制等优点，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，所以在电气传动中获得了广泛应用。至今在金属切削机床、轧钢

4、、矿山采掘、纺织、造纸机等需要高调速性能的各类可控电力拖动生产机械大多采用直流传动，直流调速到目前为止仍是调速系统的主要形式本次采用的直流双闭环调速系统的设计是从内环到外环，即先设计好电流环后将其等效成速度环中的一个环节，再对速度环进行设计。在实际系统的设计和调试时可以根据得到的变换趋势，按系统性能指标的要求来调整和选择调节器参数，从而获得实际系统要求的动态响应。传统的调试方法是将整个系统按理论设计的结果建立一个实际系统，然后将系统分成若干个控制单元，并对每个控制单元进行调试，最后将各个单元构成一个完整的系统，并进行调试，这种传统的调试方法在使用过程中不仅费时、费力且不易产生满意的结果。因此我

5、们采用计算机仿真技术。计算机仿真可以不运行实际系统，只要在计算机上建立数字仿真模型，模仿被仿真对象的运行状态及其随时间变化的过程。1.2 设计任务这次课程设计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，其中包括分析和绘制该调速系统的原理图，对主电路，控制电路和驱动电路进行工程设计，选择调节器结构并且计算其参数，最后对设计的系统进行matlab仿真并对系统参数进行相应的调试。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程设计。 技术数据及技术指标如下：

6、 直流电动机： PN=55KW , UN=220V , IN=287A , nN=1500r/min , Ra=0.1最大允许电流： Idbl=1.5IN ,三相全控整流装置： Ks=30 ,电枢回路总电阻： R=0.15 ，系统主电路： Tm=0.12s ，Tl=0.012s滤波时间常数： Toi=0.002s , Ton=0.012s,其他参数： Unm*=8V , Uim*=8V , Ucm=8V i5% , n10% 2 V-M双闭环直流调速系统的基本构成与工作原理2.1 V-M双闭环直流调速系统结构框图在生活中，直接提供的是三相交流760V电源，而直流电机的供电需要三相直流电， 因此

7、要进行整流，本设计采用三相桥式整流电路将三相交流电源变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给直流电动机。如图2-1设计的总框架。要求把电源提供给直流电动机。如图2-1设计的总框架。直流电机三相交流电源三相直流电源供电整流 双闭环调速系统驱动电路保护电路图2-1 双闭环直流调速系统设计总框架三相交流电路的交、直流侧及三相桥式整流电路中晶闸管中电路保护有电压、电流保护。一般保护有快速熔断器，压敏电阻，阻容式。根据不同的器件和保护的不同要求采用不同的方法。 驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节， 它将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器

8、件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。本设计使用的是晶闸管，即半控型器件。驱动电路对半控型只需要提供开通控制信号，对于晶闸管的驱动电路叫作触发电路。直流调速系统中应用最普遍的方案是转速、电流双闭环系统，采用串级控制的方式。转速负反馈环为外环，其作用是保证系统的稳速精度；电流负反馈环为内环，其作用是实现电动机的转距控制，同时又能实现限流以及改善系统的动态性能。转速、电流双闭环直流调速系统在突加给定下的跟随性能、动态限流性能和抗扰动性能等，都比单闭环调速系统好。2.2 V-M双闭环直流调速系统的工作原理生产工艺对控制系统性能的要求经量化和折算后可以表达为稳态和动态性能指标。设计任务书中给

9、出了本系统调速指标的要求。深刻理解这些指标的含义是必要的，也有助于我们构想后面的设计思路。在以下四项中，前两项属于稳态性能指标，后两项属于动态性能指标调速范围D 生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，即 （2-1）静差率s 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率，即 （2-2）静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的。2.2.1 跟随性能指标 在给定信号R（t）的作用下，系统输出量C(t)的变化情况可用跟随性能指标来描述。具体的跟随性能指标有下列各项：上升时间，超调量，调节时间。2.2.2 抗扰性能指

10、标 此项指标表明控制系统抵抗扰动的能力，它由以下两项组成：动态降落，恢复时间。2.3调速系统的两个基本矛盾在理解了本设计需满足的各项指标之后，我们会发现在权衡这些基本指标的两个矛盾，即动态稳定性与静态准确性对系统放大倍数的要求互相矛盾；起动快速性与防止电流的冲击对电机电流的要求互相矛盾。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统,在保证系统稳定的条件下,实现转速无静差，解决了第一个矛盾。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速启制动，突加负载动态速降小等等，则单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程中的电流和转矩。无法解决第二个基本矛盾。在电机

11、最大电流受限的条件下，希望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为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态后，又让电流立即降低下来，使转速马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。在单闭环调速系统中，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Idcr值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，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2-2a所示。t0nIdnnIdnIdlt0Idl （a) （b)图2-2 调速系统启动过程的电流和转速波形（a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统的启动过

12、程 （b) 理想快速启动过程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。对于经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大电流(转矩)受限的条件下,希望充分地利用电机的过载能力,最好是在过渡过程中始终保持电流(转矩)为允许的最大值,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,又让电流立即降低下来,使转矩马上与负载平衡,从而转入稳态运行.这样的理想起动过程波形如图2-2b所示,起动电流呈方形波,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启动过程。实际上，由于主电路电感的作用，电

13、流不能突变，图2-2b所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全的实现。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,希望只有转速反馈,不再靠电流负反馈发挥主要作用,而双闭环系统就是在这样的基础上产生的。3 主电路设计 3.1 主电路原理图在直流调速系统中，我们采用的是晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统)的原理图如图3-1所示。它通过调节处罚装置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。与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显现出较大

14、的优越性。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，根据晶闸管的特性，可以通过调节控制角大小来调节电压。当整流负载容量较大或直流电压脉动较小时应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。三相整流电路中又分三相半波和全控桥整流电路，因为三相半波整流电路在其变压器的二次侧含有直流分量，故本设计采用了三相全控桥整流电路来供电，该电路是目前应用最广泛的整流电路，输出电压波动小，适图3-1 V-M 系统原理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，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。 图3-1 主电路原理图三相全控制整流

15、电路由晶闸管VT1、VT3、VT5接成共阴极组，晶闸管VT4、VT6、VT2接成共阳极组，在电路控制下，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。 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，在三相交流电路的交、直流侧及三相桥式整流电路中晶闸管中电路保护有电压、电流保护。一般保护有快速熔断器，压敏电阻，阻容式。3.2 主要参数计算一般情况下，晶闸管变流装置所要求的交流供电电压与电网电压是不一致的，所以需要变流变压器，通过变压器进行电压变换，并使装置于电网隔离，减少电网于晶闸

16、管变流装置的互相干扰。这里选项用的变压器的一次侧绕组采用联接，二次侧绕组采用Y联接。为整流变压器的总容量，为变压器一次侧的容量，为一次侧电压, 为一次侧电流, 为变压器二次侧的容量，为二次侧电压，为二次侧的电流，、为相数。为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后，晶闸管交流侧的电压只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器次级电压。影响值的因素有：(1)值的大小首先要保证满足负载所需求的最大电流值的。(2)晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降，用表示。(3)变压器漏抗的存在会产生换相压降。(4)平波电抗器有一定的直流电阻，当电流流经该电

17、阻时就要产生一定的电压降。(5)电枢电阻的压降。综合以上因素得到的精确表达式为： （3-1） 式中为电动机额定电压； ； 及C见表3-1；，为电动及额定电流，为电动机电枢电路总电阻；表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降；为电网电压波动系数，通常取，供电质量较差，电压波动较大的情况应取较小值；为变压器的短路电压百分比，100千伏安以下的变压器取，1001000千伏安的变压器取；- 负载电流最大值；所以,表示允许过载倍数。也可以用下述简化公式计算 =（1.0-1.2） （3-2）其中，系数（1.0-1.2）为考虑各种因素的安全系数，为整流输出电压。对于本设计：为了保证电动机负载能在额定转速下

18、运转,计算所得应有一定的裕量,根据经验所知,公式中的控制角应取300为宜。，,，（其中A、B、C可以查表3-1中三相全控桥），=1.7表3-1 变流变压器的计算系数把已知条件代入式（3-1）可得结果：表3-1 变流变压器的计算系数=V 根据主电路的不同接线方式，有表3-1查的，即可得二次侧电流的有效值，从而求出变压器二次侧容量。而一次相电流有效值/，所以一次侧容量 。一次相电压有效值取决于电网电压，所以变流变压器的平均容量为 （3-3） 对于本设计 , = ， =A 设计时留取一定的裕量，可以取容量为的整流变压器。3.3 电路器件选择选择晶闸管元件主要是选择它的额定电压 和额定电流对于本设计采

19、用的是三相桥式整流电路，晶闸管按1至6的顺序导通，在阻感负载中晶闸管承受的最大电压， 而考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽23倍的安全系数，则晶闸管额定电压计算结果： 取 。晶闸管额定电流的有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。一般取按此原则所得计算结果的1.52倍。 已知 可得晶闸管的额定电流计算结果 ： 取300A 本设计选用晶闸管的型号为KP（3CT）-300A （ 螺栓型）额定电压： VDRM 2000V 额定电流： IT(AV) 300A门极触发电压：VGT 30 V 门极触发电流：IGT 400 A 4 保护电路设计4.1 过电压保护通常分为交流侧和直流侧电压保护。

20、前者常采用的保护措施有阻容吸收装置、硒堆吸收装置、金属氧化物压敏电阻。这里采用金属氧化物压敏电阻的过电压保护。压敏电阻是有氧化锌，氧化铋等烧结制成的非线性电阻元件，它具有正反相同很陡的伏安特性，正常工作是漏电流小，损耗小，而泄放冲击电流能力强，抑制过电压能力强，此外，它对冲击电压反映快，体积又比较小，故应用广泛。在三相的电路中，压敏电阻的接法是接成星形或三角形如图4-1所示。 图4-1 二次侧过电压压敏电阻保护压敏电阻额定电压的选择可按下式计算： 压敏电阻承受的额定电压峰值 （4-1）式中 -压敏电阻的额定电压， VYJ型压敏电阻的额定电压有：100V、200V、440、760V、1000V等

21、；为电网电压升高系数，可取。压敏电阻承受的额定电压峰值就是晶闸管控制角=300时输出电压。由此可将式转化成 （4-2） 得压敏电阻额定电压 所以压敏电阻额定电压取850V型压敏电阻。4.2过电流保护在本设计中，选用快速熔断器与电流互感器配合进行三相交流电路的一次侧过电流保护，保护原理图4-2如下： 图4-2 一次侧过电流保护电路（1）熔断器额定电压选择：其额定电压应大于或等于线路的工作电压。本课题设计中变压器的一次侧的线电压为760V，熔断器额定电压可选择800V。（2）熔断器额定电流选择：其额定电流应大于或等于电路的工作电流。 本课题设计中变压器的一次侧的电流 =熔断器额定电流 232A因此

22、，如图4-2在三相交流电路变压器的一次侧的每一相上串上一个熔断器，按本课题的设计要求熔断器的额定电压可选400V，额定电流选232A。55 基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真通过对整个控制电路的设计， 用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行仿真。首先建立双闭环直流调速系统的动态数学模型，可以参考该系统的动态结构形式，双闭环直流调速系统的动态结构框图如图5-1，把这些参数的值代入框图中的公式就可得到以下框图5-2。图5-1 双闭环直流电机调速系统的动态数学结构框图图5-2 双闭环直流调速系统动态结构框图为了分析双闭环调速系统的特性，在转速调节器和速度调节器的输出端设置

23、一个限幅值，限幅值的大小可以根据所选的运算放大器的输入电压的大小来选定，本设计选取的限幅值为±13V。根据动态模型图以及计算参数，用MATLAB/SIMULINK进行仿真，主要是仿真电动机的输出转速。最终得到的转速仿真图形如图5-3所示：图5-3 双闭环直流电机转速输出仿真图形从图5-3可以很明显的看出转速的起动和扰动的现象。从仿真得到的转速曲线图中可以得出转速超调量，基本满足设计的要求，但是与设定值相比还是有误差。在0.9秒的时候，转速达到一个稳定值，系统无静差运行，其中在5秒的时候输入一个负载扰动量，在5.1秒的时候扰动消失，速降达到了，过了0.4秒之后转速又达到稳定值。从图中可

24、以看出，扰动很快得到了调节，这是两个PI型调节器自动调节的作用。另外从图中也可以看到，系统是无静差运行的，符合设计的要求。从仿真的结果来看，得到这样结论： (1) 工程设计方法在推导过程中为了简化计算做了许多近似的处理，而这些简化处理必须在一定的条件下才能成立。例如：将可控硅触发和整流环节近似地看作一阶惯性环节，设计电流环时不考虑反电势变化的影响; 将小时间常数当作小参数近似地合并处理；设计转速环时将电流闭环从二阶振荡环节近似地等效为一阶惯性环节等。(2) 仿真实验得到的结果也并不是和系统实际的调试结果完全相同，因为仿真实验在辨识过程中难免会产生模型参数的测量误差，而且在建立模型过程中为了简化计算，忽略了许多环节的非线性因素和次要