双闭环V--M(有环流)直流调速系统的工程设计及仿真(共21页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上 目 录1系统结构设计1.1 方案论证 对于经常正、反转运行的系统，缩短起、制动时间是提高生产率的重要因素。为此，在启动或制动过度过程中，希望电流始终保持为允许最大值，使调速系统以最大的加减速运行。转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。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交换器UPE。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。在采用两组晶闸管整流装置反并联可逆线路的V-M系统中，晶闸管可以工作在整流或逆变状态，正转运行可利用反组晶闸管实现回馈制动，反转运行可利用正组晶闸管实

2、现回馈制动。1.2系统设计要达到电流和转速的超调要求就要设计电流-转速双闭环调速器，本次课程设计主要内容是采用= 配合控制，能够实现可逆运行，转速和电流稳态无差。= 配合控制消除直流平均电流的原理是正组处于整流状态、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，使得逆变电压Udor把整流Udof顶住，则直流平均环流为零。由于整流与逆变瞬时电压值上的差异，仍会出现Udof>-Udor的情况，从而仍能产生瞬时的环流，被称为瞬时脉动环流。这个瞬时脉动环流是自然存在的，故又称为自然环流。2调节器的设计2.1电流调节器的设计2.1.1确定电流调节器的时间常数（1）、

3、整流装置滞后时间常数Ts：三相桥式电路平均失控时间Ts = 0.0017s。（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有（12）Toi = 3.33s。则Toi=0.002s（3）、电流小时间常数：按小时间常数近似处理： 2.1.2设计电流调节器结构采用含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器，其原理图如图1所示。图中为电流给定电压，为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。图2-1 PI型电流调速器根据设计要求，并保证稳态电流无差，可按典型型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递

4、函数为：电磁时间常数：Tl=检查对电源电压的抗扰性能：电流调节器超前时间常数：取电流反馈系数：电流环开环增益：取，因此于是，ACR的比例系数为：2.1.3校验近似条件电流环截止频率：机电时间常数：Tm=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。2.1.4计算调节器电阻和电容按所用运算放大器取，各电阻和电容值为： ，取，取，取2.2速度调节器的设计2.2.1电流环的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环的一个环节，为此其闭环传递函数为：忽略高次项，可降阶近似为：接入转速环内，电流环等

5、效环节的输入量应为，因此电流环在转速环中应等效为：2.2.2确定转速调节器的时间常数 电流环等效时间常数： 转速滤波时间常数： 转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，取 电压反馈系数：2.2.3转速调节器结构设计采用含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型转速调节器，其原理图如图2所示。图中为转速给定电压，为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压。图2-2 PI型转速调节器按设计要求，选用PI调节器，其传递函数为：按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为：转速开环增益为：于是，ASR的比例系数为：2.2.4校验近似条件 转速环截止频率为：电流环传递函数简化条件为

6、：，满足近似条件。转速环小时间常数近似处理条件为：，满足近似条件。2.2.5计算调节器的电阻和电容值按所用运算放大器取，则，取180k，取，取按退饱和超调量的计算方法计算调速系统空载启动到额定转速时的转速超调量：3系统主电路设计3.1主电路原理及说明=配合控制的有环流可逆系统的主电路如下图所示:图3-1 =配合控制的有环流可逆直流调速系统主电路上图为三相零式可逆线路和a相整流与b相逆变时的瞬时脉动环流icp流通的回路。由于瞬时电压的存在，便在两组晶闸管之间产生了瞬时脉动环流icp。移相时，如果一组晶闸管装置处于整流状态，另一组便处于逆变状态，这是指触发延迟角的工作状态而言的。实际上这时逆变组除

7、环流外并未流过负载电流，也就没有电能回馈电网，确切的说，它只是处于“待逆变状态”，表示该组晶闸管装置是在逆变角控制下等待工作。只有在制动时，当发出信号改变触发延迟角后，同时降低了Udof和Udor的幅值，一旦电机反电动势E>lUdorl =lUdofl,整流组电流将被截止，逆变组才真正投入逆变工作，使电机产生回馈制动，将电能通过逆变组回馈电网。同样，当逆变组工作时，另一组也是等待着整流，可称作处于“待整流状态”。所以，在=配合控制下，负载电流可以迅速地从正向到反向平滑过渡，在任何时候，实际上只有一组晶闸管在工作，另一组则处于等待工作的状态。3.2主电路参数设计Ud=2.34U2cos U

8、d=UN=220V, 取=0° U2=Idmin=(5%-10%)IN,这里取10% 则L=0.693 晶闸管参数计算：对于三相桥式整流电路，晶闸管电流的有效值为：则晶闸管的额定电流为：取1.52倍的安全裕量，由于电流连续，因此晶闸管最大正反向峰值电压均为变压器二次线电压峰值，即：取23倍的安全裕量，4系统组成及原理4.1=配合控制的有环流调速系统的组成=配合控制的有环流可逆V-M系统的原理框图如下图所示。图4-1 =配合控制的有环流可逆V-M系统原理框图 系统的原理图如图4。图中主电路采用两组三相桥式晶闸管装置反并联电路，VF为正组整流装置，VR为反组整流装置，TM为三相变压器，电

9、动机为他励直流电动机，图中励磁绕组未画出，主电路还有四个环流电抗器Lc1,Lc2,Lc3,Lc4和一个平波电抗器Ld。控制线路采用典型的转速电流双闭环系统，速度调节器ASR和电流调节器ACR均为由反相输入式运算放大器组成的PI调节器，且都设置了双向输出限幅，以限制最大的动态电流和最小控制角min与最小逆变角min ,GTF为正组移相触发装置，GTR为反组移相触发装置，AR为反相器，Udof为正组输出电压，Udor为反组输出电压。根据正反向运行的需要，给定电压应有正负极性，由继电器KF和KR切换，KF接通时电极正转，KR接通时电机反转。速度测量元件为直流测速发电机TG,电流测量元件TA为霍尔电流

10、变换器，转速反馈Un和电流反馈Ui均有正负极性的变化。4.2 ASR和 ACR的作用1、ASR的作用：（1） 使转速n跟随给定电压Un*变化，稳态无静差；（2） 对负载变化起抗扰作用；（3） 其输出跟幅值决定允许的最大电流；2、 ACR的作用：（1）对电网电压波动起及时抗扰作用；（2）起动时保证获得允许的最大电流；（3）在转速调节过程中，使电流跟随其给定值Ui*的变化； (4)当电机处于过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，起到快速的安全保护作用，如果故障消失，系统能够自动恢复正常。4.3 控制方式 采用同步信号为锯齿波的触发电路时吗，移相控制特性是线性的，两组触发装置的控制特性如图所示。

11、图4-2 控制特性 该系统基本关系是r+f =180°，把>90°后的控制角用180°-来表示，并令其等于。r=f，f=r，r和f分别为正组和反组晶闸管控制角；r和f分别为正组和反组晶闸管逆变角。当控制电压Uc1=0时，r和f都调整在90°。为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中逆变角太小而导致换流失败，出现“逆变颠覆”现象，必须在控制电路中采用限幅作用，形成最小逆变角min保护。与此同时，对角也实施min保护吗，以免出现Udof > Udor而产生直流平均环流。通常取min=min=30°。 =配合控制系统的移相控制时，如果一组晶闸管

12、装置处于整流状态，另一种便处于逆变状态，这是指控制角的工作状态而言的。在=配合控制下，负载电流可以迅速地从正向到反向平滑过渡，在任何时候，实际上只有一组晶闸管装置在工作，另一组处于等待工作的状态。4.4 工作过程系统在工作过程分为停转、正转、反转，各状态下情况如表所示:图4-3 各状态下的工作情况 晶闸管VF或者VR只要是整流或待整流及其极性为正，只要是逆变或待逆变其极性相反。负载电流ID流过正组时，其电流反馈电压Ui为正，ID流过反组时，Ui为负。转速调节器ASR和电流调节器ACR均有倒相作用，同时都设置双向输出限幅以及限制最小控制角min和最小逆变角min。4.5触发电路设计触发电路采用集

13、成移相触发芯片TC787，与TCA785及KJ（或KC）系列移相触发集成电路相比，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点。只需要一块这样的集成电路，就可以完成三块TCA785与一块KJ041、一块KJ042器件组合才能具有的三相移相功能。TC787的原理框图如图4-4所示: 图4-4 TC787原理框图由图可见：在它的内部集成了三个过零和极性检测单元、三个锯齿波形成单元、三个比较器、一个脉冲发生器、一个抗干扰锁定电路、一个脉冲形成电路、一个脉冲分配及驱动电路。引脚18、l、2分别为三相同步电压Va、Vb、Vc输人端。引脚16、15和14分别为产生相对于A、B

14、和C三相同步电压的锯齿波充电电容连接端。电容值大小决定了移相锯齿波的斜率和幅值。引脚13为触发脉冲宽度调节电容Cx，该电容的容量决定着TC787输出脉冲的宽度，电容的容量越大，输出脉冲宽度越宽。引脚5为输出脉冲禁止端，该端用来在故障状态下封锁TC787的输出，高电平有效。引脚4为移相控制电压输入端。该端输入电压的高低，直接决定着TC787输出脉冲的移相范围。引脚12、10、8、9、7和11是脉冲输出端。其中引脚12、10和8分别控制上半桥臂的A、B、C相晶闸管；引脚9、7和11分别控制下半桥臂的A、B和C相晶闸管。正组晶闸管触发电路原理图如图6所示，反组的与正组相同。路。该系列器件具有单相同步

15、输入信号和数字分频移相120°，可适应单相、三相触发电路。该系列器件既可用于单相、三相半控和全控桥晶闸管整流触发和单、三相交流调压反并联和双向晶闸管触发，也可用于晶体管类变频变压逆变等控制电路。由于其采用的角度为控制单位，因此可有效防止由频率变化而引起的失控和颠覆现象。5 Matlab仿真5.1电流环的仿真设计 校正后电流环的动态结构框图经过简化和相关技术，在matlab中搭建好系统的模型，如图5-1：图5-1 电流环的仿真模型图5-2 电流环的仿真结果5.2转速环的仿真设计 校正后转速环经过化简和相关计算，在matlab中搭建好系统的模型，如图5-3： 图5-3 转速环的仿真模型图

16、5-4 转速环的仿真结果6心得体会通过这次课程设计，使我对双闭环有环流直流可逆调速系统有了更深入的理解。其中涉及到多方面的知识，主要包括转速-电流双闭环的设计、及晶闸管触发电路的设计，涉及到了电力电子、运动控制等多学科。双闭环系统的核心是电流调节器和速度调节器，在确定两个调节器的类型和结构时采用常用的工程设计方法，电流调节器采用典型型系统，计算其基本参数后，校验近似条件，能够满足系统的要求，若不能满足则要从新设计调节器的类型和结构。转速调节器采用典型型系统，和电流调节器一样，计算其基本参数，校验近似条件，能满足系统的要求。通过这个环节设计，我对调节器的参数计算掌握的更牢固。完成本设计用到了很多运动控制以外的知识，单用运动控制书本上的知识是设计不出来的，现在的系统设计都会涉及到多方面的知识，因此学好书本上的基本知识点以后还要做相应的拓展学习，将其他的与之相关的内容联系起来，对开阔我们的知识面有很大的帮助。总之，在这次