电力拖动与控制系统课程设计-V-M双闭环直流可逆调速系统建模与仿真

武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书 摘要转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统中得到了广泛的应用。常用的电机调速系统有转速闭环控制系统和电流闭环控制系统，二者都可以在一定程度上克服开环系统造成的电动机静差率，但是不够理想。实际设计中常采用转速、电流双闭环控制系统，一般使电流环(ACR)作为控制系统的内环，转速环(ASR)作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。本文是按照工程设计的方法来设计转速和电流调节器的。使电动机满足所要求的静态和动态性能指标。电流环应以跟随性能为主，即应选用典型型系统，而转速环以抗扰性能为主，即应选用典型型系统为主。关键词：直流双闭环调速系统 电流调节器 转速调节器目录 1 V-M双闭环调速系统的设计12系统主电路的设计32.1电气原理图、实际动态结构图及说明32.2平波电抗器的选择42.3变压器的选择52.4晶闸管的选择62.5保护电路的设计63电流调节器的设计73.1电流环结构框图73.2电流环参数的计算83.2.1时间常数的计算83.2.2电流调节器的作用和结构的选择93.2.3电流调节器参数的计算103.2.4校验近似条件103.2.5计算调节器电阻和电容104转速调节器的设计114.1转速环结构框图114.2转速环参数的计算134.2.1转速调节器的作用和结构的选择134.2.2时间常数的计算134.2.3转速调节器参数的计算144.2.4检验近似条件144.2.5计算调节器电阻和电容144.2.6校核转速超调量155电流环和转速环的仿真165.1电流环的仿真165.1.1电流环的仿真模型165.1.2电流环的仿真结果165.2转速环的仿真175.2.1转速环的仿真模型175.2.2转速环的仿真结果186控制及驱动电路设计197电气原理总图208总结21参考文献221V-M双闭环调速系统的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，所以本设计采用两组晶闸管反并联的方式，并且采用三相桥式整流。 图1-1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，只会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。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2-3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1-2 双闭环调速系统电路原理图 图1-3 双闭环调速系统结构框图2系统主电路的设计2.1电气原理图、实际动态结构图及说明主电路采用转速、电流双闭环调速系统，使电流环(ACR)作为控制系统的内环，转速环(ASR)作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。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。从而改变电机的转速。通过电流和转速反馈电路来实现电动机无静差的运行，如图3-1和图3-2所示。图2-1 系统电气原理框图 2-2 双闭环调速系统的动态结构图2.2平波电抗器的选择 取这里取10% 则转速反馈系数：电流反馈系数：电动机电动势系数：2.3变压器的选择变压器副边电压采用如下公式进行计算： 因此变压器的变比近似为：一次侧和二次侧电流I1和I2的计算变压器容量的计算 因此整流变压器的参数为：变比，容量2.4晶闸管的选择晶闸管的额定电压通常选取断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。晶闸管的额定电流一般选取其通态平均电流的1.5-2倍。在桥式整流电路中晶闸管两端承受的最大正反向电压均为，晶闸管的额定电压一般选取其最大正反向电压的2-3倍。带反电动势负载时，变压器二次侧电流有效值I2是其输出直流电流有效值Id的一半，而对于桥式整流电路，晶闸管的通态平均电流IVT=I，则在本设计中晶闸管的额定电流IVT(AV)=523-698A本设计中晶闸管的额定电压UN=311-466V2.5保护电路的设计对于过电压保护本设计采用RC过电压抑制电路，该装置置于供电变压器的两侧或者是电力电子电路的直流上，如图3-3所示。图2-3 过压保护电路对于过电流保护本设计采用在电力变压器副边每相母线中串接快速熔断器的方法来保护电路。3电流调节器的设计3.1电流环结构框图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 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，电流环结构图如图4-1所示。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，此时的电流环结构图如图4-2所示。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4-3。 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时间常数的计算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。2 )电流滤波时间常数本设计初始条件已给出，即。3)电流环小时间常数之和表3-4 各种整流装置的失控时间3.2.2电流调节器的作用和结构的选择电流调节器的作用： （1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧地跟随其给定电压Uim* （即外环调节器的输出量）变化。 （2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才反馈回来，因而使抗扰性能得到改善。 （3）在转速过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。 （4）当电动机过载甚至堵转时，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，系统立即自动恢复过程。 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 电流调节器的比例系数； 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电流调节器参数的计算电流调节器超前时间常数：。电流环开环增益：要求5%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：。校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件： 满足近似条件校验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。校验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4-4所示，按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为图3-5 含给定滤波与反馈滤波的 PI型电流调节器按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为=4.3%5%,满足设计要求。因此，电流调节器的传递函数可以写成：4转速调节器的设计4.1转速环结构框图电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为Ui*(s),因此电流环在转速环中应等效为用电流环的等效环节代替电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图5-1所示。n (s)+-Un (s)ASRCeTmsRU*n(s)Id (s)a T0ns+11 T0ns+1U*n(s)+-IdL (s)和电流环一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成U*n(s)/a，再把时间常数为1 / KI 和 T0n 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中 。 图4-1 用等效环节代替电流环的转速环的动态结构图 最后转速环结构简图为图5-2。图4-2 等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理的转速环结构框图4.2转速环参数的计算4.2.1转速调节器的作用和结构的选择转速调节器的作用： （1）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Un*变化，稳态时可减少转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。 （2）对负载变化起抗扰动作用。因为负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动作用。 （3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。 为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为式中 转速调节器的比例系数； 转速调节器的超前时间常数。 4.2.2时间常数的计算1)电流环等效时间常数1/KI。由电流环参数可知KITi=0.5，则 2)转速滤波时间常数Ton。根据已知条件可知3)转速环小时间常数Tn。按小时间常数近似处理，取4.2.3转速调节器参数的计算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环开环增益为 ASR的比例系数为 4.2.4检验近似条件转速环截止频率为 1) 校验电流环传递函数简化条件为 满足近似条件；2) 校验转速环小时间常数近似处理条件为 满足近似条件。4.2.5计算调节器电阻和电容根据图5-3，取=40k，则图5-3 电路控制特性4.2.6校核转速超调量当h=5时，查询典型型系统阶跃输入跟随性能指标的表格可以看出，不能满足设计要求。实际上，上述表格是按照线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。此时超调量为：能满足设计要求。因此转速调节器的传递函数可以写成 5电流环和转速环的仿真5.1电流环的仿真5.1.1电流环的仿真模型电流环的仿真模型如图5-1所示。图5-1电流环的仿真模型5.1.2电流环的仿真结果电流环的仿真结果如图6-2所示。图5-2电流环的仿真结果 观察图中仿真曲线，在直流电动机的恒流升速阶段，电流值低于，其原因是电流调节系统受到电动机反电动势的扰动，它是一个线性渐增的扰动量，所以系统做不到无静差，而是略低于。5.2转速环的仿真5.2.1转速环的仿真模型转速环的仿真模型如图5-3所示。图5-3转速环的仿真模型5.2.2转速环的仿真结果转速环的仿真结果如图5-4所示。图5-4转速环的仿真结果ASR调节器经过了不饱和、饱和以及退饱和三个阶段，最终稳定地运行于给定转速。6控制及驱动电路设计晶闸管整流电路是通过控制触发角的大小，即控制触发脉冲的起始相位来控制输出电压的大小。为保证整流电路的正常工作，应确保触发角的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。为简化设计过程，在本设计中采用集成触发器KJ004作为晶闸管触发电路主要元器件。驱动控制原理图如图6-1所示。图6-1 驱动、控制电路原理图7电气原理总图8总结通过这次课程设计，我进一步了解了晶闸管-直流电动机系统的组成与工作原理、控制单元的工程设计方法等。本设计包含了运动控制课程直流调速系统的核心环节外，同时还涉及到电力电子技术、自动控制原理、电子技术基础（模拟、数字）等相关课程，为了完成本次课程设计，我又对相关知识进行了一次复习。设计过程中，我仔细查阅了相关资料，经过努力后终于拿出了设计方案。但在仿真过程中遇到了很多问题！首先是空载转速不能达到1500转的要求，在我仔细检查与验算后发现是计算错误，修改后即满足条件。但当加入负载扰动后，转速稳定后只有不到700转。这让我很疑惑！我一再检查，仿真模型没有问题，数据没有问题，但仿真图就是不对。仔细检查后，我发现是系统设置问题，改正后，即能正常运行。在这次课设中，我学会了如何按工程设计方法设计转速、电流反馈控制直流调速系统的调节器，将理论与实际进行了有力结合。在这个过程中，我有过信息，有过挫折，有过痛苦，但最多的是收获。在这里，谢谢老师的细心教导，让我受益良多！参考文献【1】 陈伯时.电力拖动自动控制系统运动控制系统.北京：机械工业出版社，2007【2】 杨荫福、段善旭、朝泽云.电力电子装置及系统.北京：清华大学出版社，2006【3】 王兆安、黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2007【4】 李发海、王岩.电机拖动基础.第三版.北京：清华大学出版社，2005【5】 李友善.自动控制原理.北京：机械工业出版社，200721