V-M雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)課設(shè)

1、-1 前言直流電動機(jī)拖動控制系統(tǒng)在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。這主要由于直流電機(jī)具有良好的起，制動性能，宜于在大圍平滑調(diào)速，并且直流拖動控制系統(tǒng)在理論上和實踐上都比擬成熟，從控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的根底。由于要對電機(jī)進(jìn)展穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速控制，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是現(xiàn)今在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的調(diào)速裝置。該裝置轉(zhuǎn)速控制穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)但由于直流系統(tǒng)的本身缺陷為得到較大的調(diào)速圍自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往采用變壓調(diào)速為主。而在變壓整流裝置中應(yīng)用最廣的是三相全控橋式整流。這是用于三相全控橋式整流器輸出直流電流的諧波小，脈動電流小，電流連續(xù)性好，往往只需要平波電抗器

2、就可以輸出穩(wěn)定直流。可保證電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行不會有較大的脈動轉(zhuǎn)矩，不僅保證了拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定同時對直流電機(jī)的損耗也小。本設(shè)計主要根據(jù)直流電機(jī)參數(shù)確定變壓器，整流電路的相關(guān)參數(shù)，并且按照控制要求設(shè)計雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)造及參數(shù)。 2主電路構(gòu)造選擇目前具有多種整流電路，但從有效降低脈動電流保證電流連續(xù)和電動機(jī)額定參數(shù)的情況出發(fā)本設(shè)計選用三相橋式全控整流電路，其原理如圖2-1所示，習(xí)慣將其中陰極連接在一起到3個晶閘管稱為共陰極；陽極連接在一起的3個晶閘管稱為共陽極，另外通常習(xí)慣晶閘管從1至6的順序?qū)?，為此將晶閘管按圖示的順序編號，即共陰極組中與a,b,c三相電源相接的3個晶體管分別是,共陽極組中與a,b,c

3、三相電源相接的3個晶閘管分別是。 圖2-1 三相橋式全控整流電路原理圖其工作特點為：1每個時刻均需2個晶閘管同時導(dǎo)通，形成向負(fù)載供電的回路，其中1個晶閘管是共陰極組的，1個是共陽極組的，且不能為同一相的晶閘管。2)6個晶閘管的觸發(fā)脈沖按的順序相為、位依次相差；共陰極組的脈沖依次差，共陽極組也依次差;同一相的上下兩個橋臂即與，與，與脈沖相差。3整流輸出電壓一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣。4在整流電路合閘啟動過程中或電流斷續(xù)時，為保證電路的正常工作，需保證同時導(dǎo)通的2個晶閘管均有觸發(fā)脈沖。2.1 變壓器參數(shù)計算 由于整流輸出電壓的波形在一周期脈動6次的波形一樣，因此在計算時只需對一個脈沖進(jìn)展

4、計算。由此得整流輸出平均電壓 顯然=440V，如果忽略晶閘管和電抗器的壓降，則可以求得變壓器副邊輸出電壓=217.1V 取=220V (通常取導(dǎo)通角為)副邊輸出有效電壓為=311.1V副邊輸出有效電流=179.5A 考慮電機(jī)過載系數(shù)為則輸出電流應(yīng)可以到達(dá)270A變壓器容量為311270=145.43KVA考慮到晶閘管和電抗器的壓降，變壓器本身的漏磁，并根據(jù)變壓器應(yīng)留有一定裕量的原則。應(yīng)選擇參數(shù)為額定容量為200KVA，副邊輸出額定電流為250A的變壓器2.2 平波電抗器參數(shù)計算 在V-M系統(tǒng)中，脈動電流會增加電機(jī)的發(fā)熱，同時也產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，對生產(chǎn)機(jī)械不利，為了防止或減輕這種影響，須設(shè)置平波電抗

5、器。平波電抗器的電感量一般按低速輕載時保證電流連續(xù)的條件來選擇。通常首先給定最小電流(以A為單位通常取電動機(jī)額定電流的5%-10%)，再利用它計算所需的總電感量以為單位，減去電樞電感，即得平波電抗器應(yīng)有的電感值。 對于三相橋式整流電路總電感量為： L=0.693=0.693=20.13mH 電樞電感的計算公式為P電動機(jī)磁極對數(shù)，計算系數(shù)，對一般無補(bǔ)償電機(jī)：=812則電樞電感=1.96mH 取P=2,=10由于變壓器的漏電感很小，可以忽略不計，則平波電抗器電感值取為L=20.13-1.96=17.17mH，取其電感值為18mH,根據(jù)電感量大小取其電阻為0.32.3可控晶閘管參數(shù)計算 通常取晶閘管

6、的斷態(tài)重復(fù)峰值電壓和反向重復(fù)峰值電壓中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時，額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓為正常工作電壓時晶閘管所承受峰值電壓的2-3倍。本設(shè)計中峰值電壓759.3V故晶閘管電壓定額為：1518V-2277.9V取其電壓定額為2000V 晶閘管的電流定額主要由其通態(tài)平均電流來標(biāo)稱，規(guī)定為晶閘管在環(huán)境為和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫是允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。因此在使用時同樣應(yīng)按照實際波形的電流與通態(tài)平均電流所造成的發(fā)熱效應(yīng)相等，即有效值相等的原則來選取晶閘管的電流定額，并留有一定裕量。一般取其通態(tài)平均電流為此原則所得計算結(jié)果的1.5-2倍?？?/p>

7、按下式計算：=(1.52)，式中計算系數(shù)=/1.57由整流電路型式而定，為波形系數(shù)，為共陰極或共陽極電路的支路數(shù)。當(dāng)時，三相全控橋電路=0.368故計算的晶閘管額定電流為=(1.52) 0.368(2201.5)=182.16242.88A，取200A。3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制原理圖如圖3.1所示速度調(diào)節(jié)器根據(jù)轉(zhuǎn)速給定電壓和速度反應(yīng)電壓的偏差進(jìn)展調(diào)節(jié)，其輸出是電流的給定電壓對于直流電動機(jī)來說，控制電樞電流就是控制電磁轉(zhuǎn)矩，相應(yīng)的可以調(diào)速。電流調(diào)節(jié)器根據(jù)電流給定電壓和電流反應(yīng)電壓的偏差進(jìn)展調(diào)節(jié)，其輸出是功率變換器件三相整流裝置的的控制信號。通過電壓進(jìn)而調(diào)節(jié)鎮(zhèn)流裝置的輸出

8、，即電機(jī)的電樞電壓，由于轉(zhuǎn)速不能突變，電樞電壓改變后，電樞電流跟著發(fā)生變化，相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩也跟著變化，由，只要與不相等則轉(zhuǎn)速n會相應(yīng)的變化。整個過程到電樞電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩到達(dá)平衡，n不變后，到達(dá)穩(wěn)定。 圖3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的構(gòu)造選擇與參數(shù)設(shè)計須從動態(tài)校正的需要來解決。如果采用單閉環(huán)中的伯德圖設(shè)計串聯(lián)校正裝置的方法設(shè)計雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)這樣每次都需要先求出該閉環(huán)的原始系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)頻率特性，在根據(jù)性能指標(biāo)確定校正后系統(tǒng)的預(yù)期特性，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試才能確定調(diào)節(jié)器的特性，從而選定其構(gòu)造并計算參數(shù)但是這樣計算會比擬麻煩。所以本設(shè)計采用工程設(shè)計方

9、法：先確定調(diào)節(jié)器的構(gòu)造，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需的穩(wěn)定精度。再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標(biāo)的要求。這樣做，就把穩(wěn)，準(zhǔn)，快和抗干擾之間相互穿插的矛盾問題分成兩步來解決，第一步先解決主要矛盾，即動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)定精度，然后再進(jìn)一步滿足其他動態(tài)性能指標(biāo)。 按照先環(huán)后外環(huán) 的一般系統(tǒng)設(shè)計原則，從環(huán)開場，逐步向外擴(kuò)展。在這里，首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖3.2所示為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)構(gòu)造框圖。 圖3.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)構(gòu)造框圖 在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有以下關(guān)系：在穩(wěn)態(tài)工作

10、點上，轉(zhuǎn)速n是由給定電壓Un*決定的，ASR的輸出量Ui*是有負(fù)載電流IdL決定的，而控制電壓Uc的大小則同時取決于n和Id。這些關(guān)系反映了PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點。P調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量在動態(tài)過程中決定于輸入量的積分，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要PI調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相似，根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反應(yīng)值計算有關(guān)的反應(yīng)系數(shù) 轉(zhuǎn)速反應(yīng)系數(shù)電流反應(yīng)系數(shù)本設(shè)計中電流調(diào)節(jié)器輸出負(fù)限幅值為0V，正限幅值為10V；轉(zhuǎn)速調(diào)

11、節(jié)器輸出負(fù)限幅值為10V，正限幅值為0V。根據(jù)參數(shù)可求得轉(zhuǎn)速反應(yīng)系數(shù)為：電流反應(yīng)系數(shù)為：另外由 根據(jù)電機(jī)參數(shù)得3.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計 在圖3.2畫線構(gòu)造框圖中，反電動勢與電流反應(yīng)的作用相互穿插，這將給設(shè)計工作帶來麻煩。實際反電動勢與轉(zhuǎn)速成正比，系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)遠(yuǎn)小于機(jī)電時間常數(shù)，因此轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認(rèn)為反電動勢根本不變，即.這樣在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時，可以不考慮反電動勢變化的影響。也就是說可以去掉反電動勢的作用這樣得到電流環(huán)的近似構(gòu)造框圖如圖3.3所示電流環(huán)動態(tài)構(gòu)造圖可簡化為： 圖3.3 電流環(huán)動態(tài)構(gòu)造框圖

12、1確定時間常數(shù)根據(jù)數(shù)據(jù)得電磁時間常數(shù)三相橋式晶閘管整流電路的平均后時間，取電流反應(yīng)濾波時間常數(shù)，可得電流環(huán)的小時間常數(shù)為+= 0.0017 s+0.002 s = 0.0037 s2 選擇電流調(diào)節(jié)器構(gòu)造根據(jù)設(shè)計要求電流超調(diào)量i5%并且保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可以按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為另檢查電源電壓的抗擾動性能：參照附表3-1的典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能可采用PI調(diào)節(jié)器。 表3-1典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調(diào)量

13、0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時間tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時間tp8.3T 6.2T 4.7T3.6T相對穩(wěn)定裕度76.369.965.559.251.8截止頻率c0.243/T0.367/T0.455/T 0.596/T 0.786/T 3計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：為滿足%5%要求，應(yīng)取，因此電流環(huán)開環(huán)增益為= = 135.14 于是電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為= =4校驗近似條件電流環(huán)截至頻率= =135.14，晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件為 ,現(xiàn)=196.1故該近似條件滿足。 忽略反電動勢影響的近似條件為，現(xiàn)=故該近似條件滿足。 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處

14、理條件為，現(xiàn)=180.8故該近似條件滿足。5取調(diào)節(jié)器的輸入電阻=40k，則電流調(diào)節(jié)器的各參數(shù)為=1.13440=45.36，取45=，取3=, 取0.47根據(jù)上述參數(shù)可以到達(dá)的動態(tài)指標(biāo)為%=4.3%5%故能滿足設(shè)計要求。3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，這樣用電流環(huán)等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)構(gòu)造圖如以下圖3.4所示： 圖3.4流環(huán)動態(tài)構(gòu)造框圖 1確定時間常數(shù)電流環(huán)的等級時間常數(shù)為=2=0.0074s，(在電流環(huán)中已取因=0.5。 取轉(zhuǎn)速反應(yīng)濾波時間常數(shù) =0.01s，則轉(zhuǎn)速環(huán)的時間常數(shù)為=0.0074s+0.01s=0.0174s2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

15、構(gòu)造為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動作用點前必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器當(dāng)中。這樣轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型II型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可表示為3選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨性能和抗擾性能較好的原則選擇h=5，求出轉(zhuǎn)速超調(diào)量%和過渡過程時間 。如果能夠滿足設(shè)計要求，則可根據(jù)所選的h值計算有關(guān)參數(shù)；否則要改變h值重新進(jìn)展計算，直到滿足設(shè)計要求為止。當(dāng)h=5時，ASR退飽和超調(diào)量為=式中，表示電動機(jī)允許的過載系數(shù)，按題意=1.5；z為負(fù)載系數(shù)，設(shè)為理想空載起動，則z=0; 為調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械

16、特性的額定穩(wěn)態(tài)速降，=；是基準(zhǔn)值為時的超調(diào)量相對值，而=。參照表2當(dāng)h=5時，=81.2%，故起動到額定轉(zhuǎn)速，即= 時，退飽和超調(diào)量為=2.66%滿足設(shè)計要求。 表2典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系h345678910Cma*/Cb72.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%tm/T2.452.702.853.003.153.253.303.40tv/T13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85空載起動到額定轉(zhuǎn)速的過渡過程中，由于在大局部時間ASR飽和而不起調(diào)節(jié)作用，使過渡過程時間延長，可表示為=+其中為恒流升速時間

17、，是退飽和超調(diào)過渡過程時間。=0.3s退飽和超調(diào)過渡過程時間等于動態(tài)速升的回復(fù)時間。當(dāng)h=5時=8.8=0.153s。但恢復(fù)時間是按誤差為5%計算的。這里=206.4r/min，故 5%= 10.3r/min。這就是說，轉(zhuǎn)速進(jìn)入10.3r/min的恢復(fù)時間為0.153s。但這里的恢復(fù)時間應(yīng)按轉(zhuǎn)速進(jìn)入5%來計算，由于5%=90 r/min遠(yuǎn)大于10.3r/min，顯然所需時間將遠(yuǎn)小于0.153s，故可忽略不計，于是=0.3s。可見，能滿足設(shè)計要求。這樣，就可根據(jù)h=5選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 ASR的時間常數(shù)為=h=50.0174s=0.087s 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為=ASR比例系數(shù)為=15.7如去調(diào)

18、節(jié)器輸入電阻 =20k，則=15.720 k=314k，取300k=0.277,取0.2=2，取24校驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為=396.40.087 =34.5電流閉環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為，現(xiàn)=54.1故滿足該簡化條件。 小時間常數(shù)近似處理條件為，現(xiàn)=38.75故滿足該簡化條件4觸發(fā)電路的選擇與原理圖 三相整流電路中必須對兩組中應(yīng)導(dǎo)通的一對晶閘管同時給觸發(fā)脈沖為此可以采用兩種方法：一種是使每個觸發(fā)脈沖寬度大于，稱寬脈沖觸發(fā)；另一種是在觸發(fā)*一號晶閘管的同時給前一號晶閘管補(bǔ)發(fā)一個脈沖，相當(dāng)于用兩個窄脈沖等效代替一個寬脈沖，稱為雙脈沖觸發(fā)。隨著工業(yè)自動化，集成化的不斷把開展；現(xiàn)在市場中已有多種型號

19、的六脈沖觸發(fā)集成電路廣泛應(yīng)用于各種控制中，從本設(shè)計的簡單和穩(wěn)定性出發(fā)，本設(shè)計直接采用KJ系列的三相全控橋式整流電路的集成觸發(fā)器KJ041作為三相整流電路的觸發(fā)電路。KJ041的部是由12個二極管構(gòu)成的6個或門，其作用是將6路單脈沖輸入轉(zhuǎn)換為6路雙脈沖輸出。以上觸發(fā)電路均為模擬量，這樣使集成片部構(gòu)造、可靠，但是卻是其容易受電網(wǎng)電壓影響，導(dǎo)致觸發(fā)脈沖的不對稱度較高，可達(dá)。在對精度要求高的大容量變流裝置中，采用了數(shù)字觸發(fā)電路，可獲得很好觸發(fā)脈沖對稱度。KJ041的主要參數(shù)和限制1工作電源電壓：V2同步輸入允許最大電流值：6mA3輸出脈寬：400us2ms4最大負(fù)載能力：100mA由KJ041外部接線

20、組成的三相橋式整流電路觸發(fā)原理圖如以下圖4.1所示 圖4.1 三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路原理圖該集成片的主要設(shè)計特點為：1端口1和端口4，端口2和端口5，端口3和端口6分別輸出兩路相位互差的移向脈沖，可以方便地構(gòu)成全控橋式晶閘管觸發(fā)器線路。2輸出負(fù)載的能力大，移相性能好，脈沖輸出穩(wěn)定，正、負(fù)半周脈沖相位均衡性好。3移相圍寬，對同步電壓要求不高，并且具有脈沖列調(diào)制輸出端等功能。 觸發(fā)電路輸出脈沖波形如下 圖4.2 觸發(fā)電路輸出脈沖波形圖 5 直流調(diào)速系統(tǒng)MATLAB仿真 利用matlab仿真工具組成轉(zhuǎn)速,電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真圖如圖5.1所示，轉(zhuǎn)速和電流閉環(huán)通過一個滯后環(huán)控制接入脈沖發(fā)生器的輸入端，來實現(xiàn)對他勵直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，使轉(zhuǎn)速最終趨于穩(wěn)定值。同時通過轉(zhuǎn)速輸出顯示器可以很直觀清晰的觀察仿真結(jié)果。通過仿真得到電機(jī)轉(zhuǎn)速情況如圖5.2所示。 圖5.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真圖圖5.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果圖圖5.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電樞電流仿真結(jié)果6 總結(jié) 本設(shè)計為V-M雙閉環(huán)直流調(diào)速