三相全控橋晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)

課程設(shè)計(jì)題 目：三相全控橋晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)院（系）： 電信學(xué)院 班 級(jí)： 自動(dòng)化08--4 姓 名： 肖煥超 學(xué) 號(hào)： 17號(hào) 指導(dǎo)教師： 葉瑰鈞 年十二月摘要轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)中調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用了三相全控橋整流電路來供電。本文采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)為對(duì)象來設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制器。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋，二者之間實(shí)行嵌套聯(lián)接。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱做外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。先確定其結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)各元部件，并對(duì)其參數(shù)計(jì)算。最后采用MATLAB/SIMULINK對(duì)整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析關(guān)鍵詞：三相全控橋；雙閉環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；電流調(diào)節(jié)器目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"緒論 31.1直流調(diào)速系統(tǒng)的概述 31.2研究課題的目的和意義 4\o"CurrentDocument"1.3設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求 4\o"CurrentDocument"雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成和工作原理 4\o"CurrentDocument"2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 5\o"CurrentDocument"2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)環(huán) 6\o"CurrentDocument"2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)環(huán) 6\o"CurrentDocument"雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的主電路各器件的選擇和計(jì)算 7\o"CurrentDocument"3.1直流電機(jī)的基本參數(shù) 7\o"CurrentDocument"3.2.參數(shù)的選取和計(jì)算 73.2.1模塊參數(shù)設(shè)置 83.2.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 83.2.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 8\o"CurrentDocument"基于MATLAB/SIMULINK的調(diào)速系統(tǒng)的仿真 94.1穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 94.1.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 94.1.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 94.2基于原理圖的SINULINK仿真 104.2.1基于直流雙閉環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的仿真模型 104.3仿真結(jié)果 104.3.1轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線 104.3.2電流響應(yīng)曲線 11\o"CurrentDocument"4.4仿真結(jié)果與原理圖形的比較 11\o"CurrentDocument"小結(jié) 11\o"CurrentDocument"致謝 12參考文獻(xiàn)................................................................................................................................................121緒論1.1直流調(diào)速系統(tǒng)的概述三十年來，直流電機(jī)調(diào)速控制經(jīng)歷了重大的變革。首先實(shí)現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習(xí)用已久的直流發(fā)電機(jī)組及水銀整流裝置使直流電氣轉(zhuǎn)動(dòng)完成了一次大的飛躍。同時(shí)，控制電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高度集成化，小型化，高可靠性及低成本。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展，走向成熟化，完善化，系列化，標(biāo)準(zhǔn)化，在可逆脈寬調(diào)速，高精度的電氣轉(zhuǎn)動(dòng)領(lǐng)域中仍然難以代替。直流調(diào)速是指人為的或自然的改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足工作機(jī)械要求。從機(jī)械性能上看，就是通過改變電機(jī)的參數(shù)或外加電壓的方法來改變電機(jī)的機(jī)械特性，從而改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和工作機(jī)械特性的交點(diǎn)，使電機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。直流電機(jī)具有良好的起，制動(dòng)性能，宜于在廣泛的范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機(jī)，礦井卷揚(yáng)機(jī)，挖掘機(jī)，海洋鉆機(jī)，金屬切削機(jī)床，造紙機(jī)，高層電梯等需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展的很快，然而直流拖動(dòng)系統(tǒng)無論在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用。2研究課題的目的和意義在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量較遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到多個(gè)環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)地勘電壓擾動(dòng)的性能要差一些。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。用經(jīng)典的動(dòng)態(tài)校正設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器需同時(shí)解決穩(wěn)，準(zhǔn)，快，抗干擾等個(gè)反面相互有矛盾的靜動(dòng)態(tài)性能要求，需要設(shè)計(jì)者扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而初學(xué)者則不易掌握，于是有必要建立使用的設(shè)計(jì)方法。大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)均可低階系統(tǒng)近似。若事先深入研究低階典型系統(tǒng)的形式再與圖表對(duì)照，設(shè)計(jì)過程就簡(jiǎn)單多了。這樣，就有了建立工程設(shè)計(jì)方法的可能性。1.3設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)靜差特性良好，無靜差動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)速超調(diào)量8%，電流超調(diào)量7%，主電路米用三相全控橋。設(shè)計(jì)內(nèi)容1.根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)形式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)的原理框圖。調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計(jì)算。驅(qū)動(dòng)控制電路的選型設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)技術(shù)要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正，確定ASR調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)形式及進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)要求。繪制V-M雙閉環(huán)直流調(diào)速不可逆調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖，并用軟件進(jìn)行拖動(dòng)控制系統(tǒng)仿真以及硬件仿真。2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成和工作原理直流電機(jī)的供電需要三相直流電，在生活中提供的三相交流380V電源，因此要進(jìn)行整流，則本設(shè)計(jì)采用三相橋式整流電路變成三相直流電源，最后達(dá)到要求把電源提供給直流電動(dòng)機(jī)。如圖1設(shè)計(jì)的總框架。圖1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框架2.1雙閉環(huán)直流調(diào)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特征是系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速分別由兩個(gè)調(diào)節(jié)器控制，由于調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)的主要參數(shù)是轉(zhuǎn)速，故轉(zhuǎn)速環(huán)作為主環(huán)放在外面，而電流環(huán)作為副環(huán)放在里面,可以及時(shí)抑制電網(wǎng)電壓擾動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速的影響.實(shí)際系統(tǒng)的組成如下圖1所示。

ASR--轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR--電流調(diào)節(jié)器圖2轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路采用三相橋式全控整流電路供電。系統(tǒng)工作時(shí)，首先給電動(dòng)機(jī)加上額定勵(lì)磁，改變轉(zhuǎn)速給定電壓U*n可方便的調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。速度調(diào)節(jié)器ASR，電流調(diào)節(jié)器ACR，均設(shè)有限幅電路，ASR的輸出U*i作為ACR的給定，利用ACR的輸出限幅序前起限制起動(dòng)電流的作用；ACR的輸出U作為觸發(fā)器GT的移相控制電壓，利用ACR的輸出限幅Ucm起限制amin的作用。 °）并出現(xiàn)超調(diào)，使ASR當(dāng)突加給定的電壓上時(shí)，ASR立即達(dá)到飽和輸出U*im，使電動(dòng)機(jī)以限定的最大電流idm加速起動(dòng)，直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到指定轉(zhuǎn)速（即U「U*）并出現(xiàn)超調(diào)，使ASR△U「-U*j+Ufi=-U*j△U「-U*j+Ufi=-U*j+當(dāng)U*j—定時(shí)'，由于電以ACR為核心的電流環(huán)一一作用是穩(wěn)定電流，穩(wěn)態(tài)時(shí)，P1=0，即Id=U*/p其中Uf邛I，p為電流反饋系數(shù)。d i id流負(fù)反饋的作用，使輸出電流保持在U*i/p數(shù)值上。當(dāng)Id>U*i/p時(shí)，調(diào)節(jié)過程如下：ctIdT^AU=(—U*+pI)JtUJtUItIJct最終可保持電樞電流穩(wěn)定。當(dāng)電流下降時(shí)，也有類似的調(diào)節(jié)過程。

圖3含濾波環(huán)節(jié)的PI型電流調(diào)節(jié)器2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)環(huán)以ASR為核心的轉(zhuǎn)速環(huán)——作用是穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，穩(wěn)態(tài)時(shí)，△Un=U*n-Ufn=0,其中Ufn=an艮口n=U*n/a。其中a為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。當(dāng)U*n一定時(shí)，轉(zhuǎn)速n將穩(wěn)定在U*n/a數(shù)值上。當(dāng)n<U*n/a時(shí)，其自動(dòng)調(diào)節(jié)過程如下：負(fù)栽一nJtU=U-an)>0^^<0T?W<0TtU個(gè)弋T-nT最終可保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升時(shí)，也有類似的調(diào)節(jié)過程圖4含濾波環(huán)節(jié)的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的主電路各器件的選擇和計(jì)算3.1直流電機(jī)的基本參數(shù)某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)如下：額定電壓:Un=220V額定電流：In=136A額定轉(zhuǎn)速：Nn=1460r/min(4極)電樞電阻：Ra=0.21QGD”2=22.5N*m"2勵(lì)磁電壓：Uf=220V勵(lì)磁電流：If=1.5A電動(dòng)機(jī)電勢(shì)系數(shù)：Ce=0.132V*min/r采用三相橋式整流電路，整流器內(nèi)阻Rrec=1.3Q，電抗器：Lp=200mH3.2參數(shù)的選取和計(jì)算取電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.002s；轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)Ton=0.01s；取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的飽和值為12V，輸出限幅值為10V，額定轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)速給定Un*=10V。3.2.1參數(shù)設(shè)置供電電源電壓為：U2=(Unom+Rrec*In)/2.34cosamin=(220+0.21*136)/2.34*cos30V=123V電機(jī)參數(shù)設(shè)置：勵(lì)磁電阻為：Rf=Uf/If=220/1.5=146.7Q,(說明：勵(lì)磁電阻在恒定磁場(chǎng)中可取零)電樞電阻Ra=0.21Q，電樞電感由下式估計(jì)：La=19.1*C*Unom/2*p*Nn*In=19.1*0.4*220/2*2*1460*136=0.00021H電樞繞組和勵(lì)磁繞組互感Laf為：因?yàn)椋篊e=0.132V*min/rKe=60*Ce/2*n=60*0.132/6.28=1.26所以：Laf=Ke/If=1.26/1.5=0.84H額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩為:Tl=9.55Ce/Inom=9.55*0.132*17.5=22N*m3.2.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)電流反饋系數(shù)：p=Uim/入*Inom=10/1.5*136=0.05電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩時(shí)間常數(shù)：Tm=GDA2*RE/375*Ce*Cm=3.53*2.85/375*9.55*0.132=0.161s電動(dòng)機(jī)電磁時(shí)間常數(shù)：Ti=LE/RE=(200+16)*0.001/2.85=0.076s三相晶閘管整流電路平均失控時(shí)間：Ts=0.0017s根據(jù)電流超調(diào)量\%W7%的要求，電流環(huán)按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，點(diǎn)樓調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：Wacr(s)=Ki*(1+TS)/tS其中：t=Ti=0.076sKi=T*R/2*T*p*Ks=0.076*2.85/2*0.0037*0.272*37.84=2.84Kli=T/Ki=0.076/2.84=0.02683.2.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：a=Unom/Nnom=10/1500=0.00667V*min/r根據(jù)轉(zhuǎn)速超調(diào)量：On%W8%的要求為加快轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)速度，轉(zhuǎn)速環(huán)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并選中頻帶寬度h=5,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)：Wasr(s)=Kn*(1+TS)/tS其中T=h*T=h*(2*TZi+Ton)=5*92*0.0037+0.01)=0.087sKn=(h+1)*pCe*Tm/2*h*a*R*T=6*0.272*0.132*0.161/2*5*0.00667*2.85*0.0174=10.49Kin=T/Kn=0.087/10.84=0.00834基于MATLAB/SIMULINK的調(diào)速系統(tǒng)的仿真4.1穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型4.1.1靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)一靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖

5 5 流反饋系數(shù)a—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)4.1.2動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型4.2基于MATLAB/SIMULINK的調(diào)速系統(tǒng)的仿真4.2.1基于直流雙閉環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的仿真模型帶飽和輸出限幅的Pi調(diào)節(jié)器及分支模塊4.3仿真結(jié)果:4.3.1電機(jī)啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速的響應(yīng)曲線:4.4仿真結(jié)果與原理圖的比較仿真結(jié)果與理論上電機(jī)啟動(dòng)的結(jié)果比較：轉(zhuǎn)速?zèng)]有超調(diào)量，不過符合第二和第三階段，電流響應(yīng)，電機(jī)啟動(dòng)以最大電流（并維持一段時(shí)間，略有下降）使電機(jī)加速，等電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電流逐步減小，趨于一個(gè)最小值，但是最帶電流有一點(diǎn)衰減，這和給定的階躍響應(yīng)有關(guān)。小結(jié)本文是對(duì)雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過一周的努力對(duì)該電路有了較為深入的研究，也進(jìn)一步熟悉了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、工作原理及各個(gè)器件的作用和設(shè)計(jì)。通過做課程設(shè)計(jì)，也有了不少的收獲，進(jìn)一步了解和掌握了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其控制電路的一些特性，比較全面的將所學(xué)的電力電子和電力拖動(dòng)方面的知識(shí)運(yùn)用于設(shè)計(jì)當(dāng)中，對(duì)設(shè)計(jì)中一些參數(shù)的計(jì)算也比較清析得到，整個(gè)雙閉環(huán)直流調(diào)速電路分階段地完成，從電力電子方面的設(shè)計(jì)到電力拖動(dòng)方面的設(shè)計(jì)，最后MATLAB/SIMULINK的運(yùn)用，是一步一步的完成和組合。照搬理論會(huì)發(fā)現(xiàn)做出來的設(shè)計(jì)結(jié)果有點(diǎn)出入，因?yàn)槔碚撌遣豢紤]任何的外在原因，是在理想化的情況。而現(xiàn)實(shí)它則除了內(nèi)在不可改變的原因，還有不可避免的外在原因，外在原因可以改變但是智能改善。所以本設(shè)計(jì)在有限的條件下和本人有限的學(xué)識(shí)，做出的設(shè)計(jì)還是存在著一些不足。本設(shè)計(jì)采用PI調(diào)節(jié)器，輸出的轉(zhuǎn)速存在這超調(diào)量比較大，而且快速性也相對(duì)受到影響。則今后可以采用PID調(diào)節(jié)器可以全面的提高系統(tǒng)的控制性能，但是具體實(shí)現(xiàn)與調(diào)試要復(fù)雜，做的工做比現(xiàn)在就更多。設(shè)計(jì)研究是一個(gè)漫長的過程，要想讓它真正的