邏輯無環(huán)流可逆直流調速系統(tǒng).doc

摘要許多生產機械要求電動機既能正轉，又能反轉，而且常常還需要快速的啟動和制動，這就需要電力拖動系統(tǒng)具有四象限運行的特性，也就是需要可逆的調速系統(tǒng)。采用兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆調速系統(tǒng)解決了電動機的正、反轉運行和回饋制動問題，但是，如果兩組裝置的整流電壓同時出現，便會產生不流過負載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱做環(huán)流。有環(huán)流可逆系統(tǒng)雖然具有反向快、過渡平滑等優(yōu)點，但設置幾個環(huán)流電抗器終究是個累贅。因此，當工藝過程對系統(tǒng)過度特性的平滑性要求不高時，特別是對于大容量的系統(tǒng)，常采用既沒有直流平均環(huán)流又沒有瞬時脈動環(huán)流的無環(huán)流可逆系統(tǒng)。本文介紹了邏輯無環(huán)流可逆直流調速系統(tǒng)的基本原理及其構成，并對其控制電路進行了計算和設計。運用了一種基于Matlab的Simulink和Power System工具箱、面向系統(tǒng)電氣原理結構圖的仿真新方法，實現了轉速電流雙閉環(huán)邏輯無環(huán)流直流可逆調速系統(tǒng)的建模與仿真。關鍵詞: 直流電機；環(huán)流；邏輯無環(huán)流可逆調速；Matlab仿真 目 錄第一章 緒論11.課題研究的目的與意義1第二章MATLAB的基本知識22.1 MATLAB軟件介紹2 2.2 MATLAB（Sumilink）的介紹2第三章 邏輯無環(huán)流可逆直流調速系統(tǒng)工作原理33.1系統(tǒng)工作原理33.2系統(tǒng)的組成4第四章 系統(tǒng)各環(huán)節(jié)模塊的設計54.1 主電路的設計54.1.1 主電路的模型64.1.2 主電路參數的設定及仿真模型64.2. 邏輯控制器DLC模塊74.3 電流調節(jié)器的模塊及參數設計94.4 轉速調節(jié)器的模塊及參數設計10五章 調速系統(tǒng)的調試及動態(tài)仿真125.1 邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)主電路的建模125.2仿真波形145.3圖形分析16第六章 心得體會16參 考 文 獻17第一章 緒論1 課題研究的目的與意義直流電動機具有良好的起、制動性能和調速性能，易于在大范圍內平滑調速，且調速后的效率很高等優(yōu)點，因而直流電機調速系統(tǒng)在工業(yè)傳動系統(tǒng)中的到廣泛應用。在實際的生產中，許多生產機械不僅要求調速系統(tǒng)能夠完成調速的任務，而且還要求系統(tǒng)能夠可逆運轉，；有些生產機械雖然不要求可逆運行，但要求能進行快速電氣制動。從直流電動機的工作原理可知，要使其制動或者改變旋轉方向，就必須改變電動機的電磁轉矩的方向。改變電動機電磁轉矩的方向有兩種方法：一種是改變電動機電樞電壓的極性，另一種是改變勵磁磁通的方向。與此對應，晶閘管-直流調速系統(tǒng)的可逆線路有兩種：電樞反接線路和勵磁反接可逆線路。對于大容量的系統(tǒng)，從生產角度出發(fā)，往往采用既沒有直流平均環(huán)流，有沒有脈動環(huán)流的無環(huán)流可逆系統(tǒng)。無環(huán)流可逆系統(tǒng)省去了環(huán)流電抗器，沒有了附加的環(huán)流損耗，節(jié)省變壓器和晶閘管裝置的附加設備容量。和有環(huán)流系統(tǒng)相比，因環(huán)流失敗造成的事故率大為降低。因此，無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)在生產中被廣泛運用。所以我選擇了用MATLAB仿真軟件來研究電動機中無環(huán)流直流可逆調速系統(tǒng)的分析設計與仿真。以考察自己的所學的知識和分析能力,達到理論與實際相結合的目的。第二章 MATLAB的基本知識2.1 MATLAB的介紹MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱。MATLAB 是一種用于算法開發(fā)、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境。使用 MATLAB，您可以較使用傳統(tǒng)的編程語言更快地解決技術計算問題。MATLAB 的應用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設計、測試和測量、財務建模和分析以及計算生物學等眾多應用領域。2.2 MATLAB（Sumilink）的介紹MathWork開發(fā)的Sumilink是MATLAB里的重要軟件工具之一，其主要的功能是實現動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真與分析，從而在實際系統(tǒng)制作出來之前，可以預先對系統(tǒng)進行仿真與分析，并可以對系統(tǒng)做適當的實際修正或者按照仿真的最佳效果來調試及整定控制系統(tǒng)的參數，以提高系統(tǒng)的性能，減少系統(tǒng)設計過程中反復修改時間，實現高效率地開發(fā)系統(tǒng)的目標。實際的鼠標操作是用其點擊與拖曳功能。在構建完一個模型以后，可以通過Simulink的菜單或者在MATLAB命令里窗口鍵入命令來對系統(tǒng)進行仿真機分析其動態(tài)特性。其次，Simulink內置有各種分析工具：多種仿真算法、系統(tǒng)線性化、尋找平衡點等，都是非常先進而使用的。還有，采用Scop示波器模塊與其他的畫圖模塊，可以在仿真進行的同時，就觀看到仿真結果。第三章 邏輯無環(huán)流可逆直流調速系統(tǒng)工作原理 3.1系統(tǒng)工作原理邏輯無環(huán)流可逆直流調速系統(tǒng)采用了兩個電流調節(jié)器和兩套觸發(fā)裝置分別控制正、反組晶閘管。兩組橋在任何時刻只有一組投入工作（另一組關斷），所以在兩組橋之間就不會存在環(huán)流。但當兩組橋之間需要切換時，不能簡單的把原來工作著的一組橋的觸發(fā)脈沖立即封鎖，而同時把原來封鎖著的一組橋立即開通，因為已經導通晶閘管并不能在觸發(fā)脈沖取消的一瞬間立即被關斷，必須待晶閘管承受反壓時才能關斷。如果對兩組橋的觸發(fā)脈沖的封鎖和開放式同時進行，原先導通的那組橋不能立即關斷，而原先封鎖著的那組橋已經開通，出現兩組橋同時導通的情況，因沒有環(huán)流電抗器，將會產生很大的短路電流，把晶閘管燒毀。為此首先應是已導通的的晶閘管斷流，要妥當處理主回路中的電感儲存的一部分能量回饋給電網，其余部分消耗在電機上，直到儲存的能量釋放完，主回路電流變?yōu)榱?，使原晶閘管恢復阻斷能力，隨后再開通原來封鎖著的那組橋的晶閘管，使其觸發(fā)導通。 圖3-1 邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)原理圖ASR速度調節(jié)器 ACR1ACR2正反組電流調節(jié)器 GTF、GTR正反組整流裝置 VF、VR正反組整流橋 DLC無環(huán)流邏輯控制器 HX推裝置 TA交流互感器 TG測速發(fā)電機 M工作臺電動機 LB電流變換器 AR反號器 GL過流保護環(huán)節(jié)3.2系統(tǒng)的組成這種邏輯無環(huán)流系統(tǒng)有一個轉速調節(jié)器ASR，一個反號器AR，采用雙電流調節(jié)器1ACR和2ACR，雙觸發(fā)裝置GTF和GTR結構。主電路采用兩組晶閘管裝置反并聯(lián)線路，由于沒有環(huán)流，不用再設置環(huán)流電抗器，但是為了保證穩(wěn)定運行時的電流波形的連續(xù)，仍應保留平波電抗器，控制線路采用典型的轉速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，1ACR用來調節(jié)正組橋電流，其輸出控制正組觸發(fā)裝置GTF；2ACR調節(jié)反組橋電流，其輸出控制反組觸發(fā)裝置GTR，1ACR的給定信號經反號器AR作為2ACR的給定信號,這樣可使電流反饋信號的極性在正反轉時都不必改變，從而可采用不反映極性的電流檢測器，在邏輯無環(huán)流系統(tǒng)中設置的無環(huán)流邏輯控制器DLC，這是系統(tǒng)中關鍵部件。它按照系統(tǒng)的工作狀態(tài)，指揮系統(tǒng)進行自動切換，或者允許正組觸發(fā)裝置發(fā)出觸發(fā)脈沖而封鎖反組，或者允許反組觸發(fā)裝置發(fā)出觸發(fā)脈沖而封鎖正組。在任何情況下，決不允許兩組晶閘管同時開放，確保主電路沒有產生環(huán)流的可能。第四章 系統(tǒng)各環(huán)節(jié)模塊的設計4.1 主電路的設計4.1.1 主電路的模型圖4-1系統(tǒng)的主電路系統(tǒng)采用的主電路是兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路。兩組晶閘管分別由兩套觸發(fā)裝置控制，不允許讓兩組晶閘管同時處于整流狀態(tài)，否則將造成電源短路。本系統(tǒng)采用的是三相橋式反并聯(lián)可逆線路，可使電動機在四個象限內運轉。 4.1.2 主電路參數的設定及仿真模型電源：交流160（峰值） 50hz,直流電動機的額定參數: Un=220V，In=136A，n=1460r/min，電樞電阻 Ra =0.21電樞電感 La =0.000543H; 轉動慣量J=2.29Kgm2;電樞回路的總電阻 R=0.375，勵磁電壓Uf=220V，勵磁電阻Rf =14.7。平波電抗器Ld=15mH。晶閘管整流器放大倍數 Ks=40，過載倍數 =1.5. 整流變壓器二次側額定相電壓的有效值：U2=Un+R*In/2.34cosa=220+0.21*136/*/2.34*cos30=123v電動機的參數：（1）勵磁電流If=Uf/Rf=220/14.7=14.97A(2)勵磁電感在恒定磁場控制時可取0(3)電動勢系數：Ce=(Un-RaIn)/n=0.131V.min/r(4)轉矩系數：Cm=30Ce/3.14=30*0.131/3.14=1.25(5)電樞繞組和勵磁繞組互感：Laf=Cm/If=0.083(6)額定負載轉矩：TL=30CeIn/3.14=9.55*0.131*136=170N.m本實驗采用MATLAB 7.0.1版本中模塊庫，其控制子模塊庫中有6脈沖觸發(fā)器、三相子模塊庫中有晶閘管三相全控橋模塊、附加電機子模塊庫中有直流電機模塊，如圖所示。 圖4-2脈沖觸發(fā)器、晶閘管全控橋、直流電機模塊符號4.2. 邏輯控制器DLC模塊邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)通常采用典型的轉速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)結構，關鍵是設置了一套無環(huán)流邏輯切換裝置(DLC)。邏輯控制器模塊DLC是根據控制器輸入來判斷輸出的邏輯狀態(tài)的。設計的邏輯控制器如圖3-2所示。邏輯控制器由電平檢測、邏輯判斷、延時電路和聯(lián)鎖保護等四個環(huán)節(jié)組成。圖3-2下方的是封裝后的邏輯控制器圖標。圖4-3邏輯控制器(1) 電平檢測電平檢測是將輸入的模擬信號(Ui*、Ui)轉換為數字信號(UT、UI)，轉換由兩個滯環(huán)控制模塊(Relay)實現，轉換的要求如下： 轉矩極性檢測。當Ui* 0時，UT=1；當Ui 0時，UT=0。 零電流檢測。當有電流即Ui 0時，UI=0；當電流為零(Ui =0)時，UI=1。表3-3 邏輯真值表UTUIUblfUblr111010100010010100011001(2) 邏輯判斷電路按表3-3可以得到邏輯控制器輸入和輸出的邏輯關系表達式為(用與非門實現) (3-1) (3-2) 邏輯判斷電路由與非門YF1YF4組成，其輸入為轉矩極性和零電流信號UT、UI；輸出為邏輯切換信號UF、UR。(3) 延時電路邏輯判斷電路發(fā)出切換指令后還不能立即改變整流器工作狀態(tài)，因為在檢測到電流為零時，電樞電流還不一定真正到零，必須延遲3ms(關斷延時)左右以保證電流真正為零后，才能發(fā)出指令使導通的整流器截止；并且為了確保截止的整流器能恢復阻斷狀態(tài)，需開放的整流器也需要延遲一段時間再開放，即開放延時，一般開放延時取7ms左右。關斷延時和開放延時由邏輯控制器中的延時電路產生。由于延時發(fā)生在邏輯判斷電流輸出UF和UR從“0”變“1”時的上升沿，而信號下降沿不需要延時，因此設計延時仿真模塊如圖3-5所示。圖4-4 延時模塊(4) 聯(lián)鎖保護為了保證正反兩組整流器不會發(fā)生同時開放，邏輯控制器中由與非門YF5YF7組成了聯(lián)鎖保護電路，YF5和YF6采用與非門是因為輸出Ublf和Ublr的電平與觸發(fā)單元Block端的電平要求一致。在UF和UR同時為“1”時，兩組整流器都關斷，避免發(fā)生整流器短路故障。4.3 電流調節(jié)器的模塊及參數設計1.通過MATLAB制作電流調節(jié)器模塊如3-5所示圖4-5 電流調節(jié)器模塊2. 電流調節(jié)器的參數計算(1) 整流裝置滯后時間常數 Ts三相橋式電路的平均失控時間 Ts=0.017s (2) 電流濾波時間常數Toi 三相橋式電路每個波頭的時間是 3.33ms，為了基本濾平波頭，應該有 (12)Toi=3.33ms ,因此取Toi=0.002s 。(3)電流環(huán)小時間常數按小時間常數處理，取Ti=Ts+Toi=0.0037s2.5.2 電流調節(jié)器的結構選擇電流調節(jié)器選用比例積分調節(jié)器(PI)，其傳遞函數為 WACRs=Ki(is+1)is2.5.3 選擇電流調節(jié)器參數電流調節(jié)器超前時間常數i=Tl=0.03s ；電流開環(huán)增益：取 KITi=0.5 ,因此KI=0.5Ti=135.1s-1 ，于是電流調節(jié)器(ACR)的比例系數為Ki=KIiRKs=5.013 。ACR 為PI調節(jié)器，其中: Kp =5.013; Ki =33.8。電流調節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。本系統(tǒng)調節(jié)器限幅值Ucm*=10V4.4 轉速調節(jié)器的模塊及參數設計1.通過MATLAB制作電流調節(jié)器模塊如3-6所示圖4-6 轉速調節(jié)器模塊2.確定時間常數(1) 電流環(huán)等效時間常數為 1KI=2Ti=0.0074s ；(2) 轉速濾波時間常數 Ton 根據所用測速發(fā)電機紋波情況，取 Ton=0.01s ； (3) 轉速環(huán)小時間常數 Tn 。按小時間常數近似處理，取Tn=1KI+Ton=0.0174s 。3 轉速環(huán)設計由于設計要求轉速無靜差，轉速調節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據動態(tài)設計要求，應按典型 II 型系統(tǒng)設計轉速環(huán)。轉速調節(jié)器選用比例積分調節(jié)器(PI)，其傳遞函數為 WASRs=Kn(ns+1)ns 4選擇轉速調節(jié)器參數按照跟隨和抗擾性能都較好的原則,取 h=5 ，轉速調節(jié)器的超前 時間常數為 n=hTn=0.0087s 轉速開環(huán)增益為KN=h+12h2Tn2=396.4s-2所以轉速調節(jié)器(ASR)的比例系數為Kn=(h+1)CeTm2hRTn=11.7 ASR 為PI調節(jié)器，其中: Kp =11.7; Kn = 134.5。 第五章 調速系統(tǒng)的調試及動態(tài)仿真5.1 邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)主電路的建模組成邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)的主要子模塊包括：三相交流電源、反并聯(lián)的晶閘管三相全控整流橋、同步電源與6脈沖觸發(fā)器、速度和電流調節(jié)器ASR及ACR、邏輯切換裝置DLC、直流電動機。系統(tǒng)主電路采用兩組整流器反并聯(lián)方案，系統(tǒng)的控制電路有轉速調節(jié)器，電流調節(jié)器，邏輯控制器等組成，且兩組整流器分別由兩個電流調節(jié)器控制，其中反組整流器VR的電流調節(jié)器ACR2輸入經過了倒相器，以確保兩組整流器的控制角=。兩組整流器的工作或封鎖由邏輯控制器控制。圖5-1邏輯無環(huán)流可逆調試系統(tǒng)的仿真模型 5.2 仿真波形圖3-8 整流電壓波形圖 圖3-9 正轉過程轉速曲線和電樞電流曲線圖3-10反轉過程轉速曲線和電樞電流曲線圖3-11正轉過程變換到反轉過程轉速曲線和電樞電流曲線5.3 圖形分析在無環(huán)流直流可逆調速系統(tǒng)中，電動機帶載起動( TL =200Nm )時，電動機從正轉起動到穩(wěn)定運行(0-2s) ，給出反轉指令后電動機經歷正轉制動到反轉起動、反轉運行的轉速變化過程,然后系統(tǒng)又從反轉切換到正轉狀態(tài)。從仿真結果可以看出，當給定正信號時，在電流調節(jié)器作用下，電機電樞電流接近最大值，在1.7 s左右時轉速超調，電流很快下降，在2.5s時達到穩(wěn)態(tài)；在起動后3 s，轉速給定Un*從“+”切換到“-”，系統(tǒng)進入反轉的調節(jié)狀態(tài)。電樞電流迅速改變方向，并從正變到負的最大值，電動機也在電樞電流為0時迅速下降，也從正變?yōu)樨?，系統(tǒng)經歷了本橋逆變和反接