雙閉環(huán)V--M(有環(huán)流)直流調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)及仿真

1、目錄1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11.1 方案論證 . 11.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 22.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 22.2 速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 53 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì) 83.1 主電路原理及說明 83.2 主電路參數(shù)設(shè)計(jì) 104 系統(tǒng)組成及原理 114.1 a = B配合控制的有環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的組成 114.2 ASR和ACR的作用 124.3 控制方式 134.4 工作過程 144.5 觸發(fā)電路設(shè)計(jì) 145 Matlab 仿真 165.1 電流環(huán)的仿真設(shè)計(jì) 165.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真設(shè)計(jì) 186 心得體會 19參考文獻(xiàn) 201 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.1 方案論證對于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的系統(tǒng)，縮短起、制動時(shí)間

2、是提高生產(chǎn)率的 重要因素。為此，在啟動或制動過度過程中，希望電流始終保持為允許 最大值，使調(diào)速系統(tǒng)以最大的加減速運(yùn)行。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直 流調(diào)速系統(tǒng)是應(yīng)用最廣性能很好的直流調(diào)速系統(tǒng)。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出 當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子交換器 UPE為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都米用 PI調(diào)節(jié)器。在采用兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)可逆線路的V-M系統(tǒng)中，晶閘管可以工作在整流或逆變狀態(tài)，正轉(zhuǎn)運(yùn)行可利用反組晶閘管實(shí)現(xiàn)回 饋制動，反轉(zhuǎn)運(yùn)行可利用正組晶閘管實(shí)現(xiàn)回饋制動。1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要達(dá)到電流和轉(zhuǎn)速的超調(diào)要求就要設(shè)計(jì)電流 -轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速器， 本 次課

3、程設(shè)計(jì)主要內(nèi)容是采用 獰B配合控制，能夠?qū)崿F(xiàn)可逆運(yùn)行，轉(zhuǎn)速和 電流穩(wěn)態(tài)無差。a= B配合控制消除直流平均電流的原理是正組處于整流 狀態(tài)、Udof為正時(shí)，強(qiáng)迫讓反組處于逆變狀態(tài)，使 Udor為負(fù)，且幅值與 Udof相等，使得逆變電壓 Udor把整流Udof頂住，則直流平均環(huán)流為零。 由于整流與逆變瞬時(shí)電壓值上的差異， 仍會出現(xiàn)Udof- Udor的情況，從而 仍能產(chǎn)生瞬時(shí)的環(huán)流，被稱為瞬時(shí)脈動環(huán)流。這個(gè)瞬時(shí)脈動環(huán)流是自然 存在的，故又稱為自然環(huán)流。2 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.1.1 確定電流調(diào)節(jié)器的時(shí)間常數(shù)（ 1）、整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) Ts：三相橋式電路平均失控時(shí)間 Ts =

4、0.0017s 。（ 2）、電流濾波時(shí)間常數(shù) Toi：三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是 3.33ms,為了基本濾平波頭應(yīng)有 （12）Toi = 3.33s 。則 Toi=0.002s（3）、電流小時(shí)間常數(shù) T i：按小時(shí)間常數(shù)近似處理： T i Ts Toi 0.0037s2.1.2 設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)采用含給定濾波和反饋濾波的模擬式 PI 型電流調(diào)節(jié)器, 其原理圖如 圖 1 所示。圖中 Ui 為電流給定電壓, Id 為電流負(fù)反饋電壓,調(diào)節(jié)器 的輸出就是電力電子變換器的控制電壓 Uc 。圖2-1 PI型電流調(diào)速器根據(jù)設(shè)計(jì)要求i 5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對

5、象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：W（CF（S）K( iS 1)iS電磁時(shí)間常數(shù)：咔=晉 0.095s檢查對電源電壓的抗擾性能:TiTi0. 095s0. 0037s25. 675電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：iTi0. 095s取電流反饋系數(shù):Um1 dbl旨花0.04901VAKi0. 50. 5Ti0. 0037s135. 14s于是，ACR勺比例系數(shù)為:JR135 14 0.095 O.K o. 1375Ks40 0. 049校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：ciKi135. 14sgDr機(jī)電時(shí)間常數(shù)：Tm=375CeCm0. 03298s晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件:1

6、 13TT3_0. 0017s196. 1sci，滿足近似條件忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件:；1、0. 03298s0.095s53. 596sci，滿足近似條電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：180. 8sci，滿足近似1 1 1 二3 TsToi3 ,0.0017s 0. 002s條件。計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容RKi R)0. 1375 40k5.5k ，取 6kCi可0. 095 F6 10315. 910 6f15. 9 F，取 16 F4Toi40. 0026 Coi0.210 F0.2 F，取 0.2 FR040 1032.2速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)為此其閉環(huán)傳遞

7、函數(shù)為:1丄s 1Ki電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)，s（s1）K1s（s1）忽略高次項(xiàng)，Weds）可降階近似為:1Wii(s)s 1Ki接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為Ui （s），因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為:I d(s)Wti(s)Ui(s)1 彳is 1Ki222確定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù):2Ti2 0. 003玉0. 007縮轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)：Ton0. 012s轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)：按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取1TnTon0.0074s 0. 012s0.0194s電壓反饋系數(shù):UnmnNK, 0. 006時(shí) min r1460 r min轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采

8、用含給定濾波和反饋濾波的模擬式 PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，其原理圖如圖2所示。圖中Un為轉(zhuǎn)速給定電壓，n為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓U i。礙 Cn IZZI_II-anII TI圖2-2 PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器按設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：WAsRs)Kn( nS1)ns按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為:nhT n50. 01740. 087s轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為：h162Kn2 222396.4s2h2T2n2520. 0174 2于是，ASR的比例系數(shù)為：(h 1) CeTm6 0. 049 0. 1275 0. 03298Kn4.4517

9、2h RTn250. 00680.210. 0194224校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為:cnKnKn n396.4 0.08734.5s電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為:3 T1 J135. 14 i30. 003763. 7scn，滿足近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為:3 tn1 135叫13 . 0. 01235. 37scn，滿足近似條件計(jì)算調(diào)節(jié)器的電阻和電容值按所用運(yùn)算放大器取R,40k ，則RnKnRo4.4517 40 k178.068k ，取 180kQCn0. 087 3 F 0.483 F，取 0. 5 FRn180 103Con4Ton4 0-01 F 1.2 10 6F 1

10、 F，取 1 FR。40 103按退飽和超調(diào)量的計(jì)算方法計(jì)算調(diào)速系統(tǒng)空載啟動到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的 轉(zhuǎn)速超調(diào)量：136 0.21z) nN T n2 0.812 1.50.13214600.01740.0329819 03%3系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)3.1主電路原理及說明a =配合控制的有環(huán)流可逆系統(tǒng)的主電路如下圖所示決關(guān)才+rJ!LrVF “ 只圖3-1 a =配合控制的有環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)主電路任2迷氷丁上圖為三相零式可逆線路和 a相整流與b相逆變時(shí)的瞬時(shí)脈動環(huán)流 icp流通的回路。由于瞬時(shí)電壓的存在，便在兩組晶閘管之間產(chǎn)生了瞬時(shí) 脈動環(huán)流icp。移相時(shí)，如果一組晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，另一組便處 于逆變

11、狀態(tài)，這是指觸發(fā)延遲角的工作狀態(tài)而言的。實(shí)際上這時(shí)逆變組 除環(huán)流外并未流過負(fù)載電流，也就沒有電能回饋電網(wǎng)，確切的說，它只 是處于“待逆變狀態(tài)”，表示該組晶閘管裝置是在逆變角控制下等待工作。 只有在制動時(shí)，當(dāng)發(fā)出信號改變觸發(fā)延遲角后，同時(shí)降低了Udof和Udor的幅值，一旦電機(jī)反電動勢 EIUdor| =l Udofl,整流組電流將被截止，逆 變組才真正投入逆變工作，使電機(jī)產(chǎn)生回饋制動，將電能通過逆變組回 饋電網(wǎng)。同樣，當(dāng)逆變組工作時(shí)，另一組也是等待著整流，可稱作處于“待整流狀態(tài)”。所以，在a二配合控制下，負(fù)載電流可以迅速地從正向到反向平滑過渡，在任何時(shí)候，實(shí)際上只有一組晶閘管在工作，另一組 則

12、處于等待工作的狀態(tài)。3.2主電路參數(shù)設(shè)計(jì)Ud=2.34U2COSU d=U=220V,取=0Ud2. 34 cos 0有94.17Vldmin = (5%-10%)lN,這里取 10% 則U2L=0.693H -d min0.69394.017101 17537. 2308mHUimI dbl*UnmnN1014600. 00681015 1360. 4901 V A晶閘管參數(shù)計(jì)算:對于三相橋式整流電路，晶閘管電流的有效值為:I21Ivt - -Id 0. 577I dV 3則晶閘管的額定電流為:I VT( AV)Ivt1.570. 368I d 0.368136A 50. 048A取1.52

13、倍的安全裕量，IVT AV)100A由于電流連續(xù)，因此晶閘管最大正反向峰值電壓均為變壓器二次線 電壓峰值，即：Ufm Urm 2.45U22.45 94.017230.34V取23倍的安全裕量，Uvt600/4系統(tǒng)組成及原理4.1 a =儕己合控制的有環(huán)流調(diào)速系統(tǒng)的組成a =配合控制的有環(huán)流可逆V-M系統(tǒng)的原理框圖如下圖所示圖4-1 a = 3配合控制的有環(huán)流可逆V-M系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)的原理圖如圖4。圖中主電路采用兩組三相橋式晶閘管裝置反 并聯(lián)電路， VF 為正組整流裝置， VR 為反組整流裝置， TM 為三相變壓 器，電動機(jī)為他勵直流電動機(jī)，圖中勵磁繞組未畫出，主電路還有四個(gè) 環(huán)流電抗器Lc

14、1,Lc2,Lc3,Lc4和一個(gè)平波電抗器Ld。控制線路采用典型的轉(zhuǎn)速 電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，速度調(diào)節(jié)器 ASR 和電流調(diào)節(jié)器 ACR 均為由反相輸入 式運(yùn)算放大器組成的 PI 調(diào)節(jié)器，且都設(shè)置了雙向輸出限幅，以限制最大 的動態(tài)電流和最小控制角amin與最小逆變角fhin ,GTF為正組移相觸發(fā)裝 置，GTR為反組移相觸發(fā)裝置，AR為反相器，Udof為正組輸出電壓， Udor為反組輸出電壓。根據(jù)正反向運(yùn)行的需要，給定電壓應(yīng)有正負(fù)極性， 由繼電器 KF 和 KR 切換， KF 接通時(shí)電極正轉(zhuǎn)， KR 接通時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。 速度測量元件為直流測速發(fā)電機(jī) TG, 電流測量元件 TA 為霍爾電流變換 器，轉(zhuǎn)速反

15、饋Un和電流反饋Ui均有正負(fù)極性的變化。4.2 ASR 和 ACR 的作用1、ASR 的作用：(1) 使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓Un*變化，穩(wěn)態(tài)無靜差；( 2)對負(fù)載變化起抗擾作用；(3)其輸出跟幅值決定允許的最大電流；2、ACR 的作用：( 1 )對電網(wǎng)電壓波動起及時(shí)抗擾作用；(2) 起動時(shí)保證獲得允許的最大電流；(3) 在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其給定值 Ui*的變化；(4) 當(dāng)電機(jī)處于過載甚至于堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起到快速 的安全保護(hù)作用，如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動恢復(fù)正常。4.3控制方式采用同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路時(shí)嗎，移相控制特性是線性的, 兩組觸發(fā)裝置的控制特性如圖所示。圖

16、4-2控制特性該系統(tǒng)基本關(guān)系是a+a=180，把a(bǔ)90。后的控制角用180 - a來 表示，并令其等于 伍a=pf, a=P，ar和a分別為正組和反組晶閘管控制 角；3和分別為正組和反組晶閘管逆變角。當(dāng)控制電壓Uci=0時(shí)，a和a都調(diào)整在90。為了防止晶閘管裝置在逆變狀態(tài)工作中逆變角太小 而導(dǎo)致?lián)Q流失敗，出現(xiàn)“逆變顛覆”現(xiàn)象，必須在控制電路中采用限幅 作用，形成最小逆變角jzmin保護(hù)。與此同時(shí)，對a角也實(shí)施amin保護(hù)嗎， 以免出現(xiàn)Udof Udor而產(chǎn)生直流平均環(huán)流。通常取 amin= fnin=30。a =f配合控制系統(tǒng)的移相控制時(shí)，如果一組晶閘管裝置處于整流狀 態(tài)，另一種便處于逆變狀態(tài)

17、，這是指控制角的工作狀態(tài)而言的。在a =f配合控制下，負(fù)載電流可以迅速地從正向到反向平滑過渡，在任何時(shí)候，實(shí)際上只有一組晶閘管裝置在工作，另一組處于等待工作的狀態(tài)。4.4工作過程系統(tǒng)在工作過程分為停轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，各狀態(tài)下情況如表所示Uc = U驢0產(chǎn)卿山-0正轉(zhuǎn)lk0L* 0OSU 0I* 0Uc0l，. 0m圖4-3各狀態(tài)下的工作情況晶閘管VF或者VR只要是整流或待整流及其極性為正，只要是逆變 或待逆變其極性相反。負(fù)載電流Id流過正組時(shí)，其電流反饋電壓 Ui為 正，Id流過反組時(shí)，Ui為負(fù)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR均有倒 相作用，同時(shí)都設(shè)置雙向輸出限幅以及限制最小控制角amin和

18、最小逆變角B min。4.5觸發(fā)電路設(shè)計(jì)觸發(fā)電路采用集成移相觸發(fā)芯片 TC787,與TCA 785及KJ （或KC） 系列移相觸發(fā)集成電路相比，具有功耗小、功能強(qiáng)、輸入阻抗高、抗干 擾性能好、移相范圍寬、外接元件少等優(yōu)點(diǎn)。只需要一塊這樣的集成電路，就可以完成三塊TCA785與一塊KJ041、一塊KJ042器件組合才能 具有的三相移相功能。TC787的原理框圖如圖4-4所示：嚴(yán)零和極比較性檢洲形成12+A/Ar-C沖分r11-CAC310+0,-A9-A.CSCCrBVDD17 j點(diǎn)匸附圖4-4 TC787原理框圖由圖可見：在它的內(nèi)部集成了三個(gè)過零和極性檢測單元、三個(gè)鋸齒 波形成單元、三個(gè)比較器

19、、一個(gè)脈沖發(fā)生器、一個(gè)抗干擾鎖定電路、一 個(gè)脈沖形成電路、一個(gè)脈沖分配及驅(qū)動電路。引腳18、I、2分別為三相同步電壓 Va、Vb、Vc輸人端。引腳16、15和14分別為產(chǎn)生相對于A、B和C三相同步電壓的鋸齒 波充電電容連接端。電容值大小決定了移相鋸齒波的斜率和幅值。引腳13為觸發(fā)脈沖寬度調(diào)節(jié)電容 Cx，該電容的容量決定著TC787 輸出脈沖的寬度，電容的容量越大，輸出脈沖寬度越寬。引腳5為輸出脈沖禁止端，該端用來在故障狀態(tài)下封鎖TC787的輸出，高電平有效。引腳4為移相控制電壓輸入端。該端輸入電壓的咼低，直接決定著TC787輸出脈沖的移相范圍。引腳12、10、8、9、7和11是脈沖輸出端。其中

20、引腳12、10和8 分別控制上半橋臂的A、B、C相晶閘管；引腳9、7和11分別控制下半橋臂的A、B和C相晶閘管。正組晶閘 管觸發(fā)電路原理圖如圖6所示，反組的與正組相同。路。該系列器件具 有單相同步輸入信號和數(shù)字分頻移相120，可適應(yīng)單相、三相觸發(fā)電路。該系列器件既可用于單相、三相半控和全控橋晶閘管整流觸發(fā)和單、 三相交流調(diào)壓反并聯(lián)和雙向晶閘管觸發(fā)，也可用于晶體管類變頻變壓逆 變等控制電路。由于其采用的角度為控制單位，因此可有效防止由頻率 變化而引起的失控和顛覆現(xiàn)象。5 Matlab 仿真5.1電流環(huán)的仿真設(shè)計(jì)校正后電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖經(jīng)過簡化和相關(guān)技術(shù)，在matlab中搭建好系統(tǒng)的模型，如圖5-1 :圖5-1電流環(huán)的仿真模型圖5-2電流環(huán)的仿真結(jié)果5.2轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真設(shè)計(jì)校正后轉(zhuǎn)速環(huán)經(jīng)過化簡和相關(guān)計(jì)算，在matlab中搭建好系統(tǒng)的模型,如圖5-3 :圖5-3轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型圖5-4轉(zhuǎn)速