双闭环不可逆直流V-M调速系统的设计与仿真

ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY《运动控制系统》大作业双闭环不可逆直流V-M调速系统的设计与仿真院（部）：电子信息与电气工程学院专业班级：自动化学生姓名：学生学号：指导教师：教师职称：2014年 1 月6 日目录1绪论 (4)1.1性质和目的 (4)1.2课程实际的主要任务 (4)1.3基本要求 (4)2.调速的方案选 (6)2.1电动机供电方案的选择 (6)2.2系统的结构选择 (6)2.3确定直流调速系统的总体结构框图 (6)3.主电路的计算 (11)3.1整流变压器计算 (12)3.2晶闸管元件的选择 (13)3.3晶闸管保护环节的计算 (13)3.4平波电抗器计算 (15)4.调速系统控制单元的确定与整定 (16)4.1检测环节 (16)4.2系统的给定电源给定积分器 (17)4.3触发电路的选择与校验 (18)5.双闭环直流调速系统的动态设计 (20)5.1电流调节器的设计 (21)5.2转速调节器的设计 (22)6.系统的调试 (25)7.结论 (26)8.参考文献 (27)双闭环不可逆直流V-M调速系统的设计与仿真摘要：电力拖动自动控制系统是把电能转换成机械能的装置，它被广泛地应用于一般生产机械需要动力的场合，也被广泛应用于精密机械等需要高性能电气传动的设备中，用以控制位置、速度、加速度、压力、张力和转矩等。

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到应用。

晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管—电动机调速系统（简称V-M系统），和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。

而转速、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。

关键词：V-M系统双闭环调速晶闸管直流调速系统一、绪论1.1、性质和目的:《运动控制系统》课程是自动化专业的主要专业与特色课程之一，在学完本课程之后，通过课程设计使学生巩固本课程所学的控制系统基本原理，培养学生综合运用所学知识和技能去分析和解决工程技术问题的能力，建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序和方法。

提高学生的综合计算及撰写科研报告的初步训练能力；理论联系实际和分析、解决问题的能力。

1.2、课程设计的主要任务1.2.1系统各环节选型1、主回路方案确定。

2、控制回路选择：给定器、调节放大器、触发器、稳压电源、电流截止环节，调节器锁零电路、电流、电压检测环节、同步变压器接线方式（须对以上环节画出线路图，说明其原理）。

1.2.2主要电气设备的计算和选择1、整流变压器计算：变压器原副方电压、电流、容量以及联接组别选择。

2、晶闸管整流元件：电压定额、电流定额计算及定额选择。

3、系统各主要保护环节的设计：快速熔断器计算选择、阻容保护计算选择计算。

4、平波电抗器选择计算。

1.2.3系统参数计算1、电流调节器ACR中参数的计算。

2、转速调节器ASR中参数的计算。

3、动态性能指标计算。

1.2.4画出双闭环调速系统电气原理图。

使用A1或A2图纸，并画出动态框图和波德图（在设计说明书中）。

1.3、基本要求1、使学生进一步熟悉和掌握单、双闭环直流调速系统工作原理，了解工程设计的基本方法和步骤。

2、熟练掌握主电路结构选择方法，主电路元器件的选型计算方法。

3、熟练掌握过电压、过电流保护方式的配置及其整定计算。

4、掌握触发电路的选型、设计方法。

5、掌握同步电压相位的选择方法。

6、掌握速度调节器、电流调节器的典型设计方法。

7、掌握电气系统线路图绘制方法。

8、掌握撰写课程设计报告的方法。

二、直流拖动控制系统总体设计2.1电动机供电方案的选择采用晶闸管三相全控桥变流器供电方案（1）给定电机及系统参数KW P N 48=，V U N 230=，A I N 209=，2=λ，min 1450r n N =，Ω=3.0a R主回路总电阻Ω=6.0R系统飞轮惯量2202.58m N GD ∙=系统最大给定电压V U nm 10=*ACR 、ASR 调节器限幅值调到为V 8±（2）性能指标要求：稳态指标：系统无静差动态指标：%5≤i σ；空载起动到额定转速时%10≤n σ。

2.2系统的结构选择直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，而直流调速系统又分为开环调速、单闭环调速和双闭环调速等调速方式。

其中开环调速的静差率不高，且只能实现一定范围内的无极调速；而在单闭环调速系统中只有电流截止负反馈环节时专门用来控制电流的，它不能很理想的控制电流的动态波形，但双闭环控制可解决以上的所有问了题，故本系统采用双闭环调速系统。

2.3确定直流调速系统的总体结构框图（1）双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流。

二者之间实行串级联接，如图2-1所示。

把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE 。

从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。

这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

图2-1 转速、电流双闭环直流调速系统ASR——转速调节器ACR——电流调节器TG——测速发电机TA——电流互感器UPE——电力电子变换器为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图2-2所示。

图2-2 双闭环直流调速系统电路原理图图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。

图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR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。

（2）稳态结构图和静特性为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如图2-3所示。

它可以很方便地根据原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI 调节器就可以了。

分析静特性的关键是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征，一般存在两种状况：饱和——输出达到限幅值，不饱和——输出未达到限幅值。

当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。

当调节器不饱和时，PI 的作用使输入偏差电压∆U 在稳态时总为零。

图2-3 双闭环直流调速系统的稳态结构框图α——转速反馈系数 β——电流反馈系数实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。

因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和和不饱和两种情况。

1.转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此0n n U U n n αα===*d i i I U U β==*由第一个关系式可得0n U n n==*α从而得到图1-5所示静特性的CA 段。

与此同时，由于ASR 不饱和，**<im i U U ，从上述第二个关系式可知dm d I I <。

这就是说，CA 段特性从理想空载状态的Id=0一直延续到Id=Idm ，而Idm 一般都是大于额定电流dN I 的。

这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。

2.转速调节器饱和这时，ASR 输出达到限幅值*im U ，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。

双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。

稳态时dm imd I U I ==β*其中，最大电流Idm 是由设计者选定的，取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。

其所描述的静特性对应于图2-4中的AB 段，它是一条垂直的特性。

这样的下垂特性只适合于0n n <，则*n n U U >，ASR 将退出饱和状态。

图2-4双闭环直流调速系统的静特性双闭环调速系统的静特性在负载电流小于I dm 时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。

当负载电流达到I dm 后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。

这就是采用了两个PI 调节器分别形成内、外两个闭环的效果。

这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统的静特性好。

（3）各变量的稳态工作点和稳态参数计算由图2-4可以看出，双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系0n n U U n n αα===*dL d i i I I U U ββ===*sdL n e s d e s d c K R I U C K R I n C K U U +=+==α*0 上述关系表明，在稳态工作点上，转速n 是由给定电压*n U 决定的；ASR 的输出量*i U 是由负载电流dL I 决定的；而控制电压Uc 的大小则同时取决于n 和Id ，或者说，同时取决于*nU 和dL I 。

这些关系反映了PI 调节器不同于P 调节器的特点。

比例环节的输出量总是正比于其输入量，而PI 调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。

后面需要PI 调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止所以，转速反馈系数为 048.020910*≈==N nm n U α 电流反馈系数为 019.020928*≈⨯==N im I U λβ三、主电路的计算在直流调速系统中，我们采用的是晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统)的原理图如图2-1所示。

它通过调节处罚装置GT的控制电压cU来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压dU，从而实现平滑调速。

与旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都很大提高，而且在技术性能上也显现出较大的优越性。

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，根据晶闸管的特性，可以通过调节控制角α大小来调节电压。

当整流负载容量较大或直流电压脉动较小时应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。

三相整流电路中又分三相半波和全控桥整流电路，因为三相半波整流电路在其变压器的二次侧含有直流分量，故本设计采用了三相全控桥整流电路来供电，该电路是目前应用最广泛的整流电路，输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。

图3-2 主电路原理图三相全控制整流电路由晶闸管VT1、VT3、VT5接成共阴极组，晶闸管VT4、VT6、VT2接成共阳极组，在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电路。