拖动控制系统课程设计.doc
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1、课 程 设 计 任 务 书课程名称: 拖动控制系统课程设计 学 院: 船舶和机电工程学院 专 业: 电气工程及其自动化 班 级: 学 号: 姓 名: 学 期: 2017-2018-1 17 / 24课程设计任务书2017 2018 学年 第 1 学期学院 船舶和机电工程学院 班级 A14电气 专业 电气工程及其自动化 学生姓名(学号)课程名称拖动控制系统课程设计设计题目双闭环不可逆直流调速系统设计完成期限自 2017年 9 月 24 日至 2017 年 9 月 30 日 共 1 周设计依据1. 该调速系统能进行平滑的速度调节,负载电机不可逆运行,具有较宽的转速调速范围(D10),系统在工作范围
2、内能稳定工作;2. 系统静特性良好,无静差(静差率S2%);3. 动态性能指标:转速超调量 n8%,电流超调量i5%,动态最大转速降n810%,调速系统的过渡过程时间(调节时间)ts1s;4. 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续;5. 调速系统中设置有过电压、过电流等保护,并且有制动措施。6. 电力电子变流电路采用晶闸管构成的三相可控整流电路。第十三组:晶闸管整流装置:Rrec=0.2,Ks=70。系统总电阻R=0.8,Tm=0.47S。负载电机额定数据:PN=44kW,UN=480V,IN=90A,nN=1600r/min,Ra=0.3,1.7。设计要求及主要内容1. 根据题目的技术
3、要求,分析论证并确定主电路的结构形式和闭环调速系统的组成,画出系统组成的原理框图。2. 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算(包括整流变压器、电力电子器件、平波电抗器和保护电路等)。3. 驱动控制电路的选型设计(模拟触发电路、集成触发电路、数字触发电路均可)。4. 动态设计计算:根据技术要求,对系统进行动态校正,确定ASR调节器和ACR调节器的结构形式及进行参数计算,使调速系统工作稳定,并满足动态性能指标的要求。5. 绘制VM双闭环直流不可逆调速系统电气原理总图(要求用计算机绘图)。(建立传递函数方框图),并研究参数变化时对直流电机动态性能的影响。6. 运用MATLAB/Simulink对所
4、设计的系统进行仿真。7. 整理设计数据资料,课程设计总结,撰写设计计算说明书。参考资料1. 陈伯时主编。电力拖动自动控制系统运动控制系统(第4版)北京:机械出版社,2010. 12. 机械工程手册、电机工程手册编辑委员会,电机工程手册第九卷自动控制系统,机械工业出版社,19823. 朱仁初、万伯任,电力拖动系统设计手册,机械工业出版社。指导教师签字苏玉香日期2017.9.23 课 程 设 计 报 告 书课 程名称: 拖动控制系统课程设计 班 级: 学 号: 姓 名: 学 期: 2017-2018-1 摘要随着社会生产力的大力发展,电力传动装置在工业生产中被广泛应用,其中,直流调速系统因其调速范
5、围广、稳定性好、静差率小以及良好的动态性能而被广泛应用于拖动技术领域当中。本次设计利用直流电机、电力电子器件等设计了一个转速、电流双闭环不可逆V-M 直流调速系统。系统中设置了电流、转速检测环节和电流、转速调节器,构成了电流环和转速环,分别通过对电流和转速的检测及反馈来保持转速稳定,最终消除转速偏差,从而使系统处于稳定状态。在系统起动时,转速外环饱和不起作用,电流内环起主要作用,调节起动电流保持最大值,使转速线性变化,迅速达到给定值;稳态运行时,转速负反馈外环起主要作用,使转速随给定电压的变化而变化,电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。并通过Simulink进行系统仿真,分析
6、双闭环直流调速系统的特性。关键词:V-M直流调速系统 转速、电流调节器 Simulink仿真目录1、整体方案设计11.1、主要内容11.2、设计数据11.3、技术要求11.4、指导思想12、设计原理及方案论证12.1、设计原理12.2、方案选择33、 各部分电路设计33.1、主电路33.2、闭环调速系统43.3、整流变压器63.3.1、次级电压U263.3.2、次级电流I2和变压器容量73.4、晶闸管的参数计算73.4.1、晶闸管的额定电压UTN73.4.2、晶闸管的额定电流IN73.5、平波电抗器和保护电路73.5.1、平波电抗器电感量计算73.5.2、保护电路的设计83.6、驱动控制电路1
7、04、双闭环调速系统调节器的动态设计114.1、电流调节器114.2、转速调节器135、 系统仿真166、 结果分析17参考文献171、整体方案设计 本课题旨在通过利用MATLAB/Simulink仿真平台对直流双闭环调速系统的理论设计进行仿真,通过参数调节验证V-M双闭环直流不可逆调速系统的动态性能。1.1、主要内容(1)根据题目的技术要求,分析论证并确定主电路的结构形式和闭环调速系统的组成,画出系统组成的原理框图。(2)调速系统主电路元部件的确定及其参数计算(包括整流变压器、电力电子器件、平波电抗器和保护电路等)。(3)驱动控制电路的选型设计(模拟触发电路、集成触发电路、数字触发电路均可)
8、。(4)动态设计计算:根据技术要求,对系统进行动态校正,确定ASR调节器和ACR调节器的结构形式及进行参数计算,使调速系统工作稳定,并满足动态性能指标的要求。(5)绘制VM双闭环直流不可逆调速系统电气原理总图(要求用计算机绘图)。(建立传递函数方框图),并研究参数变化时对直流电机动态性能的影响。(6)运用MATLAB/Simulink对所设计的系统进行仿真。1.2、设计数据晶闸管整流装置:Rrec=0.2,Ks=70。系统总电阻R0.8 Tm=0.47S。负载电机额定数据:PN44kW,UN=480V,IN=90A,nN=1600r/min,Ra=0.3,1.7。1.3、技术要求(1)该调速系
9、统能进行平滑的速度调节,负载电机不可逆运行,具有较宽的转速调速范围(D10),系统在工作范围内能稳定工作;(2)系统静特性良好,无静差(静差率S2%);(3)动态性能指标:转速超调量 n8%,电流超调量i5%,动态最大转速降n810%,调速系统的过渡过程时间(调节时间)ts1s;(4)系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续;(5)调速系统中设置有过电压、过电流等保护,并且有制动措施。(6)电力电子变流电路采用晶闸管构成的三相可控整流电路。1.4、指导思想较之转速负反馈和PI调节的单闭环调速系统,V-M双闭环调节系统的动态性能更加优越,转速负反馈和电流负反馈的串级连接可使转速和电流两种负反馈
10、分别起作用,可以按照需求来控制动态过程中的电流或转矩。这样,增设了电流内环之后,对于电网电压波动也能有效抑制,系统的抗扰性能就大有改善,在实际应用中也更加安全可靠。2、设计原理及方案论证2.1、设计原理对于经常正、反转运行的调速系统,缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。在起动(或制动)过渡过程中,希望始终保持电流(电磁转矩)为允许的最大值,使调速系统以最大的加(减)速度运行。当到达稳态转速时,最好使电流立即降下来,使电磁转矩和负载转矩相平衡,从而迅速转入稳态运行。 图2-1 理想的快速启动过程图2-4 双闭环调速系统的动态结构图为了使转速和电流两种负反馈分别起作用,可在系统中设置两个
11、调节器,分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流,二者之间实行嵌套连接。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。形成了转速、电流反馈控制直流调速系统(简称双闭环系统)。图2-2 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图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 Ui-电流反馈电压 Un-转速反馈电压转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大值,电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压,当调节器饱和
12、时,输出达到限幅值,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;当调节器不饱和时,PI调节器工作在线性调节状态,其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。对于静特性来说,只有转速调节器饱和和不饱和两种情况,电流调节器不进入饱和状态 。图2-3 双闭环调速系统的稳态结构图-转速反馈系数 -电流反馈系数2.2、方案选择本设计的整流装置采用三相桥式电路,直流侧串有平波电抗器,作为电动机负载电源。利用控制角的大小可有效的调节转速,并在直流电路侧安置了保护装置,保证各元件能安全工作,同时由于使用了闭环控制,使得整个调速系统具有良好的动态性能和稳态性能。而对于经常正反转运行的调速系统,在启动
13、过程中,希望始终保持电流为允许的最大值,是调速系统以最大的加(减)速度运行。当到达稳态转速时,最好使电流立即降下来,使电磁转矩和负载转矩相平衡,从而迅速转入稳态运行。在系统中为了尽快缩短过渡时间,希望能够充分利用晶闸管元件和电动机所允许的过载能力,使起动的电流保护在最大允许值上,电动机输出最大转矩,从而转速可直线迅速上升,使过渡过程的时间大大缩短。另一方面,在一个调节器输出端综合几个信号,各个参数互相调节比较困难。故而采用转速、电流双环直流调速系统,而系统中的转速和电流两个调节器的设计采用调节器工程设计方法,较之经典控制理论的动态校正方法,更显计算简单、应用方便、容易掌握。3、 各部分电路设计
14、3.1、主电路直流电动机应用调压调速可以获得良好的调速性能,采用可控晶闸管组成整流器的V-M系统,通过调节触发装置GT得控制电压Uc来移动触发脉冲的相位,改变可控整流器平均输出电流电压Ud,从而实现电动机的平滑调速。在理想情况下,Ud=KsUc(Ks为晶闸管整流器放大系数)。图3-1-1 晶闸管整流器-电动机调速系统原理图三相全控桥整流电路是目前应用最广泛的整流电路,其输出电压波动小,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。把该电路应用于本设计,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3-1-2 三相桥式全控整流电路对于带电阻负载时的工作情况,三相全控
15、整流电路有以下特点: 1)每个时刻均需两个晶闸管同时导通(不同相),形成向负载供电的回路;2)六个晶闸管的脉冲按序相位依次相差60,共阴(阳)极组相差120,同相上下桥臂脉冲相差180;3)整流输出电压Ud一周期脉动六次,每次波形一样;4)通常有宽脉冲触发、双脉冲触发两种方法来保证同时导通的两个晶闸管均有脉冲,以确保在整流电路合闸启动过程中或电流断续时能正常工作。图3-1-3 主电路原理图3.2、闭环调速系统为了使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,分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流,二者之间实行嵌套连接。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
16、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。形成了转速、电流反馈控制直流调速系统(简称双闭环系统)。图3-2-1 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图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 Ui-电流反馈电压 Un-转速反馈电压转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大值,电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压,当调节器饱和时,输出达到限幅值,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;当调节器不饱和时,PI调节器工作在线性调节状
17、态,其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。对于静特性来说,只有转速调节器饱和和不饱和两种情况,电流调节器不进入饱和状态 。图3-2-2 双闭环调速系统的稳态结构图-转速反馈系数 -电流反馈系数对于静特性来说,有以下两种情况:(1) 转速调节器不饱和此情况下,稳态时,两个调节器输入偏差都是零。因此 (2) 转速调节器饱和此时系统相当于电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时 在稳态工作点上,转速n是由给定电压Un*决定的,ASR的输出量Ui*是有负载电流IdL决定的,而控制电压Uc的大小则同时取决于n和Id。这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。P调节器的输出量总是正比于其输入量,而PI调节
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