电气传动课程设计
摘 要
本文所论述的是转速、电流双闭环直流调速系统设计。主电路设计是依据晶闸管-电动机(V —M )系统组成,其系统由整流变压器TR 、晶闸管整流调速装置、平波电抗器L 和电动机-发电机组等组成。整流变压器TR 和晶闸管整流调速装置的功能是将输入的交流电整流后变成直流电;平波电抗器L 的功能是使输出的直流电流更平滑;电动机-发电机组提供三相交流电源。同时,根据双闭环直流调速系统原理图, 分析了转速调节器、电流调节器的作用, 并通过对调节器参数设计, 得到转速和电流的仿真波形。并对得到的波形进行分析。
关键词:双闭环调速系统,转速调节器,电流调节器, 仿真
Abstract Discussed in this paper is speed, the current double closed-loop DC speed system design. Main circuit design is based on the thyristor - Motor (V-M) system components, their system consists of rectifier transformer TR, SCR speed control devices, smoothing reactor L and the motor - generator sets etc.. Rectifier transformer TR and SCR speed device function is the rectified AC input into DC; smoothing reactor L function is to make the output of the DC current is more smooth; motor - generator sets to provide three-phase AC power. Meanwhile, according to pairs of closed-loop DC speed control system schematic diagram, analysis of the speed regulator, current regulator's role, and through the design of the regulator parameters get speed and current simulation waveforms. And received waveform analysis.
Key words: double-loop speed control system, speed regulator,
current regulator,Simulation
一 直流调速系统
1 引 言
直流电动机具有良好的起动、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了广泛的应用。从控制的角度来看,直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础,采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成,控制系统的硬件部分非常复杂,功能单一,而且系统非常不灵活、调试困难,阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异,使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成,为直流电动机的控制提供了更大的灵活性,并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统,可以节约人力资源和降低系统成本,从而有效的提高工作效率。
本设计主电路采用晶闸管三相全控桥整流电路供电方案,控制电路由集成电路实现,系统中有速度调节器、电流调节器、触发器、锁零单元和电流自适应调节器等。
2 系统方案选择和总体结构设计
2.1调速方案的选择
本次设计选用的电动机型号Z2-62型,其具体参数如下表2-1所示
表2-1 Z2-62型电动机具体参数
2.1.1电动机供电方案的选择
变压器调速是直流调速系统用的主要方法,调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种:旋转电流机组,静止可控整流器,直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变流机组简称G-M 系统,适用于调速要求不高,要求可逆运行的系统,但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。静止可控整流器又称V-M 系统,通过调节触发装置GT 的控制电压来移动触发脉冲的相位,即可改变Ud ,从而实现平滑调速,且控制作用快速性能好,提高系
统动态性能。直流斩波器和脉宽调制交换器采用PWM 受器件各量限制,适用于中、小功率的系统。根据本此设计的技术要求和特点选V-M 系统。
在V-M 系统中,调节器给定电压,即可移动触发装置GT 输出脉冲的相位,从而方便的改变整流器的输出,瞬时电压Ud 。由于要求直流电压脉动较小,故采用三相整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求,选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高,因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半,这是三相桥式整流电路的一大优点。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省。而且工作可靠,能耗小,效率高。同时,由于电机的容量较大,又要求电流的脉动小。综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。
2.1.2调速系统方案的选择
由于电机的容量较大,又要求电流的脉动小,故选用三相全控桥式整流电路供电方案。
电动机额定电压为230V ,为保证供电质量,应采用三相减压变压器将电源电压降低。为避免三次谐波电动势的不良影响,三次谐波电流对电源的干扰,主变压器应采用D/Y联结。
因调速精度要求较高,故选用转速负反馈调速系统。采用电流截止负反馈进行限流保护,出现故障电流时由过流继电器切断主电路电源。
为使线路简单,工作可靠,装置体积小,宜选用KJ004组成的六脉冲集成触发电路。
该系统采用减压调速方案,故励磁应保持恒定。励磁绕组采用三相不控桥式整流电路供电,电源可从主变压器二次侧引入。为保证先加励磁后加电枢电压,主接触器主触点应在励磁绕组通电后方可闭合,同时设有弱磁保护环节。
直流调速系统框图如图1所示。
2.2总体结构设计
采用双闭环调速系统,可以近似在电机最大电流(转矩)受限的条件下,充分利用电机的允许过载能力,使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动,到达稳态转速后,又可以让电流迅速降低下来,使转矩马上与负载相平衡,从而转入稳态运行,此时起动电流近似呈方形波,而转速近似是线性增长的,这是在最大电流(转矩)受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。采用转速电流双闭环调速系统,在系统中设置了两个调节器,分别调节转速和电流,二者之间实行串级联接,这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈,而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端,到达稳态转速后,只靠转速负反馈,不靠电流负反馈发挥主要的作用,这样就能够获得良好的静、动态性能。
双闭环调速系统的静特性在负载电流小于I dN 时表现为转速无静差,这时,
转速负反馈起主调作用,系统表现为电流无静差。得到过电流的自动保护。显然静特性优于单闭环系统。在动态性能方面,双闭环系统在起动和升速过程中表现出很快的动态跟随性,在动态抗扰性能上,表现在具有较强的抗负载扰动,抗电网电压扰动。
直流调速系统的框图如图2-1所示:
图2-1 直流双闭环调速系统结构图
3主电路设计与参数计算
3.1整流变压器的设计
3.1.1变压器二次侧电压U2的计算
U 2是一个重要的参数,选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成延迟角α加大,功率因数变坏,整流元件的耐压升高,增加了装置的成本。一般可按下式计算,即: U 2=U d max +nU T
A ε(cosαmin I -CU sh 2) I 2N (3-1)
式中U d max --整流电路输出电压最大值;
nU T --主电路电流回路n 个晶闸管正向压降;
C -- 线路接线方式系数;
U sh --变压器的短路比,对10~100KVA ,U sh =0.05~0.1;
I 2/I 2N --变压器二次实际工作电流与额定之比,应取最大值。
在要求不高场合或近似估算时,可用下式计算,即:
U 2=(1~1. 2)U d (3-2) A εB
式中A--理想情况下,α=0°时整流电压U d 0与二次电压U 2之比,即A=U d 0/U 2;
B--延迟角为α时输出电压Ud 与U d 0之比,即B=U d /U d 0;
ε——电网波动系数;
1~1.2——考虑各种因数的安全系数;根据设计要求,采用公式:
U 2=(1~1. 2)U d (3-3) A εB
由表查得 A=2.34;取ε=0.9;α角考虑10°裕量,则 B=cosα=0.985
U 2=(1~1. 2)230=111~133V 2. 34⨯0. 9⨯0. 985
取U 2=130V。
电压比K=U 1/U 2=398/130=3
3.1.2 一次、二次相电流I1、I2的计算
由表查得 K I 1=0.816, K I 2=0.816
考虑变压器励磁电流得:
I 1=1. 05K I 1I d 0. 816⨯113=1. 05⨯A=32.3A K 3
I 2=K I 2I d =0. 816⨯113A=92.2A
3.1.3变压器容量的计算
S 1=m 1U 1I 1; (3-4) S 2=m 2U 2I 2; (3-5) 1 S =(S 1+S 2) ; (3-6) 2式中m1、m2 --一次侧与二次侧绕组的相数;
由表查得m1=3,m2=3
S 1=m 1U 1I 1=3×380×13.17=15.01 KVA
S 2=m 2U 2I 2=3×122×39.00=14.27KVA
1S =(S 1+S 2) =1/2(15.01+14.27)=14.64 KVA 2取S =45KVA
3.2晶闸管元件的选择
3.2.1 晶闸管的额定电流
选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值I TN 大于实际流过管子电流最大有效值I T [8],即
I TN =1. 57I T (AV ) >I T 或 I T (AV ) >考虑(1.5~2)倍的裕量 I d I T I =T =KI d (3-8) 1. 571. 57I d
I T (AV ) =(1. 5~2) KI d B (3-9) 式中K=I T /(1.57I d )--电流计算系数。
此外,还需注意以下几点:
①当周围环境温度超过+40℃时,应降低元件的额定电流值。
②当元件的冷却条件低于标准要求时,也应降低元件的额定电流值。
③关键、重大设备,电流裕量可适当选大些。
由表查得 K=0.368,考虑1.5~2倍的裕量
I T (AV ) =(1. 5~2) KI d B (3-10)
=(1. 5~2) ⨯0. 368⨯47. 8A
=26. 39~35. 18A
取I T (AV ) =30A。故选晶闸管的型号为KP 30-7。
3.2.2晶闸管的额定电压
晶闸管实际承受的最大峰值电压U TN ,乘以(2~3)倍的安全裕量,参照标准电压等级,即可确定晶闸管的额定电压U TN ,即U TN =(2~3) U m 整流电路形式为三相全控桥,查表得U m =6U 2,则
U TN =(2~3) U m =(2~3) 6U 2=(2~3) ⨯6⨯122V=597. 68~896. 51V (3-7) 取U TN =800V。
3.3晶闸管保护环节的计算
晶闸管有换相方便,无噪音的优点。设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额定电压、额定电流等参数外,还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。正确的保护是晶闸管装置能否可靠地正常运行的关键。
3.3.1过电压保护
以过电压保护的部位来分,有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。
(1)交流侧过电压保护
阻容保护 即在变压器二次侧并联电阻R 和电容C 进行保护。
本系统采用D-Y 连接。S=14.64kvA, U2=122V
Iem 取值:当 S≥10KVA 时,取Iem=4。
14. 64µF=23.61µF C ≥6I em 2=6⨯4⨯103⨯2
耐压≥1.5Um =1.5×122×2=258.8V
选取30µF,耐压258.8V 的CZDJ-2型金属化纸介电容器。取U sh =5V,
U R ≥2. 32
S 2U sh 12225⨯10-3⨯=2. 3⨯Ω=2.6Ω,3Ω I em 14. 644
I c =2πfCU C ⨯10-6 =2π⨯50⨯30⨯122⨯10-6=1.15A
P R ≥(3~4) I R R =(3~4) ⨯1. 152⨯3W=11. 90~15. 87W 2
选取3Ω、14W 的金属膜电阻。 压敏电阻的计算
U 1MA =1. 32U 2 =1. 32⨯122V=224.29V
流通量取5KA 。选MY31-240/5型压敏电阻。允许偏差+10%(264V )。
(2)直流侧过电压保护
直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法,可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性,并且会造成di /dt 加大。因此,一般不采用阻容保护,而只用压敏电阻作过电压保护。
U 1MA =(1. 8~2. 2) U DC =(1.8~2.2) ×230V=414~460V
选MY31-440/5型压敏电阻。允许偏差+10%(484V )。
(3)闸管及整流二极管两端的过电压保护
查下表:
表3-1 阻容保护的数值一般根据经验选定
抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值U m 的1.1~1.15倍。
由上表得C=0.5µF,R=10Ω,
电容耐压≥1.5U m =1. 5⨯6U 2=1.5×6×122=448.26V
选C 为0.2µF 的CZJD-2型金属化纸介质电容器, 耐压为450V 。
P R =fCU m ⨯10-6=50⨯0. 2⨯(3⨯122) 2⨯10-6W=0.45W 2
选R 为40Ω普通金属膜电阻器,RJ-0.5。
3.3.2 过电流保护
本系统采用电流截止反馈环节作限流保护外,还没有与元件串联的快速熔断器作过载与短路保护,用过电流继电器切断故障电流。
(1)快速熔断器的选择 接有电抗器的三相全控桥电路,通过晶闸管电流有效值I T =Id /1.732=47.8A/1.732=27.6A,故选用RLS-50的熔断器,熔体电流为50A 。
2)过电流继电器的选择 根据负载电流为47.8A ,可选用吸引线圈电流为100A 的JL14-11ZS 型手动复位直流过电流继电器,整流电流可取1.2547.8A 60A 。
3.4平波电抗器的计算
为了使直流负载得到平滑的直流电流,通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗器L d ,称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知的,因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。
(1)算出电流连续的临界电感量L 1可用下式计算,单位mH 。 L 1=K 1U 2 (3-11) I d min
式中K 1为与整流电路形式有关的系数,可由表查得;
I dim in 为最小负载电流,常取电动机额定电流的5%~10%计算。
根据本电路形式查得K 1=0.695所以
I dim in =0.05I d =0.05×47.8A=2.39A
L 1=K 1U 2122=0. 695⨯mH=35.48mH I d min 2. 39
(2)限制输出电流脉动的临界电感量L 2
由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的,因此输出电流波形也是脉动的。该脉动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。通常负载需要的只是直流分量,对电动机负载来说,过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加,引起过热。因此,应在直流侧串入平波电抗器,用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量L 2(单位为m H)可用下式计算 L 2=K 2U 2 (3-12) S i I d
式中K 2-系数,与整流电路形式有关,S i -电流最大允许脉动系数,通常三相电路S i ≤(5~10)%。
根据本电路形式查得K 2=1.045, 所以
L 2=K 2U 2122=1. 045⨯=26.67mH 10%⨯47. 8S i I d
(3)电动机电感量L D 和变压器漏电感量L T
电动机电感量L D (单位为mH )可按下式计算 L D =K d U D ⨯103 (3-13) 2pnI D
式中 U D 、I D 、n -直流电动机电压、电流和转速,常用额定值代入; p -电动机的磁极对数;K D -计算系数。一般无补偿电动机取8~12,快速无补偿电动机取6~8,有补偿电动机取5~6。本设计中取K D =8、U D =230V、I D =47.8A、n=1450r/min、p=1
L D =K d U D 230⨯103=8⨯⨯103 mH =13.27mH 2⨯1⨯1450⨯47. 82pnI D
变压器漏电感量L T (单位为mH )可按下式计算 U sh U 2 L T =K T (3-14) 100I D
式中K T -计算系数,查表可得
U sh -变压器的短路比,一般取5%~10%。
本设计中取K T =3.2、U sh =0.05
0. 05122 mH =0.004mH ⨯10047. 8(4)实际串入平波电抗器的电感量 所以L T =3. 2⨯
考虑输出电流连续时的实际电感量:
L d 1=max (L 2, L 1)-(L D +2L T ) =22. 202 mH (3-15)
(5) 电枢回路总电感:
L ∑=L d 1+L D +2L T =22.202+13.27+2×0.004 mH =35.48mH
3.5励磁电路元件的选择
整流二极管耐压与主电路晶闸管相同,故取700V 。额定电流(取=0)可查
得K=0.367,
I D (AV ) =(1. 5~2) KI L =(1.5~2) ×0.367×1.6A=0.88~1.2A
可选用ZP 型3A 、700V 的二极管。
R
为与电动机配套的磁场变阻器,用来调节励磁电流。
为实现弱磁保护,在磁场回路中串入了欠电流继电器KA ,动作电流通过
R 调整。根据额定励磁电流直流欠电流继电器。
3.6 继电器-接触器控制电路设计
为使电路工作更可靠,总电路由自动开关引入,由于变压器一次侧电流
I 1 56A 13.17A ,故可选CM1-100H 型断路器,其脱扣额定电流为85A 。
=1.6A,可选用吸引线圈电流为2.5A 的JL14-11ZQ
用交流接触器来控制主电路通断,由于I 2=172A 39.00A ,故可选. 在励磁回路中,串联吸引线圈电流为2.5A 的JL14-11ZQ 直流欠电流继电器,吸引电流可在3/10~65/100范围内调节,释放电流在1/10~2/10范围内调节。
选用AL18-22Y 型按扭,启动按扭用绿色,并带有工作指示灯,停止按扭用红色。选用XDX2型红色指示灯。
图3—1主电路图电路
4 触发电路选择
选用集成六脉冲触发器电路模块,其电路如电气原理总图所示。
从产品目录中查得晶闸管的触发电流为I GT <250mA, 触发电压
V GT
*U nm =αn m ax =0. 007⨯1450=10. 15V
,
*U im =βI dm =0. 05⨯47. 8=0. 24V ,
U c =
C e n +I d R 0. 129⨯1450+47. 8⨯0. 9
=V=5.75V。
K s 40
因为U c =5.75V,V GT
K G =
U c 5. 75=≈2. 15 V GT 3
取3:1。设触发电路的触发电流为250mA ,则脉冲变压器的一次侧电流只需大于250/3=83.3mA即可。这里选用3DG12B 作为脉冲功率放大管,其极限参数
BV CEO =45V , I cm =300mA .
触发电路需要三个互差120°,且与主电路三个电压U 、V 、W 同相的同步电压,故要设计一个三相同步变压器。这里用三个单相变压器接成三相变压器组来代替,并联成DY
型。同步电压二次侧取30V ,一次侧直接与电网连接,电压为380V, 变压比为380/30=12.7。
5 双闭环的动态设计和校验
5.1电流调节器的设计和校验 (1)确定时间常数
已知T s =0. 0017s ,T oi =0. 002s ,所以电流环小时间常数
T ∑i =T s +T oi =0.0017+0.002=0.0037S。
(2)选择电流调节器的结构 因为电流超调量
σi ≤5%,并保证稳态电流无静差,可按典型系统设计电流
调节器电流环控制对象是双惯性型的,故可用PI 型电流调节器
W ACR (s )=
K i (τi +1)τi s 。
(3)电流调节器参数计算:
电流调节器超前时间常数T i =T l =0.0133s,又因为设计要求电流超调量
σi ≤5%,查得有K I ⋅T ∑i =0.5,所以K I =
K i =
0. 50. 5
==135. 1S -1,所以ACR 的T ∑i 0. 0037
比例系数
K I ⋅R ⋅τi 135. 1⨯0. 0133⨯0. 6
≈1. 078
K s ⋅β=40⨯0. 05。
(4)校验近似条件
电流环截止频率W ci =K I =135.1S 。
晶闸管整流装置传递函数的近似条件:
11==196. 1S -1 > W ci ,满足条件。 3T s 3⨯0. 0017
-1
忽略反电动势变化对电流环动态影响条件:
3
11
=3⨯≈19. 18S -1
T m ⋅T l 1. 84⨯0. 0133
,满足条件。
电流环小时间常数近似处理条件:
111⋅=1=180. 8S -1>W ci
3T s ⋅T i 30. 0017⨯0. 002,满足条件。
(5) 计算调节器的电阻和电容
取运算放大器的
C i =
R 0
=40k Ω,有
R i =K i ⋅R 0
=1.078⨯40=43.12k Ω,取45k Ω,
τi
R i
=
4T 0. 01334⨯0. 002
≈0. 296μF C oi =oi ==0. 2μF 45k ΩR 040k Ω,取0.3μF ,,W ACR (s )=
K i (τi +1)1. 078⨯(0. 0133s +1)
τi s 0. 0133s =,其结构图如下所示:
取0.2μF 。故
图5—1电流调节器 5.2 转速调节器的设计和校验 (1) 确定时间常数: 有K I ⋅T ∑i =0. 5, 则
1
=2T ∑i =2⨯0. 0037s =0. 0074s ,已知转速环滤波时间K I
常数T on =0.01s,故转速环小时间常数T ∑n =
(2)选择转速调节器结构:
按设计要求,选用PI 调节器
1
+T on =0. 0074+0. 01=0. 0174s 。 K I
W ASR (s )=
K n (τn s +1)
τn ⋅s
(3)计算转速调节器参数:
按跟随和抗干扰性能较好原则,取h=4,则ASR 的超前时间常数为:
τn =hT ∑n =4⨯0. 0174=0. 0696s ,
转速环开环增益 K N =ASR
的
比
h +15
==516. 1s -1。 2222
2h T ∑n 2⨯4⨯0. 0174
例系数为:
K n =
(h +1)βC e ⋅T m
2h αRT ∑n
=
5⨯0. 05⨯0. 115⨯1. 84
=90. 483。
2⨯4⨯0. 007⨯0. 6⨯0. 0174
(4)检验近似条件 转速环截止频率为W cn =
K N
=K N ⋅τn =516. 1⨯0. 0696=35. 92。 W 1
1K I 1135. 1
==63. 7s -1>W cn ,满足条件。
3T ∑i 30. 0037
1K I 1135. 1
==38. 7s -1>W cn ,满
3T on 30. 01
电流环传递函数简化条件为
转速环小时间常数近似处理条件为:足近似条件。
(5)计算调节器电阻和电容:
取R 0=40k Ω,则R n =K n ⋅R 0=90. 483⨯40=3619. 32k Ω,取3700k Ω。
C n =
τn
R n
=
0. 0696
=0. 0188μF ,取0.02μF
3700k Ω
C on =
4⨯0. 01
=1μF ,取1μF 。
40k AΩ
故W ASR (s )=
K n (τn s +1)90. 483⨯(0. 0696s +1)
=。其结构图如下:
τn ⋅s 0. 0696s
图5—2 转速调节器
校核转速超调量:由h=4,查得σn =43. 6%>10%,不满足设计要求,应使ASR 退饱和重计算σn 。设理想空载z=0,h=4时,查得
∆C max σ=77.5%,所以n =2
C b
(
∆C max C b
152⨯0. 6
∆n T
)(λ-z )*N ⋅∑n =2⨯77. 5%⨯1. 5⨯=0. 0165=1. 2%
T m n 1450
满足设计要求.
6.3 反馈电路参数的选择与计算
本设计中的反馈电路有转速反馈和电流截止负反馈两个环节,电路图见主电路。
6.3.1测速发电机的选择
*
=αn m ax =0. 007⨯1450=10. 15V ,因为U nm 故这里可选用ZYS-14A 型永磁直流
测速发电机。它的主要参数见下表。
取负载电阻R G =2K Ω,P=2W的电位器,测速发电机与主电动机同轴连接。 6.3.2 电流截止反馈环节的选择
选用LEM 模块LA100-S 电流传感器作为检测元件,其参数为:额定电流100A ,
匝数比1:1000,额定输出电流为0.1A 。选测量电阻R M =47Ω, ,P=1W的绕线电位器。
负载电流为1.21.2
I N
I N
时。让电流截止环节起作用,此时LA100-S 的输出电流为
/1000=1.2×152/1000=0.184A,输出电压为47×0.25=11.75V,再考虑一
定的余量,可选用1N4240A 型的稳压管作为比较电压,其额定值为10V 。
8 系统MATLAB 仿真
本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件MATLAB ,使用MATLAB 对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种,一是以控制系统的传递函数为基础,使用MATLAB 的Simulink 工具箱对其进行计算机仿真研究。另外一种是面向控制系统电气原理结构图,使用Power System工具箱进行调速系统仿真的新方法。本次系统仿真采用后一种方法。
8.1 系统的建模与参数设置
转速、电流双闭环直流调速系统的主电路模型主要由交流电源、同步脉冲触发器、晶闸管直流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。采用面向电气原理结构图方法构成的双闭环系统仿真模型如图8-1所示。
图8-1 转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型
转速、电流双闭环系统的控制电路包括:给定环节、ASR 、ACR 、限幅器、偏置电路、反相器、电流反馈环、速度反馈环等,因为在本次设计中单片机代替了控制电路绝大多数的器件,所以在此直接给出各部分的参数,各部分参数设置参考前几章各部分的参数。本系统选择的仿真算法为ode23tb ,仿真Start time设为0,Stop time设为2.5。
8.2 系统仿真结果的输出及结果分析面分析一下仿真的结果。
当建模和参数设置完成后,即可开始进行仿真。图8-2是双闭环直流调速系统的电流和转速曲线。从仿真结果可以看出,它非常接近于理论分析的波形。下
图8.2双闭环直流调速系统的电流和转速曲线
启动过程的第一阶段是电流上升阶段,突加给定电压,ASR 的输入很大,其输出很快达到限幅值,电流也很快上升,接近其最大值。第二阶段,ASR 饱和,转速环相当于开环状态,系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统,电流基本上保持不变,拖动系统恒加速,转速线形增长。第三阶段,当转速达到给定值后。转速调节器的给定与反馈电压平衡,输入偏差为零,但是由于积分作用,其输出还很大,所以出现超调。转速超调后,ASR 输入端出现负偏差电压,使它退出饱和状态,进入线性调节阶段,使转速保持恒定,实际仿真结果基本上反映了这一点。由于在本系统中,单片机系统代替了控制电路的绝大多数控制器件,所以各项数据处理和调整都是在单片机内完成的,控制效果要好于本次的仿真结果。
二 交流调速系统
9 交-交变频调速系统建模与仿真
(一)交-交变频调速原理
将电网工频交流电直接变为另一种频率和电压的交流电,称为直接变频,也称为交-交变频。采用晶闸管元件作开关器件,利用交流电网电压反向关断处于导通状态的晶闸管,晶闸管按相控方式工作,则可实现相控的交流-交流直接变频、变压,其特点是输出电压的频率只能低于输入交流电源的频率,只能实现降频变换,这种直接变频又称为周波变换器或循环变化器。如在矿井提升机、大型轧机等设备需要低速大容量的晶闸管交交变频调速系统作驱动装置。
(二)逻辑切换装置DLC 封装
在逻辑无环流系统中,DLC 是核心装置,其任务是:在正组晶闸管桥工作时开放正组脉冲,封装反组脉冲;在反组晶闸管桥工作时开放反组脉冲,封锁正组脉冲。
9.2.1电平检测器的建模
电平检测包括给定电流极性鉴别器和零电流鉴别器,它将给定电流信号极性U i *和零电流检测信号U i 0转成数字量供后续电路使用,在MTALAB 建模时,可利
用Simulink 的非线性模块库中继电器元件实现。
9.2.2逻辑判断电路的建模
逻辑判断电路根据可逆系统正反向运动要求,经逻辑运算后发出逻辑切换指令,封锁原工作组,开放另一组。逻辑要求如下:
9.2.3延时电路模块建模
在逻辑半段电路发出切换指令后,必须经过封锁延时T=3ms才能封锁原导通组脉冲,在经过开放延时T=7ms后才能开放另一组脉冲。数字逻辑电路的DLC 装置中是在与门前加二极管及电容来实现延时。利用Simulink 工具箱中的微分元件、传递延迟元件、数据转化元件、乘法元件,按功能连接,即可得到满足系统延时要求的仿真模型结构。如下图所示。
图9-1 DLC模型及仿真测试结果
(三)逻辑无环流单相交-交变频器的建模及仿真
单相交-交变频器仿真模型结构如下图所示,仿真参数:负载电阻1Ω、负载电感20x10-3 H; 工频三相对称交流电源:A 、B 、C 幅值100V ;正弦调制波幅值30、频率10Hz 。
图9-2. 逻辑无环流单相交-交变频器的建模及仿真结果
(四)异步电动机交-交变频器调速系统的建模与仿真
仿真参数:工频三相对称交流电源:A 、B 、C 幅值100V ;异步电动参数U=220V、f=50Hz、R=0.435Ω,其他默认值。三相交交变频器输出频率为5Hz 和10Hz 时异步电动机定子三相电流、转速波形。
图9-3. 系统建模与测试仿真波形
总结
为期两周的电气传动课程设计结束了,这次我的课题是直流部分的“不可逆直流调速系统”以及交流部分的“交-交变频调速系统的建模与仿真”刚开始确实不怎么有头绪,在老师细心的指导下和同学们的帮助下,如期完成了设计任务,这期间感触颇多。
刚接触这个题目时仅仅只有一个感性的认识,后来通过查阅资料,渐渐地有了一个思路。接下来就是方案论证了。这期间我有了几套方案,经过老师的审核和同学们的讨论,最后确定了这个最终的方案。本以为方案论证的完成就成功了一半,但是在实际过程中,总会遇到各种问题。包括各种基本电路芯片的选择匹配问题,模型的建立,因为以前这方面的经验比较缺乏,所以很困难,只能去请教老师和其他有经验的学长,在他们的帮助下,我自己也到处查资料,模型终于建立起来了。。两周时间很快就过去了,这期间我学会了很多东西,对于调速控制系统的认识也有了一个升华。由于时间与器材的关系,未能做出实物。但瞻望未来,此文可为将来从事相关工作打下基础。
感谢胡老师和王老师的悉心指导和同学们的帮助,正是因为你们的奉献,我才顺利的完成了本次课程设计。
参考文献
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10、电工手册