yuwei逻辑无环流直流可逆调速系统建模与仿真

课程设计任务书

学生姓名：余威专业班级：自动化0805班

指导教师：饶浩彬工作单位：自动化学院

题目: 逻辑无环流直流可逆调速系统建模与仿真

初始条件：

1．技术数据及技术指标：

直流电动机：P N=27KW, U N=220V , I N=136A , n N=1500r/min ,

最大允许电流I dbl=1.5I N,

三相全控整流装置：K s=40 ,

电枢回路总电阻R=0. 5Ω，

电动势系数：C e= 0.132V.min/r

系统主电路：T m=0.18s ，T l=0.03s

滤波时间常数：T oi=0.002s , T on=0.01s,

其他参数：U nm*=10V ,U im*=10V , U cm=10V

σi≤5% , σn≤10%

要求完成的主要任务:

1．技术要求：

(1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽的调速范围

（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作

(2) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续

2．设计内容：

(1) 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图

(2) 根据双闭环直流调速系统原理图, 分析转速调节器和电流调节器的作用,

(3) 通过对调节器参数设计, 得到转速和电流的仿真波形，并由仿真波形通过MATLAB 来进行调节器的参数调节。

(4) 绘制逻辑无环流直流可逆调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图）

(5) 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书

时间安排：

课程设计时间为一周半，共分为三个阶段：

（1）复习有关知识，查阅有关资料，确定设计方案。约占总时间的20% （2）根据技术指标及技术要求，完成设计计算。约占总时间的40% （3）完成设计和文档整理。约占总时间的40%

指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日

目录

摘要 (1)

1设计条件及任务 (2)

1.1 初始条件 (2)

2系统结构设计 (3)

2.1 方案论证 (3)

2.2系统主电路设计 (3)

2.3主电路参数设计 (4)

4调节器的设计 (6)

4.1电流调节器设计 (6)

4.1.1确定电流调节器时间常数 (6)

4.1.3校验近似条件 (7)

4.1.4计算调节器电阻和电容 (8)

4.2速度调节器设计 (8)

4.2.1确定转速调节器时间常数 (8)

4.2.2选择转速调节器结构 (9)

4.2.3校验近似条件 (9)

5系统建模与仿真 (11)

5.1建立仿真模型 (11)

5.2仿真模型运行 (13)

5.2.1空载时仿真图形 (13)

5.2.2满载时仿真波形 (14)

小结与体会 (15)

参考文献 (16)

附图 (17)

摘要

逻辑无环流直流可逆调速系统主电路由正桥及反桥反正并联组成，这种线路有能实现可逆运行、回馈制动等优点，但也会产生环流。为保证系统安全，必须消除其中的环流。所谓逻辑无环流系统就是在一组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使该组晶闸管完全处于阻断状态，从根本上切断环流通路。这种系统不仅能实现逻辑无环流可逆调速，还能实现回馈制动。本课设对逻辑无环流直流可逆调速系统进行了设计并对转速调节器与电流调节器进行了建模与仿真。

关键词：逻辑无环流转速调节器电流调节器建模仿真

逻辑无环流直流可逆调速系统

建模与仿真

1设计条件及任务

1.1 初始条件

1．技术数据及技术指标：

直流电动机：P N=27KW, U N=220V , I N=136A , n N=1500r/min ,

最大允许电流I dbl=1.5I N,

三相全控整流装置：K s=40 ,

电枢回路总电阻R=0. 5Ω，

电动势系数：C e= 0.132V.min/r

系统主电路：T m=0.18s ，T l=0.03s

滤波时间常数：T oi=0.002s , T on=0.01s,

其他参数：U nm*=10V ,U im*=10V , U cm=10V

σi≤5% , σn≤10%

1.2 设计任务:

1．技术要求：

(1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽的调速范围（D ≥10），系统在工作范围内能稳定工作

(2) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续

2．设计内容：

(1) 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图

(2) 根据双闭环直流调速系统原理图, 分析转速调节器和电流调节器的作用,

(3) 通过对调节器参数设计, 得到转速和电流的仿真波形，并由仿真波形通过MATLAB 来进行调节器的参数调节。

(4) 绘制逻辑无环流直流可逆调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图）

2系统结构设计

2.1 方案论证

在可逆调速系统中，电动机最基本的要素就是能改变旋转方向。而要改变电动机的旋转方向有两种办法：一种是改变电动机电枢电压的极性，第二种是改变励磁磁通的方向。对于大容量的系统，从生产角度出发，往往采用既没有直流平均环流，又没有瞬时脉动环流的无环流可逆系统，无环流可逆系统省去了环流电抗器，没有了附加的环流损耗，和有环流系统相比，因换流失败造成的事故率大为降低。因此，逻辑无环流可逆调速系统在生产中被广泛运用。

2.2系统主电路设计

逻辑无环流可逆直流调速系统的主电路如下图3所示:

图2-1 逻辑无环流可逆直流调速系统主电路

两组桥在任何时刻只有一组投入工作（另一组关断），所以在两组桥之间就不会存在环流。但当两组桥之间需要切换时，不能简单的把原来工作着的一组桥的触发脉冲立即封锁，而同时把原来封锁着的一组桥立即开通，因为已经导通的晶闸管并不能在触发脉冲取消的一瞬间立即被关断，必须待晶闸管承受反压时才能关断。如果对两组桥的触发脉冲的封锁和开放同时进行，原先导通的那组桥不能立即关断，而原先封锁着的那组

桥已经开通，出现两组桥同时导通的情况，因没有环流电抗器，将会产生很大的短路电流，把晶闸管烧毁。为此首先应是已导通的的晶闸管断流，要妥当处理主回路中的电感储存的一部分能量回馈给电网，其余部分消耗在电机上，直到储存的能量释放完，主回路电流变为零，使原晶闸管恢复阻断能力，随后再开通原来封锁着的那组桥的晶闸管，使其触发导通。

2.3主电路参数设计

U d =2.34U 2cos α

U d =U N =220V, 取α=0° U 2=V U d 0171.9434

.2220

0cos 34.2==

I dmin =(5%-10%)I N ,这里取10% 则

L=0.6932min 0.69394.0171 4.790.1136

d U mH I ??

==? r V r V n U N nm min 0067.0min

150010?===*α

100.0491.5136

im dbl U V A I β*===?

晶闸管参数计算：

对于三相桥式整流电路，晶闸管电流的有效值为：

d d VT I I I I 577.03

1

2==

= 则晶闸管的额定电流为：

()0.3680.36813650.0481.57

VT

VT AV d I I I A =

==?= 取1.5~2倍的安全裕量，()90VT AV I A =

由于电流连续，因此晶闸管最大正反向峰值电压均为变压器二次线电压峰值，即：

22.45 2.4594.0171230.34FM RM U U U V ===?=

取2~3倍的安全裕量，V U VT 600=

3调节器作用分析

3.1调节器结构

逻辑无环流可逆直流调速系统的原理框图如下图3-1所示：

图3-1逻辑无环流可逆直流调速系统原理框图

3.2转速调节器的作用

根据双闭环直流调速系统的原理图分析，转速调节器在双闭环直流调速系统中的作用可归纳如下：

1）转速调节器是调速系统的主导调剂器，它使转速n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。

2）对负载变化起抗扰作用。

3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。

3.3电流调节器的作用

1 ）作为内环的调节器，在转速外环的调解过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。

2 ）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。

3 ）在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。

4 ）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。

4调节器的设计

4.1电流调节器设计

4.1.1确定电流调节器时间常数

（1）、整流装置滞后时间常数Ts ： 三相桥式电路平均失控时间Ts = 0.0017s 。 （2）、电流滤波时间常数Toi ：

三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms ，为了基本滤平波头应有（1~2）Toi = 3.33s 。则Toi=0.002s

（3）、电流小时间常数i T ∑：

按小时间常数近似处理：s T T T oi s i 0037.0=+=∑

4.1.2选择电流调节器结构

采用含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI 型电流调节器，其原理图如图4-1所示。图中*i U 为电流给定电压，d I β-为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压c U 。

图4-1 PI 型电流调速器

根据设计要求%5≤i σ，并保证稳态电流无差，可按典型Ⅰ型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI 型电流调节器，其传递函数为：

s

s K s W i i i ACR ττ)

1()(+=

检查对电源电压的抗扰性能：

0.038.110.0037

l i T T ∑== 电流调节器超前时间常数：0.03i l T s τ==

取电流反馈系数：10

0.0491.5136im dbl U V A I β*===?

电流环开环增益：取5.0=∑i I T K ，因此

114.1350037.05

.05.0-∑===

s s

T K i I 于是，ACR 的比例系数为：

135.140.030.5

1.034400.049

I i i s K R K K τβ??=

==? 4.1.3校验近似条件

电流环截止频率：114.135-==s K I ci ω 晶闸管整流装置传递函数的近似条件：

ci s s s

T ω>=?=-11.1960017.031

31，满足近似条件 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：

1113

340.820.180.03ci m l s T T s s

ω-==

ci oi s s s

s T T ω>=?=-18.180002.00017.01

31131，满足近似条件

4.1.4计算调节器电阻和电容

按所用运算放大器取Ω=k R 400，各电阻和电容值为：

0 1.0344041.36i i R K R k k ==?Ω=Ω，取42k Ω

6

3

0.030.71100.714210

i

i i

C F F F R τμ-=

=

=?=?，取0.71F μ F F F R T C oi oi μ2.0102.010

40002.0446

30=?=??==

-，取F μ2.0 4.2速度调节器设计

4.2.1确定转速调节器时间常数

电流环等效时间常数：

s s T K i I

0074.00037.0221

=?==∑ 转速滤波时间常数：0.01on T s =

转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，取

1

0.00740.010.0174n on I

T T s s s K ∑=

+=+= 电压反馈系数：r V r V

n U N nm min 0067.0min

150010?===*α

4.2.2选择转速调节器结构

采用含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI 型转速调节器，其原理图如图4-2所示。图

中*

n U 为转速给定电压，n α-为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电

压*i U

。

图4-2 PI 型转速调节器

按设计要求，选用PI 调节器，其传递函数为：

s

s K s W n n n ASR ττ)

1()(+=

按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR 的超前时间常数为：

s hT n n 087.00174.05=?==∑τ

转速开环增益为：

22222

16

396.42250.0174

N n h K s h T -∑+=

==?? 于是，ASR 的比例系数为：

(1)60.0490.1320.18

11.982250.00670.50.0174

e m n n h C T K h RT βα∑+???=

==????

4.2.3校验近似条件

转速环截止频率为：

11

396.40.08734.5N

cn N n K K s ωτω-=

==?=

电流环传递函数简化条件为：

cn i I s s T K ω>==--∑11

7.630037

.014.1353131，满足近似条件 转速环小时间常数近似处理条件为：

1

111135.1438.75330.01

I cn on K s s T ω--==>，满足近似条件 4.2.4计算调节器的电阻和电容值

按所用运算放大器取Ω=k R 400，则

011.9840479.2n n R K R k k ==?Ω=Ω，取480k Ω

3

0.087

0.181348010

n

n n

C F F R τμ=

=

=?，取F μ2.0 6

30440.0111014010

on on T C F F F R μ-?=

==?=?，取F μ1 4.2.5校核转速超调量

理想空载启动时设z=0，已知数据：5.1=λ，R=0.5Ω，IN=136A ，nN=1500r/min,

Ce=0.132V.min/r,Tm=0.18s,T ∑n=0.0174s 。当h=5时，

b

max

C C ?=81.2%。按退饱和超调量的计算方法计算调速系统空载启动到额定转速时的转速超调量：

n σ=2×81.2%×1.5×(136×0.5/0.132)/1500×(0.0174/0.18)=8.0%≤10%

满足设计要求。

5系统建模与仿真

5.1建立仿真模型

(1)打开模型编辑窗口：通过单击SIMULINK工具栏中新模型的图标或选择File ——New——Modle菜单项实现。

(2)复制相关模块：双击所需子模块库图标，则可以打开它，以选中所需的子模块，拖入模型编辑窗口。

(3)修改模块参数：双击模块图案，则出现关于该图案的对话框，通过修改对话框内容来设定模块的参数。

(4)模块连接：以鼠标左键单击起点模块输出端，拖动鼠标至终点模块输入端，则在两模块间产生→线。当一个信号要分送到不同模块的多个输入端时，需要绘制分支线，通常可把鼠标移到期望的分支线的起点处，按下鼠标的右键，看到光标变为十字后，拖动鼠标直至分支线的终点处，释放鼠标按钮，就完成了分支线的绘制。

如图5-1所示为仿真模型：

图5-1转速环仿真模型

5.2仿真模型运行

5.2.1空载时仿真图形

(1)设置负载电流为0;

(2)启动仿真：点击按钮，仿真启动，双击示波器就可以发现仿真结果如下图

5-2所示：

图5-2 转速环空载高速起动波形图

（3）观察波形可发现ASR调节器经过了不饱和，饱和，退饱和三个阶段，最终稳定与给定转速。电流最终稳定为0A。

5.2.2满载时仿真波形

(1)把负载电流设置为136A，满载启动

(2)按照前面步骤启动模型，波形得到如图5-3所示：

图5-3 满载时波形图

(3)根据图形发现启动时间延长了，退饱和超调量减小了。起动过程的三个阶段都能很清楚的看到。电流最后稳定在额定值。

小结与体会

通过本次课程设计，我对逻辑无环流直流可逆调速系统有了更深入的理解。其中主要包括转速-电流双闭环的设计、逻辑控制器的设计及对转速与电流的建模与仿真，涉及到了电力电子，电力拖动等多学科。

转速-电流双闭环的核心是电流调节器和速度调节器，在确定两个调节器的类型和结构时采用常用的工程设计方法，电流调节器采用典型Ⅰ型系统，计算其基本参数后，校验近似条件，能够满足系统的要求，若不能满足则要重新设计调节器的类型和结构。转速调节器采用典型Ⅱ型系统，和电流调节器一样，计算其基本参数，校验近似条件，能满足系统的要求。通过这个环节设计，我对调节器的参数计算掌握的更牢固。

完成本设计用到了很多电力拖动以外的知识，单用电力拖动书本上的知识是设计不出来的，现在的系统设计都会涉及到多方面的知识，因此学好书本上的基本知识点以后还要做相应的拓展学习，将其他的与之相关的内容联系起来，对开阔我们的知识面有很大的帮助。

通过这次课程设计，我深刻体会到了学好运动控制系统的重要性，在此过程运用到了许多书本知识，有很多不懂的地方，都是通过查阅书本，上网查询或和同学探讨解决的，如果能够深刻体会到课本知识的精髓就会节约大量的时间。

总之，本次课程设计体会颇多，不仅是自己在对所涉及到的知识有了更深的认识外，对自己在动手能力，动脑能力也是有很大的提高。最后感谢学校，感谢指导老师给了我这个锻炼自己的机会！

参考文献

[1]. 陈伯时主编.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社,2003

[2]. 杨荫福.电力电子装置及系统.北京：清华大学出版社,2006

[3]. 王兆安.电力电子技术.北京：机械工业出版社,2007

[4]. 漆汉宏. PLC电气控制技术.北京：机械工业出版社，2006

[5]. 康华光.电子技术基础.北京：高等教育出版社,2006

[6]. 马莉. MATLAB数学实验与建模.北京：清华大学出版社,2010

附图

附图电气原理总图