逻辑无环流可逆直流调速系统设计和MATLAB仿真

逻辑无环流可逆直流调速系统设计第1页共36页课程设计（论文）题目：逻辑无环流可逆直流调速系统设计学生姓名：学号：班级:专业：指导教师：2017年6月逻辑无环流可逆直流调速系统设计第2页共36页逻辑无环流可逆直流调速系统设计摘要直流电动机具有良好的起制动性能，易于广泛范围内平滑调速，在需要高性能可控电力拖动的领域中得到广泛的应用。在许多生产机械中，常要求电动机既能正反转，又能快速制动，需要四象限运行的特性，此时一般采用V-M可逆调速系统。在反并联的V-M可逆电路中，在一定的条件下会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称为环流。它增加了电路的损耗，可能导致直流系统的逆变颠覆等问题。因此，最好的办法是消除环流。本论文通过逻辑无环流可逆调速系统的设计实例和MATLAB建模仿真，探讨和研究了逻辑无环流可逆调速系统的参数计算和系统的软硬件设计及其实现。关键词：可逆直流调速系统；逻辑无环流；逻辑控制器；MATLAB仿真逻辑无环流可逆直流调速系统设计第3页共36页目录1绪论………………………………………………………………………………51.1设计的目的和意义……………………………………………………………51.2设计要求及有关数据…………………………………………………………61.3设计任务………………………………………………………………………62系统方案的选择…………………………………………………………………72.1调速方式的选择……………………………………………………………72.2调速系统的主要形式选择…………………………………………………72.3电源电路的选择……………………………………………………………83硬件电路的设计…………………………………………………………………93.1直流电动机的主电路………………………………………………………93.2变压器的选择……………………………………………………………103.2.1变压器变压比和二次电压的计算…………………………………103.2.2变压器变压容量的计算……………………………………………103.3三相桥式全控整流电路的设计…………………………………………113.3.1晶闸管参数的计算………………………………………………113.3.2晶闸管保护措施的电路设计……………………………………123.4平波电抗器电感的计算与选择…………………………………………133.5电机励磁回路设计………………………………………………………154系统动、静态性能的设计………………………………………………………164.1系统的原理与原理框图………………………………………………164.2静态工作电路的设计…………………………………………………174.2.1静态结构框图与静特性…………………………………………174.2.2静态参数的计算…………………………………………………184.3电流环的设计……………………………………………………………194.3.1调节器参数计算…………………………………………………204.3.2调节器实现………………………………………………………204.4转速环的设计……………………………………………………………22逻辑无环流可逆直流调速系统设计第4页共36页4.4.1调节器参数计算…………………………………………………224.4.2调节器实现………………………………………………………224.5逻辑无环流调速系统的起、制动过程分析……………………………224.5.1系统的起动分析……………………………………………………244.5.2系统的制动分析……………………………………………………254.6整个调速系统基于Bode图的动态性能分析……………………………265其他辅助电路设计……………………………………………………………285.1转速检测电路设计…………………………………………………………285.2电流检测电路设计………………………………………………………285.3零电平检测电路设计……………………………………………………295.4逻辑控制器DLC的设计…………………………………………………296系统的MATLAB仿真……………………………………………………………306.1MATLAB（Simulink）的介绍……………………………………………306.2电力系统（PowerSystem）工具箱……………………………………326.3系统模块的建模…………………………………………………………326.3.1电源和6脉冲触发器的建模与封装……………………………326.3.2逻辑控制器的建模与封装………………………………………336.4整个逻辑无环流可逆调速系统的建模…………………………………336.5仿真中所存在的问题……………………………………………………357课程设计总结…………………………………………………………………35参考文献…………………………………………………………………………36逻辑无环流可逆直流调速系统设计第5页共36页1绪论1.1设计的目的和意义许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速的启动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是需要可逆的调速系统。采用两组晶闸管反并联的可逆调速系统解决了电动机的正、反转运行和回馈制动问题，但是，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称做环流。这样的环流对负载无益，只会加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率。换流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。有环流可逆系统虽然具有反向快、过渡平滑等优点，但设置几个环流电抗器终究是个累赘。因此，当工艺过程对系统过度特性的平滑性要求不高时，特别是对于大容量的系统，常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。无环流可逆调速系统可按实现无环流原理的不同而分为两大类：逻辑无环流系统和错位控制无环流系统。而错位无环流系统在目前的生产中应用很少，逻辑无环流系统目前生产中应用最为广泛的可逆系统，当一组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路，这就是逻辑控制的无环流可逆系统，组成逻辑无环流可逆系统的思路是：任何时候只触发一组整流桥，另一组整流桥封锁，完全杜绝了产生环流的可能。至于选择哪一组工作，就看电动机组需要的转矩方向。若需正向电动，应触发正组桥；若需反向电动，就应触发反组桥，可见，触发的选择应决定于电动机转矩的极性，在恒磁通下，就决定于*iU信号。同时还要考虑什么时候封锁原来工作桥的问题，这要看工作桥又没有电流存在，有电流时不应封锁，否则，开放另一组桥时容易造成二桥短路。可见，只要用*iU信号极性和电流“有”、“无”信号可以判定应封锁哪一组桥，开放哪一组桥。基于这种逻辑判断电路的“指挥”下工作的可逆系统称逻辑无环流可逆系统。本论文利用逻辑控制器解决了直流可逆调速系统中的环流问题，减少了不需要的损耗，避免了逆变颠覆问题，使得系统在启制动和运行的过程更加稳定。逻辑无环流可逆直流调速系统设计第6页共36页1.2设计要求及有关数据设计一个转速、电流双闭环无环流控制的可逆晶闸管-电动机直流调速系统，已知直流电动机已知电动机参数为：555,750,760,375/minNNNNPkWUVIAnR，电动势系数1.82.min/eCVr,电枢回路总电阻R=0.14Ω,允许电流过载倍数λ=1.5,触发整流环节的放大倍数Ks=75,电磁时间常数lT=0.031s,机电时间常数mT=0.112s,电流反馈滤波时间常数iT0=0.002s,转速反馈滤波时间常数nT0=0.02s。设调节器输入输出电压**10nmimnmUUUV,调节器输入电阻040Rk。1.3设计任务1.设计指标:稳态无静差，电流超调量i≤5%，空载起动到额定转速时的转速超调量n≤10%。电流调节器已按典型I型系统设计,并取参数KT=0.5。(1)选择转速、电流调节器结构,并计算其参数。(2)计算电流环的截止频率ci和转速环的截止频率cn，并考虑它们是否合理?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,分析逻辑无环流可逆系统起、制动的过程。(3)绘制动态波形，说明在每个阶段中ASR、ACR各起什么作用，VF和VR各处什么状态。(4)绘制双闭环直流调速逻辑无环流可逆调速系统的电气原理总图。逻辑无环流可逆直流调速系统设计第7页共36页2系统方案的选择2.1调速方案的选择调节电动机的转速有三种方法：调节电枢供电电压U、改变电枢回路电阻R和减弱励磁磁通。改变电枢回路电阻R来调速比较简单，控制设备不复杂，但调速范围不大，调速平滑性不高，并且是有级调速。采用弱磁调速优点是在功率较小的励磁电路中进行调节的话，控制方便，能量损耗较小，平滑性较高，但是弱磁调速在额定转速以上调节电动机的maxn不可能太高，它受电动机的机械强度及换向限制。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好，其主要特点是：在整个调速范围内均有较大的硬度，此种方法的调速范围较宽，如采用各种反馈或转速控制系统，调速范围可达几百至几千。改变电阻只能实现有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但是调速范围不大，往往只是配合调压方案，在额定转速以上作小范围的弱磁升速。因此，我选择变压调速。2.2调速系统的主要形式选择采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流dcrI值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速工程必然拖长。许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速的启动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是需要可逆的调速逻辑无环流可逆直流调速系统设计第8页共36页系统。采用两组晶闸管反并联的可逆调速系统解决了电动机的正、反转运行和回馈制动问题。综上所诉，选择双闭环可逆调速系统能得到较好系统性能，以满足要求。2.3电源电路的选择由于电动机的额定参数都比较大，因此，采用三相电源供电线路。一次侧相电压为U1=220V，为了得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，避免3次谐波流入电网。而本系统要求直流电动机可在四象限运行，采用并联的两组三相桥式全控整流电路与直流电动机相接，可保证直流电动机可在四个象限运行。在进行变压器计算之前，应该确定负载要求的直流电压和电流，确定变流设备的主电路接线形式和电网电压。先选择其次级电压有效值U2，U2数值的选择不可过高和过低，如果U2过高会使得设备运行中为保证输出电流电压符合要求而导致控制角过大，使功率因数变小。如果U2过低又会在运行中出现当α=αmin时仍然得不到负载要求的直流电压的现象。通常次级电压，初级和次级电流根据设备的容量，主接线结构和工作方式来定，直流电动机的额定电压高于一次侧电压，因此，需要采用升压变压器。由于有些主接线形式次级电流中含有直流成分，有的又不存在，所以变压器容量的计算见后面的分析。图2.3三相桥式全控整流电路原理图逻辑无环流可逆直流调速系统设计第9页共36页3硬件电路的设计3.1直流电动机的主电路图3.1逻辑无环流可逆直流调速系统的主电路逻辑无环流可逆直流调速系统主电路如图3.1所示，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