双闭环直流调速控制系统设计.docx

《双闭环直流调速控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《双闭环直流调速控制系统设计.docx（28页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、摘要通过对双闭环直流调速控制系统的分析，本设计决定采用品闸管电动机调速系统进行电机控制。首先需要根据设计要求确定出调速方案和主电路的结构胆式，实际设计中常采用双闭环控制系统，电流环作为控制系统的内环并选用典型I型系统，转速环作为控制系统的外环并选用典型H型系统，从而使电动机满足所要求的静态和动态性能指标.然后按照确定时间常数、选择调节器结构、计算调节器参数、校验近似条件的步骤逐步实现对直流调节器的具体设计。最后，用Mat1.ab软件时完整的设计系统进行模拟仿真,得到仿真波形。关键词：双闭环：直流调速器；控制系统；品闸管第1章绪论三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。苜先实现了整流器的更

2、新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高弟成化、小型化、高可钻性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高,应用范围不断扩大。直流周速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高粘度的电气传动领域中仍然难以杵代。如今，直流电机周速系统在现代化工业生产中已经得到广泛应用。针对直流电机周速的方法也很多，目前国内外也研究了一些调速的控制器。例如已经用于实际生产的直流电机无极电子调速控制器采用国际先进的IGBT大功率模块器件和独特自行设计的PWM微电子控制技术,以及节能反馈

3、电路和丰富的保护功能控制电路。适用于无轨机车、矿山井下窄轨机车、磨床、木工机械、服装制作、纺织、造纸印刷等场所。控制器具有调速平稳，安全可聿，提高生产效率：直流电机正反转控制简便：可以与计算机连接控制等特点。直流电动机有三种调速方法，分别是改变电枢供电电压、励磁磁通和电枢回路电阻来调速。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压方式为最好，调压调速是调速系统的主要调速方式。1.1 研究背景及意义直流电机的调速控制的装置已经发生了很大的变化，第一，在完成了整流器更换，采用品间管蒸锚的设备代替了之前一直用的直流式发电机的电动机组以及水银式的设备使得整个直流传动的设备发生了天翻地费的

4、变化。第二，在由于科学技术的创新，现在已经基本实现高度集成化，小型化以及可靠性极高的设备。以上的技术创新，使得现在直流式调速控制系统的性能指标已经发生了很大变化，应川的空间和范围在不断的变大。直流式调速控制设备经过不断发展变化，已经逐步走向了成熟化的过程，在可以改变脉冲宽度调速的过程中已经变成了现在难以取代的位置.现在，直流式电动调速设备已经在现代的工厂中广泛的使用，在直流式设备中的调试方法也很多，现在我们经常也在研究一些调速的设备，比如已经用于实际生产的直流式电机设备，采用先进的设备和技术，进行控制电路和保护设备“主要应用在机车、服装设计等场所。该控制设备的调试时平稳并且安全可靠，这就是我们

5、常用的直流式电机设备，可以将电机设备有效控制。这时于需要将无极稳定调试控制在一定范围内，将电枢电压控制到最好，调试时达到最理想的状态。1.2 研究现状(D国内现状及发展趋势从七卜年代开始，由于晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用。双闭环直流调速系统一般含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等.给定佶号为OIoY直流信号，可对主电路输出电压进行平滑调节。采用双PI调节器，可获得R好的动静态效果“晶闸管一直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟.以及交流电动机的

6、经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍仃广阔的市场,并旦建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流控制的基础。在我们国内,双闭环控制也已经经过了儿十年的发展时期，目前已经基本发展成熟，但是目前的趋势仍是追赶着发达国家的脚步，向着数字化发展。(2)国外现状及发展趋势从80年代中后期起，世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速传动装置直流调速已经发展到一个很高的技术水平：功率元件采用可控硅：控制板采用表面安装技术；控制方式采用电源换相、相位控制。特别采用J微机及共他先进技术，使数字式直流调速装置具有很高的精度、良好的控制性能和强大的抗干扰能力，

7、在国内外受到广泛的应用。目前，发达国家应用的先进电气调速系统几乎完全实现了数字化，双闭环控制系统已经普遍的应用到了各类仪器仪表，机械重工业以及轻工业的生产过程中。随着全球科技日新月异的发展，双闭环控制系统的总的发展趋势也向着控制的数字化、智能化和网络化发展。13研究内容本文通过对研尢背景及意义，以及现状进行分析，第二章对其应用的主要技术进行研究，主要技术仃电力电子技术以及脉宽调制技术。在第三章中对直流调速系统的主电路进行设计，第四章中对双间环直流调速系统的控制理论进行分析。最后对其仿真系统及通知其环节进行设计工作。第2章课题中应用的主要技术1. 1电力电子技术电力电子技术是现代交流调速装置的支

8、柱，共发展直接决定和影响交流调速技术的发展。迄今为止，电力电子器件的发展经历了分立换流关断器件（第一代）一自关断器件（第二代）一功率集成电路PIC（第三代）一智能模块IPM（第四代）四个阶段。20世纪80年代中期以前，变频装置功率回路主要采用晶间管元件。装置的效率、可靠性、成本、体积均无法与同容量的直流调速装置相比。20世纪80年代中期以后用笫二代电力电子器件GTR、GTO、VDMOS-IGBT等创造的变频装置在性能与价格比上可以与直流调速装置相媲美。班着向大电流、高电压、高频化、集成化、模块化方向继续发展，第三代电力电子器件是20世纪90年代制造变频器的主流产品，中、小功率的变频调速装设（1

9、-10OkW）主要是采用【GBT.中、大功率的变频周速装置（100O-100Ookw）采用GTO器件。20世纪90年代至今，电力电子器件的发展进入了第四代。主要实用的第四代器件为：（1）高压IGBT器件，（2）IGCT,由于GTR、GTO器件本身存在的不可克服的缺陷，功率器件进入笫三代以来，GTR器件已被淘汰不再使用。进入第四代后，GTO器件也将被逐步淘汰。第四代电力电子潺件模块化更为成熟。如智能化模块IPM,专用功率器件模块ASPM等。模块化功率器件将是21世纪主宰落件。需要指出的是，以上所述的全控型开关功率器件主要应用于异步电动机变顼调速系统中。但是目前同步电动机变频调速系统中仍采川晶闸管

10、，我原因也是众所周知的。一代电力电子器件带来一代变领调速装置，性价比一代高过一代。在人类社会进入信息化时代后，电力电子技术连同电力传动控制与计算机技术一起仍是21世纪最重要的两大技术。电压或电流中的谐波分量，从而降低或消除了变频调速时电机的转矩脉动，提高了电机的工作效率，扩大了调速系统的调速范用。2. 2脉宽调制技术脉宽调制（PWM）技术种类很多，并且正在不断发展之中。基本上可分为四类.即等宽PWM法、正弦PWM法（SPWM）、磁链追踪型PWM法及电流眼踪型PWM法。PWV技术的应用克服了相控原理的所有弊端，使交流电动机定子得到了接近正弦波形的电压和电流，提高了电机的功率因数和输出功率，现代P

11、WM生成电路大多采用具有高度输出口HSO的单片机（如80196）及数字信号处理器DSPfDigitaISigna1.PrOCeSSOr）,通过软件编程生成PWM。近年来，新型全数字化专用PWM生成芯片HEF4752、S1.E4520、MA818等达到实用化，并已实际应用。直流调速器是一种电机调速装芭.包括电机直流调速器、脉宽直流调速器、可控硅直流调速器等，一般为模块式直流电机调速器，集电源、控制、动电路于一体，采用立体结构布局，控制电路采用微功耗元件，用光电耦合器实现电流、电压的隔离变换，电路的比例常数、积分常数和微分常数用PID适配器调整。具有体积小、揖量轻等特点，可单独使用也可直接安装在直

12、流电机上构成一体化直流调速电机，可具有调速器所应有的一切功能。现有调速产品调查：6RA70调速系统西门子S1.MoREGK6RA23/24系列全数字直流调速产品，自在中国市场推出以来，得到了广大用户的认同.最新推出的S1.MoREGDCMaster6RA70系列全数字直流调速产品，在6RA24产品的基础上更具有以下特点：1）单台装置输出额定电枢电流：15A-3OOOA.额定励磁电流：3A-85A。装置并联后输出额定电枢电流可达120O0A2）输入电压分为6个等级：400V460V575V/690V/830V/950V。3）强大的通讯能力。有Simo1.ink高速直接的装置-装置通讯,还可支持P

13、RoFIBUS、CAN-BUS,USS协议等。4）所有工艺板、通讯板都可与新一代的SIMoVERTMASTERDRIVES矢量控制交流调速产品通用。6RA70的应用：6RA70SIMOREGDCMASTER系列整流器为全数字紧凑型整流器，输入为三相电源，可向变速直流驱动用的电枢和励疏供电，额定电枢电流从15A至3000A。紧凑至整流器可以并联使用，提供高至120OOA的电流，励磁电路可以提供最大85A的电流.6RA70工作方式：所有的开环和闭环驱动控制及通讯功能由两台功能强大的微处理器实现，驱动控制功能可以通过参数，将软件所提供的程序块“连接”来实现。铭牌上规定的额定直流电流（连续直流电流），

14、在倒我等级1.可以过我到180%,过载允许的持续时间由各个整流器而定。微处理器周期地计算功率部份电流的n值，以确保品间管在过我运行时不被损坏。整流器可自动适应电源频率范围为45Hz-65Hz（电枢和励磁互不相关）。工作在扩大的频率范围23HZ-UoHZ需询问。第3章直流调速系统的主电路设计3. 1晶闸管-电动机直流调速系统主电路设计是电力电子装段中，起到能量变换和传递作用的部分.主电路的明显特征：高电压、大电流。3.1.1主电路拓扑结构图三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源，再经过直流PwM变换器得到可调的直流电压，给直流电动机供电。检测回路包括电压、电流、温度和转速检测，转速枪

15、测用数字测速。微机控制具备故障检测功能，对电压、电流、温度等信号进行实时监测和报警。一般选用专为电机控制设计的单片微机，配以显示、键盘等外围电路，通过通信接口与上位机或其他外设交换数据.VFVR119”尹图3.1两组品闸管可控整流装芭反并联可逆线路3.1.2电力电子器件选型步骤步骤如下：1）根据主电路的结构，计算电力电子器件承受的最高电压、最大电流的仃效值。2）按照工程化方法计算电力电子器件的额定电压和额定电流。3）根据应用的具体场合，是否需要选择特殊类型的电力电子器件，如：快恢复等。4）确定电力电子器件的封装形式：螺栓型、模块式等。5）选择生产厂商，确定具体型号。二极管、晶闸管额定电流和电压

16、的计算，二极管、晶闸管的额定电流按照通态平均电流定义。.（.52）t,av,-1.57-v,Iy:流过器件的最大电流有效值。UN=（2-3）UM二极管只能承受反向电压，晶闸管既可承受正向电压也可承受反向电压。UM:器件承受的最高电压瞬时值3.1.3选择功率器件的标准D耐压等级。因为大多数IGBT模块工作在交流电网通过单相或三相整流后的直流母线电压下，所以通常IGBT模块的工作电压（600V、1200V、1700V）均对应于常用电网的电压等级。考虑到过载，电网波动，开关过程引起的电压尖峰等因素，通常电力电子设备选择IGBT器件耐压都是直流母线电压的一倍。2）电流等级。在电力电子设备中，选择IGBT时，通常是先计算通过IGBT模块的电流值，然后根据电力电子设备的特点，考虑到过我、电网波动、开关尖峰等因素考虑一倍的安全余量来选择相应的IGBT