逻辑控制无环流直流可逆调速系统123的仿真Word文档下载推荐.docx

逻辑控制无环流直流可逆调速系统123的仿真Word文档下载推荐.docx

《逻辑控制无环流直流可逆调速系统123的仿真Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《逻辑控制无环流直流可逆调速系统123的仿真Word文档下载推荐.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

5.3系统主要环节的仿真参数19

5.3.1系统主要环节的仿真参数19

5.3.2仿真波形及分析20

逻辑控制无环流直流可逆调速系统的仿真

一引言

本文介绍了逻辑无环流可逆直流调速系统的基本原理及其构成，并对其控制电路进行了计算和设计。

运用了一种基于Matlab的Simulink和PowerSystem工具箱、面向系统电气原理结构图的仿真新方法，实现了转速电流双闭环逻辑无环流直流可逆调速系统的建模与仿真。

重点介绍了无环流逻辑切换装置及其建模，给出了直流可逆调速系统的仿真模型和仿真结果，实验结果表明仿真结果非常接近理论波形，可信度较高。

关键词:

直流电机；

环流；

逻辑无环流可逆调速；

Matlab仿真

二MATLAB的介绍

2.1MATLAB的介绍

MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称。

MATLAB是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。

使用MATLAB，您可以较使用传统的编程语言（如C、C++和Fortran）更快地解决技术计算问题。

MATLAB的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。

此高级语言可用于技术计算此开发环境可对代码、文件和数据进行管理交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题数学函数可用于线性代数、统计、傅立叶分析、筛选、优化以及数值积分等二维和三维图形函数可用于可视化数据。

2.2MATLAB（Sumilink）的介绍

MathWork开发的Sumilink是MATLAB里的重要软件工具之一，其主要的功能是实现动态系统建模、仿真与分析，从而在实际系统制作出来之前，可以预先对系统进行仿真与分析，并可以对系统做适当的实际修正或者按照仿真的最佳效果来调试及整定控制系统的参数，以提高系统的性能，减少系统设计过程中反复修改时间，实现高效率地开发系统的目标。

实际的鼠标操作是用其点击与拖曳功能。

根据实际工程中控制系统的具体构成。

将上述模块库中提供的各种标准模块复制到Simulink的模型窗口“untitled”中，再用Simulink的连线方法连接成一个完整的Simulink动态结构图。

在构建完一个模型以后，可以通过Simulink的菜单或者在MATLAB命令里窗口键入命令来对系统进行仿真机分析其动态特性。

对于使用者而已，菜单方式交互性强，非常方便；

而命令方式对于运行某方面的仿真程序时非常有用的。

其次，Simulink内置有各种分析工具：

多种仿真算法、系统线性化、寻找平衡点等，都是非常先进而使用的。

还有，采用Scop示波器模块与其他的画图模块，可以在仿真进行的同时，就观看到仿真结果。

三无环流可逆调速系统

3.1无环流可逆调速系统简介

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，因此应该予以抑制或消除。

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。

3.2逻辑无环流调速系统主电路和系统控制电路的系统组成

主电路采用两组晶闸管装置反并联线路；

由于没有环流，不用设置环流电抗器；

仍保留平波电抗器Ld，以保证稳定运行时电流波形连续；

控制系统采用典型的转速、电流双闭环方案；

电流环为内环，转速环为外环。

为了实现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，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。

①电流环分设两个电流调节器，1ACR用来控制正组触发装置GTF，2ACR控制反组触发装置GTR。

②速度环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。

③为了保证不出现环流，设置了无环逻辑控制环节DLC，这是系统中的关键环节。

它按照系统的工作状态，指挥系统进行正、反组的自动切换。

3.3逻辑无环流调速系统的原理图

图4.1逻辑控制器调速系统的原理图

（TG：

永磁式直流测速发电机；

DLC：

逻辑控制器；

TA：

三相电流传感器；

ASR：

转速调节器；

Ld：

平波电抗器；

ACR：

电流调节器；

TR：

联接的三相整流变压器；

U：

三相整流桥；

GTR、GTF为正反组晶闸管触发电路；

A:

反相器）

3.4逻辑无环流系统工作原理

逻辑控制无环流可逆调速系统中，采用了两个电流调节器和两套触发装置分别控制正、反组晶闸管。

实际上任何时刻都只有一组晶闸管在工作，另一组由于脉冲被封锁而处于阻断状态，这时它的电流调节器和触发装置都是等待状态。

采用模拟控制时，可以利用电子模拟开关选择一套电流调节器和触发装置工作，另一套装置就可以节省下来了。

（1）正向运行：

当开关S与+10V接通时，Usn的极性为（+），在起动过程中ΔUn=（Usn-Ufn）>

0,使Usi呈（+）极性，设此时逻辑控制器LC发出的控制器Uc1为“1”，正组处于工作状态；

Uc2为“0”，反组处于封锁阻断状态；

并设此时电枢电流Id极性为（+），电动机正转。

系统处于正向运行状态。

（2）反向运行：

当S突然与+10V断开，而与-10V接通，此时Usn极性变号成为（-）极性，而电动机依靠惯性仍在正向运行，因而Usn极性未变仍是负极性；

这样使ΔUn变为数值较大的负电压ΔUn<

0，此电压使速度调节器ASR的输出电压Usi的数值急快下降并变号呈现（-）极性。

这时，随着Usi绝对值的下降，将使Id不断下降（Id=Usi/β），电磁转矩Te下降（Te=KtΦId），电动机转速n下降。

当电流Id下降至零，逻辑控制器LC的输入端同时出现Usi极性变号{（+）→（-）}及Id=0两个信号时，LC将发出逻辑切换指令，使Uc1由“1”变为“0”，正组被封锁阻断；

Uc2由“0”变为“1”，反组开始投入运行。

由于反组开通工作，将使电枢电流反向流动。

电动机的电磁转矩Te也将反向。

由于此时电动机依靠惯性仍在正向转动，这样电磁转矩Te将与转速n反向，形成制动作用，使电动机转速n迅速下降。

这时的电动机成为发电机，通过反组整流桥向电网回馈电能。

此时系统处于回馈制动状态。

随着电动机的转速迅速降至零，并且在已经反了向的电磁转矩的作用下，将开始加速反向运行，这一加速过程一直要到电动机转速升到新的给定值n’、ΔUn=0时为止，系统重新处于平衡状态，此时系统处于反向运行状态。

至此，电动机反向过渡过程完成。

表3.1逻辑无环流可逆调速系统正反组切换指令

给定电压（Usn）

Usn（+）

切

换

处

Usn（-）

|Usn（-）|

速度调节器输出（Usi）

Usi（-）

Usi（+）

电枢电流（Id）

Id（+）Id=0Id（-）

Id（-）Id=0Id（+）

四系统各环节模块的设计

4.1主电路的设计

4.1.1主电路的模型

图4.1系统的主电路

两组晶闸管装置反并联可逆线路（其中还应加入平波电抗器与电动机串联）

4.1.2主电路的组成及其工作原理

（1）V-M系统的可逆线路的分类

根据电机理论，改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电机的旋转方向。

因此，V-M系统的可逆线路有两种方式：

电枢反接可逆线路--电枢反接反向过程快，但需要较大容量的晶闸管装置；

励磁反接可逆线路。

励磁反接反向过程慢，控制相对复杂，但所需晶闸管装置容量小。

本系统采用的是电枢反接可逆接线方案。

（2）本系统的主电路组成及工作原理

系统采用的主电路是两组晶闸管装置反并联可逆线路。

两组晶闸管分别由两套触发装置控制，不允许让两组晶闸管同时处于整流状态，否则将造成电源短路。

本系统采用的是三相桥式反并联可逆线路，可使电动机在四个象限内运转，

工作原理如下：

1.三相桥式反并联线路在任何时候都必须有两个晶闸管导通才能形成导电回路，其中一个是共阴极组的，另一组是共阳极组的。

2.关于触发脉冲的相位，共阴极组的三个晶闸管之间应互差120°

共阳极组的晶闸管之间也应该互差别120°

接在同一相的两管之间互差180°

。

3.为了保证整流桥合闸后共阴极组和共阳极组各有一个晶闸管导通，或者在电流断续后能再次导通，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时给触发脉冲。

4.三相桥输出的是变压器二次线电流的整流电压。

4.2电流调节器设计

4.2.1电流环结构图的简化

图4.3电流环结构图最终简化图

图4.4电流调节器模块

4.2.2电流调节器结构的选择

调节器基本思路:

将控制对象校正成为典型系统。

系统设计的一般原则：

“先内环后外环”

图4.5调节器设计的基本思路

电流超调量δi≤5%，电流环按典型I型系统设计电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器。

●从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用I型系统就够了。

●从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，电流环应以跟随性能为主。

4.2.3电流调节器的参数计算

（1）传递函数可以写成：

（Ki：

电流调节器的比例系数；

i：

电流调节器的超前时间常数。

）

（2）电动机转矩时间常数：

Tm=GD2*R/375CeCm=22.5*0.21/375*0.131*1.25=0.077s

（3）电动机电磁时间常数：

T1=L/R=0.83/0.5=0.076s

（4）三相晶闸管整流电路平均失控时间：

Ts=0.0017s

（5）电流环的小时间常数：

T=Ts+Toi=0.0017+0.002=0.0037s

为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择τi=T1=0.076s。

（6）放大器放大倍数：

Kp=τi*R/2TβKs=0.076*0.5/2*0.0037*0.05*40=2.57

（7）电流调节器的比例系数：

Ki=τi/Kp=0.076/2.57=0.0296

（8）电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。

本系统调节器限幅值Ucm*=±

10V。

4.2.4电流调节器的作用

当负载电流达到Idm后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。

（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，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，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。

（4）当电机过载甚至堵转时，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。

4.3转速调节器设计

4.3.1转速环结构图的简化

图4.6转速环结构图最终简化图

图4.7转速调节器模块

4.3.2转速调节器结构的选择

转速环按典型II型系统设计，并选中频段宽度h=5。

为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型Ⅱ型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。

4.3.3转速调节器的参数计算

（1）τn=h（2T+Ton）=5*（2*0.0037+0.01）=0.087s

（2）Kp2=（h+1）βCeTm/2hαR（2T+Ton）=6*0.05*0.113*0.275/2*5*0.00668*0.0174*（0.4+1.35+0.5）=3.56

（3）Ki2=τn/Kp2=0.087/3.56=0.024

（4）转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值；

它是由负载电流IdL决定。

Idl=24A。

则U*im=In-Idl*λ=136-1.5*24=10V

4.3.4转速调节器的作用

（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，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机允许的最大电流。

（4）双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。

4.4反馈环节设计

4.4.1反馈环节的设定

转速反馈系数：

=Unom*/n=10/1500=0.00667V.min/r（U*nm受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制）

电流反馈系数：

=Uim*/λIn=10/1.5*136=0.05（U*im为ASR的输出限幅值）

滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。

（T0i:

电流反馈滤波时间常数T0n:

转速反馈滤波时间常数）

4.5逻辑控制器设计

4.5.1逻辑控制器模型

图5.10逻辑控制器的模块

4.5.2逻辑控制器的工作原理

逻辑控制器模块DLC是根据控制器的输入来判断输出的逻辑状态。

逻辑控制器有两个输入输出，两个输出信号Ublr和Ublf分别通过触发器来控制是否产生还是封锁触发脉冲，输出信号Ublf和Ublr的状态必须始终保持相反，以保证两组整流器不会同时处于工作状态。

由于电动机的制动和改变转向都需要改变电动机的转矩方向，即电枢电流的方向，在系统控制中电流的方向是由转速调节器输出Ui*的极性来决定的，也就是说Ui*的符号改变是逻辑控制器切换的条件之一。

从a=β配合控制的分析中已经知道，可逆系统的快速制动或反转过程要经历本桥逆变，反馈制动和回馈制动三个阶段。

在本桥逆变阶段电动机电流下降至零，然后才经历反接制动阶段建立反向电流，如果在本桥逆变阶段尚未结束时就关断该整流器，就可能产生逆变失败现象，并损坏整流器，所以在转速调节器的输出Ui*改变极性后，还必须等待电动机原方向电流减小到零后，Ui=0，才能关断原来工作的整流器，而开通原封锁的另一组整流器，因此电枢电流下降为零Ui=0是逻辑切换的条件之二。

只有在Ui*改变极性和Ui=0两个条件满足后，逻辑控制器的输出状态才能改变。

但是逻辑控制器的输入端分别联接转速调节器的输出Ui*和电流的反馈信号Ui。

因电流反馈取自电动机的电枢电流，因此电流信号可以有正向，反向和零三种工作状态，而逻辑控制器仅需要判断电枢电流的有无，因此需增加绝对值计算环节。

控制器输出的整流器切换信号Ublf和Ublr，则分别通过触发模块控制是否输出移相触发脉冲，而此触发模块的block端的要求是逻辑控制器输出的信号为“0”时，则该触发器允许输出脉冲，如果逻辑控制器输出的信号为“1”，则该触发器没有脉冲输出。

4.5.3逻辑控制器的组成

逻辑控制器由以下四部分组成：

1）电平检测

电平检测是将输入的模拟信号（Ui*，Ui）转换为数字信号（UT，UI），转换由两个滞环控制模块实现，转换要求如下：

（1）转换极性检测。

当Ui*>

0时，UT=1，当Ui*<

0时,UT=0；

（2）零电流检测。

当有电流Ui不为零时，UI=0；

当电流为零时，UI不为零；

2）逻辑判断电路

由转速电流闭环控制系统模型主要参数可以得到逻辑控制器输入和输出的逻辑关系表达式为（用与非门实现）：

逻辑判断由与非门YF1~YF4组成，其输入为转矩极性和零电流信号UT，UI；

输出为逻辑切换信号UF，UR；

3）延时电路

逻辑判断电路发出切换指令后还不能立即改变整流器工作状态，因为在检测电流为零时，电枢电流还不一定真正到零，必须延时3ms左右以保证电流真正为零后，才能发出指令使导通的整流器截止，并且为了确保截止的整流器能恢复阻断状态，需开放的整流器也需要延迟一段时间再开放，即开放延时，一般开放延时取7ms左右。

关断延时和开放延时由逻辑控制器中的延时电路产生。

由于延时发生在逻辑判断电路输出UF和UR从“0”变“1”时的上升沿，而信号的下降沿不需要延时。

4）联锁保护

为了保护正反两组整流器不会发生同时开放，逻辑控制器中由与非门YF5~YF7组成了联锁保护电路，YF5和YF6采用与非门是因为输出Ublf和Ublr的电平与触发单元Block端的电平要求一致。

在UF和UR同时为“1”时，两组整流器都关断，避免发生整流器短路故障。

4.5.4DLC输入输出逻辑控制表

表5.1可逆系统各种运行状态时逻辑控制器输入与输出量之间的关系

信号

状态

运行

逻辑控制器输入

逻辑控制器输出

说明

电机转矩Ui*

电枢电流Ui

正整组整流VF

Ublf

反组整流器VR

Ublr

Ui*>

0正向转矩

Ui*<

0反向转矩

Ui=>

0正向电流

Ui<

0反向电流

Ui=0零电流

Ublf=0正组桥工作

Ublf=1正组桥封锁

Ublr=0反组桥工作

Ublr=1反组桥封锁

正向起动零电流

>

正向起动有电流

正向运行有电流

1

正

向

制

动

本桥逆变有电流

<

本桥逆变零电流

他桥逆变有电流

反向起动零电流

反向起动有电流反向运行有电流

反

它桥逆变有电流

表4.2逻辑控制器真值

表4-1逻辑真值表[5]

UT

UI

五逻辑无环流可逆调速系统的建模

5.2.1电力系统（PowerSystem）工具箱

电力系统工具箱以Simulink为运行环境，涵盖了电工学科中常用的基本元件库。

它由电源、基本元件、电力电子、电机、连接件、测量等6个模块库组成，根据需要可以组合封装出常用的更为复杂的模块，添加到有关模块库中。

Matlab6．0以上版本还有附加模块库，其控制子模块库中有6脉冲触发器、三相子模块库中有晶闸管三相全控桥模块、附加电机子模块库中有直流电机模块，如图4-1所示。

图4-16脉冲触发器、晶闸管全控桥、直流电机模块符号

5.2.2逻辑无环流可逆调速系统主电路的建模

组成逻辑无环流可逆调速系统的主要子模块包括：

三相交流电源、反并联的晶闸管三相全控整流桥、同步电源与6脉冲触发器、速度和电流调节器ASR及ACR、逻辑切换装置DLC、直流电动机。

除了延时电路和逻辑切换装置DLC模块需要自己封装外，其余均可从有关模块库中直接复制。

系统主电路采用两组整流器反并联方案，系统的控制电路有转速调节器，电流调节器，逻辑控制器等组成，且两组整流器分别由两个电流调节器控制，其中反组整流器VR的电流调节器ACR2输入经过了倒相器，以确保两组整流器的控制角α=β。

两组整流器的工作或封锁由逻辑控制器控制。

5.2.3逻辑控制器DLC封装

逻辑无环流可逆调速系统通常采用典型的转速电流双闭环系统结构，关键是设置了一套无环流逻辑切换装置（DLC）。

逻辑控制器模块DLC是根据控制器输入来判断输出的逻辑状态的。

设计的逻辑控制器如图3-3所示。

逻辑控制器由电平检测、逻辑判断、延时电路和联锁保护等四个环节组成。

图3-3下方的是封装后的逻辑控制器图标。

图4-3逻辑控制器

（1）电平检测

电平检测是将输入的模拟信号（Ui*、Ui）转换为数字信号（UT、UI），转换由两个滞环控制模块（Relay）实现，转换的要求如下：

①转矩极性检测。

当Ui*>

0时，UT=1；

当Ui<

0时，UT=0。

②零电流检测。

当有电流即Ui≠0时，UI=0；

当电流为零（Ui=0）时，UI=1。

表3-2逻辑真值表[5]

在滞环控制模块（Relay）的设置如图4-4所示。

a）转矩极性检测b）零电流检测

图5-4电平检测对话框

（2）逻辑判断电路

按表3-1可以得到逻辑控制器输入和输出的逻辑关系表达式为（用与非门实现）

（4-1）

（4-2）

逻辑判断电路由与非门YF1~YF4（见图4-3）组成，其输入为转矩极性和零电流信号UT、UI；

输出为逻辑切换信号UF、UR。

（3）延时电路

逻辑判断电路发出切换指令后还不能立即改变整流器工作状态，因为在检测到电流为零时，电枢电流还不一定真正到零，必须延迟3ms（关断延时