双闭环直流可逆有环流调速系统

1、武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计摘 要许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。双闭环可逆直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。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。但如果对系统的动态性能要求

2、较高，例如要求起制动、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。本文对直流双闭环有环流可逆系统进行了分析与设计，得到其控制电路、主电路和保护电路的结构，并利用MATLAB进行仿真，对结果进行了验证，得到了与理论基本相同的结果。关键词：直流调速系统 速度调节器 电流调节器 负反馈 目 录1 直流调速系统的调速原理及性能指标11.1 直流调速系统的调速原理11.2 直流调速系统的性能指标11.2.1静态性能指标21.2.2 动态性能指标32 直流双闭环有环流调速系统的理论分析52.1 双闭环直流调速系统的组成及其静特性5

3、2.1.1双闭环直流调速系统的组成52.1.2 双闭环直流调速系统的静特性分析62.2有环流可逆V-M系统原理图63 转速调节器ASR及电流调节器ACR的设计73.1双闭环直流调速系统两个调节器的作用73.2 电流调节器ACR的设计83.3 转速调节器ASR的设计103.3.1 电流环的简化103.3.2 转速调节器设计114 转速反馈和电流反馈电路设计134.1 转速反馈电路的设计134.2 电流反馈电路的设计135 集成触发电路设计145.1 配合控制145.2 集成触发电路156 主电路及其保护电路设计166.1 主电路设计166.2 保护电路176.2.1 过电流保护176.2.2 过

4、电压保护电路177 MATLAB仿真18小结与体会20参考文献21附录22直流双闭环有环流可逆调速系统设计1 直流调速系统的调速原理及性能指标1.1 直流调速系统的调速原理直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广范围内平滑调速，所以由晶闸管直流电动机(VM)组成的直流调速系统是目前应用较普遍的一种电力传动自动化控制系统。它在理论上实践上都比较成熟，而且从闭环控制的角度看，它又是交流调速系统的基础。直流电动机的转速和其它参量的关系用式（11）表示 （11）式中 n电动机转速；U电枢供电电压； I电枢电流； R电枢回路总电阻，单位为 由电机机构决定的电势系数。在上式中， 是常数，电流I是由负载决

5、定的，因此，调节电动机的转速可以有三种方法：（1）调节电枢供电电压U；（2）减弱励磁磁通；（3）改变电枢回路电阻R。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最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱励磁磁通虽然能够平滑调速，但调速的范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上做小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以改变电压调速为主。1.2 直流调速系统的性能指标根据各类典型生产机械对调速系统提出的要求，一般可以概括为静态和动态调速指标。静态调速指标要求电力传动自动控制系统能在最高转速和最低转速范围内调节转速，并且要求在不同转速下工作时，速度稳定；动

6、态调速指标要求系统启动、制动快而平稳，并且具有良好的抗扰动能力。抗扰动性是指系统稳定在某一转速上运行时，应尽量不受负载变化以及电源电压波动等因素的影响。1.2.1静态性能指标1）调速范围 生产机械要求电动机在额定负载运行时，提供的最高转速与最低转速之比，称为调速范围，用符号D表示 （12）2）静差率静差率是用来表示负载转矩变化时，转速变化的程度，用系数s来表示。具体是指电动机稳定工作时，在一条机械特性线上，电动机的负载由理想空载增加到额定值时，对应的转速降落与理想空载转速之比，用百分数表示为 （13）显然，机械特性硬度越大，机械特性硬度越大，越小，静差率就越小，转速的稳定度就越高。然而静差率和

7、机械特性硬度又是有区别的。两条相互平行的直线性机械特性的静差率是不同的。对于图11中的线1和线2，它们有相同的转速降落=，但由于，因此。这表明平行机械特性低速时静差率较大，转速的相对稳定性就越差。在1000r/min时降落10r/min，只占1%；在100r/min时也降落10r/min，就占10%；如果只有10r/min，再降落10r/min时，电动机就停止转动，转速全都降落完了。由图11可见，对一个调速系统来说，如果能满足最低转速运行的静差率s，那么，其它转速的静差率也必然都能满足。 图11事实上，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。一个调速系统的调速范围，是指

8、在最低速时还能满足所提静差率要求的转速可调范围。脱离了对静差率的要求。任何调速系统都可以得到极高的调速范围；反过来，脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了。1.2.2 动态性能指标自动控制系统的动态性能指标包括对给定信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。一、跟随性能指标在给定信号（或称参考输入信号）R(t)的作用下，系统输出量C(t)的变化情况可用跟随性能指标来描述。当给定信号表示方式不同时，输出响应也不一样。通常以输出量的初始值为零，给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，这时的动态响应又称为阶跃响应。一般希望在阶跃响应中输出量c(t)与其稳态值的偏差越小越好，

9、达到的时间越快越好。常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间，超调量和调节时间：1）上升时间在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值所经过的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性，见图12。图122）超调量 在典型的阶跃响应跟随系统中，输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量： （14）超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。 3）调节时间调节时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个调节过程的快慢。原则上它应该是从给定量阶跃变化起到输出量完全稳定下来为止的时间。对于线性控制系统来说，理论上要到才真正稳定，但是实际系统由

10、于存在非线性等因素并不是这样。因此，一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，取的范围作为允许误差带，以响应曲线达到并不再超出该误差带所需的最短时间定义为调节时间，见图12。二、抗扰性能指标一般是以系统稳定运行中，突加负载的阶跃扰动后的动态过程作为典型的抗扰过程，并由此定义抗扰动态性能指标，见图13。常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间： 1）动态降落系统稳定运行时，突加一定数值的扰动（如额定负载扰动）后引起转速的最大降落值叫做动态降落，用输出量原稳态值的百分数来表示。输出量在动态降落后逐渐恢复，达到新的稳态值是系统在该扰动作用下的稳态降落。动态降落一般都大于稳态降落（即静差）。调速系统突加额定负载扰

11、动时的动态降落称作动态降落。 2）恢复时间从阶跃扰动作用开始，到输出量基本上恢复稳态，距新稳态值之差进入某基准量的范围之内所需的时间，定义为恢复时间，其中称为抗扰指标中输出量的基准值。实际系统中对于各种动态指标的要求各有不同，要根据生产机械的具体要求而定。一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主。图1-32 直流双闭环有环流调速系统的理论分析2.1 双闭环直流调速系统的组成及其静特性2.1.1双闭环直流调速系统的组成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。两者之间实行嵌套连接，如图21所示。把转速调节器的输出当作

12、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UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。图2-1转速、电流双闭环直流调速系统2.1.2 双闭环直流调速系统的静特性分析图2-2双闭环直流调速系统的稳态结构框图分析静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征，一般使存在两种状况：饱和输出达到限幅值，不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，换句话说，饱和的 调节器暂时隔断了输入和输出的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压

13、U在稳态时总为零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。2.2有环流可逆V-M系统原理图主电路由两组三相桥式晶闸管装置反并联的可逆线路，控制电路采用典型的转速、电流双闭环，转速调节器ASR和电流调节器ACR都设置了双向输出限幅，以限制最大制动电流和最小控制角与最小逆变角。根据可逆系统正反向运行的需要，给定电压Un，电流反馈电压Ui都应该能反映正和负的极性。图2-3中的电流互感器TA采用霍尔变换器可以满足这一要求。 直流平均环流可以用配合控制消除，而瞬时脉动环流却是自然存在的。为了抑制瞬时脉动环流，课在环流回路中串入电抗器

14、，环路电抗器，如图2-3中的Lc1、Lc2、Lc3和Lc4。环流电抗器的大小可以按照瞬时环流的直流分量限制在负载额定电流的5%-10%来设计。Ld为平波电抗器，用于减少电动机电枢电流的脉动，减少电枢电流的断续区，改善电动机的机械特性，在流过较大的负载电流时，环流电抗器会饱和，而Ld体积大，可以不饱和，从而发挥滤平电流波形的作用。为了确保两组整流器的工作状态相反，电流调节器的输出分两路，一路经正组桥触发器GTF控制正组桥整流器，另一组经反相器AR、反组桥GTR控制反组桥整流器。电动机正常运行时，一组晶闸管装置处于整流状态，另一组晶闸管装置处于“待逆变状态”电动机若需要制动，整流组晶闸管进入“待整

15、流状态”，待逆变组晶闸管真正开始逆变，电动机回馈电能，配合控制时，只有一组晶闸管装置投入使用，另一组处于等待工作状态。系统的组成图有以下特点： 主电路采用两组晶闸管反并联连接（也可采用交叉连接），因为有二条并联的环流通路，所以要用四个环流电抗器。由于环流电抗器流过较大的负载电流饱和。因此在电枢回路中还要另设一个体积较大的平波电抗器Ld。 控制线路采用典型的转速、电流双闭环系统， ASR、 ACR都设置了双向输出限幅，限制、。Uct=-Uct满足。给定电压应有正负极性，由继电器KF和KR来切换。可逆，所以转速和电流方向可变，转速和电流检测也要反映相应极性。图2-3 有环流可逆V-M系统原理图3

16、转速调节器ASR及电流调节器ACR的设计3.1双闭环直流调速系统两个调节器的作用1）转速调节器的作用使转速n跟随给定电压变化，当偏差电压为零时，实现稳态无静差；对负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定允许的最大电流。2)电流调节器的作用在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压变化；对电网电压波动起及时抗扰作用；起动时保证获得允许的最大电流，使系统获得最大加速度起动；当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起大快速的安全保护作用。当故障消失时，系统能够自动恢复正常。3.2 电流调节器ACR的设计电流环的动态结构图简化框图如图3-1所示。根据设计要求电流超调量，并保证稳态电流无静差，可按典型

17、I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性的，采用PI型调节器，传递函数可写成：式中 Ki 电流调节器的比例系数； ti 电流调节器的超前时间常数。图3-1电流环结构图图中（1） 确定时间常数整流装置滞后时间常数；电流滤波时间常数=0.002 s（三相桥式电路每个波头是时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（12）=3.33ms，因此取=2ms=0.002s）电流环小时间常数之和，按小时间常数近似处理，（2） 选择电流调节器结构根据设计要求：，并保证稳态电流无差，可按典型型设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的,所以把电流调节器设计成PI型的。检查对电源电压的抗扰性能：。各项指标都是

18、可以接受的。（3） 计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数。电流环开环时间增益：要求时，应取，因此于是，ACR的比例系数（4） 校验近似条件电流环截止频率:校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件满足近似条件校验忽略反电动势对电流环影响的条件满足近似条件校验电流环小时间常数近似处理条件满足近似条件（5） 计算调节器电阻和电容含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器的原理图如图3-2所示，按所用运算放大器取，各电阻和电容值计算如下：取40取0.75取0.2图3-2电流调节器的原理图3.3 转速调节器ASR的设计3.3.1 电流环的简化电流环等效环节的输入量为，输出量为，原来是双惯性环节的电流环控制

19、对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。这就表明，电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。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型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。转速环的动态结构经过小惯性的近似处理等效成单位负反馈系统如图3-3所示。电流环在转速环中可等效为：再把时间常数为和的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中则转

20、速还结构图可转化为图3-3所示的简化结构。Ui*(s)/n (s)+-ASRCeTmsRU*n(s)+-IdL (s)Id (s)a /b TSns+1图3-3转速环的动态结构简化框图3.3.2 转速调节器设计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 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。 （1） 确定时间常数电流环等效时间常数。已知取,则转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取转速环小时间常数。按小时间常数近似处理

21、，取（2） 选择转速调节器结构ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为：式中 Kn 转速调节器的比例系数； t n 转速调节器的超前时间常数。（3） 选择调节器的参数取，则ASR的超前时间常数为由此的转速开环增益可求得ASR的比例系数为（4） 校验近似条件转速环截止频率为：电流环传递函数简化条件满足简化条件转速环小时间常数近似处理条件满足简化条件（5） 计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如图3-4所示，取，则取47取2取图3-4转速调节器原理图（6） 校核转速超调量空载起动至额定转速时的转速超调量为：满足性能指标。校正后的系统结构如图3-5所示：n (s)+-U*n(s)a图3-5校正后的转

22、速环4 转速反馈和电流反馈电路设计4.1 转速反馈电路的设计转速反馈电路如图4-1。与电动机同轴安装一台测速发电机，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压，与给定电压相比较后，得到转速偏差电压输送给转速调节器。测速发电机的输出电压不仅表示转速的大小，还包含转速的方向，测速电路如图转速调节器所示，通过调节电位器即可改变转速反馈系数。图4-1 转速检测电路4.2 电流反馈电路的设计电流反馈放大器不受基本增益带宽积的限制，随着信号幅度的增加，带宽的损失非常小。因为可以在最小失真的条件下对大信号进行调节，这些放大器在非常高的频率下通常都具有优异的线性度。而电压反馈放大器的带宽随着增益的增加降低，电流反

23、馈放大器在很宽的增益范围上维持其大部分带宽不变。由于放大器的交流特性部分地取决于反馈电阻，这就让我们能够针对每一个特定的应用“量身定制”放大器。降低反馈电阻的数值将提升环路增益。为了保持稳定性和最大的带宽，在低增益时，反馈电阻要设置为较高的数值；随着增益的上升，环路增益自然降低。如果需要高的增益，可以利用较小的反馈电阻来部分地恢复环路增益。电流反馈电路如图4-2所示：图4-2 电流反馈电路5 集成触发电路设计5.1 配合控制将两组晶闸管装置的触发脉冲零位都定在90，即当控制电压 时，使，。电机处于停止状态。增大时，使两组触发装置的控制电压大小相等符号相反。 正组VF整流，应接收正的，所以减小而

24、增大或减小，使正组整流而反组逆变，在控制过程中始终保持。反转时，应保持。配合控制电路和配合控制特性如图5-1和5-2所示： 图5-1 配合控制电路 图5-2 配合控制特性为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中逆变角太小而导致换流失败，出现“逆变颠覆”现象，必须在控制电路中进行限幅，形成最小逆变角保护。与此同时，对角也实施保护，以免出现而产生直流平均环流。通常取：5.2 集成触发电路集成触发电路具有可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便等优点。晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取代分立式电路。正组晶闸管VF，由GTF控制触发，正转时，VF整流；反转时，VF逆变。反组晶闸管VR，由GTR

25、控制触发，反转时，VR整流；正转时，VR逆变。通过控制晶闸管的导通和关断时刻，就能控制整流电路的触发角的大小。在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。在触发某个晶闸管的同时，给序号紧前的一个晶闸管补发脉冲。即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60o，脉宽一般为20o 30o，称为双脉冲触发。双脉冲电 路较复杂，但要求的触发电路输出功率小。触发电路如图5-3所示。图5-3 触发电路单结晶体管触发电路结构简单，调节方便，输出脉冲前沿陡，抗干扰能力强，对于控制精度要求不高的小功率系统，可采用单结晶体管触发电路来控制；对于大容量晶闸

26、管一般采用晶体管或集成电路组成的触发电路。计算机数字触发电路常用于控制精度要求较高的复杂系统中。各类触发电路有其共同特点，一般由同步环节、移相环节、脉冲形成环节和功率放大输出环节组成。6 主电路及其保护电路设计6.1 主电路设计直流双闭环有环流可逆调速系统的主电路如图6-1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。图6-1 主电路6.2 保护电路6.2.1 过电流保护晶闸管本身流过电流超过其所能承受最大电流时，电流所产生热量会将晶闸管烧毁击穿，引起事故。常见的保护措施是在晶闸管回路中串入快速熔断器。如图6-2为过电流保护电路