转速电流双闭环直流调速系统设计

1、电力拖动自控系统课程设计报告题 目 转速电流双闭环直流调速系统设计学 院：电子与电气工程学院年级专业：2012级电气工程及其自动化（电力传动方向）姓 名：学 号：指导教师：成 绩：指导老师评语：指导教师签名： 年 月 日电力拖动自动控制系统综合课程设计设计任务书某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据为：直流电动机：， ,，电枢回路总电阻，电枢电路总电感,电流允许过载倍数，折算到电动机轴的飞轮惯量。励磁电流为1.77A。晶闸管整流装置放大倍数，滞后时间常数电流反馈系数电压反馈系数滤波时间常数，;调节器输入电阻。设计要求：稳态指标：无静差；动态指标：电流超调量；采用转

2、速微分负反馈使转速超调量等于0。目 录1 概述11.1问题的提出11.2解决的问题11.3实现目标要求设计12 主电路计算22.1整流变压器的计算22.2晶闸管及其元件保护选择23 直流双闭环调速系统设计83.1转速和电流双闭环调速系统的组成83.2系统静态结构图及性能分析93.3系统动态结构图及性能分析103.4启动过程分析113.5采用ACR和ASR类型的根据123.6电流调节器结构的选择123.7转速调节器的选择123.8双闭环系统工程设计133.9电流环设计143.10转速环设计174 基于MATLAB/SIMULINK的调速系统仿真204.1仿真软件介绍204.2仿真设计204.3仿

3、真结果205 实训报告236 设计总结24参考文献251 概述1.1问题的提出采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，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需要。1.2解决的问题为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。 按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。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（AS

4、R）和电流负反馈（ACR）。1.3实现目标要求设计设计一个双闭环直流调速系统满足系统要求的性能指标。2 主电路计算 2.1整流变压器的计算 1、二次侧相电压： (2-1)变压器采用D，y11接线，表知，三相全控桥时A=/=2.34 （ 取=0.9为电网波动系数）查表知 B=cosa，a角考虑100裕量故B=0.985所以 (2-2)取U2=220V, 变比 K=U1/U2=380/220=1.73 2、一次、二次侧电流的计算 查表知 KI1=0.816 ，KI2=0.816 =KI2Id=0.816×21.8=18A =KI1Id/K=1.05×0.816×21.

5、8/1.73=11A 3、变压器容量的计算 一次侧，二次侧绕组的相数 ， 所以 2.2晶闸管及其元件保护选择1.管额定电压 (2-3)取 2.闸管的额定电流查表知 K=0.367IT（VA）=（1.52）KId=（1.52）×0.367×21.8=1216A取IT（VA）=20A故选KP20-17型元件型号TypeKP55100-16008125602.522003KP1010100-160010125100322001.6KP2020100-16001012510032.22001KP5050100-20002012520032.43000.4KP100100100-20

6、003012520032.43000.2KP150150100-20003012520032.43000.2KP200200100-20004012520032.43000.113.晶闸管保护环节的计算1）交流侧过电压保护措施（1）阻容保护电容选值 操作过电压，其实质是开关开端时产生的电磁能量震荡过程。在回路中没有保护器存在时，总电容值很小，导致震荡频率f很高。电容的引入，可以大大提高回路总电容值，降低震荡频率。最佳的效果应是降低频率正好到工频（50Hz），基本计算公式如下：f=/2        

7、60;                   （2-4）=（1/LC（R/2L）2）1/2            （2-5）由于每个电路的初始L和C都不同，最佳值是不可能得到的。只能依据真空断路器大致的情况进行经验比较。根据多年运行经验，取电容0.1F时，一般可以将f限制在150Hz以下，因此0.1就成为一个比

8、较通用的值。理论上讲，若对具体电路可以做到精确测算，容量再大些对保护效果会更好（这就是有些地方用0.2或0.15的原因），但若没有精确测算，导致f太小将造成副作用。电阻选值  R是一个阻尼元件，一方面对震荡频率有影响，一方面对电容器保护有利。对震荡频率的影响可以参考上面的公式(2-5)，R不应小于其临界值2（L/C）1/2，否则对降低频率不利。所以存在电阻值不应小于100的说法。R值高同样有利于保护电容本身安全，防止电容过载烧毁。故一般高安全性的阻容吸收装置，都适当的增大了R的值（一般最高做到400）。但是R值如果太大，将大大提高时间常数，导致暂态时间延长，不利于保护的高效性。所以我

9、们希望R能够是一个压敏元件，在低压下电阻尽可能大，以保护电容；在高压下达到百欧姆级，以利于工作。自控式阻容吸收器的最主要改革就在于此。而且这样改革后，额外的起到了限制正常电压下阻容吸收器接地电流的作用，不会造成以往出现的阻容吸收器，接地电流引发系统误判断的问题，简化了整体设计在实际晶闸管电路中，常在其两端并联RC串联网络，该网络常称为RC阻容吸收电路。      我们知道，晶闸管有一个重要特性参数断态电压临界上升率dlv/dlt。它表明晶闸管在额定结温和门极断路条件下，使晶闸管从断态转入通态的最低电压上升率。若电压上升率过大，超过了晶

10、闸管的电压上升率的值，则会在无门极信号的情况下开通。即使此时加于晶闸管的正向电压低于其阳极峰值电压，也可能发生这种情况。因为晶闸管可以看作是由三个PN结组成。  在晶闸管处于阻断状态下，因各层相距很近，其J2结结面相当于一个电容C0。当晶闸管阳极电压变化时，便会有充电电流流过电容C0，并通过J3结，这个电流起了门极触发电流作用。如果晶闸管在关断时，阳极电压上升速度太快，则C0的充电电流越大，就有可能造成门极在没有触发信号的情况下，晶闸管误导通现象，即常说的硬开通，这是不允许的。因此，对加到晶闸管上的阳极电压上升率应有一定的限制。  为了限制电路电压上升率

11、过大，确保晶闸管安全运行，常在晶闸管两端并联RC阻容吸收网络，利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。因为电路总是存在电感的(变压器漏感或负载电感)，所以与电容C串联电阻R可起阻尼作用，它可以防止R、L、C电路在过渡过程中，因振荡在电容器两端出现的过电压损坏晶闸管。同时，避免电容器通过晶闸管放电电流过大，造成过电流而损坏晶闸管。  由于晶闸管过流过压能力很差，如果不采取可靠的保护措施是不能正常工作的。RC阻容吸收网络就是常用的保护方法之一。电容的选择 取式中K查表知，三相全控桥的K=0.367取耐压1.5=1.5××220=467V故选电容量，耐

12、压500V的标准电容器。电阻的选择 取R=70电容电流，亦即流过电阻R1的电流 R1的功率 取 可选70，7W金属膜标准电阻。（2）压敏电阻RV1的选择标准电压：=（1.31.5）×=1.3××220=404.5467V 取500V，通流量取5kA，故选MY-500/5的压敏电阻作交流侧流通过电压 保护。4、直流侧过电压保护措施（1.82）=（1.82）×400V=720800V选普通压敏电阻，型号MY-800/3作直流侧过压保护。标称电压800V,通流容量为 5、晶闸管及整流二极管两端的过电压保护晶闸管：C2=0.2uF，R2=40 电容耐压1.5Um

13、=1.5××U2=1.5××220=808V 选C2JD-2型金属化介电容器，电容量0.22uF，耐压800V 电阻功率： 取，1W金属膜电阻 整流二极管两端的过电压保护是通过可调电阻来实现的。6过电流保护（1）快速熔断器的选择接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管电流有效故选用RL1-15熔断器，熔断电流为15A(2) 电流继电器的选择根据负载电流为21.8A，可选用吸引线圈电流为25A的J214-25S型手动复位直流过电流继电器。 (3)电压和电流上升率的限制电压上升率du/dt，正向电压上升率较大时，使晶闸管误导通。限制du/dt过大可在电源输入端

14、串联电感和在晶闸管每个桥臂上串联电感，利用电感的滤波特性，使du/dt降低。电流上升率di/dt，导通时电流上升率过大则可能引起门极附近过热造成晶闸管损坏限制di/dt，除在阻容保护中选择合适的电阻外，也可采用与限制du/dt相同的措施，其中电感可采用空心电抗器，其中L30uH。7、平波电抗器的计算（1）使电流连续的临界电感量 L1查表得则,取140mH（2）限制电流脉动的电感量L2查表得 取则取106mH(3)电动机电感量LD和变压器漏电感量LT 取则 查得取则 (4)实际串入电抗器电感量 8、励磁电路元件的选择整流二极管，耐压与主电路晶闸管相同，故取800V。额定电流可查表知，=0时，K=

15、0.367则可选IP型1A、800V的二极管。电动机配套的磁场变阻器，用来调节励磁电流，一般为020量控，为实现弱磁保护，在磁场回路中串入了欠电流继电器，动作电流通过调整。根据额定励磁电流=1.77A，可选用吸引线圈电流为1A的JL14-112Q直流欠电流继电器。3 直流双闭环调速系统设计采用转速负反馈和PI调节器单闭环调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但对于要求较高的动态性能的场合，由于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，因而难以满足控制需求。为了实现在最大电流受限制的条件下调速系统最快起动过程，要求在充分利用电机的允许过载能力，在过渡过程中始终保持电流为

16、允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，达到稳态转速后，又让电流立即降低下来，使转速和负载相平衡，从而转入稳定运行状态。理想的起动过程波形如图1-1所示。采用双闭环调速系统完全可以达到上述要求，在起动过程中只有电流负反馈，而不让他和朱安度负反馈图施加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又靠转速的负反馈作用，不再依靠电流负反馈起主要作用。IdLntId0Idm图3-1 调速系统理想快速起动过程3.1转速和电流双闭环调速系统的组成为实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图3-1所示。这就是说，把转速调节器的输出当做

17、电流调节器的输入，再利用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节器在里面，叫做内环；转速还在外变，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。图3-2 转速、电流双闭环调速系统原理图为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器，其原理图示与图3-2。在图上标出了两个调节器输入输出点电压的实际极性，它们是按照触犯装置GT的控制电压为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示出，两个调节器的输出都是带限幅的，转速调节器ASR的输出限幅（饱和）电压是，它决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器的输出限幅电压是，它限

18、制了晶闸管整流器输出电压的最大值。3. 2系统静态结构图及性能分析静特性和稳态结构图为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如图图3-3双闭环直流调速系统电路原理图3-3所示。它可以很方便的根据图2-1的原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征。一般存在这样两种状况：饱和输出达到限幅值；不饱和输出未达到限幅值。档调节器饱和时。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之间的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI调节器的作

19、用使输入偏差电压在稳态时总是零。 图3-4双闭环直流调速系统的稳态结构图3.3系统动态结构图及性能分析动态数学模型如图3-5所示。双闭环调速系统的动态结构图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，电动机的动态结构图中必须把电枢电流显露出来。图3-5双闭环调速系统抗电源电压扰动结构图图3-6 双闭环调速系统抗负载扰动结构图3.4启动过程分析双闭环调速系统是建立在但闭环调速系统上的，实际的调速系统除要求对转速进行调整外，很多生产机械还提出了加快启动和制动过程的要求，这就需要一个电流截止负反馈系统。由图3-7启动电流的变化特性可知，在电机启动时，启动电流很快加大到允许过载能力

20、值 IdL Id n n* Idm 00IIIIIIt4 t3 t2 t1 tt 图3-7 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形 ，并且保持不变，在这个条件下，转速得到线性增长，当开到需要的大小时，电机的电流急剧下降到克服负载所需的电流值，对应这种要求可控硅整流器的电压在启动一开始时应为,随着转速n的上升，也上升，达到稳定转速时，。1、动态跟随性能双闭环调速系统起动和升速过程中，能够在电流受电机过载能力约束的条件下，表现出很快的动态跟随性能。在减速过程中，由于主电路的不可逆性，跟随性能变差。对于电流内环来说，在设计调节器时应强调有良好的跟随性能。2、动态抗扰性能负载扰动作用在电流环之后，只

21、能靠转速调节器来产生抗扰作用。因此在突加（减）负载时，必然会引起动态转速降（升）。为减少动态速降（升），设计ASR时必须要求系统有较好的抗扰性能指标。同时，由于电网电压扰动被包围在电流环之内，当电压波动时可以通过电流反馈得到及时的调节，不必等到影响到转速之后才有所反应。3.5采用ACR和ASR类型的根据 本文应用工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器。按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展。在双闭环系统中，应该首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速系统中的一个环节，再设计转速调节器。 首先考虑应把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态

22、要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，所以采用型系统就够了。再从动态上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用下时有太大的超调，以保证电流在动态过程不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素。因而电流环应以跟随性能为主，即应选择典型型系统。 对于转速环，由于要求满足系统抗干扰性能好、转速无静差，并且系统结构决定将转速环校正成典型系统。3.6电流调节器结构的选择 电流环的传递函数可以写成：电流环以跟随性能为主，即选用典型I系统。 图1.5 电流环等效近似处理后校正成为典型I系统框图ACR选用PI型电流调节器，传函如下：WACR（S）=Ki（is +1

23、）/isKi-电流调节器的比例系数；i-电流调节器的超前时间常数。3.7转速调节器的选择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系统，系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。图1-6转速环等效近似处理后校正成为典型II系统框图ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为：WASR（s）= Kn（ns +1）/nsKn-转速调节器的比例系数；n-转速调节器的超前时间常数。3.8双闭环系统工程设计在进行多环控制系统的的设计时，一般的设计原则是：从内环开始，一环一环地逐步想外环扩展。在这里是，先从电流环入手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是调节系统中的一个环节，再对转速换进

24、行设计。双闭环调速系统的动态结构图如图3-1所示，它增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定滤波环节。滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来延滞。为平衡这一迟滞作用，通常在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，乘坐给定滤波环节。其意义是：让给定信号和反馈信号经过形同的延滞，是二者在时间上得到恰当的配合，从儿带来设计上的方便。图3-8 双闭环调速系统的动态结构图3.8.1系统参数计算（1）直流电动机,，（2）晶闸管整流电源 放大倍数为：，时间常数：3.8.2固有参数给定电压最大值：调节器限幅电压：参数如下：电动机电磁时间常数：电动机电势常数：电动机转矩常数：

25、电动机机电时间常数：3.8.3预置参数调节器输入阻抗 ，电流反馈系。转速反馈系数 ，电流反馈滤波时间常数 。转速反馈滤波时间常数 ，电流给定滤波时间常数 。转速给定滤波时间常数 。3.9电流环设计1.确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数。由电力拖动自动控制系统中表1-2查得，三相桥式电路的平均失控时间为。（2）电流滤波时间常数（3）电流环小时间常数按小时间常数近似处理，取（4）选着电流调节器结构根据设计要求：，而且因此可按典型I型系统设计。电流调节器选用PI型，其传递函数为（5）选择电流调节器参数ACR超前时间常数：。电流环开环增益：要求时，应取（见表2-2），因此于是，ACR的比例系数为2

26、.校验近似条件电流环截止频率（1）晶闸管装置传递函数近似条件：本设计 满足近似条件。（2）忽略反电动势对电流环影响的条件：根据题意，得则即有本设计 满足近似条件。（3）小时间常数近似处理条件：本设计 满足近似条件。3.计算调节器电阻和电容图3-9 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器电流调节器原理图如图3-9，按所用运算放大器取，各电阻和电容值计算如下 取 取 取按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为：（见表2-2），满足设计要求。3.10转速环设计1.确定时间常数（1）电流环等效时间常数为（2）转速滤波时间常数根据所用测速发电机纹波情况，取（3）转速环小时间常数按小时间常数近似处理，取2

27、.选择转速调节器结构由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型型系统设计转速环。故ASR选用PI调节器，其传递函数为3.选择转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取，则ASR的超前时间常数为转速环开环增益于是，ASR的比例系数为4.校验近似条件转速环截止频率为 （1） 电流环传递函数简化条件：本设计满足简化条件。（2）小时间常数近似处理条件：本设计满足近似条件。5.计算调节器电阻和电容 图 3-10 带微分负反馈的转速调节器转速调节器原理图如图3-3，取，则 取 取 取 取 取6.校核转速超调量 查表，当时，不能满足设计要求。应按ASR退饱和的情况重新计算超

28、调量。7.按ASR退饱和重新计算超调量过载倍数，理想空载转速时，z=0查表得，h=5时，Cmax/Cb=81.2%，则故超调量合格。至此，双闭环调速系统的转速调节器、电流调节器设计完毕，性能指标合格。4基于MATLAB/SIMULINK的调速系统仿真4.1仿真软件介绍利用MATLAB下的SIMULINK软件和电力系统模块库(SimPowerSystems)进行系统仿真是十分简单和直观的，用户可以用图形化的方法直接建立起仿真系统的模型，并通过SIMULINK环境中的菜单直接启动系统的仿真过程，同时将结果在示波器上显示出来。掌握了强大的SIMULINK工具后，会大大增强用户系统仿真的能力。 在工程

29、设计时，首先根据典型I型系统或典型型系统的方法计算调节器参数，然后利用MATLAB下的SIMULINK软件进行仿真，灵活修正调节器参数，直至得到满意的结果。也可用MATLAB仿真软件包的设计工具箱设计其它各种控制规律的调节器，鉴于篇幅不一一展开。4.2仿真设计通过对整个控制电路的设计，用MATLAB/SIMULINK对整个系统进行仿真。首先建立双闭环直流调速系统的动态数学模型，可以参考该系统的动态结构形式，双闭环直流调速系统的动态结构框图如3-1图所示。仿真模型与系统动态结构图的各个环节基本上是对应的，需要指出的是，双闭环系统的转速和电流两个调节器都是有饱和特性和带输出限幅的PI调节器，为了充

30、分反映在饱和和限幅非线性影响下调速系统的工作情况，需要构建考虑饱和和输出限幅的PI调节器。模型中比例和积分调节分为两个通道，其中积分调节器intergrate的限幅表示调节器的饱和限幅值，而调节器的输出限幅值有饱和模块saturation设定。当该调节器用作转速调节器ASR时，在起动中由于开始转速偏差大，调节器输出很快达到输出限幅值，在转速超调后首先积分器退饱和，然后转速调节器输出才从限幅值开始下降。为了是系统更简洁，利用了SIMULINK的打包功能将调节器模型缩小为一个分支模块。4.3仿真结果基于MatlabSimulink仿真软件的转速、电流双闭环调速系统仿真模拟图如图4-1所示。图4-2

31、 双闭环调速系统输出转速波形图4-3 双闭环调速系统电流环电流输出波形5 实训报告 通过这几周的实训，使我眼界打开，感受颇深。基本的动手能力是一切工作和创造的基础和必要条件。 在实训中，我们认识了很多电动设备，了解了它们的性能，使用方法及作用。它们为我们的生活带来了很多的便捷。通过实训，同学们的友谊也增进了不少，很多不太会做的实验在同学们的帮助下完成了。我们通过相互学习，相互沟通，一起研究，让很多的实验都做得相当的成功，心中的成就感与自豪感油然而生。班级的那种团结氛围填满了整个实训间。 我们兢兢业业的老师，他们也顶着酷热和我们一起忙活，看着围在他身边的那一圈圈的人，他也总会耐心的为我们讲解，直

32、到我们听懂为止。 最后我希望我们班能在以后的生活、学习中表现得更出色，更团结。 实训，就是把我们在学校所学的理论知识，运用到客观实际中去，是自己所学到的理论知识有用武之地，只学不实践，那么所学的就等于零。理论应该与时间相结合。另一方面，实践可以为以后找工作打基础。通过这段时间的实训，要学会从实践中学习，从学习中实践。而且中国的紧急飞速发展，在拥有越来越多的机会的同是，也有了更多的挑战。对于人才的要求就会越来越高，我们不只要学号学校所学到的知识，实践中学其他知识，不断从各方面武装自己，才能在竞争中突出自己，表现自己。 短短几周的工作过程是我受益很大。不仅让我开阔了眼界，最主要的是懂得了如何更好的为人处事。6 设计总结