交直流调速-谭唯

1、 交直流调速系统课程设计说明书 双闭环晶闸管直流调速系统设计院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 谭 唯 指导教师： 李建军 专 业： 自动化 班 级： 自动化1304班 完成时间： 2016年4月30日 交直流调速系统课程设计课题任务书学院：电气与信息工程学院 专业：自动化指导教师李建军学生姓名谭唯课题名称双闭环晶闸管直流调速系统的设计内容及任务一、设计任务设计一个双闭环晶闸管直流调速系统。二、设计内容1、调速方案的选择 （1) 直流电动机的选择：根据要求，选择电机型号 Z4-180-11 16相关参数：额定功率=37kW、额定电压，额定转速=1500r/min、电枢电流=95.4A

2、、励磁功率=820w、电枢回路电阻=0.29（20）、电枢回路电感=5.8mH、磁场电感=10H、惯量矩0.64 kg、极对数为2、过载系数。 （2）电动机供电方案的选择 （3）系统的结构选择 （4）确定直流调速系统的总体结构图2、主电路的计算 （1）整流变压器计算：二次侧电压计算，一、二次侧电流的计算，容量的计算 （2）晶闸管元件的选择，晶闸管的额定电压、电流计算 （3）主要保护环节的设计：快速熔断器选择，阻容保护、压敏电阻保护计算 （4）平波电抗器计算3、控制电路设计计算 （1）给定电源和给定环节的设计计算 （2）转速检测环节和电流检测环节的设计与计算 （3）调速系统的稳态参数计算等 4、

3、双闭环直流调速系统的动态设计 主要设计转速调节器和电流调节器三、设计要求 1、调速范围D=10，静差率S5%；稳态无静差，电流超调量i5%，电流脉动系数Si10；起动到额定转速时的转速退饱和超调量n10。 2、系统具有过流、过压、过载和缺相保护。 3、触发脉冲有故障封锁能力。 4、对拖动系统设置给定积分。四、系统的计算机仿真 用MATLAB仿真方法对所设计的系统进行计算机仿真摘 要本文实现了转速电流双闭环直流调速系统的设计，实验结果可以准确直观的观察转速-电流双闭环调速系统的启动过程，可方便的设计各种不同的调节器参数及控制策略并分析其多系统性能的影响，取得了很好的效果。但怎样处理好转速控制和电

4、流控制之间的关系呢？经过反复研究和实践，终于发现，电流调节器可以起到限制电流作用，转速调节器可以稳定转速作用，如果在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，两者之间实行串联连接，即以转速调节器ASR的输出作为电流调节器ACR的输入，再用电流调节器的输出作为晶闸管触发装置的控制电压，那么这两种调节作用就能互相配合，相辅相成了。本文利用MATLAB软件中的simulink组件对直流双闭环调速系统进行仿真，结果表明，应用MATLAB进行系统仿真具有方便，高效及可靠性高等优点。关键词：双闭环直流调速系统，ACR，ASR，晶闸管，直流电动机，MATLABABSTRACT This thesis acc

5、omplishes the design of revved circle system about the direct current . According to the outcome of this experiment, we get a direct and accurate observation of the process of revving and the operation of the current system, therefore we can easily obtain the convenience to design out a variety of r

6、egulating parameters, monitoring strategies, and we indeed acquire efficient results after careful analyses about the multi-systematic function of the regulator. However, how should we tackle and relation between the control of revving and current controlling? That remains a problem.After repeated i

7、nvestigation and practice , its discovered that current regulator is able to refrain current running, rev up and stabilize the speeding. If we inset two regulators in the system, in which one is set for the speed and the other for the current, and then link them in series to establish the output of

8、ASR revving regulator as the input of ACR current regulator. Next, if making the output of current regulator as a trigger device of the thyristor, we could coordinate, mutualize and supplement each other function.This thesis makes use of the simulink component to emulate the running mode of direct c

9、urrent system, which is embodied in the MATLAB software. As is shown in the result, it is fairy convenient, highly efficient and reliable to apply MATLAB system to emulate the real situation. Key words：revved circle system about the direct current；ACR；ASR； thyristor；direct current electromotor；MATLA

10、B目 录1 绪论32 转速电流双闭环直流调速系统的组成及原理42.1 系统的组成42.1.1 系统组成框图42.2 系统的原理42.3 系统稳态结构框图52.4 系统动态结构框图53 电动机供电方案的选择63.1 整流器主电路结构形式的选择方案64 相关装置选择与参数计算74.1 三相全控桥式整流电路相关参数74.2 整流变压器二次相电压的计算74.2.1 整流变压器的选择74.2.2 整流变压器的参数计算应考虑因素74.2.3 二次相电压的计算74.3 整流变压器二次相电流的计算84.3.1 二次相电流的计算84.4 变压器的容量计算84.5 整流器的计算94.5.1 晶闸管选择94.6 平

11、波和均衡电抗器94.6.1 平博和均衡电抗器在主回路中的作用和布置94.6.2 平波和均衡电抗器选择94.7 晶闸管保护104.7.1 提出问题114.7.2 解决措施114.8 触发装置的选择115 调节器的设计125.1 设计调节器的原则125.2 电流调节器ACR的设计145.2.1 确定时间常数145.2.2 选择电流调节器的结构145.2.3 计算选择电流调节器的参数145.2.4 校验近似条件155.2.5 计算电流调节器的电阻与电容参数155.3 转速调节器ASR的设计165.3.1 电流环的等效闭环传递函数175.3.2 确定时间常数175.3.3 选择转速调节器结构175.3

12、.4 计算转速调节器的参数185.3.5 校验近似条件185.3.6 计算转速调节器的电路参数196 电气原理总图及MATLAB仿真图207 工程上应注意的问题227.1 转速的退出饱和超调量和稳态转速有关227.2 反电动势对转速和转速退出饱和超调量的影响237.3 磁通对转速的影响23心得体会23参考文献24致谢251 绪论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。双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟

13、，应用非常广泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。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调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，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。在单闭环系统中，只有电流截止至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值以后，强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中，我

14、们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这样在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程，这就是转速电流双闭环调速系统。随着社会化大生产的不断发展，电力传动装置在现代化工业生产中的得到广泛应用，对其生产工艺、产品质量的要求不断提高，这就需要越来越多的生产机械能够实现制动调速，因此我们就要对这样的自动调速系统作一些深入的了解和研究。本次设计的课题是双闭环

15、晶闸管不可逆直流调速系统，包括主电路和控制回路。主电路由晶闸管构成，控制回路主要由检测电路，驱动电路构成，检测电路又包括转速检测和电流检测等部分。2 转速电流双闭环直流调速系统的组成及原理2.1 系统的组成2.1.1 系统组成框图为实现转速和电流两种负反馈分别作用，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。二者之间实行嵌套连接，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。如图1所示，其中，ASR为转速调节器，ACR

16、为电流调节器，TG为测速发电机，UPE为电力电子变换器电流互感器。图1 转速、电流双闭环调速系统组成框图2.2 系统的原理为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图2所示。两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定了电流给定电压的最大值，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。图2 系统原理图2.3 系统稳态结构框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框图。结构框图如图3：图3 系统稳态结构图2.4 系统动态结构框图在单闭环直流调速系

17、统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构框图。双闭环调速系统的动态结构框图如图4，图中ASR(s)和ACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流负反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流Id显露出来。图4 系统动态结构图3 电动机供电方案的选择3.1 整流器主电路结构形式的选择方案因为直流电动机一般采用高功率、高电压、高电流的直流电源供电，在工程中绝大多数采用能耐高电压耐高电流的晶闸管制作成整流电源，因此我们也采用晶闸管整流电源为直流电机供电。方案一：采用三相半波整流器，变压器利用率差（0.74），直流侧脉动情况一般（m=3）

18、，元件利用率（120°）较好，有直流磁化现象，而且有严重的波形畸变（0.827），应用场合50kw以下及电动机励磁。方案二：采用双三相桥式带平衡电抗器整流器，变压器利用率好（0.97），直流侧脉动情况小（m=12），元件利用率（120°）较好，无直流磁化现象，而且仅有小的波形畸变（0.985），应用场合1000kw以上可逆及四象限运行。方案三：采用双反星形带平衡电抗器整流器，变压器利用率一般（0.79），直流侧脉动情况较小（m=6），元件利用率（120°）较好，无直流磁化现象，而且仅有较小的波形畸变（0.955），应用场合低压大电流。方案四：采用三相全控桥式整流器

19、，变压器利用率好（0.95），直流侧脉动情况较小（m=6），元件利用率（120°）较好，无直流磁化现象，而且仅有较小的波形畸变（0.955），应用场合10kw200kw可（不可）逆，应用范围极广。根据电动机额定功率相关参数以及整流器主电路性能的比较，可以确定选用方案四。4 相关装置选择与参数计算4.1 三相全控桥式整流电路相关参数换相电抗压降系数=0.5整流电压计算系数=2.34晶闸管电压和电流计算系数分别是2.45和0.367整流变压器：二次相电流计算系数=0.816一次相电流计算系数=0.816视在功率计算系数=1.05漏抗计算系数=1.22漏抗折算系数=2电阻折算系数=2 4.

20、2 整流变压器二次相电压的计算4.2.1 整流变压器的选择我们选用三角形星形连接方式，因为便于我们二次侧星形连接便于与三相桥式整流器连接。4.2.2 整流变压器的参数计算应考虑因素最小触发延迟角。一般可逆系统的取，不可逆系统的取。电网电压波动。电网电压波动范围为+5%-10%，为在电网最低时仍能保证最大整流输出电压的要求，通常取电压波动系数b=0.91.05。我们在这取b=0.9。漏抗产生的换相压降。晶闸管的正向导通压降n。4.2.3 二次相电压的计算对用于电枢电压反馈的调速系统的整流变压器，有(1)式(1)中：为变压器二次相电压，V;为电动机的额定电压，V；为整流变压器计算系数；b为电网电压

21、波动系数，取b=0.90；为晶闸管的触发延迟角；为换相电感压降计算系数；为变压器阻抗电压比，100KV以下取0.05，容量越大，也越大（最大为0.1）；为变压器的最大工作电流，它与电动机的最大电流相等，A；为电动机的额定电流，A；4.3 整流变压器二次相电流的计算4.3.1 二次相电流的计算二次相电流计算公式如下： (2) 式（2）中：为二次相电流计算系数；为整流器额定直流电流。4.3.2 一次相电流的计算： (3)式（3）中：为一次相电流计算系数；为变压器的电压比。考虑到变压器自身的励磁电流时，应乘以1.05左右的系数。4.4 变压器的容量计算一次容量： (4)二次容量： (5)平均总容量：

22、 (6)式中：、为变压器一、二次绕组相数，对于三相全控桥；为一次相电流计算系数；为整流器空载电压；为整流电压计算系数。4.5 整流器的计算4.5.1 晶闸管选择 额定电压选择: （7）式(7)中：为晶闸管的电压计算系数；为变压器二次相电压。 额定电流选择: （8） 式(8)中： 为晶闸管电流计算系数；为整流器输出最大平均电流。 考虑到当采用晶闸管作为电枢供电时，取为电动机工作电流的最大值。4.6 平波和均衡电抗器4.6.1 平博和均衡电抗器在主回路中的作用和布置 为限制晶闸管整流电流的脉动、保持电流连续，常在争流的直流输出侧接入平博电抗器。有环流可逆系统中，常在环流通路中串入均衡电抗器，将环流

23、限制在一定数值内。电抗器在回路中的位置不同，其作用不同。对于不可逆系统，在电动机电枢端串联一个平波电抗器，使得电动机负载得到平滑的直流电流，取合适的电感量，能使电动机在正常工作范围内不出现电流断续，还能抑制短路电流上升率。4.6.2 平波和均衡电抗器选择求平波电抗器的电感值的方法 在一个整流电路中，通常包含有电动机电枢电抗、变压器漏抗和外接电抗器的电抗三部分，因此我们首先应求出电动机点数及整流器变压器的漏感，然后求出需要的外界电抗器的电感值。 电动机的电感: （9）式（9）中：为直流电动机磁极对数；为直流电动机的额定转速；为计算系数，有补偿电动机取56。整流器变压器折合到二次侧的每相漏感（mH

24、）： （10）式（10）中：为计算系数，三相全桥取3.9；为整流变压器短路电压百分比，一般取1.0。保证电流连续所需电抗器的电感值： （11）式（11）中：为系数，取2。限制电流脉动所需电抗器的电感值： （12）式（12）中：为系数，取2。 选择的平波电抗器图5 三相桥式全控整流电路带平波电抗器4.7 晶闸管保护4.7.1 提出问题 晶闸管是整流装置的核心器件，但是其过载能力有限，所以对晶闸管必须进行两端的过电压和过电流进行保护。4.7.2 解决措施我们可选用快速熔断器进行过电流保护。因为快速熔断器有快速熔断特性，熔断时间小于20ms，能保证在晶闸管损坏前自身熔断。带熔断器电路图如下图6：图6

25、 三相桥式全控整流带熔断器快速熔断器额定电压 快速熔断器的额定电流 其中， 是实际流过晶闸管的最大额定电流 我们选用直流侧过电压保护措施，而且选用压敏电阻保护方式，因为成本低，结构简单。压敏电阻标称电压其中为正常工作时加在压敏电阻两端的直流电压，V。4.8 触发装置的选择我们选用KC04集成触发电路，其优点是体积小，功耗小，调试方便，性能稳定可靠。缺点是移相范围小，为保证触发脉冲对称宽度，要求交流电压波形畸变率小于5%。适应范围是广泛应用于各种晶闸管装置中。图7 KC04集成触发电路原理图5 调节器的设计5.1 设计调节器的原则 为了保证直流电机的转速的高精度、无静差和高可靠性运行，系统采用转

26、速变化率反馈和电流反馈的双闭环电路主要考虑以下问题：（1）保证转速在设定后尽快达到稳速状态；（2）保证最优的稳定时间；（3）减少转速超调量。 为了解决上述问题，就必须对转速、电流两个调节器的进行优化设计，以满足系统的需要。 建立调节器工程设计方法所需遵循的原则是：（1）概念清楚、易懂；（2）计算公式简明、好记；（3）不仅给出参数计算公式，而且指明参数调整方向；（4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简明的计算公式；（5）使用与各种可以简化成典型系统的反馈控制系统； 直流调速系统调节器参数工程设计包括确定典型系统、选择调节器类型、计算调节器参数、计算调节器电路参数、校验等内容。在选择调节器结构

27、时，只采用少量的典型系统，它的参数与系统性能指标的关系都已事先找到，具体选择参数时只需按现成的公式和表格中的数据计算一下就可以了，这样就是设计方法规范化，大大减少了设计工作量。 遵循一般原则，我们从内环至外环开始设计，所以我们首先设计电流环（即内环），然后设计我们的转速环（即外环）。许多控制系统的开环传递函数的表示为： ()t根据W(s)中积分环节个数的不同，将该控制系统称为0型、型、型系统。自动控制理论证明，0型系统在稳态时是有差的，而型及型以上的系统很难稳定。因此，通常为了保证稳定性和一定的稳态精度，多用型、型系统，典型的型、型系统其开环传递函数为： 一般说来典型型系统在动态跟随性能上可以

28、做到超调小，但抗忧性能差；而典型型系统的超调量相对要大一些而抗扰性能却比较好。基于此，在转速-电流双闭环调速系统中，电流环的一个重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，即能否抑制超调是设计电流环首先要考虑的问题，所以一般电流环多设计为型系统，电流调节的设计应以此为限定条件。至于转速环，稳态无静差是最根本的要求，所以转速环通常设计为型系统。在双闭环调速系统中，整流装置滞后时间常数Ts和电流滤波时间常数Toi一般都比电枢回路电磁Tl小很多，可将前两者近似为一个惯性环节，取Ti=Ts+Toi。这样，经过小惯性环节的近似处理后，电流环的控制对象是一个双惯性环节，要将其设计成典型型系统，同理，经

29、过小惯性环节的近似处理后转速环应设计成型系统，所以转速调节器也就设计成PI型调节器，如下形式所示: 5.2 电流调节器ACR的设计5.2.1 确定时间常数整流装置滞后时间常数：电流滤波时间常数：电流环小时间常数按小时间常数近似处理： 电流反馈系数：机电时间常数：整流装置触发放大倍数：5.2.2 选择电流调节器的结构根据工程设计指标，电流超调量，并且保证稳态无误差，由于有因此电流环可采用典型型系统。电流调节器我们采用PI调节器，利用其积分饱和特性和比例放大特性，可以满足无静差设计要求。其传递函数为：5.2.3 计算选择电流调节器的参数电流超前时间常数：电流环的开环增益：要求，取，因此从而ACR的

30、比例系数为:5.2.4 校验近似条件电流环截止频率：晶闸管装置近似传递函数：因此满足设计要求。忽略反电动势对电流环影响的条件： 因此满足设计要求。电流环小时间常数的近似处理条件： 因此满足设计要求。5.2.5 计算电流调节器的电阻与电容参数采用运算放大器取 各电阻和各电容的计算如下：根据 可得:根据 可得:根据，可得:按照以上参数我们可以确定电流环的电流超调量为4.3%<5%,因此我们电流调节器的设计是满足设计要求的。PI调节器电路结构图如图8所示：图8 电流调节器5.3 转速调节器ASR的设计5.3.1 电流环的等效闭环传递函数在设计转速调节器时，我们应把以设计好的电流环看作是转速环中

31、的一个等效环节，等效方法是我们自动化专业定性和定量分析的核心方法之一，因此我们以典型型系统设计的电流环等效传递函数求取。电流环的闭环传递函数为 把上式经过降阶、近似处理后，可得 5.3.2 确定时间常数电流环等效时间常数因为在电流调节器中，可知，因此转速滤波常数：转速环小时间常数： 转速反馈系数：5.3.3 选择转速调节器结构根据工程设计要求，稳态指标是转速调节器是无静差调节器，由此我们便知调节器中必须包含积分环节；根据动态指标设计要求，我们必须采用典型型系统。因此ASR采用PI调节器，其传递函数如下：调速系统的开环传递函数为:5.3.4 计算转速调节器的参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，经查

32、表可知，取h=5，因此我们可求得ASR的超前时间常数为:同时我们可以求出转速开环增益:因此ASR的比例系数为:5.3.5 校验近似条件转速环截止频率: 校验电流环传递函数简化条件：因此符合设计要求。检验小时间常数近似处理条件： 因此符合设计要求。校验转速超调量。我们查表可知，当h=5时， 而转速降因此转速超调量为:由此可知，我们的工程理论设计是满足设计要求的。5.3.6 计算转速调节器的电路参数按照所用运算放大器，取，各电阻和各电容值为 根据， 可得:根据 可得:根据，可得:按照以上参数我们可以确定电流环的电流超调量为4.3%<5%,因此我们电流调节器的设计是满足设计要求的。PI调节器电

33、路结构图如图9所示：图9 转速调节器6 电气原理总图及MATLAB仿真图我们对所设计的双闭环调速系统进行MATLAB仿真，仿真图如图10所示：图10 双闭环直流调速系统总电气图仿真图转速开环调速系统仿真结果如图11所示：图11 转速开环调速系统仿真结果分析：图上部为转速曲线，下部为电流曲线。因为开环系统中没有反馈信号，而电机在带载的一瞬间要有一个做功的过程，也就是建立系统带载状态下的稳定状态的过程，这部分功需要增大电机的电流来补偿，同时也会牺牲一部分动能，也就是电机的转速，所以产生了静态速降。 双闭环调速系统仿真结果如图12所示：图12 双闭环调速系统仿真结果分析：图上部为电机转速曲线，中部为

34、扰动电流曲线，下部为电机电流曲线。加电流启动时电流环将电机速度提高，并且保持为最大电流，而此时速度环则不起作用，使转速随时间线性变化，上升到饱和状态。进入稳态运行后，转速换起主要作用，保持转速的稳定。在第二秒时，外加一扰动信号，此时转速受扰动信号影响有所下降，但因为转速环的作用重新将转速拉入稳定值。7 工程上应注意的问题7.1 转速的退出饱和超调量和稳态转速有关根据经典控制理论，我们可以发现，当h确定以后，无论稳定转速怎么变化，转速的退出饱和超调量都不会变化，但是我们回头进行定量分析时，发现稳定转速变化，转速的退出饱和超调量的值也随着变化的。所以我们确定退出饱和超调量是与稳定转速有关的。7.2 反电动势对转速和转速退出饱和超调量的影响根据我们设计的电流环可知，检验反电动势的近似条件时，的确是满足要求的，但是我们并没有考虑到反电动势对转速环是否满足要求，经检验得到，检验值大于转速截止频率，因此我们在这次工程