双闭环直流调速系统的设计

1、 HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING 实习报告题 目 双闭环直流调速系统设计 学生姓名 王 超 专 业 电气工程及其自动化 班 级 0941 学 号 201150794113 系 （部） 电子信息工程系 完成时间 2012年 05 月 6 日 至 18日 目 录中文摘要2英文摘要2设计任务书31）系统主电路设计42） 硬件设计7 2.1变压器的参数设计82.2 晶闸管参数的设计及选型83）调节器的设计 9 3.1 电流调节器设计9 3.2 转速调节器设计12 3.3触发电路选择与校验153.4保护电路的设计164）基于MATLAB的双闭环直流调速系统及仿真15 5）心

2、得体会176）参考文献17 V-M双闭环直流调速系统程辉老师中文摘要转速、电流双闭环直流晶闸管调速系统具有良好的稳态和动态性能，结构简单、工作可靠、设计和调试方便，是性能很好、应用最广泛的直流调速系统。设计中采用工程设计的方法对直流双闭环调速系统的电流和转速两个调节器进行设计，先设计电流调节器，电流调节器、电流检测环节构成电流环，然后将整个电流环看作是转速调节系统的一个环节，再来设计转速调节器，转速调节器、转速检测环节构成转速环，电流环通过电流元件的反馈作用稳定电流，电压换通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。设计遵从确定时间常数、选择调

3、节器结构、计算调节器参数、校验近似条件的步骤一步一步的实现对调节器的具体体设计。之后，再对系统的起动过程进行分析，以了解系统的动态性能。英文摘要Speed, current double closed loop dc thyristor speed control system has good steady and dynamic performance, simple structure, reliable operation, design and convenient debug, performance is good, is the most widely used dc spee

4、d control system. Applied to the design of engineering design method of a dc double closed loop speed regulation system of current and speed two regulator to carry on the design, design first current regulator, current regulator, electric current detection link form current loop, and then will the c

5、urrent loop as speed regulation system of a link, and then to design speed regulator, speed regulator, rev test link form speed loop, current loop through the current feedback effects of components of the stable current, voltage change through the rev test of components of the feedback effects keep

6、speed stability, eventually eliminate speed error, so that the system is to adjust current and speed of purpose. Compliance to determine the time of design constant, choose regulator structure, the calculation regulator parameters, calibration approximate conditions step of the realization of the sp

7、ecific body design of regulator. Later, again to the system starting process to analyze, to understand the system dynamic performance.关键词：电流调节器；转速调节器；双闭环；系统；设计任务书直流电动机：功率PN500kW，额定电压UN=750V，额定电流IN=760A, nN=375r/min,电枢回路总电阻R0.14，触发整流环的放大倍数Ks=75，电动势系数Ce=1.82V.min/r,电磁时间常数TL=0.031s，机电时间常数Tm=0.112s，电流反馈

8、滤波时间常数Toi=0.002s，转速反馈滤波时间常数Ton=0.02s，允许电流过载倍数1.5，设调节器输入输出电压Unm*=Uim*=Unm=10V,调节器输入电阻R0=40k.设计指标：2）主要指标：调速范围0375r/min电流载倍数=1.5，系统静特性良好，无静差（静差率s2）动态性能指标：转速超调量n10%，电流超调量i5%，动态速降n8-10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts1s 第一章1 系统主电路设计1.1转速、电流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，分别调节电流和转速，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实

9、行嵌套联接，如图11所示。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，称作内环；转速换在外面，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。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12所示。转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。通过仿真模型的输出我们可以看到，本设计的过程和各项指标均达到了设计的要求，结果很理想。1.2双闭环直流调速系统的静特性分析分析静特性的关键是

10、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。（1）转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此， 由第一个关系式可得： 从而得到图1.3所示静特性曲线的CA段。与此同时，由于ASR

11、不饱和，可知，这就是说，CA段特性从理想空载状态的=0一直延续到。一般都是大于额定电流Idn的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。（2）转速调节器饱和这时，ASR输出达到限幅值Uim*，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时： 其中，最大电流取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度，由上式可得静特性的AB段，它是一条垂直的特性。这样是下垂特性只适合于的情况，因为如果,则,ASR将退出饱和状态。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,转速负反馈起主要的调节作用,但负载电流达到I

12、dm时,对应于转速调节器的饱和输出Uim*,这时,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.这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，因此，静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图2.2中虚线。图1-3双闭环直流调速系统的静特性 （3）限幅电路 图1-2 二极管钳位的外限幅电路1.3双闭环直流调速系统的稳态结构图首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图2-6所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征。一般存在两种状况：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

13、恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是为零。图1-4 双闭环直流调速系统的稳态结构框图实际上，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） 限幅作用A.饱和输出达到限幅值：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间的联系，相当于使该调节环开环。 B.不饱和输出未达到限幅值：当调节器不饱和时， PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是零。 1.4双闭环直流调速系统的动态数学模

14、型双闭环直流调速系统的动态结构框图如图1-5所示。图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。U*n+a Uct-IdLnUd0Un+-b -UiUiWASR(s)WACR(s)Ks -_ Tss+1- 1/ RTs+1RTmsU*iId1/Ce+=d00dd 1/Ce图1-5双闭环直流系统动态结构图转速反馈系数：电流反馈系数：第二章2.1变压器的参数设计U2是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成延迟角加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。一般可按下式计算，即： （2-1）式中A-理想情况下，=0°时整流电压Ud0与二次电压U2之

15、比，即A=Ud0/U2；B-延迟角为时输出电压Ud与Ud0之比，即B=Ud/Ud0；电网波动系数；11.2考虑各种因数的安全系数；根据设计要求，采用公式： 由表查得 A=2.34；取=0.9；角考虑10°裕量，则 B=cos=0.985取U2=120VU1/U2=380/120=3 取2.2 晶闸管参数的设计及选型2.21晶闸管实际承受的最大峰值电压晶闸管实际承受的最大峰值电压乘以（23）倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压，即 =（23）整流电路形式为三相全控桥式整流电路，得=269V，则 取。2.22晶闸管的额定电流选择晶闸管额定电流有效值,额定电流有效值大于

16、流过元件实际电流的最大有效值的（1.52）倍计算。 由此可以求出所以本设计选用晶闸管的型号为KP5A/700V。第三章3.1调节器的设计3.11 确定电流调节器的时间参数三相桥式电路的平均失控时间 Ts = 0.0017s。(查表得出)（2）电流滤波时间常数=0.002s：（3）电流环小时间常数：电枢回路总电感L=电动机的电动势系数：V.min/r电动机额定励磁下的转矩系数：V.min/r电力系统机电时间常数：3.12选择电流调节器的结构选用典型型系统，采用PI调节器，其传递函数为：检查对电源电压的抗扰性能： 采用典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。3.13计算电流调节器的参数（

17、1）为了让调节器的零点与控制对象的大时间常数极点对消，则电流调节器超前时间常数：（2）取最佳参数：，。因此，电流开环增益：电流反馈系数：电位器给定电压=10V，则晶闸管整流放大系数：ACR的比例系数为：3.14校验近似条件电流环截止频率： （1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 满足近似条件3）电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件3.15 计算调节器电阻和电容采用含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器，其原理图如图1所示。图中为电流给定电压，为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。图3-1 PI型电流调节器

18、所用运算放大器取，则各电阻和电容值为： 电流调节器设计完成。3.16建立电流环的动态数学模型 电流环的仿真模型 3.2、速度调节器的设计电流环经简化后可视作转速环的一个环节，为此其闭环传递函数为：忽略高次项，可降阶近似为：接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为，因此电流环在转速环中应等效为：3.21确定转速调节器的时间常数 电流环等效时间常数：转速滤波时间常数：Ton=0.02s转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，取：转速反馈系数：3.22转速调节器的结构设计3.221转速调节器的选择及参数的计算 为实现转速无静差，转速环开环传递函数应有两个积分，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节包

19、含在转速调节器ASR中，使系统在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能，所以应该选择典型II型系统，这样系统动态抗扰性能好。ASR采用PI调节器，其传递函数为： PI型转速调节器原理图如下。图3-2 PI型转速调节器按跟随性与抗扰性能较好的原则，取h=5，（查表得知）。当h=5时调节时间最短，动态跟随性能适中。则ASR的超前时间常数为：s转速环开环增益：ASR的比例系数为3.23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为: 满足简化条件（2）转速环小时间常数近似处理条件为 满足简化条件3.24 计算调节器电阻和电容所用运算放大器取，则 3.3触发电路选择与校验触发脉冲的放大和输出环节中，晶闸管触发电路应满足下列要求：（1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，三相全控桥式电路应采用宽于60°或采用相隔60°的双窄脉冲。（2）触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流35倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达12Aus。（3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极的伏安特性的可靠触发区域之内。4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。理想的触发脉冲电流波形和触发电路如图：触发电流波形 触发电路3.4保