转速双闭环系统设计

1、郑州航空工业管理学院电力拖动自动控制系统课程设计 2011 级 电气工程及其自动化 专业 1106971 班级题 目 转速单闭环直流调速系统设计 姓 名 蔡树寰 学号 110697101 指导教师 孙 标 职称 副教授 二一三 年 一 月 八 日目录第一章 绪论1第二章 课程设计的要求与任务22.1设计任务及要求22.1.1设计任务22.1.2设计要求22.2双闭环调速系统的总体设计2第三章 主电路的设计53.1主电路电气原理图及其说明53.2平波电抗器参数的计算53.3变压器参数的计算53.3.1一次侧和二次侧电流I1和I2的计算63.3.2变压器容量的计算63.4晶闸管元件参数的计算63.

2、5保护电路的设计6第四章 电流调节器设计74.1电流环结构框图的化简74.2电流环参数的计算84.2.1 确定时间常数84.2.2 电流调节器结构的选择84.2.3计算电流调节器参数84.2.4 校验近似条件94.2.5 计算调节电阻和电容9第五章转速调节器的设计115.1转速环结构框图的化简115.2 转速环参数的计算125.2.1转速调节器设计与参数选择125.2.2 计算调节器电阻和电容135.2.3 控制及驱动电路设计14总结与体会16参考文献17第一章 绪论转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电

3、气传动系统中得到了广泛的应用。常用的电机调速系统有转速闭环控制系统和电流闭环控制系统，二者都可以在一定程度上克服开环系统造成的电动机静差率，但是不够理想。实际设计中常采用转速、电流双闭环控制系统，一般使电流环(ACR)作为控制系统的内环，转速环(ASR)作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。本文是按照工程设计的方法来设计转速和电流调节器的。使电动机满足所要求的静态和动态性能指标。电流环应以跟随性能为主，即应选用典型型系统，而转速环以抗扰性能为主，即应选用典型型系统为主。关键词：直流双闭环 调速系统 电流调节器 转速调节器第二章 课程设计的要求与任务2.1设计任务及要求2.1.1设

4、计任务设计V-M双闭环直流可逆调速系统2.1.2设计要求(1)自主选择一款直流电动机。(2)自主选择测速发电机，设计反馈环节。要求：电路、参数计算。(3)设计UPE环节的原理图，给出该环节的时间常数和放大系数。设计要求：UPE环节可自由选择三相半波、三相全波整流电路；电路设计要完整，包括平波电抗器的设计。(4)给出所选择的电力电子器件的额定电压，但是不要求具体型号（如果有型号当最好）。(5)说明如何计算最小逆变角，给出思路及所需的技术参数要求(6)给出电路原理图和该环节的传递函数。(7)设计ASR及ACR PI调节器，给出原理图。不要求电阻、电容的具体参数；明确说明你所采用的直流电源是多少伏；

5、要求具有限幅电路及其设计参数，说明你所设计的电路饱和时的输出值。(8)给出系统静特性结构框图以及动态结构框图。说明：能够计算得到的数据都应当计算出来，例如UPE环节的放大系数、时间常数、电枢回路的电磁时间常数等，并在框图内标明。(9)绘出静特性曲线并估算转速反馈系数。2.2双闭环调速系统的总体设计改变电枢两端的电压能使电动机改变转向。尽管电枢反接需要较大容量的晶闸管装置，但是它反向过程快，由于晶闸管的单向导电性，需要可逆运行时经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电；反转时，由反组晶闸管装置VR供电。如图1所示两组晶闸管分别由两套触发装置控制，可以

6、做到互不干扰，都能灵活地控制电动机的可逆运行，所以本设计采用两组晶闸管反并联的方式。并且采用三相桥式整流。虽然两组晶闸管反并联的可逆V-M系统解决了电动机的正、反转运行的问题，但是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，称作环流，一般地说，这样的环流对负载无益，只会加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率。环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。为了防止产生直流平均环流，应该在正组处于整流状态、Udof 为正时，强迫让反组处于逆变状态、使Udor为负，且幅值与Udof相等，使逆变电压Udor把整流电压Udof顶住，则直流平均环流为零。于是又由于

7、其中，分别为VF和VR的控制角。由于两组晶闸管装置相同，两组的最大输出电压是一样的，因此，当直流平均环流为零时，应有如果反组的控制角用逆变角表示，则 按照这样控制就可以消除环流。图1 两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路系统设计的一般原则为：先内环后外环。即从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。图2为转速、电流双闭环调速系统的原理图，图3为双闭环调速系统的结构图。图中两个调节器ASR和ACR分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把电流调节器的输出作为转速调节器的输入，再用转速调节器的输出去控制电力电子变换

8、器UPE。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U*im决定了电流给定电压的最大值；转速调节器ASR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。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。其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。图2 双闭环调速系统电路原理图+-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMUPE-IdLUd0Un+-+-UiACR1/RTl s+1R

9、TmsU*iUcKs Tss+1Id1Ce+Eb T0is+11 T0is+1ASR1 T0ns+1a T0ns+1U*nn图3 双闭环调速系统结构框图第三章 主电路的设计3.1主电路电气原理图及其说明主电路采用转速、电流双闭环调速系统，使电流环(ACR)作为控制系统的内环，转速环(ASR)作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。二者串级连接，即把电流调节器的输出作为转速调节器的输入，再用转速调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从而改变电机的转速。通过电流和转速反馈电路来实现电动机无静差的运行。图4 系统电气原理框图3.2平波电抗器参数的计算 Ud=2.34U2cos Ud=U

10、N=220V, 取=0° U2=Idmin=(5%-10%)IN,这里取10% 则L=0.693 3.3变压器参数的计算变压器副边电压采用如下公式进行计算： 因此变压器的变比近似为：3.3.1一次侧和二次侧电流I1和I2的计算I1=1.05×287×0.861/3.45=75AI2=0.861×287=247A3.3.2变压器容量的计算S1=m1U1I1=3×380×75=85.5kVAS2=m2U2I2=3×110×247=81.5kVAS=0.5×(S1+S2)=0.5×(85.5+81.5

11、)=83.5kVA因此整流变压器的参数为：变比K=3.45，容量S=83.5kVA3.4晶闸管元件参数的计算晶闸管的额定电压通常选取断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。晶闸管的额定电流一般选取其通态平均电流的1.5-2倍。在桥式整流电路中晶闸管两端承受的最大正反向电压均为，晶闸管的额定电压一般选取其最大正反向电压的2-3倍。带反电动势负载时，变压器二次侧电流有效值I2是其输出直流电流有效值Id的一半，而对于桥式整流电路，晶闸管的通态平均电流IVT=I，则在本设计中晶闸管的额定电流IVT(AV)=523-698A本设计中晶闸管的额定电压UN=311

12、-466V3.5保护电路的设计对于过电压保护本设计采用RC过电压抑制电路，该装置置于供电变压器的两侧或者是电力电子电路的直流上，如图5所示。对于过电流保护本设计采用在电力变压器副边每相母线中串接快速熔断器的方法来保护电路图5 过压保护电路第四章 电流调节器设计4.1电流环结构框图的化简电流环结构图的简化分为忽略反电动势的动态影响、等效成单位负反馈系统、小惯性环节的近似处理等环节。在一般情况下，系统的电磁时间常数 Tl远小于机电时间常数Tm，因此转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即DE0。这时

13、，电流环如图6所示。Ud0(s)+-Ui (s)ACR1/RTl s+1U*i(s)Uc (s)Ks Tss+1Id (s)b T0is+11 T0is+1图6 忽略反电动势动态影响的电流环动态结构图如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成U*i(s) /b ，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图7所示。+-ACRUc (s)Ks /R (Tss+1)(Tl s+1)Id (s)U*i(s)bb T0is+1图7 等效成单位负反馈系统的电流环的动态结构图最后，由于Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多，惯性环节，其时间常数为 Ti = Ts + Toi 则电流环结构

14、图最终简化成图8+-ACRUc (s)bKs /R (Tls+1)(TSis+1)Id (s)U*i(s)b+-ACRUc (s)bKs /R (Tls+1)(TSis+1)Id (s)U*i(s)b图8 电流环的简化结构图4.2电流环参数的计算4.2.1 确定时间常数(1)整流装置滞后时间常数 Ts。按表1，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s。(2)电流滤波时间常数本设计初始条件已给出，即Toi=0.002s。(3)电流环小时间常数之和T=Ts+Toi=0.0037s表1 各种整流装置的失控时间4.2.2 电流调节器结构的选择 从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性

15、，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，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。 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，其传递函数可以写成 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。检查对电源电压的抗扰性能：，参照典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表格，可以看出各项指标都是可以接受的。4.2.3计算电流调节器参数4.2.4 校验近似条件电流调节器超前时间常数：电流环开环增益

16、：要求%5%时，按典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系表格，取=0.50，即=0.5s，因此=0.5/=0.5/0.0037=135.1于是，ACR的比例系数为其中为晶闸管的内置放大系数，设其为30为电流反馈系数 R为电枢回路的总电阻，设其为2.85 计算得根据上述参数可以达到的动态指标为:电流环截止频率：=135.1(1)晶闸管整流装置传递函数的近似条件(2)忽略反电动势变化对电流动态影响的条件(3)电流环小时间常数近似处理条件满足近似条件。查表可得，设计后的电流环可以达到动态指标查表可知=4.3%<5%，满足设计要求。4.2.5 计算调节电阻和电容取R1=R2=R3=R

17、4=40k，则各电阻和电容值为=1.41*40=56.4k=5040uF0.2uF按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为=4 .3%<5%，满足设计要求。综上所述电流环（ACR）调节器的传递函数为：第五章转速调节器的设计5.1转速环结构框图的化简电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为Ui*(s),因此电流环在转速环中应等效为用电流环的等效环节代替电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图10所示和电流环一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成U*n(s)/a，再把时间常数为1 / KI 和 T0n 的两个小惯性环

18、节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中n (s)+-Un (s)ASRCeTmsRU*n(s)Id (s)a T0ns+11 T0ns+1U*n(s)+-IdL (s)图10 用等效环节代替电流环的转速环的动态结构图最后转速环结构简图为图11图11 等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理的转速环结构框图5.2 转速环参数的计算5.2.1转速调节器设计与参数选择转速调节器电路设计含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器如下图所示:其中Ui为电流给定电压，为电流负反馈电压，+15V为电力电子变换器的控制电压。(1)确定时间常数a. 电流环等效时间常数 b. 转速滤波时间常数，根据所用的测速

19、发电机波纹情况，取=0.01sc. 转速环小时间常数，(2)选择转速调节器结构按照设计要求无静差，故选用PI调节器考虑动态性能要求，按典型系统II设计系统按典型II型系统设计。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，取中频宽H=6,则a. ASR的超前时间常数 s b. 转速开环增益： c. 转速反馈系数：d. ASR的比例放大系数为： (4)校验近似条件转速环截止频率a. 转速环小时间常数近似处理条件为b.电流环传递函数简化为：5.2.2 计算调节器电阻和电容取R0=40 综上所述，ASR转速调节器的传递函数为：5.2.3 控制及驱动电路设计晶闸管整流电路是通过控制触发角的大小，即控制触发脉冲的起始相位来控制输出电压的大小。为保证整流电路的正常工作，应确保触发角的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。为简化设计过程，在本设计