双闭环直流调速系统

双闭环直流调速系统第一章调速系统的方案选择直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，在许多调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的的应用。近年来，虽然高性能的交流调速技术发展很快，交流调速系统已逐步取代直流调速系统。然而直流拖动控制系统不仅在理论上和实践上都比较成熟，目前还在应用；而且从控制规律的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础。直流电动机的稳态转速可以表示为n=n式中：n——转速(r/min)；U——电枢电压(V)；I——电枢电流(A)；U−IRKe(1-1)——励磁磁通(Wb)；ee由上式可以看出，有三种调速电动机的方法：1.调节电枢供电电压U；枢回路电阻R。对于要求在一定范围内无级平滑调速系统来说，以调节电枢供电电压的方式往只是配合调压方案，在额定转速以上作小范围的弱磁升速。因此，采用变压调速来控制直流电动机。直流电动机的选择直流电动机的额定参数为：NNN电动机供电方案的选择电动机采用三相桥式全控整流电路供电，三相桥式全控整流电路输出的电压脉动较小，带负载容量较大，其原理图如图1所示。三相桥式全控整流电路的特一般变压器一次侧接成三角形，二次侧接成星型，晶闸管分为共阴极和共阳1)有两个晶闸管同时导通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各有一个晶闸管，且不能为同一相的晶闸管。2)对触发脉冲的要求：按VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6的顺序，相位依次3)整流输出电压Ud一周期脉动六次，每次脉动的波形都一样，故该电路为六4)需保证同时导通的两个晶闸管都有脉冲，可采用两种方法：一种是宽脉冲触发，另一种是双脉冲触发。系统的结构选择方案一，采用转速反馈控制直流调速系统，即单闭环调速系统，用PI调节器实现转速稳态无静差，消除负载转矩扰动对稳态转速的影响，并用电流截止负反馈限制电枢电流的冲击，避免出现过流现象。方案二，采用转速、电流反馈的控制直流调速系统，即双闭环调速系统。由于转速单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流(或电磁转矩)的动态过程，对于经常正、反转运行的调速系统，缩短起、制动过程的时间是提高生产效率的重要因素。为此，在起动(制动)的过渡过程中，希望始终保持电流为允许的最大值，使调速系统以最大的加(减)速度运行。当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突变，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I的恒流过程，而且双闭环直调速系统具有比较满意的动态性能和良好的抗扰动性能。因此，选择方案二。为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行串级连接，电流环做内环，转速环做外环，这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统，即双闭环系统。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个确定直流调速系统的总体结构框图TG—测速发电机nnU∗—转速给定电压Unn如图2所示，双闭环直流调速系统的结构图，电动机的起动过程分为三个阶n第一阶段是电流上升阶段，突加给定电压U*后，经过两个调节器的跟随作ndLddL而转速调节器ASR的输入偏差电压(ddL而转速调节器ASR的输入偏差电压(U=U*−U)的数值仍较大，其输出电压保nnUIdIdIdmUiU电流调节器很d快就压制了I的增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并d第二阶段是恒流升速阶段，在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当imd于开环，系统成为在恒流给定U*下的电流调节系统，基本上保持电流Iimd而系统的加速度恒定，转速呈线性增长，是起动过程的主要阶段。第三阶段是转速调节阶段，在这阶段中，当转速上升到给定值n*时，转速调节器ASR的输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值U*，所以idddL始退出饱和状态，U*和I很快下降。但是，只要IidddL在负载的阻力下减速，直到稳态。第二章主电路的计算整流变压器参数的计算2在很多情况下晶闸管整流装置所要求的交流供电电压与电网往往不能一致，同时又为了减少电网与整流装置的相互干扰，使整流主电路与电网隔离，为此需要配置整流变压器。整流变压器根据主电路的型式、负载额定电压和额定电流，算出整流变压器二次相电压U、一次与二次额定电流以及容量。由于整流变压器2二次与一次电流都不是正弦波，因而存在着一定的谐波电，引起漏抗增大，外特性变软以及损耗增大，所以在设计或选用整流变压器时，应考虑这些因素。(2-1)22Aβ(cosα−CUdlI2/I2(2-1)22Aβ(cosα−CUdlI2/I2n)式中：U—负载的额定电压d02A—理想情况下α=0。时，U与U的比值，查表可知d02α—最小移相角，对于不可逆调速系统取10。~15。；22n22n故，U=22n22n故，U=Udn+n?Ut=230+2∗1=117.8V2Aβ(cosα−CUdlI2/I2n)2.34∗0.9∗(cos10。−0.5∗0.05∗2)由于整流变压器流过的电流通常都是非正弦波，所以其电流、容量的计算与线路形式有关。三相桥式可控整流电路计算为：变压器二次侧电流的有效值I2=√Id=0.816∗291A=237.5A(2-2)变压器的变比K=N1=U1=380=3N2U2117.8(2-3)1122根据变压器磁动势平衡原理知一次侧和二次侧电流关系为：IN1122(2-4)所以变压器一次侧电流I=I2=237.5A=79.2A1K3(2-5)(2-22变压器容量为：S=3UI=3*117.8*237.5*10−3kVA=83(2-22晶闸管元件的选择NTm晶闸管所承受的峰值电压U=VNTm晶闸管所承受的峰值电压U=V6UTm2 7) 8)N故，U=(2~3)*V6*117.8V=264.4~396.6VNVT(AV)1.57晶闸管的额定电流为VT(AV)1.57晶闸管的通态平均电流I=V1IT3d(2-9)(2-10)VT(AV)1.57故，I*291A=VT(AV)1.57IVT(AV)=(1.5~2)*223.5A=335.25~447A晶闸管保护环节的计算晶闸管元件有很多优点，但由于击穿电压比较接近工作电压，热容量又小，因此承受过电压、过电流能力差，短时间的过电压、过电流都会造成元件的损坏。为了使晶闸管元件能正常工作而不损坏，除合理选择元件外，还必须针对过电压、过电流发生的原因采取适当的保护措施。凡超过晶闸管正常工作时所承受的最大峰值电压均为过电压。过电压根据产生的原因可以分为两大类。①操作过电压：由交流装置拉、合闸和器件关断等经常性操作中电磁变化过程引起的过电压；②浪涌过电压：由雷击等偶然原因引起交流侧过电压保护对于交流侧的过电压，通常可采取以下保护措施：①雷击过电压可在变压器原边加接避雷器保护；②原边电压很高或变化很大的变压器，对此采取变压器附加屏蔽绕组接地或变压器星形中点通过电容接地的方法；③整流变压器空载且电源电压过零时原边拉闸，此时采用阻容保护或整流式阻容保护；④对于雷击或更高的浪涌电压，如阻容保护还不能吸收或抑制时，采用压敏电阻等非线性电阻进阻容保护计算电容两端的电压不能突变的特性，可以有效的抑制变压器绕组中的过电压，串联C≥6i%S0 (2-11)(2-12)2020K器激磁电流百分值，(10~1000)kVA的变压器的激磁电流百分值为4~10；u%为K变压器的短路电压百分值，(10~1000)kVA的变压器的短路电压百分值为0。则，C11=C12=C13≥6*7*380*79.2=8.8uF，取10uF。R11=R12=R13≥2.3*38.2*√=11Ω，取11Ω。C21=C22=C23≥6*4*117.8*237.5=48.4uF，取50uF。R21=R22=R23≥2.3*11.7.5*√=1.4Ω，取2Ω。直流侧过压保护端的电压不能突变的特性，可以有效的抑制变压器绕组中的过电压，串联电阻能过流保护由公式(2-10)和(2-11)可得2302R1≥2.3∗291∗√=2.2Ω，取3Ω。图5晶闸管的过压保护晶闸管两端的电压保护晶闸管的过压保护，在晶闸管两端并联电容能突变的特性，可以有效的抑制变压器绕组中的过电压，串联电阻能消耗部分过电压的能量，同由公式(2-11)和(2-12)可得396.62∗√=∗√=2.5Ω，取3Ω。电力电子运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流，过电流分为过载和短路两种情况。采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过流保护措施，在选择快熔时应考虑：2)电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路连接形式确定。3)快熔的I2t值应小于被保护器件的允许I2t值。4)为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑时间和电流特性。快熔熔体的额定电流T(AV)≥I≥IKRT (2-13)T(AV)T1.57T(AV)T0A。平波电抗器的计算产机械不利。此外，电波波形的断续给用平均值描述的系统带来一种非线性的因选择素，也引起机械特性的非线性，影响系统的运行性能。因此，实际应用中希望尽量避免发生电流断续。为了避免或减轻电流脉动的影响，需采用抑制电流脉动的措施，主要有：1)增加整流电路相数，或采用多重化的技术；2)设置电感量足够大的平波电抗器。平波电抗器的电感量一般按低速轻载时保证电流连续的条件来选择，通常首先给定最小电流Idmin(以A为单位)，再利用它计算所需的总电感(以mH为单位)，减去电枢电感，即得平波电抗器的电感值。对于三相桥式整流电路，总电感量的计算公式为一般取I为电动机额定电流的5%~10%。电动机的电感量为L=KUD×103Dd2pnID(2-14) (2-15)式中，UD、ID、n－直流电动机电压、电流和转速，常用额定值代入；p－电动机d的磁极对数；K－计算系数。一般无补偿电动机取8~12，快速无补偿电动机取d6~8，有补偿电动机取5~6。所以，平波电抗器的电感量为103=2.5mH第三章L=0.693×117.8−8×230×6%×2912×1×1450×291触发电路的设计直流稳压电源一般由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路所组成。变压器把市电交流电压变为所需的低压交流电，整流器把交流电变为直流电，经过滤波电路滤波后，经稳压器把不稳定的直流电压稳定到所需的稳定直流电压。本次设计把220V、50Hz的交流电经过变压器降压后，通过整流桥整流成直流电压，在经过滤波电路平滑直流电，最后通过三端集成稳压芯片7815、7915触发电路的选择晶闸管最重要的特性是可控的正向导通特性，当晶闸管的阳极加上正向电压后，还必须在门极与阴极之间加上一个具有一定功率的正向触发电压才能打通，这一正向触发电压的导通是由触发电路提供的，根据具体情况这个电压可以是交流、直流或脉冲电压。由于晶闸管被触发导通以后，门极的触发电压即失去控制作用，所以为了减少门极的触发功率，常常用脉冲触发。触发脉冲的宽度要能维持到晶闸管彻底导通后才能撤掉，晶闸管对触发脉冲的幅值要求是：在门极上施加的触发电压或触发电流应大于产品提出的数据，但也不能太大，以防止损坏其控制极，在有晶闸管串并联的场合，触发脉冲的前沿越陡越有利于晶闸管的同时触发导通。为了保证晶闸管电路能正常，可靠的工作，触发电路必须满足以下要求：触发脉冲应有足够的功率，触发脉冲的电压和电流应大于晶闸管要求的数值，并留有一定的裕量。触发信号为脉冲时，在触发功率不超过规定值的情况下，触发电压、电流的幅值在短时间内可以大大超过额定值。触发脉冲应一定的宽度且脉冲前沿应尽可能陡。由于晶闸管的触发是有一个过程的，也就是晶闸管的导通需要一定的时间。只有当晶闸管的阳极电流即主回路电流上升到晶闸管的掣住电流以上时，晶闸管才能导通，所以触发信号应有足够的宽度才能保证被触发的晶闸管可靠的导通，对于电感性负载，脉冲的宽度要宽些，一般为~1ms，相当于50Hz、18度电度角。为了可靠地、快速地触发大功率晶闸管，常常在触发脉冲的前沿叠加上一触发脉冲的相位应能在规定范围内移动。例如单相全控桥式整流电路带电阻性负载时，要求触发脉冲的移项范围是0。~180。，带大电感负载时，要求移项范围是0。~90。；三相半波可控整流电路电阻性负载时，要求移项范围是式全控整流电路带阻感负载时，移相范围是0。~90。。触发脉冲与主电路电源必须同步。为了使晶闸管在每一个周期都以相同的控制角被触发导通，触发脉冲必须与电源同步，两者的频率应该相同，而且要有固定的相位关系，以使每一周期都能在同样的相位上触发。触发电路同时受控于电本设计采用集成触发电路，集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗给定电源和给定环节的设计计算提供的电源是15V，而最大给定电压U*=10V，所以需要电阻分压。选用1/2W的电阻，则电阻的阻值R=U2=(15−10)2=50Ω，给定环节的电路图如图925P0.5转转速检测环节和电流检测环节的设计转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信号。转速检测电路主要由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统。其原理图如U*n电流检测电路的主要作用是获得与主路图Un电路电流成正比的电流信号，经过滤波整流后，用于控制系统中。该电路主要由电流互感器构成，将电流互感器接于主电路中，在输出端即可获得与主电路电流成正比的电流信号，起到电气隔离的作用。其电路原理图如图11所示。调速系统的静态参数计算原理图双闭环直流调速系统的稳态结构图如图12所示，两个调节器均采用带有限值，电流调节器ACR的输出限幅值UI达到限幅值，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状态。换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入与输出之间的联系，相当于图使调节器开环。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压U在稳态时为零。稳态结构图为了实现态结构图对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种状态。转速调节器不饱和，系统稳态时，它们的输入偏差电压都是零。因此(4-1)(4-2)。由(3-1)式得n=U=n由(3-1)式得α0nn0U*=U=αnn0iidU*=Uiid(4-3)iimiim((3-2)式知：Id<Idm。这就是的Id=0一直延续到Id=Idm，而I一般都是大于额定电流I的。这就是静特性的运行段，它dmdN(二)转速调节器饱和ASR输出达到限幅值U*双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调速系统，系统稳态时I=U=I(4-4)I=U=I(4-4)静特性式(3-4)所描述的静特性是图13中的BC静特性SR双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环无静差系统的稳态计算相似，即转速反馈系数α===101450=0.007V·min/r(4-5)电流反馈系数β=U=U=8=0.014Ω(4-6)IdmλIN2×291电动势系数C=UN−INRa=230−291×0.2=0.118V·min/r(4-7)enN1450UPE的放大系数K=Ud=230=28.75(4-8)sUc8第五章双闭环直流调速系统的动态设计在控制系统中设置调节器是为了改善系统的静、动态特性能。有关系统的静态性能指标在上章已经讨论了，本章就讨论系统的动态性能指标。控制系统的动态性能指标包括对给定输入信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指1.跟随性能指标在给定信号或参考输入信号R(t)的作用下，系统输出量C(t)的变化情况可以用跟随性能指标来描述。当给定信号变化方式不同时，输出响应也不同。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，这时的输出量动态响应称作为阶跃响应。常用的阶跃响应跟随指标有上升时r间、超调量和调节时间。上升时间t表示动态响应的快速性，超调量σ反应系统r的相对稳定性，超调量越小，系统相对稳定性越好，调节时间又称过渡过程时间，用它衡量整个输出量调节过程的快慢，它既反映了系统的快速性，又包含着2.抗扰性能指标在控制系统中，扰动量的作用点通常不同于给定量的作用点，因此系统的抗扰动性能也不同于系统的跟随性能。当调速系统在稳定运行时，突然加一个使输出量降低或上升的扰动量之后，输出量由降低或上升恢复到稳态值得过渡过程就是一个抗扰动的过程。常用抗扰动性能指标为动态降落和恢复时间。动态降落是指在系统稳定运行时，突加一个约定的标准负扰动量，所引起的输出量最大降落maxv值C；恢复时间tmaxv值之差进入某基准量的±5%(或取±2%)范围内所需要的时间。电流调节器的设计(1)确定时间常数1)整流装置滞后时间常数Ts。查表可知，三相桥式电路的平均失控时间T=0.00167s。2)电流滤波时间常数T。三相桥式路每个波头的时间是，为了基本滤平波头，应有(1~2)Toi=3.3ms，因此取Toi=2ms=0.002s。i∑isoi间常数近似处理，取T=T+T∑isoi(5-1) 4.7×10−3 =0.0185s(5-2)T=GD2R=GD2R=68.3×0.4=0.548s(5-3)m375CeCm375CeCe375×0.118×0.118×(2)选择电流调节器的结构根据设计要求5%，并且稳态电流无静差，按典型Ⅰ型系统设计电流调iWACR(s)=(5-4)似条件检查对电源电压的抗扰性能：Tl=0.0185≈5.04(5-5)T∑i0.00367查典型Ⅰ型系统抗扰性能指标与参数表知，Cmax×100%=27.8%，tm=2.8，CbTtv=14.7，各项指标均可以接受。T(3)计算电流调节器参数il电流调节器超前的时间常数：τ=T=0.il电流开环增益：设计要求i5%时，查表应取KIT∑i=0.5，因此K=0.5=0.5=136.2s−1(5-6)IT∑i0.00367K=KIτiR=136.2×0.0185×0.4=2.504(5-7)iKsβ28.75×0.014(4)校验近似条件1)调节器检验晶闸管整流装置传递函数的近3Ts3×0.00167ci2)1=1=3Ts3×0.00167ci(5-9)满足近似条件3)检验忽略反电动势变化对电流环的动态影响的条件4)3√Tm1Tl=3×√=29.80s−1<ω(5-10)5)校验电流环小时间常数近似处理条件(5)计算调节器的电阻和电容按所用运算放大器取R=40kΩ，则182.(5)计算调节器的电阻和电容按所用运算放大器取R=40kΩ，则0ii0R=KR=2.504×40kΩ=100.16ii0iRi100×103C=τi=0.0185F=0.185×10−6F=iRi100×1030.2uFoiR040×103C=4Toi=4×0.002F=0.2×10−6F=0.oiR040×103按照上述参数，电流环可以达到动态跟随性能指标，其传递还书为ACR0.0185sW(s)=2.504(0.0185ACR0.0185s转速调节器的设计(1)确定时间常数1)电流环等效时间常数1。由(5-6)KI式知，1=1s=0.0073s(5-15)KI136.22)转速滤波时间常数Ton。根据所用测速发电机纹波情况，取T=0.01s3)转速环小时间常数之和T∑n。按小时间常数近似处理，取T∑n=K1I+Ton=0.0173s(5-16)(2)选择转速调节器的结构按照设计要求，为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中，由于扰动作用点后面已经有一个积分环节，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Ⅱ型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。因此转速调节器选用PI示，其传递函数为(5-17)WASR(s)=Kn(τns(5-17)0.2uF(3)计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为τn=hT∑n=5×0.0173s=0.0865s(5-18)转速开环增益KN为N2h2T∑n22×52×0.01732K=h+1=N2h2T∑n22×52×0.01732nnK=(h+1)βCeTm=(5+1)×0.014×0.118×0.548=11.2(5-20)n2hαRT∑n2×5×0.007×0.4×0.0173(4)校验近似条件cnNncnNn1)速调节器校验电流环传递函数简化条件2)√i=×√s−1=64.2s−1>ω(5-22)3)