转速、电流双闭环不可逆直流调速系统的设计与仿真

《运动控制系统》大作业转速、电流双闭环不可逆v-M直流调速系统

的设计与仿真学院： 电子信息与电气工程学院 专业班级： 学生姓名： 学生学号： 指导教师姓名： 指导教师职称： 讲师 2015年12月目录TOC\o"1-5"\h\z课程设计任务书 1\o"CurrentDocument"第一章直流双闭环调速系统原理 2系统的组成 2系统的原理图 3\o"CurrentDocument"第二章主电路元部件及参数计算 4整流变压器容量计算 4次级电压U2 42.1.2次级电流12和变压器容量 5晶闸管的电流及电压定额计算 6晶闸管额定电压UTN 6晶闸管额定电流IN 6平波电抗器电感量计算 6保护电路的计算 7过电压保护 7过电流保护 10第三章转速、电流双闭环直流调速器的设计 11电流调节器 11时间常数的确定 12电流调节器结构的选择 12电流调节器的参数计算 13近似条件校验 13电流调节器的实现 14转速调节器 14时间常数的确定 14转速调节器结构的选择 14转速调节器的参数计算 15近似条件校验 15转速调节器的实现 16校核转速超调量 16\o"CurrentDocument"第四章系统仿真 17\o"CurrentDocument"心得体会 21\o"CurrentDocument"参考文献 22课程设计任务书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：他励直流电动机220V,136A,1460r/min;时间常数Toi=0.002s,Ton=0.01s;oion电枢回路总电阻R=0.5Q;电动机电势系数Ce°」33V-minr触发整流环放大倍数KS=40;晶闸管装置TS=0.00167s调节器输入输出电压UNM*=UIM*=UNM=10V;电流过载倍数入=1.5；第一章直流双闭环调速系统原理1.1系统的组成转速、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。采用PI调节的单个转速闭环调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是对系统的动态性能要求较高的系统，单闭环系统就难以满足需要了。为了实现在允许条件下的最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。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。所以，我们希望达到的控制：启动过程只有电流负反馈，没有转速负反馈；达到稳态转速后只有转速负反馈，不让电流负反馈发挥作用。故而采用转速和电流两个调节器来组成系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可以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（或称串级）联接，如图1-1所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再把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；转速换在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。内环V+MnT.TPE+!/外环%ACR图内环V+MnT.TPE+!/外环%ACR图1-1转速、电流双闭环直流调速系统1.2系统的原理图为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样组成的直流双闭环调速系统原理图如图1-2所示。图中ASR为转速调节器，ACR为电流调节器，TG表示测速发电机，TA表示电流互感器，UPE是电力电子变换器。图中标出了两个调节器出入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的了控制电压UC为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还标出了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。图1-2双闭环直流调速系统电路原理图第二章主电路元部件及参数计算2.1整流变压器容量计算2.1.1次级电压U2在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致；此外，为了尽量减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求它们相互隔离，故通常要配用整流变压器，这里选项用的变压器的一次侧绕组采用△联接，二次侧绕组采用Y联接。S为整流变压器的总容量，S为变压器一次侧的容量，U为一次侧电压,I11为一次侧电流,S为变压器二次侧的容量，U为二次侧电压，I为二次侧的电222流，m、m为相数，以下就是各量的推导和计算过程。12为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后，晶闸管交流侧的电压U只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计2算整流变压器次级电压U。影响U值的因素有：22（1） U2值的大小首先要保证满足负载所需求的最大直流值Ud（2） 晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降，用UT表示（3） 变压器漏抗的存在会产生换相压降（4） 平波电抗器有一定的直流电阻，当电流流经该电阻时就要产生一定的电压降（5）电枢电阻的压降综合以上因素得到的U2精确表达式为：U[1+r(―dmax—1)]+nUNaITU2 cU%I~~:-AlEB— K•―dmax1100 Id式中：A=Ud/U,02表示当控制角a=0。时，整流电压平均值与变压器次级相电压有效值之比。B=Ud/Ud,表示控制角为a时和a=00时整流电压平均值之比。a0U%—变压器的短路电压百分比，100千伏安以下的变压器取U%=5,100~1000KK千伏安的变压器取U%=5~8。K£为电网电压波动系数。根据规定，允许波动+5%~-10%，即£=1.05~0.9C是与整流主电路形式有关的系数，表示电动机电枢电路总电阻的标幺值,对容量为15~150KW的电动机，通常ra=0.08~0.04。IRr二亠亠表示电动机电枢电路总电阻Rv的标幺值，对容量为aU 乙N15〜150KW的电动机，通常r=0.04~0.08。an—表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降。UTI—负载电流最大值；I=九I所以九=[dmax,九表示允许过载倍数。dmax dmaxdN IdN[3£=0.9，A=2.34，B=cosa=cos30O= ，C=0.5,U%=5，（其中A、2 KB、C可以查表2.1中三相全控桥）。表2.1变流变压器的计算系数整流电路单相双半波单相半控桥单相全控桥三相半波三相半控桥三相全控桥带平衡电抗器的双反星形A=U/Ud0 20.90.90.91.172.342.341.17B=U/Uda d0cosa1+cosacosacosa1+cosacosacosa22C0.7070.7070.7070.8660.50.50.5K=I/112 2d0.707110.5780.8160.8160.289对于本设计：为了保证电动机负载能在额定转速下运转，计算所得的U应有2一定的裕量，根据经验所知，公式中的控制角应取300为宜。£=0.9，A=2.34，B=0，C=0.5，U%=5，取U=270V。K22.1.2次级电流12和变压器容量I=KI・Id,KI为各种接线形式时变压器次级电流有效值和负载电流平均222

值之比。对于本设计KI取0.816，且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗，因此2可以得到：I=0.816X220=179.52A2S=1/2(S+S)=m1UI=m2UI=3X270X179.52=145.41KVA121122晶闸管的电流及电压定额计算2.2.1晶闸管额定电压UTN晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压Um，考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽2~3倍的安全系数，即按下式选取U=(2~3)UM,式中系数2~3的取值应视运行条件，元件质量和对可靠性的要求TN程度而定。对于本设计，UM=U2,故计算的晶闸管额定电压为：U=(2~3)U2=(2~3)X270=1323〜1984V,取1800VTN2.2.2晶闸管额定电流IN为使晶闸管元件不因过热而损坏，需要按电流的有效值来计算其电流额定值。即必须使元件的额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。可按下式计算：I=(1.5~2)KfbIN MAX式中计算系数K=K/1.57Kb由整流电路型式而定，Kf为波形系数，Kb为共fbf阴极或共阳极电路的支路数。当a=0时，三相全控桥电路Kfb=0.368，故计算的晶闸管额定电流为：I(AV)=(1.5~2)KfbI =(1.5~2)X0.368X(220X1.5)=182.16〜242.88A，T MAX本设计中取200A。平波电抗器电感量计算由于电动机电枢和变压器存在漏感，因而计算直流回路附加电抗器的电感量时，要从根据等效电路折算后求得的所需电感量中，扣除上述两种电感量。电枢电感量LM按下式计算：LM2LM2PnNIN(mH)P—电动机磁极对数K—计算系数，对一般无补偿电机：D=8~12D对于本设计，P=2,KD=10。（2）整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感LB按下式计算：UK%U2(LB=KB」• 2(mH)BB100/dU2—变压器次级相电压有效值Id—晶闸管装置直流侧的额定负载电流KB—与整流主电路形式有关的系数对于本设计，K「3.9B（3）变流器在最小输出电流Idmin时仍能维持电流连续时电抗器电感量L按下式计算：K•U2IdminK是与整流主电路形式有关的系数，三相全控桥K取0.693用于限制输出电流的脉动的临界电感L（单位为mH）mL= u_2X103m2兀fSIdiN式中S 电流脉动系数，取5%〜20%；iS 电压脉动系数，三相全控桥S=0.46；uuf 输出电流的基波频率，单位为H，对于三相全控桥f=300H。dZdZ本设计中电抗器电感量应大于15mH保护电路的计算过电压保护过电压保护可分为交流侧和直流侧过电压保护，前常采用的保护措施有阻容吸收装置、硒堆吸收装置、金属氧化物压敏电阻。这里采用金属氧化物压敏电阻的过电压保护。1．交流侧过电压保护压敏电阻采用由金属氧化物（如氧化锌、氧化铋）烧结制成的非线性压敏元件作为过电压保护，其主要优点在于：压敏电阻具有正反向相同的陡峭的伏安特性，在正常工作时只有很微弱的电流（1mA以下）通过元件，而一旦出现

过电压时电压，压敏电阻可通过高达数千安的放电电流，将电压抑制在允许的范围内，并具有损耗低，体积小，对过电压反映快等优点。因此，是一种较好的过电压保护元件。本设计采用三相全控桥整流电路，变压器的绕组为A—Y联结，在变压器交流侧，采用压敏电阻的保护回路，如下图2.1所示。图2.1图2.1二次侧过电压压敏电阻保护（1） 压敏电阻的额定电压U选择可按下式：1mAU>1.33、：2u1mA 2l式中，U 压敏电阻的额定电压，VYJ型压敏电阻的额定电压有：100V、1mA200V、440、760V、1000V等。U 变压器二次侧的线电压有效值，对于星形接法的线电压等于相2l电压，U 。212（2） 计算压敏电阻泄放电流初值，即三相变压器时：Rm-Rm-KI3Z021式中，K 能量转换系数，K二0.3~0.5ZZI 三相变压器空载线电流有效值02l（3）计算压敏电阻的最大电压U的公式为RmURmRRm式中，KRURmRRm式中，KR压敏元件特性系数；压敏元件非线性系数。一般a在20〜25之间，在取a=20时，K二1.4U。R 1mA2.直流侧过电压保护整流器直流侧在快速开关断开或桥臂快速熔断等情况，也会在A、B之间产生过电压，可以用非线性元气件抑制过电压，本设计压敏电阻设计来解决过电压时（击穿后），正常工作时漏电流小、损耗低，而泄放冲击电流能力强，抑制过电压能力强，除此之外，它对冲击电压反应快，体积又比较小，故应用广泛。其电路图如右图2.2所示。算:压敏电阻的额定电压U 的选取可按下式计1算:压敏电阻的额定电压U 的选取可按下式计1mAU1mA08吋X压敏电阻承受的额定电压峰值式中U为压敏电阻的额定电压；£为电网电图2.2压敏电阻保护电路图2.2压敏电阻保护电路压升高系数，一般£取1.05〜1.10。压敏电阻承受的额定电压峰值就是晶闸管控制角«=300时输出电压uda3.晶闸管的过电压保护晶闸管对过电压很敏感，当正向电压超过其断态重复峰值值电压一定值时,就会误导通，引发电路故障；当外加的反向电压超过其反向重复峰值电压UDRM一定值时，晶闸管将会立即损坏。因此，必须研究过电压的产生原因及抑制过电压的方法。过电压产生的原因主要是供给的电压功率或系统的储能发生了激烈的变化，使得系统来不及转换，或者系统中原来积聚的电磁能量不能及时消散而造成的。本设计采用如右图2.3阻容吸收回路来抑制过电压。通过经验公式：C=（2〜4）IX10-3 AT 念立Vt注释：R二10〜300P=1CU2R2m图2.3阻容吸收回路过电流保护过电流保护措施有下面几种，可以根据需要选择其中一种或数种。（1）在交流进线中串接电抗器或采用漏抗较大的变压器，这些措施可以限制短路短路电流。（2）在交流侧设置电流检测装置，利用过电压信号去控制触发器，使脉冲快速后移或对脉冲进行封锁。（3）交流侧经电流互感器接入过电流继电器或直流侧接入过电流继电器，可以在发生过电流时动作，断开主电路。（4）对于大容量和中等容量的设备以及经常逆变的情况，可以用直流快速开关进行过载或短路保护。直流开关的应根据下列条件选择：快速开关的额定电流I额定整流电流I。l2d N快速开关的额定电压U三额定整流电压U。KldN快速开关的分断能力I直流侧外部短路时稳态短路电流平均电流平均fd2d值I。快速开关的动作电流I按电动机最大过载电流整定I=KId20 g2d g2d N式中，K为电动机最大过载倍数，一般不大于2.7；I为直流电动机的额定电流。N（5） 快速熔断器它可以安装在交流侧或直流侧，在直流侧与元件直接串联。在选择时应注意以下问题：快熔的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值。熔断器的额定电流应大于溶体的额定电流。溶体的额定电流I可按下式计算：1.571<I<IKN TaKNT1．三相交流电路的一次侧过电流保护在本设计中，选用快速熔断器与电流互感器配合进行三相交流电路的一次侧过电流保护，保护原理图2.4如下：

T-T-图2.4一次侧过电流保护电路熔断器额定电压选择：其额定电压应大于或等于线路的工作电压。熔断器额定电流选择：其额定电流应大于或等于电路的工作电流。一次侧电流计算式：2•晶闸管过电流保护晶闸管不仅有过电压保护，还需要过电流保护。由于半导体器件体积小、热容量小，特别像晶闸管这类高电压、大电流的功率器件，结温必须受到严格的控制，否则将遭至彻底损坏。当晶闸管中流过的大于额定值的电流时，热量来不及散发，使得结温迅速升高，最终将导致结层被烧坏。晶闸管过电流保护方法中最常用的是快速熔断器。快速熔断器由银质熔丝埋于石英砂内，熔断时间极短，可以用来保护晶闸管。第三章转速、电流双闭环直流调速器的设计3.1电流调节器电流调节器ACR的调节作用：电流环由ACR和电流负反馈组成的闭环。其主要作用是稳定电流。由于ACR为PI调节器。所以在稳态的时候，它的输入电压△Ui必须为0。即=Usi-§Id=0所以在稳态的时候Id二Usi/§此式的含义:当Usi一定的情况下，由于电流调节器ACR的调节作用，整流装置将保持在Usi/§的数值上。假设Id>Usi/§它的自动调节过程如下：它可以保持电流特性不便使得:自动限制最大电流,能有效抑制电网电压波动的影响。由于ASR有输出限幅，限幅值为Usim,这样电流的最大值为Im>Usim/§.当Id>Im时.电流环将使电流下降•调节电位器RP3的电流反馈系数§或整定ASR限幅值Usim可以整定Im的数值.Im=2.0—2.51N.能够有效的抑制电网电压波动的影响。当电网电压波动引起的电流波动，通过电流调节器ACR的调节作用，使得电流很快的恢复原值。在双闭环调速系统中，电网电压波动对转速的影响很小，可以忽略。3.1.1时间常数的确定表3.1各种整流电路的失控时间（f=50Hz）整流电路形式最大失控时间Tsmax/ms平均失控时间Ts/ms单相半波2010单相桥式105三相半波6.673.33三相桥式3.331.67系统电磁时间常数Tl：由上可知L=35.98mH,R=0.5,整流装置滞后时间常数Ts:按表二，三相桥式电路的平均失控时间为Ts=0.0017s。电流滤波时间Toi:三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms,为了基本滤平波头，应有（1-2）Toi=3.33s，因此取Toi=2ms=0.002s。电流环小时间常数之和T:按小时间常数近似处理，为了方便起见本设计Ei中我们就取T二Ts+Toi=0.0037s。Ei电流调节器结构的选择根据设计要求5i<5%，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为:W（s）二KMACR iTSi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：T/T=0.07S/0.0037=8.11，对照典型I型系LEi统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。图3.1统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。图3.1电流环的动态结构框图电流调节器的参数计算电流调节器超前时间常数Ti=Tl=0.07s。电流开环增益：要求6iV5%时,

按表三应取KT=0.5，因此K=0.5/T=0.5/0.0037=135.1s-i。取Ks=48，而电IEi I Ei流反馈系数B=10V/1.5I=10/(1.5X220)=0.03V/A,于是，ACR的比例系数为:NTRK=K—=135.1*0.07*0.25/48*0.03=1.642iipKs表32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参数关系KT0.250.390.500.691.0阻尼比g1.00.80.7070.60.5超调量50%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间trOO6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间tpOO8.3T6.2T4.7T3.6T相对稳定裕度Y76.3°69.9°65.5°59.2°51.8°截止频率3C0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T近似条件校验电流环截止频率：3ci二K=135.1st。I(1)晶闸管整流装置传递函数的近似条件1_1_13F_3X0.0017ss-i=196・1s-i>oci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：3(1/TT])=3*/l/0.1*0.07=11.34s满足近似条件。(3)电流环小时间常数近似处理条件：—1/TT)=1/3/1/0.0017*0.002=180.78s>ec满足近似条件。3 s°i3.1.5电流调节器的实现按所用运算放大器取R0=40kQ各电阻和电容值为：R二KR=1.642x40=65.68kQ，取65kQ;ii0C=t/R=0.07/(65x103)=1.08“F,取1.1“F;iiiC=4T/R=4x0.002/40000=0.2x10-6f=0.2“F,取0.2“F。°i°i0按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为5i=4.3%5%(见表三)，满足设计要求。3.2转速调节器速度调节器ASR的调节作用：S速度环是由ASR和转速负反馈组成的闭环。它的主要作用是驳斥转速稳定，并最后消除转速静差。由于ASR属于PI调节器，因此在稳态的时候AUn=Usn-&n=0所以在稳态的时候，n=Usn/&它表示当Usn—定时，ASR的作用，转速n稳定在Usn/&,假设nvUsn/&。从上面的分析可以卡出，当转速环要求电流迅速响应转速n的变化而变化的时候，而电流环则要维持电流不变，这种性能会不利于电流对转速变化的响应，有使静特性边软的趋势。但由于转速环是外环，电流环的作用只相当于转速环内部—种扰动。不起主导作用。只是转速环的开环放大倍数足够大，最后还是只靠ASR的积分作用，消除转速偏差。时间常数的确定电流环等效时间常数已取KTi=0.5，则1/K=2T=2x0.0037=0.0074s。IZ IZi转速滤波时间常数Ton:根据所用测速发电机纹波情况，取T°n=0.01s。转速环小时间常数TZn：按小时间近似处理,ZnT=1/K+T°n=0.0074+0.01=0.0174sZnI转速调节器结构的选择按照设计要求，选用典型II型系统的PI调节器，其传递函数为W (W (s)二KASRnTS+1—n Ts式中K—转速调节器的比例系数；nT—转速调节器的超前时间常数。nT—转速调节器的超前时间常数。n图3.2转速环的动态结构框图3.2.3转速调节器的参数计算按跟随和抗扰性能都较好的原则，取 h=5，则ASR的超前时间常数为Tn二hT=5X0.0174=0.087s，可求得转速环开环增益:EnK=(h+l)/2*h2T=396.4s-2N En其中：Ce=(U—IRa)/n=(440-220X0.088)/1000=0.234V.min/rNNNa=10V/n=10/1800=0.006V.min/rN于是可得ASR的比例系数为：K二(h+D0CTm=3.36

n 2haRTSn近似条件校验由式K=3sc得转速环截止频率为sen二kTn=396.4*0.087=34.5s-i。1N电流环传递函数简化条件1/3VKi/Ti=63.7S-i>⑴cn，满足简化条件。IE转速环小时间常数近似处理条件1/3V—K/TOn=38.7s-i>wcn,满足近似条件。转速调节器的实现取R0=40kQ，则Rn二KnR0=3.36X40=134.48kQ，取1400kQ；Cn二Tn/Rn=0.087/(140X103)=0.621口F，取0.7口F；Con=4Ton/R=4X0.01/(40X103)=1uF，取1口F。0校核转速超调量当h=5时，由表四查得，6n=37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于表四是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。表3.3典型II型系统阶跃输入跟随性能指标(按Mmin准则确定参数关系)h345678910552.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%tr/T2.402.652.853.003.103.203.303.35ts/T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111设理想空载起动时，负载系数z=0，已知入=1.5,I=220A，n=1800r/min，NNCe=0.234V.r/min，Tm=0.1s，T=0.0174s。当h=5时，由表五查得，EnACmax/Cb=81.2%，而调速系统开环机械特性的额定稳态速降An=IR/NNECe=220X0.12/0.234=94.01r/min，当h=5时，由表四查得，on=37.6%能满足设计要求。表3.4典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系h345678910△Cmax/Cb72.2%77