双闭环调速系统的设计

-2-目录TOC\o"1-1"\h\z\u序言 -4-设计任务书 -5-系统结构方案的选择 -5-主回路的选择 -7-触发器的设计和同步相位的配合 -11-辅助电路设计 -12-系统静、动态设计 -13-电流环的设计 -14-转速环设计 -18-系统的总框图 -22-参考文献 -23-序言随着社会经济的快速增长，电动机的调速控制越来越重要。在电机控制中以直流电机调速控制最为常见，本次课程设计将涉及到直流电机调速中的各种参数设计以及分析，最后得到一个能够正常运行的模拟直流电机控制系统。设计的主要内容包括主回路和触发回路等的设计，设计的目的和作用有以下几方面：1、理论联系实际，掌握根据实际工艺要求设计电力拖动自动控制系统的基本方法。2、对一种典型的双闭环调速自动控制系统进行综合性的分析设计，掌握各部件和整个系统的设计调试步骤、方法及操作实际系统的方法。加强基本技能训练。3、掌握参数变化对系统性能影响的规律，培养灵活运用所学理论解决控制系统中各种实际问题的能力。4、培养分析问题、解决问题的独立工作能力，学会实验数据的分析与处理能力及编写设计说明书和技术总结报告的能力。为下学期毕业设计作准备。5、通过设计熟练地查阅有关资料和手册。本课程设计的对象是：直流电机：185W，220V，1.2A，1600转/分。直流测速机：10W，10V，0.2A，1900转/分。作者姓名2015年1月13日设计任务书一、闭环系统调节器设计利用综合实验测得的对象数据，按下述要求设计转速、电流双闭环直流调速系统的调节器和反馈参数。做出系统的伯德图和动态框图。设计要求如下： a.调速范围D＝5～10，静差率S≤5％。b.空载启动时电流超调σi≤5%,转速超调σn≤10%(在额定转速时)。c.动态速降小于10％。d.振荡次数小于2次。2、晶闸管－电动机系统主电路设计a.晶闸管整流电路方案的讨论和选择。b.整流变压器额定容量、一次侧和二次测电压、电流的选择。c.晶闸管的选择及晶闸管保护电路的选择。d.平波电抗器的计算与选择。e.触发电路的选择。f.测速发电机的选择及有关元件的选择与计算。g.绘制晶闸管调速系统主电路原理图和设备明细表。系统结构方案的选择一、调压、变阻及弱磁方案调速的选择与论证直流电动机的转速和其他参量的关系可用式（1-1）表达（1-1）式中 ——转速，单位为r/min； ——电枢电压，单位为V；——电枢电流，单位为A；——电枢回路总电阻，单位为；——励磁磁通，单位为Wb；——由电机结构决定的电动势常数。由式（1-1）可以看出，有三种方法调节电动机的转速。 （1）调节电枢供电电压。 （2）减弱励磁磁通。 （3）改变电枢回路电阻。 对于要求在一定范围内无极平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有极调速，减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电动机额定转速）以上作小范围的升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。二、单环、双环的选择与论证在单闭环直流调速系统中，只有电流截止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，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动时的电流和转速波形如图1-1a所示。当电流从最大值降低下来以后，电机的电磁转矩也随之减小，因而加速过程必然延长。a）带电流截止负反馈的单闭环调速系统b）理想的快速起动过程图1-1调速系统起动过程的电流和转速波形对于像龙门刨床、可逆轧钢机那样的经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大电流（转矩）受限的条件下，希望充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能的加速度起动，到达稳态转速后，又让电流立即降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形示于图1-1b，这时，起动电流呈方形波，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能跳变，图1-1b所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全实现。为了实现在允许条件下最快起动，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就应该能得到近似的恒流过程。问题是希望在起动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主要的作用。怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？双闭环调速系统正是用来解决这个问题的。主回路的选择主电路形式的选择与论证 在调压直流调速系统中，调压的方式有多种，主要的有三种：旋转变流机组、静止可控硅整流器、直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变流机组由于其庞大的体积和昂贵的造价，现基本已不再使用。而直流斩波器和脉宽调制变换器虽说是比较理想的选择，但由于其受到容量的限制，一般都是用在中小功率的系统。此次的设计选择的是静止可控硅整流器，其整流形式选择三相桥式全控型。因为单向整流中输出的电压较小，不能很好的利用，而且谐波也比较严重；六相整流电路虽说可以减少谐波，增大整流输出电压，但由于其需要的相位触发电路较为复杂，故综合而言，选择三相桥式全控整流电路较好。二、整流变压器的计算 由于主电路已经选择了三相桥式整流，故变压器选择三相变压器。根据直流电动机正常运行时的额定电压Unom Ud=2.34U式（1-2）中Ud为整流输出的电压，即加在直流电动机两端的电压，U2为变压器二次侧的相电压，α为触发角，取值范围是10°-96°，根据调压调速的要求，我们要使得整流输出电压略大于电动机的额定电压，这样才能实现正常调速，而且不会烧坏电动机。当α=10°时，整流输出最大，则由此可算得二次侧电压：U考虑到电网电压会有10%左右的波动，最终取：U尽管电动机串联有电抗器，但还是无法完成消除，所以变压器采用星型接法以防止谐波流入电网，电压器一次测采用三角形接法。工业中的动力电源电压一般采用380V的线电压，即变压器一次测相电压：U则有变压器的变比：n电动机的额定电流为:I其过载系数λ负载电流Id等于I为了获得良好的启动，并考虑到电网电流也波动，故综合考虑，取二次侧相电流：I变压器的容量： S=3U2三、晶闸管元件的计算与选择在三相桥式全控整流电路中，晶闸管正向承受的最大电压是二次线电压峰值的一半，即： UFM=12∙而反相承受的最大电压是二次线电压峰值，即： URM取额定电压为正常工作是晶闸管所承受电压峰值电压的2~3倍，即：U标准电压等级后可取晶闸管额定电压：U整流电路中额定负载电流Id IVT=13Id根据有效值相等原理，晶闸管的通态平均电流为： IT(AV)=IVT1.57=1.1A 考虑1.5倍的安全裕量，晶闸管额定电流：I综上讨论选择额定电压为900V，额定电流为1.65A的晶闸管。四、晶闸管保护措施的电路设计与计算 在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护、过电流保护也是必要的。1．过电压保护过压有外因和内因两类，而电力电子过压保护常采用图1-2措施：图1-2图1-2中的参数如下：C=2.5~5×R=(2~4)×535IVIN2．过电流保护电力电子电路运行不正常或者出现故障时，可能会发生过电流。过电流分为过载和短路两种情况。选择常用的措施，即采用串联快速熔断器。如图1-3：图1-3上图中的快速熔断器的额定电流:I为了计算方便取I五、平波电抗器的计算与选择在应用V-M系统时，首先要考虑抑制电流脉动的问题，其主要措施是设置平波电抗器。在三相桥式整流电路中，平波电抗器的电感为：L=0.693其中Idmin=5%~10%为了计算方便，取L=1H。六、测速机的选择与可变电位器的选择与计算由于此次的设计的直流电动机额定转速为1600转/分，故测速机的额定转速必须大于电动机转速才能实现测速。本次给定的直流测速机：10W，10V，0.2A，1900转/分，满足需求。测速机的电压转速比：C故当电动机达到额定转速1600转/分时测速机的输出电压：U有测速机的额定电流为0.2A，故可变电位器的最大电阻为：R=七、电流检测回路的设计计算电流检测回路主要由电流互感器和整流电路组成。图中1-4中TA为电流互感器，它串联在整流变压器的二次侧使用。图1-5为电流互感器输出的整流电路，其中互感器的TA1，TA2，TA3分别接图1-5中的TA1，TA2，TA3。图中选用的是三相桥式整流电路，经过RC虑波后得到电流反馈信号。图1-4电流互感器图1-5整流电路八、电动机励磁回路设计电动机的励磁采用的是直流励磁方式，其供电是通过一个单独的变压器组变压后再整流输出，如图1-6所示。其中变压器的原边绕组连接的是380V的电压，副边绕组采用的是三相半波整流输出。励磁电路的电压取220V，电流取0.2A。图1-6励磁回路触发器的设计和同步相位的配合一、触发电路的设计与选择触发电路采用集成触发器。目前国内常用的有KJ系列和KC系列。这次主要采用的是KC系列，其三相全控桥整流电路的触发电路如下图：图1-7触发电路二、同步相位的配合为保证触发电路和主电路频率一致，利用一个同步变压器，将其一次测接入主电路供电的电网，由其二次侧提供同步电压信号。这样，由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管电压频率始终是一致的。接下来主要就是同步变压器的设计。如图1-8所示。图中A、B、C为主电路，a，b，c接晶闸管触发端。图1-8同步变压器辅助电路设计一、高精度给定电源的设计给定的电路图如图1-9所示，图中通过±15V高精度直流电源供电，通过滑动变阻器RP1和RP2来调节给定脉冲幅值的大小，当S1打向上方是输出正给定，下方是负给定。二、直流供电电源的设计直流供电电源电路如图1-10，图中通过 变压器后 经过整流稳压电路后得到±15V和24V的稳定电压。图1-9给定电路变压器的一次测接入380V的交流电源。图1-10直流供电电源系统静、动态设计一、静态工作点的设计在电机综合拖动实验中我们已经测得转速环反馈系数：α=0.004，电流环反馈系数：β=5，晶闸管整流放大倍数：U上式中nnom为电动机的额定转速，取1600转/分，代入算得UU上式中Idm为电动机的额定电流，取1.2A，代入算得UU上式中R为主回路总电阻，实验测得R=32.5Ω ，IdL为电动机的负载电流，由于本次实验是空载运行，故IdL二、其他参数的计算由于综合实验的时候已经对参数进行过详细的计算，故这里直接给出需要的参数。主回路总电阻：R电枢电阻：Ra电抗器的电阻：R主回路总电感：L=787mH电枢电感：La电抗器的电感：LL电枢回路时间常数T飞轮力矩：GD2电压转速比：Ce=电力拖动系统机电时间常数：T

电流环的设计一、电流环的等效变换双闭环调速系统的动态结构图如图1-11，图中增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定滤波环节。由于电流检测信号中常含有交流分量，须加低通滤波，其滤波时间常数按需要选定。滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。图1-11双闭环调速系统的动态结构图——电流反馈滤波时间常数——转速反馈滤波时间常数由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道中也配上时间常数为的给定滤波环节。 图1-11虚线框内就是电流环的结构图。把电流环单独拿出来设计由于电磁时间常数一般都远小于机电时间常数，因而电流的调节过程往往比转速的变换过程快得多，在电流调节器的调节过程中可以近似地认为基本不变，即D≈0。忽略电动势的影响的电流环近似结构图，如图1-12a所示。再给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，得图1-12b（这就是两个时间常数取值相等的方便之处）。最后，和一般都比小得多，可以当作小惯性环节处理，看成是一个惯性环节，取则电流环结构图最终简化成图1-12c。当然这样的化简都是有条件的。先考虑近似处理小惯性环节的条件，按上式并以具体时间常数代进去，则近似条件是式中——电流环的截止频率。现在研究一下忽略反电动势对电流环影响的条件。电流环中包含反电动势部分的结构图示于图1-13a。为了简单起见，假定为理想空载，即，再将反馈引出点移到电流环内，得结构图1-13b。利用反馈连接等效变化，最后得到图1-13c。（a）（b）（c）图1-12电流环的动态结构图及其化简（a）（b）（c）（d）图1-13反电动势作用结构图的等效变换（）当TmTlω这就是图1-13中忽略反电动势作用的情况。近似条件可转化为二、电流调节器参数计算1．确定时间常数a.整流装置滞后时间常数T三相桥式整流电路的平均失控时间：T上式中m为电流一周期内的脉动数，取m=6，f为电流的工频，取50HZ，代入得：Ts=0.0017s。b.电流滤波时间常数三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了滤平波头，应有1~2Toi=3.33ms,因此取c.电流环小时间常数按小时间常数近似处理，取=0.0037s。2．选择电流调节器结构根据设计要求：，而且T因此可按典型I型系统设计。电流调节器选用PI型，其传递函数为3．选择电流调节器参数ACR超前时间常数：τ电流开环增益：要求时，应取，因此于是，ACR的比例系数为:K4．校验近似条件电流环截止频率ωa.晶闸管装置传递函数近似条件：现在，满足近似条件。b.忽略反电动势对电流环影响的条件：现在，3满足近似条件。c.小时间常数近似处理条件：现在,满足近似条件。三、电流调节器的实现电流调节器原理图如图1-14，按所用运算放大器取，各电阻和电容值计算如下Ri=CC各参数取值：Ri取25K𝛺，Ci取1.6uF，Coi按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为：，满足设计要求。图1-14含给定滤波与反馈滤波的PI型电