双闭环直流调速系统的设计.docx

电力拖动与运动控制系统 姓 名： 学 号： 22091635 专 业： 自动化09-3 专 题： 双闭环直流调速系统的设计 指导教师： 设计地点： 电工电子实验中心 2012 年 4 月课程设计任务书专业年级 自动化09-3 学号 22091635 学生姓名 任务下达日期：2012年4月5日设计日期： 2012年4月5日 至 2012年4月20日设计专题题目：双闭环直流调速系统的设计设计主要内容和要求：直流调速系统凭借其优良的调速性能在现场中得到了广泛使用，虽然交流电机得到了越来越多的使用，但直流调速系统的理论完全适用于交流电机调速系统的设计。针对附录中提供的直流电机参数，进行直流电机调速系统的设计。要求该直流调速系统调速范围宽、起制动性能好、可四象限运行，具体设计内容如下。1. 根据直流调速系统的要求，制定系统总体方案，主要包括如下方面：(1) 对现有的直流调速产品进行调查，并运行所学知识加以分析。要求必须给出一种具有代表性的直流调速产品，并给出系统控制框图；(2) 给出本设计中拟采用的主电路拓扑结构，并给出选择依据；(3) 采用数字处理器作为控制器，对目前调速系统中采用的数字处理器进行调查，并选择一款用于本系统的数字处理器。2. 直流调速系统的主电路设计，针对总体方案中选定的主电路拓扑结构，并结合附录中提供的直流电机参数进行如下设计：(1) 功率器件的选型，要求给出依据；(2) 针对所选择的功率器件，给出其触发或驱动电路的原理图，并对驱动电路的原理简要说明；(3) 根据系统控制要求，选择相应的电压、电流和温度等传感器，要求给出具体型号；(4) 要求在主回路设计中需给出相应的保护电路。3. 直流调速系统的控制理论(1) 给出双闭环直流调速系统的动态结构框图；(2) 根据直流电动机和主回路参数，确定动态结构框图的具体参数；(3) 运用工程化设计方法对直流调速系统的调节器进行参数设计，要求必须给出限幅的具体参数及依据；(4) 根据设计的pi调节器参数，要求给出带有内外限幅的pi调节器的模拟量电路图；(5) 给出直流调速系统的完整结构框图。4. 双闭环直流调速系统的matlab仿真(1) 根据上述双闭环直流调速系统的动态结构框图，建立matlab仿真模型，并对调节器参数设计的合理性进行验证；(2) 运用matlab/simulink下的电机模型，建立基于电机模型的仿真模型，并对调节器的参数作出调整。5. 数字控制器的设计(1) 硬件设计：根据所选数字处理器，进行相应硬件电路的设计，要求包括pwm输出、ad采样及信号处理电路、编码器接口等；(2) 软件设计：给出双闭环直流调速系统的整体控制流程图，并给出增量式pi调节器、数字测速的程序流程框图。指导教师签字：日 期：摘 要转速、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。最后，用 matlab 仿真软件搭建了仿真模型，对调速系统进行了仿真研究 通过对直流电动机双闭环调速系统动态特性的研究与仿真，可以清楚地看到，直流电动机双闭环调速系统具有较好的动态性能，可以在给定调速范围内，实现无静差平滑调速，这为直流电动机调速系统的硬件实验提供了理论依据。关键词： 直流双闭环 调速系统 电流调节器 转速调节器 目 录第一章 设计目的、意义和要求11.2设计题目21.2.2控制要求31.2.3压延机设计要求与技术指标3第二章 直流调速系统的调速原理及性能指标42.1 直流调速系统的调速原理42.2直流调速系统的性能指标:52.2.1 静态性能指标62.2.2动态性能指标62.3 电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析72.3.1 双闭环调速的工作过程和原理72.3.2转速、电流双闭环直流调速系统的组成82.3.3转速、电流双闭环直流调速系统的稳态结构框图和静特性92.3.4双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析112.4动态抗干扰性能分析122.4.1抗负载扰动132.4.2抗电网电压扰动13第三章 主电路方案设计143.1整体设计143.2晶闸管电动机主电路的设计143.2.1 选取主电路设计方案：143.2.整流变压器的设计163.2.1变压器二次侧电压u2的计算163.2.2一次、二次相电流的计算173.2.3变压器容量的计算173.3锯齿波同步移相触发电路183.4 整流元件晶闸管的选型193.4.1晶闸管的额定电压193.4.2晶闸管的额定电流193.5直流侧电抗器的选择203.6整流及晶闸管保护电路设计223.6.1过电压保护和du/dt限制223.6.2 过电流保护和di/dt限制24第四章 直流调速系统的控制理论254.1 转速、电流调节器的设计254.2对直流调速系统的调节器进行参数设计264.2.1 转速和电流两个调节器的作用264.2.2调节器的设计方法264.2.3调节器工程设计方法所遵循的原则是：264.2.4电流调节器设计274.2.5转速调节器设计31第五章 数字控制器的设计335.1 硬件结构图335.1.1 ad转换芯片adc0809的引脚及其功能34图5-5 增量式pi调节器流程框图365.2.2 m法数字测速程序设计37第六章 参考文献、附录376.1参考文献376.2附录396.2.1附录1396.2.2附录2： 电流环的仿真41转速环的仿真426.3仿真图426.4课程设计小结43致谢44 第一章 设计目的、意义和要求1.1 设计的目的和意义直流电动机具有良好的起制动性能，易于在广泛范围内平滑调速，在需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以首先应该掌握好直流系统。从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统，位置随动系统，张力控制系统，多电动机同步控制系统等多种类型，而各种系统往往都通过控制转速来实现的，因而调速系统是最基本的拖动控制系统。直流调速的电枢和励磁不是耦合的，是分开的，对电枢电流和励磁电流能够做到精确控制；而交流调速，电枢电流和励磁电流是耦合的，是无法做到精确控制的。因此在轧机、造纸等对力矩要求很高行业，直流调速还是具有广泛性直流调速器具有动态响应快、抗干扰能力强优点。我们知道采用转速负反馈和 pi 调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。由于主电路电感的作用， 电流不能突跳为了实现在允许条件下最快启动，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，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启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，不让电流负反馈发挥作用，因此我们采用双闭环调速系统。直流调速系统在理论上和实践上都比较成热，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础，因此，直流调速系统的应用研究有实际意义。在工程实践中，有许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节并且要求有良好的静、动态性能。由于直流电动机具有极好的运行性能和控制性能，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。由于全数字直流调速系统的出现，目前，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。1.2设计题目压延机生产线主要是生产飞机轮胎的生产线，四辊压延机是飞机轮胎生产厂家最关心的生产设备。压延机具有效率高、精度高等特点。其中z型辊筒排列合理、能减少辊筒的弹性变形，便于供料，应用广泛。图1-1 四辊压延机实物图压延机的工作原理：压延工艺的必要工作条件之一：胶料与辊筒的摩擦角必须大于接触角，胶料才会被拉入辊距中去。四辊压延机在压延工作的过程中，辊筒是在一定的速比下工作的，使胶料进一步捏合及增加可塑度，最后通过最小辊距，被压延成具有一定的厚度和宽度的胶片；在辊筒挤压力的作用下，把胶片挤压在纺织物或钢丝帘布上。有的需压成一定花纹和形状，有的需要将多层不同用途、颜色、及形状的胶片联合在一起第46页1.2.1生产工艺流程1.2.2控制要求（1）在压延前，必须给干燥辊加热6080度，给主辊加热到70度左右。（2）所有直流电机可单动也连动，并要求电枢可逆。（3）联动时，前四辊主机与后四辊不允许单动，而前三电机可单独停，因为有储布机架，也不影响后面的工作，卷取机也可以单独停。（4）两台压延主机必须同时启动，停车，或者加速、减速，而且它们的技术指标完全相同。（5）前张力区的张力通过前四辊电动机来控制，后张力区的张力由后四辊电动机来控制。（6）在给定压延张力情况下，其压延速度由操纵人员通过改变主机的速度来达到。1.2.3压延机设计要求与技术指标（一）设计要求：稳态无静差：i%5%空载起动至额定转速的超调量n%10%（二）前四辊直流电动机参数：第二章 直流调速系统的调速原理及性能指标 2.1 直流调速系统的调速原理直流电动机具有良好的起、制动性能，易于在大范围平滑调速，在金属切削机床、轧钢机、矿井卷扬机、海洋钻机、高层电梯等需要高性能电力拖动中得到了广泛应用。直流电机的转速表达式：（2-1）式中 电动机转速：n 电枢供电电压：u 电枢电流：i 电枢回路总电阻，单位为:r 由电机机构决定的电势系数: 在上式中，是常数，电流i是由负载决定的，因此，调节电动机的转速可以有三种方法：（1）改变电枢回路电阻r 该方法的优点是系统结构简单；缺点是效率低。因此，该方法适于小功率直流电机、开环控制且仅能有级调速。一般应用于电动玩具中。（2）减弱励磁磁通 该方法的优点是能够实现平滑调速；缺点是调速范围小而且通常是配合调压调速在基速以上作小范围的升速。现已很少单独使用，通常以非独立控制励磁的方式出现。（3）调节电枢供电电压u这是自动控制直流调速系统的主要途径。可调的直流电源有以下三种： （a）旋转变流机组：用交流电动机和直流发电机组成机组以获得可调的直流电源。50年代广泛使用，今天很少使用。 （b）静止式可控整流器：用静止式可控整流器，如晶闸管可控整流器，以获得可控直流电压。 （c）直流斩波器和脉宽调制变换器：以恒定直流电源供电，用直流斩波器和脉宽调制变换器获得可控的平均电压。2.2直流调速系统的性能指标:生产工艺对控制系统性能的要求经量化和折算后可以表达为稳态和动态性能指标。归纳起来，对于调速洗头膏的转速控制要求有一下三个方面：1）调速在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（有级）或平滑地（无级）调节转速；2）稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；3）加、减速频繁起、制动的设备要求加减尽量快，以提高身产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起制动尽量平稳。2.2.1 静态性能指标（1）调速范围d生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，即（2-2）（2）静差率s当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率，即（2-3）静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的。显然，机械特性硬度越大n越小静差率就越小，转速的稳定度就越高。然而静差率和机械特性硬度又是有差别的。如下图所示，两条相互平行的直线1和2，它们有相同的转速降落，性机械特性的静差率是不同的2.2.2动态性能指标（1）跟随性能指标在给定信号r（t）的作用下，系统输出量c（t）的变化情况用跟随性能指标来描述：上升时间，超调量，调节时间（2）抗扰性能指标此项指标表明控制系统抵抗扰动的能力，它由以下两项组成：动态降落，恢复时间2.3 电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析2.3.1 双闭环调速的工作过程和原理电动机在启动阶段，电动机的实际转速（电压）低于给定值，速度调节器asr的输入端存在一个偏差信号，经asr放大后输出的电压保持为限幅值，速度调节器工作在开环状态，asr的输出电压作为电流给定值输入电流调节器acr，此时则以最大电流给定值使acr输出移相信号，直流电压迅速上升，电流也随即增大直到等于最大给定值，电动机以最大电太流恒流加速启动。电动机的最大电流（堵转电流）可以通过整定asr的输出限幅值来改变。在电动机转速上升到给定转速后，asr输入端的偏差信号减少到接近于零，asr和acr退出饱和状态，闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动，asr输入端产生的偏差信号讲随时通过asr、acr来修正触发器的移相电压，使整流桥输出的直流电压相应变化，从而校正和补偿电动机的转速偏差。另外acr的最小时间常数，还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节，可在电动机转速还未来得及发生改变时，迅速使电流恢复到原来值，从而使速度更好地稳定于某一转速下运行。2.3.2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（串级）联接，如图2-2所示。图中，把转速调节器asr的输出当做电流调节器acr的输入，再用acr的输出去控制电力电子变换器。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流闭环调速系统。图13转速、电流双闭环直流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调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如上图2.3.3转速、电流双闭环直流调速系统的稳态结构框图和静特性为了分析双闭环调速系统的静特性，必须绘出它的稳态结构框图，如图所示。它可以很方便地根据原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示调节器就行了。分析静特性的关键是掌握这样的调节器的稳态特性，一般存在两种情况：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，除非有反向的输出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。当调节器不饱和时，的作用使输入偏差电压在稳态时总为零。图1-4 双闭环直流调速系统的稳态结构框图（未饱和）转速反馈系数电流反馈系数（1）转速调节器不饱和稳态时：（2-3）（2-4）（2-5） （2-6）,-转速和电流反馈系数。，静特性从理想空载状态的一直延续到id=0一直延续到id = idm ,而idm一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。（2）转速调节器饱和输出达到限幅值uim*，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时（2-7）其中，最大电流idm是由设计者选定的，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。式（）所描述的静特性对应于图中的段，它是一条垂直的特性。这样的下垂特性只适合于nn0，则unun*，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，转速负反馈起主要作用。当负载电流达到idm时，对应于转速调节器的饱和输出uim*，这时，电流调节器其主要作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大。静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图中的虚线。图15 双闭环直流调速系统的静特性2.3.4双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析（1）双闭环直流调速系统的动态数学模型由双闭环控制稳态结构图，即可绘出双闭环直流系统的动态结构框图，如图所示。图中asr(s)和acr(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流id显露出来。图16 双闭环直流调速系统的动态结构框图（2）双闭环调速系统的起动过程分析第阶段：电流上升阶段（0t1）（）在t=0时，系统突加阶跃给定信号un*，在asr和acr两个pi调节器的作用下， id很快上升，在id上升到idl之前，电动机转矩小于负载转矩，转速为零。（）当 id idl 后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，asr输入偏差电压仍较大， asr很快进入饱和状态，而acr一般不饱和。直到id = idm ， ui = u*im 。第阶段:恒流升速阶段（t1t2） （）asr调节器始终保持在饱和状态，转速环仍相当于开环工作。系统表现为使用pi调节器的电流闭环控制，电流调节器的给定值就是asr调节器的饱和值u*im，基本上保持电流id = idm不变，电流闭环调节的扰动是电动机的反电动势，它是一个线性渐增的斜坡扰动量，系统做不到无静差，而是id略低于idm。第阶段：转速调节阶段（t2以后） （）n上升到了给定值n*，un=0。因为ididm，电动机仍处于加速过程，使n超过了n* ，称之为起动过程的转速超调。（）转速的超调造成了un0，asr退出饱和状态，ui和id很快下降。转速仍在上升，直到t=t3时，id= idl ，转速才到达峰值。（）在t3t4时间内， id idl，转速由加速变为减速，直到稳定。（）如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡的过程。 （）在第阶段中， asr和acr都不饱和，电流内环是一个电流随动子系统。图17 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形2.4动态抗干扰性能分析一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能，调速系统，最主要的抗扰性能是指抗负载扰动和抗电网电压扰动性能，负载扰动 图1-8 直流调速系统的动态抗扰性电网电压扰动图1-9 直流调速系统的动态抗扰作用2.4.1抗负载扰动由双闭环直流调速系统的动态结构图上可知，负载扰动 作用在电流环之后，因此，只能靠asr来产生抗负载扰动的作用。在设计asr时，应要求有较好的抗扰性能指标。2.4.2抗电网电压扰动电网电压变化对调速系统也产生扰动作用。由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会小得多。第三章 主电路方案设计3.1整体设计因为生产机械要求压延机主传动电机既能正转，又能反转，而且常常要快速的起动和制动，这就需要所设计的电力拖动系统具有四象限运行的特性，如图下图：图2-10 四象限工作机械特性3.2晶闸管电动机主电路的设计3.2.1 选取主电路设计方案：方案一：g-m系统调速g-m系统可以在允许转矩范围内四象限运行，但是该系统需要旋转交流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，因此设备多，体积大、费用高、效率低、安装需打地基，运行有噪声，维护不方便。方案二：桥式可逆pwm变换器调速系统pwm系统若与快速响应的电机配合，则系统频带宽、动态响应快，动态抗扰能力强；功率开关器件导通损耗小，效率较高；直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。但它需要先将交流转换直流，再通过h桥式电路斩波，调节输出直流直通短路。这种方法虽能实现，但相对复杂，而且制动控制较为复杂，关键是igbt容量相对晶闸管容量小，限制了电动机的容量不能做的很大，这对于所要求设计的四辊压延机传动调速系统是不利的。方案三：可逆v-m系统调速与g-m系统相比较，晶闸管整流装置不仅在经济上和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10000以上。其门极电流可以直接用晶闸管来控制。在控制作用的快速性上，晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。采用正、反两组全控整流电并联来实现电机四象限工作，变流设备增加一倍。电路原理图如下： 图3-1 可逆晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（v-m系统）综上所述，考虑到三种方案的优缺点，选择方案三最宜。3.2.2晶闸管-电动机调速系统（v-m系统）主电路原理图。如图3-1所示：图3-2 v-m系统主电路原理图图中vt是晶闸管可控整流器，它由三相全控桥式整流电路组成，如图3-2所示：图3-3 三相全控桥式整流电路通过调节触发装置gt的控制电压来移动脉冲的相位，即可改变平均整流电压，从而实现平滑调速。3.2.整流变压器的设计3.2.1变压器二次侧电压u2的计算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： （3-1）式中a-理想情况下，=0时整流电压ud0与二次电压u2之比，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；1 1.2考虑各种因数的安全系数。通常取；根据设计要求，采用公式： (3-2)式中 表示当控制角时，整流电压平均值与变压器次级相电压有效值之比；表示控制角为时和时整流电压平均值之比；对于本设计：为了保证电动机负载能在额定转速下运转,计算所得应有一定的裕量,根据经验所知,公式中的控制角应取300为宜。，查表2-3中三相全控桥得,，,，（其中a、b、c可以查表2-3中三相全控桥）以下为计算过程和结果： 120.07 （3-3）这里可以取u2=120。实际选取为标准变压器时可以通过改变线圈匝数来实现。3.2.2一次、二次相电流的计算对于本设计ki1=0.816，=0.816且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗，故i1=65.484a （3-4） 3.2.3变压器容量的计算变压器一次侧容量 （3-5）变压器二次侧容量。 （3-6）变流变压器的平均容量为。 式中m1、m2 -一次侧与二次侧绕组的相数根据整流变压器的特性，即 取3，所以，所以整流变压器的容量为： （3-7） （3-8）设计时留取一定的裕量，可以取容量为整流变压器。3.3锯齿波同步移相触发电路由同步检测、锯齿波形成、移相控制、脉冲形成、脉冲放大等环节构成了锯齿波同步移相触发电路。同步检测环节由v3、vd1、vd2、c1等元件组成。作用是利用同步电压ut来控制锯齿波产生的时刻及锯齿波的宽度。恒流源电路由v1、v2等元件组成，当v3截止时，恒流源对c2充电形成锯齿波；当v3导通时，c2通过r4、v3放电。调节rpi改变恒流源的电流大小，即改变锯齿波的斜率。放大环节由v6、v7构成，c5为强触发电容改善脉冲的前沿，由脉冲变压器输出触发脉冲。图3-4 锯齿波同步移相触发电路3.4 整流元件晶闸管的选型3.4.1晶闸管的额定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，整流电路形式为三相全控桥，查表得故计算的晶闸管额定电压为 =（23）2.45120=588882 （3-9） 取=600v。3.4.2晶闸管的额定电流选择晶闸管额定电流的原则是使管子允许通过的额定电流有效值 大于流过元件实际电流的最大有效值。一般取按此原则所得计算结果的1.52倍。 （3-10） （3-11） 由此可求出晶闸管的额定电流，其公式为： （3-12）可以取额定电流为50a。综上所述，本设计选用晶闸管的型号为kp（3ct）-50a额定电压： vdrm 800v 额定电流： it(av) 50a门极触发电压：vgt 3.5 v 门极触发电流：igt 300 ma3.5直流侧电抗器的选择为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗器，称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知的，因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。（1）用于限制输出电流的脉动的临界电感（单位为mh） （3-13）式中-电流脉动系数，取；-电压脉动系数，三相全控桥；-输出电流的基波频率，单位为，对于三相全控桥。即 =0.46*120/(2*3.14*300*10%*8.7)*103=61.74mh （3-14）（2）用于保证输出电流连续的临界电感（单位为mh） （3-15）式中与整流电路形式有关的系数，可由表查得三相全控桥；为最小负载电流，常取电动机额定电流的510计算。本设计中 即 =0.693*120/(5%*8.7)=191.17mh （3-16）直流电动机的漏电感（单位为mh） （3-17）式中，k-计算系数，对于一般无补偿绕组电动机k=812，对于快速无补偿绕组电动机k=68，对于有补偿绕组电动机k=56，其余系数均为电动机额定值。n-极对数，取n=2。 即 =10*220/(2*2*1500*8.7)=0.042mh （3-18）（4）折合到交流侧的漏电抗l（单位为mh） l= （3-19） 式中，%-变压器短路比，一般取为； -为计算系数，三相全控桥。 即 l=3.9*120*5%/(100*8.7)=0.027mh （3-20）（5）实际要接入的平波电抗器电感lk = max(lm,ll)-la-2lb=191.17-0.04-2*0.027=191.076mh （3-21）可取 lk=190mh（6）电枢回路总电感 l=lk+2*lb+la=190+2*0.027+0.042=190.096mh （3-22）3.6整流及晶闸管保护电路设计整流电路如图2-7所示，在整流电路中主要是晶闸管的保护问题。晶闸管具有许多优点，但它属于半导体器件，因此具有半导体器件共有的弱点，承受过电压和过电流的能力差，很短时间的过电压和过电流就会造成元件的损坏。为了使晶闸管装置能长期可靠运行，除了合理选择元件外，还须针对元件工作的条件设置恰当的保护措施。晶闸管主要需要四种保护：过电压保护和du/dt限制，过电流保护和di/dt限制。 图3-5 整流电路及晶闸管保护电路3.6.1过电压保护和du/dt限制凡是超过晶闸管正常工作是承受的最大峰值电压的都算过电压。产生过压的原因是电路中电感元件聚集的能量骤然释放或是外界侵入电路的大量电荷累积。元件保护主要是通过阻容吸收电路，连线如图2-7所示。阻容吸收电路的参数计算式根据变压器铁芯磁场释放出来的能量转化为电容器电场的能量存储起来为依据的。由于电容两端的电压不能突变，所以可以有效的抑制尖峰过电压。串阻的目的是为了在能量转化过程中能消耗一部分能量，并且抑制lc回路的振荡。以过电压保护的部位来分，有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。1） 交流侧过电压保护 阻容保护cs/u22=6105200/1102=25f （3-6-1）耐压1.5um =1.5110=233v（3-6-2）由公式计算出电容量一般偏大，实际选用时还可参照过去已使用装置情况来确定保护电压的容量，这里选czjd-2型金属化纸介电容器，电容量20uf，耐压250v。取=5，r2.3 u22/s=2.31102/5200=2.2，取2.2 （3-6-3）ic=2fcuc10-6=2502010-6110=0.69a （3-6-4）pr(34)ic2r=(34) （0.69）22.2=3.14.2w （3-6-5）选取2.2，5w的金属氧化膜电阻。 压敏电阻的计算u1ma=1.3u2=1.3110=202v （3-6-6）流通量取5ka。选my31-220/5型压敏电阻。允许偏差+10（242v）。2） 直流侧过电压保护直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成加大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。u1ma=（1.8-2.2）udc=(1.82.2) 220=396440v （3-6-8） 选my31-430/5型压敏电阻。允许偏差+10（484v）。 抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值的1.11.15倍。由上表得c=0.5f，r=10，电容耐压1.5=1.5=1.5110=566v （3-6-9）选c为0.5f的czjd-2型金属化纸介质电容器,电容量0.22f，耐压为400v。=fcum210-6=500.510-6(110)2=0.8w 选r为10普通金属膜电阻器，rj-0.5。3.6.2 过电流保护和di/dt限制由于晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度就会急剧上升可能烧坏pn结，造成元件内部短路或开路。晶闸管允许在短时间内承受一定的过电流，所以过电流保护作用就在于当过电流发生时，在允许的时间内将过电流切断，以防止元件损坏。晶闸管过电流的保护措施有下列几种：1.快速熔断器 快速熔断器用的是银质熔丝，在同样的过电流倍数下，它可以在晶闸管损坏之前熔断，这是晶闸管过电流保护的主要措施。2.硒堆保护 硒堆是一种非线性电阻元件，具有较陡的反向特性。当硒堆上电压超过某一数值后，它的电阻迅速减小，而且可以通过较大的电流，把过电压的能量消耗在非线性电阻上，而硒堆并不损坏。硒堆可以单独使用，也可以和阻容元件并联使用。本系统采用快速熔断器对可控硅进行过流保护。快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。 （1） 晶闸管串连的快速熔断器的选择接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管的有效值=31.75a选取rls-35快速熔断器，熔体额定电流35a。（2）过电流继电器的选择因为负载电流为55a，所以可选用吸引线圈电流为100a的jl14-11zs型手动复位直流过电流继电器，整定电流取1.2555=68.75a100a第四章 直流调速系统的控制理论4.1 转速、电流调节器的设计转速、电流双闭环调速系统的实际设计的动态结构图如图4-1所示：图4-1图3-1 转速、电流双闭环调速系统的实际设计的动态结构图由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，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，在转速给定通道上也加入时间常数为的给定滤波环节。系统设计的一般原则是：先内环后外环。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。4.2对直流调速系统的调节器进行参数设计4.2.1 转速和电流两个调节器的作用转速调节器和电流调节器在双闭环调速系统中的作用，可以归纳为1转速调节器的作用：1）使转速n跟随给定电压um*变化，稳态无静差；2）对付在变化起抗扰作用；3）其输出限幅决定允许的最大电流。2电流调节器的作用：1）对电网电压波动起及时抗扰作用；2）起动时保证获得允许的最大电流；3）在转速调节过程中，使电流跟随起给定电压um*变化；4）当电动机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护最用。如果故障消失，系统能够自动恢复正常7。4.2.2调节器的设计方法 为了保证转速发生器的高精度和高可靠性，系统采用转速变化率反馈和电流反馈双闭环电路主要考虑以下问题：（1）保证转速在设定后尽快达到稳速状态；（2）保证最优的稳定时间；（3）减小转速超调量。4.2.3调节器工程设计方法所遵循的原则是：（1）概念清楚、易懂；（2）计算公式简明、好记；（3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；（4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；（5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。4.2.4电流调节器设计电流环动态结构框图及其化简：图4-1图4-2电流环的动态结构框图及其化简（小惯性环节的近似处理）忽略反电动势对电流环作用的近似条件是 （4-2-1）式中 ci-电流环开环频率特性的截止频率。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。最后，由于ts 和 toi 一般都比tl 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为 ti = ts + toi简化的近似条件为 （4-2-2）(1)确定时间常数1)整流装置滞后时间常数ts。查表得，三相桥式电路的平均失控时间。2)电流滤波时间常数。三相桥式电路的每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（12）=3.33ms，因此取=0.002s3)电流环小时间常数之和ti = ts + toi=0.0037s。(2)电流调节器结构的选择根据设计要求：稳态无静差,超调量，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： （4-2-3）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i型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表，可知各项指标都是可以接受的。(3) 电流调节器的参数为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择i=tl电枢回路电磁时间常数 tl=0.021s。电流调节器超前时间常数：i=tl=0.021s。电流环开环增益：要求时，按表应取=0.707，因此acr的比例系数为(4)检验近似条件电流环截止频率： 机电时间常数1)校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件 （4-2-4）满足近似条件。2）校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 （4-2-5） 满足近似条件。3）校验电流环小时间常数近似处理条件（4-2-6）满足近似条件。(5)计算调节器电阻和电容含给定滤波与反馈滤波的pi型电流调节器如图3-2所示：图4-3 电流调节器原理图其中为电流给定电压，为电流负反馈电压，为电力电子变换器的控制电压。由图3-2，按所用运算放大器取，各电阻和电容值为 k，（4-2-7）取20k, （4-2-8）取1 （4-2-9）按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。 图4-4 校正成典型i型系统的电流环a) 动态结构图 b) 开环对数幅频特性根据图3-7(a),按典型i型系统设计的电流环的闭环传递函数为 （4-10）忽略高次项，上式可降阶近似为 （4-11） 近似条件可由式求出 （4-12）式中 wcn - 转速环开环频率特性的截止频率。 接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为u*i(s)，因此电流环在转速环中应等效为 （4-13）(1)确定时间常数1)电流环等效时间常数 （4-15）2)转速滤波时间常数。取=0.01s。 （4-16）3)转速环节小时间常数 0.0074+0.01=0.0174s （4-17）4.2.5转速调节器设计校正后的调速系统动态结构框图及其化简图4-5 转速换的动态结构框图及其化简（校正后成为典型型系统） (2)选择转速调节器结构按照设计要求，选用pi调节器，其传递函数为 （4-18）式中 kn - 转速调节器的比例系数。n - 转速调节器的超前时间常数。这样，调速系统的开环传递函数为 （4-19）令转速环开环增益为 （4-20）则 （4-21）(3)计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取，则asr的超前时间常数为50.0174=0.087s （4-22）转速开环增益396.4 （4-23）asr的比例系数为 （4-24）(4)检验近似条件转速环截止频率 （4-25）1)电流环传递函数简化条件为 （4-26） 满足简化条件。2)转速环小时间常数近似处理条件为 （）4-27满足简化条件。(5)计算调节器电阻和电容含给定滤波与反馈滤波的内外限幅的pi型转速调节器如图3-4所示： 图4-6 内外限幅的pi型转速调节器其中为转速给定电压，为转速负反馈电压，：调节器的输出是电流调节器的给定压。取，则 k， （4-28）取64 k， （4-29），取1f。 （4-30）