双闭环晶闸管直流测速系统设计.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除目 录1 前 言22 总体方案设计32.1 方案比较32.2 方案论证32.3 方案选择42.4 设计要求43单元模块设计63.1 转速给定电路设计63.2 转速检测电路设计63.3 电流检测电路设计73.4 整流及晶闸管保护电路设计83.4.2 整流电路电路图83.4.2 整流电路参数计算83.5电源设计103.6 控制电路设计113.6.1 电流环的设计133.6.2 转速环的设计144 系统仿真174.1 仿真图形174.2 启动过程分析184.3 动态性能分析195 结论206总结与体会217感谢辞228参考文献231 前 言 晶闸管电动机调速系统（VM系统）在20实际60年代开始逐步取代GM系统而成为20世纪后30年中直流调速系统的主要形式。电源是静止装置，由电力电子AC/DC变换器供电。输出电压可调的电力电子AC/DC变换器最常见的就是大家所熟悉的晶闸管可控整流器，通过改变晶闸管的可控整流器的控制角来改变可控整流器输出电压的极性和大小。双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。在设计过程中，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，需要设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫内环；转速环在外面，叫外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。 设计好系统的结构图以及参数选择计算后，我们还通过用MATLAB来对所设计的系统进行仿真。通过对仿真图行的结果分析计算反过来又验证设计的正确性。2 总体方案设计2.1 方案比较方案一：单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。在电动机轴上装一台测速发电机 ,引出与转速成正比的电压Uf 与给定电压Ud 比较后,得偏差电压U ,经放大器FD ,产生触发装置CF 的控制电压Uk ,用以控制电动机的转速,如图2.1所示。放大器整流触发装置负载电压电动机 速度检测图2.1 方案一原理框图 方案二：双闭环直流调速系统该方案主要由给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环；转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭环调速系统。因转速换包围电流环，故称电流环为内环，转速环为外环。在电路中，ASR和ACR串联，即把ASR的输出当做ACR的输入，再由ACR得输出去控制晶闸管整流器的触发器。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具有输入输出限幅功能的PI调节器，且转速和电流都采用负反馈闭环。该方案的原理框图如图2.2所示。电流检测整流触发装置ASRACR负载电压电动机速度检测 图2.2 方案二原理框图2.2 方案论证方案一采用单闭环的速度反馈调节时整流电路的脉波数m = 2 ,3 ,6 ,12 , 其数目总是有限的,比直流电机每对极下换向片的数目要少得多。因此,除非主电路电感L = ,否则晶闸管电动机系统的电流脉动总会带来各种影响,主要有:(1) 脉动电流产生脉动转矩,对生产机械不利; (2)脉动电流(斜波电流) 流入电源,对电网不利,同时也增加电机的发热。并且晶闸管整流电路的输出电压中除了直流分量外,还含有交流分量。把交流分量引到运算放大器输入端,不仅不起正常的调节作用,反而会产生干扰,严重时会造成放大器局部饱和,从而破坏系统的正常工作。方案二采用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求。2.3 方案选择1.在单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，系统的动态性能不够好。系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应，即最佳过渡过程。2.双闭环调速系统不仅可以实现转速无静差，还有很好的动态性能。理想的快速起动在电机最大允许电流和转矩受限制的调解下，能够充分利用电机的过载能力，在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统能够以最大的加速度起动，达到稳定转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。由于主电路电感的作用，电流不可能突变，但是在双闭环系统中采用电流负反馈能够得到近似的恒流过程。为了获得近似理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。所以本文选择方案二作为设计的最终方案。2.4 设计要求直流电动机设计双闭环直流晶闸管调速系统，技术要求如下：1. 直流电动机的额定参数PN=11KW、UN=230V、IN=47.8A、nN=1450 r/min，电枢电阻Ra=0.9，电枢绕组电感La=6.6mH，电机飞轮矩GDd2=6.39Nm2，电流过载倍数=1.5，电枢回路总电阻可取为R=2Ra=1.8，系统总飞轮矩GD2=2.5 GDd2。2. 设计要求：稳态无静差，电流超调量i5%；空载起动到额定转速时的转速超调量 n10。3单元模块设计根据设计要求，本文所设计的双闭环直流晶闸管调速系统主要包含转速给定电路、转速检测电路、电流检测电路、控制电路、触发脉冲输出电路、整流及晶闸管保护电路、电源等几个部分。3.1 转速给定电路设计转速给定电路主要由滑动变阻器构成，调节滑动变阻器即可获得相应大小的给定信号。转速给定电路可以产生幅值可调和极性可变的阶跃给定电压或可平滑调节的给定电压。其电路原理图如图3.1所示。 图3.1 转速给定电路原理图3.2 转速检测电路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。其原理图如图3.2所示。 图3.2 转速检测电路原理图3.3 电流检测电路设计电流检测电路的主要作用是获得与主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3.3所示。 图3.3 电流检测电路原理图3.4 整流及晶闸管保护电路设计3.4.2 整流电路电路图整流电路如图3.4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3.4 整流电路及晶闸管保护电路3.4.2 整流电路参数计算(1)的计算负载要求的整流电路输出的最大值；晶闸管正向压降，其数值为0.41.2V，通常取；n主电路中电流回路晶闸管的个数；A理想情况下时，整流输出电压与变压器二次侧相电压之比；C线路接线方式系数；电网电压波动系数，通常取；最小控制角，通常不可逆取；变压器短路电压比，100Kv以下的取；变压器二次侧实际工作电流额定电流之比；已知，取、，查表得，取,查表得代入上式得：应用式，查表得，取，取，电压比 : （2）一次和二次向电流和的计算由式得 ，由表得 ，考虑励磁电流和变压器的变比K，根据以上两式得：（3）变压器的容量计算(4)晶闸管参数选择由整流输出电压，进线线电压为110V，晶闸管承受的最大反向电压是变压器二次线电压的电压峰值，即：，晶闸管承受的最大正向电压是线电压的一半，即：。考虑安全裕量，选择电压裕量为2倍关系，电流裕量为1.5倍关系，所以晶闸管的额定容量参数选择为：3.5电源设计该模块的主要功能是为转速给定电路提供电源，众所周知，电源是一切电路的心脏，其性能在很大程度上影响着整个电路的性能。为使系统很好的工作，本文特设计一款15V的直流稳压电源供电，其电路图如图3.5所示。直流稳压电源主要由两部分组成：整流电路和滤波电路。整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导通作用，因此二极管是组成整流电路的关键元件。在小功率（1KW）整流电路中，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。本设计采用桥式整流电路，其主要特点如下：输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压较低，电源变压器充分利用，效率高。 图3.5 15V电源电路原理图滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两侧并联电容器；或在整流电路输出端与负载间串联电感L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。3.6 控制电路设计本控制系统采用转速、电流双闭环结构，其原理图如图3.6所示。图3.6 双环调速系统原理图 ASR-转速调节器 ACR-电流调节器 TG-测速发电机TA-电流互感器 UPE-电力电子变换器 Un*-转速给定电压Un-转速反馈电压 Ui*-电流给定电压 Ui-电流反馈电压 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。图4.7中标出了两个调节器的输入输出的实际极性，他们是按照电力电子变换器的控制电压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3.7为双闭环调速系统的稳态结构图。图3.8为双闭环调速系统的稳态结构图。ACR和ASR的输入、输出信号的极性，主要视触发电路对控制电压的要求而定。若触发器要求ACR的输出Uct为正极性，由于调节器一般为反向输入，则要求ACR的输入Ui*为负极性，所以，要求ASR输入的给定电压Un*为正极性。本文基于这种思想进行ASR和ACR设计。 图3.7 双闭环调速系统稳态结构图 图3.8 双闭环调速系统动态结构图基本数据直流电动机：11W、230V、47.8A、1450r/min、Ra=0.9，La=6.6mH晶闸管装置放大系数：Ks=40电枢回路总电阻:R=2 Ra=1.8电流反馈系数：=0.1395V/A（10V/1.5IN）转速反馈系数：=0.0069Vmin/v（10V/nN）设计要求静态指标：无静差动态指标：电流超调量i%5%，空载启动到而定转速时的转速超调量n%10%参数计算1.因为UN=230V，的整定范围在30150之间，由公式知当=30时UD取得最大值，由此计算得U2=113.50V。2.由有Ce=0.1290。3.由 有Tm=0.4825s。4.由有L=16.46mH。由有Tl=0.0091s。3.6.1 电流环的设计（1）确定时间常数。整流装置滞后时间常数Ts,三相桥式整流电路的平均失控时间Ts=0.0017s。电流滤波时间常数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（12）Toi=3.33ms,因此取Toi=2ms=0.002s。电流环小时间常数Ti,按小时间常数近似处理，取Ti=Ts+ Toi=0.0037s。（2）确定电流环设计成何种典型系统。根据设计要求i%5%，而且Tl/Ti=0.0091/0.0037=2.46 ，所以满足近似条件。2） 校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足：现在,满足近似条件。按照上述参数，电流环满足动态设计指标要求和近似条件。3.6.2 转速环的设计 （1）确定时间常数。电流环等效时间常数为；转速滤波时间常数，根据所用测速发动机纹波情况，取=0.01s;转速环小时间常数按小时间常数近似处理，取。 （2）确定将转速环设计成何种典型系统。由于设计要求转速环无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态设计要求，应按典型型系统设计转速环。 （3）转速调节器的结构选择。转速调节器选用PI型，其传递函数为 （4）选择转速调节器参数。按跟随和抗干扰性能都能较好的原则取h=5，则ASR超前时间常数转速环开环增益为于是，ASR的比例系数为 （5）计算转速调节器的电路参数。转速调节器原理图如图3.10所示，按所用运算放大器，取R0=40K，各电阻和电容值计算如下：图3.10 转速调节器原理图（6）校验近似条件。转速环截止频率(1) 校验电流环传递函数简化条件是否满足：现在,满足简化条件。(1) 校验小时间常数近似处理是否满足:，现在,满足近似条件。3）校验转速超调量。当h=5时，而因此，能满足设计要求。设计完成的控制系统如图3.11所示。图3.11 设计完成的双闭环控制系统4 系统仿真4.1 仿真图形由于本文只进行了理论性设计，故在系统安装与调试阶段只对控制电路部分进行了MATLAB仿真，以分析直流电机的启动特性。采用MATLAB中的simulink工具箱对系统在阶跃输入和负载扰动情况下的动态响应（主要为转速和电枢电流）进行仿真。仿真可采用面向传递函数的仿真方法或面向电气系统原理结构图的仿真方法，本文采用面向传递函数的仿真方法。系统仿真结构如图4.1所示。图4.1 系统仿真结构图图4.2 ASR内部结构图 图4.3 ACR内部结构图 图4.4 双闭环调速系统仿真结果4.2 启动过程分析图上部为电机转速曲线，中部为扰动电流曲线，下部为电机电流曲线。第一个阶段是电流上升阶段。突加给点电压Un*后，通过两个调节器的控制作用，使、都上升，当后，电动机开始转动。由于机电惯性的作用，转速增长不会很快，因而转速调节器ASR的输入偏差电压数值较大，其输出很快达到限幅值，强迫电流迅速上升。当时，电流调节器的作用使不再迅猛增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般应该不饱和，因为这事直流电动机的反电动势很小，产生所需的也很小。第二阶段为恒流升速阶段。从电流升到最大值开始，到转速升到为止，属于恒流升速阶段，是启动过程中的主要阶段。在这个阶段中，ASR一直饱和，转速相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定作用下的电流调节系统，基本上保持电流恒定（电流可能超调，也可能不超调，取决于电流调节器的结构和参数），因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电动机的反电动势也按线性增长。对电流调节系统来说，这个反电势是一个线性渐增的扰动量，为了克服这个扰动，和也必须基本上按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，应略低于。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流调节器是不饱和的，即整流装置的最大电压须留余地，这些都是设计中必须的。 第三阶段是转速调节阶段。在这个阶段开始时，转速已经达到给定值，转速调节器的给定与反馈相平衡，输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。转速超调以后，ASR输入端出现负的偏差电压，使他推出饱和状态，其输出电压即ACR的给定电压立即从限幅值降下来，主电流也因而下降。但是，由于仍大于负载电流，在一段时间内，转速仍继续上升。当在图中0.7左右时，转矩，则，转速n达到峰值。此后，电动机才开始在负载的作用下减速，与此同时，电流也出现一小段小于的过程，直到稳定。在这最后的转速调节阶段内，ASR与ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使尽快地跟随ASR的输出量，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。4.3 动态性能分析所谓动态性能，指的是在电动机运行条件突变时，从一种运动状态到另一种运动状态的过渡过程进行的情况。系统的动态性能通常以其在单位阶跃输入或扰动信号作用下的动态响应曲线表征之，可分为跟随性能及抗扰动性能两种。不同的系统要求各有不同，一般来说，调速系统的要求以抗扰性能为主，随动系统的要求以跟随性能为主。(1). 给定阶跃输入时的跟随性能指标。 转速的上升时间=0.5秒，超调量=4.04，调节时间=2.1s.(2). 负载扰动时的抗性能指标。最大动态降落=81.2， 恢复时间=0.15s。5 结论 双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态启动时，转速和电流的动态过程如仿真图4.2所示。由于在启动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从启动时间上看，第二阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速启动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态是无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。ACR的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压的波动。通过仿真可知：启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随电流外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。有设计也可以知道双闭环系统有较好的动态响应特性以及较好的动态抗干扰性。因为本系统采用了双闭环系统，所以系统能够通过两个转速调节器进行自动调节作用减少稳态速降，但是有超调。为使系统的稳态性能更好，该系统采用无静差调节，即转速调节器采用比例积分调节器（PI调节器），使系统保证恒速运行，以保证满足更严格的生产要求。6总结与体会本设计为“电流与转速双闭环直流调速系统的设计与研究”，经过调试证明设计的双闭环系统能满足设计指标的要求，完成了设计任务。实验结果表明经过该设计系统改进，与其为单闭环系统相比：机械特性偏硬，快速起制动，突加负载动态速将小。 经过这次的课程设计，不仅在书上学到的知识得到了巩固，而且还在设计过程中拓展了