双闭环直流调速系统(20210204010917)

1、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(1-1 )U-IR n =k詡式中：n转速（r/min）；U电枢电压（V）；I电枢电流（A）;R电枢回路总电阻（Q）0励磁磁通（Wb ;Kc由电机结构决定的电动势常数。 由上式可以看

2、出，有三种调速电动机的方法:1. 调节电枢供电电压U;2. 减弱励磁磁通C ;3. 改变电枢回路电阻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为最好。改变电阻只能有级调 速；减弱磁通虽然能够调速，但调速范围不大，往往只 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。1.1直流电动机的选择直流电动机的额定参数为：额定功率pn 67KW，额定电压Un 230V，额定电流 In 291a，额定转速nN 1450rmin，电动机的过载系数2，电枢电阻Ra 0.21.2电动机供电方案的选择电动机米用三相桥式全控整流电路供电，三相桥式

3、 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点：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极。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 VT1VT2-VT3-VT VT5-VT6的顺序，相位依次差60。；共阴极组VT1、VT3 VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4-3 -VT6 VT2也依次差120 ;同一相的上下两个桥 臂，即 VT1 与 VT4, VT3 与 VT6, VT5 与 VT2,脉 冲相差180 O3）整流输出电压

4、Uj周期脉动六次，每次脉动的波形都一样，故该电路为六脉波整流电路。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图1三相桥式全控-11 -1.3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

5、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商|的恒流过程，而且 双闭环直流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

6、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，转速和电流两个调节器都 采用PI调节器。1.4确定直流调速系统的总体结构框图注：ASR-转速调节器AC电流调节器TG-测速发电机 TA电流互感器UP电力电子变换器U“一转速给定电压一转速反馈电压5电流给定电压 5电流反馈电压如图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段：第一阶段是电流上升阶段，突加给定电压后，经过两个调节器的跟随作用，5、Ud。、【J都上升，但是在【J没有达到负载电流IdL以前电动机还不能转动。当 IdIdL后，电动机开始起动，由于电机惯性的作用，转 速不会很快增长，因

7、而转速调节器 ASR的输入偏差电压（匕U二u“ - utl）的数值仍较大，其输出电压保持限幅 值U；m，强迫电枢电流Id迅速上升。直到Id之idm , Ui即u爲，电流调节器很快就压制了 Id的增长，标志着 这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持 饱和状态，而ACF一般不饱和。第二阶段是恒流升速阶段，在这个阶段中，ASR始 终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒流给定 Ug下的电流调节系统，基本上保持电流hi恒定，因而系 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i时，转速调节器ASR的输入偏差为零，但 其输

8、出却由于积分作用还维持在限幅值 U讪，所以电动 机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR的输入偏差电压变为负，使它开始退出饱和状态，比和1“很快下降。但是，只要【d IdL ,转速就继续上升。直到Id = 时，转矩Te = Tl，则罟二0，转速n达到峰值。此后Id 6i0%2阻容保护计算公式：(2-11)式中：S为变压器每相平均容量；lb为变压器副边 相电压有效值；上宀为变压器激磁电流百分值，（101000） kVA的变压器的激磁电流百分值为 410;1氐切为变压器的短路电压百分值，（101000）kVA的变压器的短路电压百分值为5T0图3交流侧阻容保 护电路则，C11 二 C12 = C1

9、3 6 r 7 *380 9.2 _38028.8uF,取 10uF。imoC21 = C22 = C236*4*1T7 盼 237.5117.8?=48.4uF50uF。R21 = R22 = R232.3*如-15 -取2Q5丄Crrz.工R1 2.32302-15 -233直流侧过压保护直流侧过压保护，在直流测并联电容C电阻R,如图4所示。利用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，串联电阻能消耗 部分过电压的能量，同时抑制 LC回路的震荡。2.3.4晶闸管两端的电压保护半=2加，取3Q晶闸管的过压保护，在晶闸 管两端并联电容 C电阻R,如 图5所示。利用电容

10、两端的电压图4直流侧过压保由公式（2-10）和护电路图可得，取 31uF。Cl 6*4* 2302302F3才 bro不能突变的特性，可以有效的抑制变压器绕组中的过电 压，串联电阻能消耗部分过电压的能量，同时抑制LC回路的震荡。由公式（2-11 ）和（2-12 ）可得，取 27uF。396.62?，取加。396.6*44742.3.5过流保护图5晶闸管的过压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：1）电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。2）电流容量应按

11、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1值应小于被保护器件的允许】在值。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。根据以上原则，过流保护的电路图如图 6所示。(2-13)1丐7L为被保护元件的额定电流的有效值；k 被保护元件的实际电流的有效值。因此，快熔F1、F2、F3的额定电流取79A, F4、F5、 F6的额定电流取330A。2.4平波电抗器的计算在V-M系统中，脉动电流会增加电动机的发热，同 时也产生脉动转矩，对生产机械不利。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

12、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山心（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（2-14）dmiu一般取Idmin为电动机额定电流的5%10%电动机的电感量为S = K 缶（2-15）式中，Up、【d、n直流电动机电压、电流和转速，常用额定值代入；p电动机的磁极对数；IJ计算系数。

13、 一般无补偿电动机取812,快速无补偿电动机取68, 有补偿电动机取56。所以，平波电抗器的电感量为r c her 117.8 c230L = 0.693 X8 XX 103 =6%X2912X1X1450X2912.5mH第三章触发电路的设计3.1电源的选择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

14、片7815、7915稳出+15V和-15V，电源原理图如图7所示。其中变压器采用 220/24的，功率为20W整流桥由4个IN4007接成。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

15、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，

16、对于电感性负载，脉冲的宽度要宽些，一 般为0.51ms,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 上一个触发脉冲。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 -130 ，带大电感负载时，要求移项范围 是0；三相半波可控整流电路电阻性负载时，要求移项范围是U -90 ；三相桥式全控整流电路带电阻 负载时，移相范围是0 -120；三相桥式全控整流电 路带阻感负载时，移相范围是0 -90 o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

17、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压 Uc与同步电压Us。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，功耗低，调试方便，触发电路图如 图8所示。图8触发电路原理第四章控图电路的设计4.1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10V，所以需要电阻分压。选用 1/2W的电阻，则电阻的阻值2R25二*二秽 =5011，给定环节的电路图如图9 所示。4.2转速检测环节和电流检测环节的设计一、转速检测环节的设计压信号，经过滤波整流之后即可作为转速反图9 给 定电路图转速检测电路

18、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-27 -馈信号反馈回系统。其原理图如图 10所示。二、电流检测环节的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11X%上0=()11W叫r (4-7)卩4:UPE的放大系数AUd = 230 = 28 ?5s AUC 8(4-8)第五章双闭环直流调速系统的动态设计在控制系统

19、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 信号的抗扰性能指标。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间、超调量 和调节时间。上升时间片表示动态响应的快速性，超调 量。反应系统的相

20、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 包含着系统的稳定性。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 输出量最大降落值血；恢复时间t,是指从阶跃扰动 开始，到输出量基本上恢复稳态，据新

21、稳态值之差进入 某基准量的9儿（或取21 ）范围内所需要的时间。5.1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T、。查表可知，三相桥式电路的平均失控时间T$ 二 0.00167So2）电流滤波时间常数。三 相桥式电路每个波头的时间是 3.3ms,为了基本 滤平波头，应有（1、2）Toi = 3. 3ms，因此取= 2ms = 0 002s o3）电流环小时间常数之和4)5)T-。按小时间常数近似处理，取TLi 二 1； + 二 0 (H)367s(5-1 )电枢回路电磁时间常数Ti(5-2)gd2r4 7X10-3=0.0185s0.4电力拖动系统机电时间常GLR375CeC

22、m 375CeCe683X0.4_30 =375x0.118x0.118xn0. 548s节器的模拟(5-3)(2)选择电流调节器的结构WACR(5) (百”1)根据设计要求 i 5%，并且稳态电流无静差，按典型I型系统设计电流调 电流环控制对象是双惯性型的，因此用 PI型电流调节器，其含给定滤波和反馈滤波 式PI型电流调节器原理图如图14所示，其传递函数为-33 -(5-4)检查对电源电压的抗扰性能:0,00367(5-5)K【PiR 136.2X0.0185X0.4查典型 I型系统抗扰性能指标与参数表知，小=2驯(5-7)(4) 校验近似条件(5-8)电流环截止频率：二K二136.2s 1

23、1)检验晶闸管整流装置传递函数的近似条件2)-37 -1 _ 13人 _ 3x0 00167=199.6s_1 (oci(5-9)满足近似条件2)检验忽略反电动势变化对 电流环的动态影响的条件3 / = 3 X I= 29.80s1 oCIl(5-22)满足简化条件校验转速环小时间常数近似处理条件(5-23 )满足近似条件(5) 计算转速调节器的电阻和电容 按所用运算放大器取Rd二40k!，则Rn = KnR0 = 112X 40kfl = 448kO(5-24)M448RHc =n Rn0D865448 X103F = 0.193 X 10 6F = 0.193uF(5-25)取 0.2nF41爲 _ 4*(HHRo _ 40X103F = 1 X 10 6F = luF(5-26)取丄uF(6) 校核转速超调量满足设计要求注：公式(1-1 )、( 2-14 )、( 4-1 )(4-8 )、(5-1 ) (5-27 )出至阮毅、陈伯时的电力