双闭环V-M调速系统中主电路电流调节器及转速调节器的设计项目计划书

1、双闭环 V-M调速系统中主电路电流调节 器及转速调节器的设计计划书课程任务设计书一、设计题目双闭环 V-M调速系统中主电路电流调节器及转速调节器的设计二、具体内容（1）主回路及其保护系统的设计；（2）转速、电流调节器及其限幅电路的设计；三、已知条件及直流电机相关参数 采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电，基本数据如下： 直流电动机 UN =220V， I N =136A， nN =1460r/min ，电枢电阻 Ra =0.2 ，允许过 载倍数 =1.5 ；晶闸管装置 Ts =0.00167s ，放大系数 Ks =40；平波电抗器：电阻 RP 0.1 /电感 LP 4mH ；电枢回路总电阻 R=

2、0.5；电枢回路总电感 L=15mH； 电动机轴上的总飞轮惯量 GD2=22.5Nm2；电流调节器最大给定值 Uim =10.2V，转速调节器最大给定值 U nm =10.5V；电流滤波时间常数 Toi =0.002s ，转速滤波时间常数 Ton =0.01s 设计要求： 1.稳态指标：转速无静差； 2. 动态指标：电流超调量 i 5%；空载 启动到额定转速的转速超调量 n 10% 。第一章 主回路及其保护系统的设计1. 主回路结构图 1 转速电流反馈控制直流调速系统原理图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U

3、n- 转速反馈电压Ui*-电流给定电压Ui- 电流反馈电压? 设计思路：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。? 具体组成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

4、）联接，如图 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 I 在里面，称作内环；转速环 n 在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。2. 保护性系统结构图? 转速调节器 ASR的输出限幅电压 U*im 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 Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电 压 Udm。? 过压保护 RC过压抑制，加在电源直流侧。直接在交流经整流的直流 侧加上 RC的串联回路即可? 过流保护 PTC热敏电阻，串联在电机回路中（1）确定最大工作电压已知变压器工作电压

5、220V，考虑电源波动的因 素，最大工作电压应达到 220V（ 1+20%）=264VPTC热敏电阻器的最大工作电压选 265V。（2 经计算和实际测量，变压器正常工作时初级电流 125mA，考虑到 PTC 热敏电阻器的安装位置的环境温最高可达 60 ，可确定不动作电流在 60 时应为 130 140mA。（3）确定动作电流考虑到 PTC热敏电阻器的安装位置的环境温度最低可 达到-10 或 25，可确定动作电流在 -10 或 25时应为 300 340mA， 动作时间约 5 分钟。（4）确定额定零功率电阻 R25PTC热敏电阻器串联在初级中，产生的电 压降应尽量小， PTC热敏电阻器自身的发热

6、功率也应尽量小，一般 PTC 热敏电阻器的压降应小于总电源的 1%，R25经计算： 220V 1% 0.125A=17.6 （5）确定最大电流经实际测量，变压器次级短路时，初级电流可达到 500mA，如果考虑到初级线圈发生部分短路时有更大的电流通过， PTC热 敏电阻器的最大电流确定在 1A 以上。（6）确定居里温度和外形尺寸考虑到 PTC热敏电阻器的安装位置的环境 温最高可达 60 ，选择居里温度时在此基础上增加 40 ，举例温度为 100 ，但考虑到低成本，以及 PTC热敏电阻器未安装在变压器线包内， 其较高的表面温度不会对变压器产生不良作用，故居里温度可选择120 ，这样 PTC热敏电阻

7、器的直径可减小一档，成本下降了。第二章 转速、电流双闭环直流调速器的设计1. 电流调节器的设计? 设计目的(电流调节器的作用)1) 作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流 紧紧跟随其给定电压(即外环调节器的输出量)变化。2) 对电网电压的波动起及时抗扰的作用。3) 在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态 过程。4) 当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保 护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统 的可靠运行来说是十分重要的。? 设计步骤1) 电流环结构图的简化在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影

8、响，即 DE0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由于 Ts和 T0i 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2) 电流调节器结构的选择从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用 型系统就够了。再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控 制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对 电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素。为此，电流环应以跟随 性能为主，即应选用典型型系统电流环的控制对象是双惯性的，要校正 成典型型系统，显然应采用 PI 型的电流调节器，其传递函数可以

9、写成式中 电流调节器的比例系数； 电流调节器的超前时间常数。为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选则电流环的动态结构框图便成为图 2-4 所示的典型形式3) 电流调节器的参数计算? 计算电流调节器参数整流装 置滞后时间常数 Ts。三 相桥式 电路 平均失控时间Ts=0.00167s。电流滤波时间常数 Toi =0.002s 。电流环小时间常数之和电流调节器超前时间常数检查对电源电压的抗扰性能：参照表下的典型型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系电流环开环增益：要求 i 5% 时，按下表，应取，因此典型型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数

10、的关系ACR选用 PI 调节器，其比例系数为? 校验近似条件电流环截止频率，且：晶闸管整流装置传递函数的近似条件为满足近似条件。忽略反电动势对电流环影响的近似条件为满足近似条件。电流环小时间常数环节的近似处理条件为满足近似条件。4) 电流调节器的实现? 含给定滤波和反馈滤波的模拟式 PI 型电流调节器原理图如下图所示 图中为电流给定电压，为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电 子变换器的控制电压 UC。根据运算放大器的电路原理，可以容易地导 出? 计算调节电阻和调节电容电流调节器如下图所示，取，则 取 20取 1.5取 0.4含给定滤波器和反馈滤波器的 PI 电流调节器按上述参数，电流环可达

11、到的动态跟踪性能指标为，满足设计要求。2. 转速调节器的设计? 设计目的(转速调节器的作用)1) 转速调节器是调速系统的主导调速器，它使转速 n 很快地跟随给定 电压 Un*变化，稳态时可减小转速误差，如果采用 PI 调节器，则可 实现无静差。2) 对负载变化起扰动作用。因为负载扰动作用在电流环之后，只能靠 转速调节器 ASR来产生抗负载扰动作用。3) 其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。? 设计步骤1) 电流环的等效闭环传递函数电流环经等效后可视作转速换中的一个环节，为此，需求出它的闭环传递 函数。由下图可知忽略高次项，可降阶近似为近似条件为式中 转速环开环频率特性的截止频率。接入转速换内

12、，电流环等效环节的输入量应为 (s) ，因此电流环在转速环中 应等效为这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象， 经闭环控制后， 可以近似地等 效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。2) 转速调节器结构的选择? 用电流环的等效环节代替后， 整个转速控制系统的动态结构图便如图? 和电流环中一样， 把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内， 同时将给定信号改成 U*n(s)/a ，再把时间常数为 1 / KI 和 T0n 的两个小惯性环节合并起来， 近似成一个时间常数为的惯性环节， 其中? 简化后的结构图：1KI? 为了实现转速无静差， 在负载扰动作用点前面必须有一个积分环 节，它应该包含在转速调节器 A

13、SR 中，现在在扰动作用点后面 已经有了一个积分环节， 因此转速环开环传递函数应共有两个积 分环节，所以应该设计成典型 型系统，这样的系统同时也能 满足动态抗扰性能好的要求。由此可见， ASR也应该采用 PI 调 节器，其传递函数为式中WASR (s)Kn ( ns 1)Kn 转速调节器的比例系数； 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Wn(s) K n( ns 1)nsCeTms(Tns 1)Kn R( ns 1) n CeTms2(T ns 1)令转速环开环增益为KNKnCTn e m校正后的系统结构为3) 转速调节器的参数计算? 计算电流调节器参数电流环等效时间常数

14、 1/KI ：转速滤波时间常数， 根据所用测数发电机纹波情况， 取。转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，由下表中数据可见，一般来说， h 值越小，也越小， tm 和 tv 都短，因而抗扰性能越好， 这个趋势与跟随性能指 标中超调量与 h 值的关系恰好相反，反应了快速性与稳 定性的矛盾。但是，当 hIdl, 电动机开始转动。由于电动机机电惯性的作用，转速与转速反 馈信号增长较慢， 因而转速调节器 ASR的输出偏差电压数值较大， 使其输出很快 达到限幅值，之后输出一直处于限幅值，相当于速度环处于开环状态， ASR对电 流调节环发出最大电流指令。在 ASR输出限幅值的作用下， ACR的输出也有一

15、跃 变，强迫电枢平均电流迅速上升， 则电流调节器 ACR的输出偏差电压衰减， 使输 出达不到限幅值。 当电流反馈电压与给定电压相平衡时。 双闭环调速系统的电流 调节器 ACR不再使 Id 迅速增长。第二阶段 ：恒流升速阶段。在这个阶段，由于 ASR的输出偏差一直为正，使其输 出一直是饱和的，转速环相当于开环，只剩下电流环单闭环工作， ACR的调节作 用使电枢电流基本上保持恒定。 在这一阶段中， 电流调节器是不能饱和的， 可控 电源也不应饱和。第三阶段 ：转速调节阶段。从电动机转速上升到给定值开始，此时，转速调节器 的给定电压与反馈电压相平衡， 输出偏差电压为零， 但输出由于积分的记忆作用 还维

16、持在限幅值， 因此电动机仍在最大电流下加速， 必然产生转速超调。 转速超 调后， ASR输入端的偏差电压改变极性，使其输出电压幅值被迫迅速下降而退出 饱和状态，从而电枢电流也开始下降。但是由于 Id 仍然大于负载电流，在一段 时间内， 电动机的转速仍继续上升。 当负载转矩和电磁转矩平衡时， 转速上升到 最大值。此后，经过 ASR和 ACR的调节，状态变量转速和电流 Id 达到稳定。? 启动过程（从 0 升到 2V）理论计算 PID 时启动的波形：转速仿真结果：电流仿真结果：? 实际校正后的 PID 仿真结果：将 转速仿真结果电流仿真结果? 加入干扰先后的波形在电流环输入部分加入干扰后的波形 转

17、速仿真结果：电流仿真结果：在负载电流波动产生干扰后的波形转速仿真结果：电流仿真结果：同时加入干扰后的波形转速仿真结果：电流仿真结果：? 调节转速变化的波形（从给定电压 2V 降到 1.5V）转速仿真结果电流仿真结果结论：转速调节器的作用是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定 电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用 PI 调节器，则可实现无静差；它 对负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定电机允许的最大电流。电流调节器的作为内环的调节器， 在外环转速的调节过程中， 它的作用是使 电流紧紧跟随其给定电压变化； 它对电网电压的波动起及时抗扰的作用。 在转速 动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。心得体会本文主要进行了双闭环 V-M调速系统中主电路电流调节器及转速调节器的设 计，同时也进行了部分的外围电路， 包括保护电路、 检测电路、辅助电源电路等。 按照工程化的流程由内到外的进行了电流环、转速环的调节器设计、参数计算、 仿真验证及优化工作， 满足了课程设计任务书的全部要求， 在起动过程中， 主要 由电流环起主要作用， 在稳态运行时， 主要由转环其主要作用， 电流环仅表现为 跟随特性。 然而，此次设计仍有很大的改进的地方， 比如可以做更多的不同