V-M转速电流双闭环直流调速系统

1、V-M转速电流双闭环直流调速系统的设计摘 要本次设计利用晶闸管等器件设计了一个V-M转速、电流双闭环直流调速系统。通过分析直流双闭环调速系统的组成，设计出系统的电路原理图。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。采用工程设计的方法对直流双闭环调速系统的电流和转速两个调节器进行设计，先设计电流调节器，然后将整个电流环看作是转速调节系统的一个环节，再来设计转速调节器。遵从确定时间常数、选择调节器结构、计算调节器参数、

2、校验近似条件的步骤一步一步的实现对调节器的具体设计。之后，再对系统的起动过程进行分析，以了解系统的动态性能。关键词：双闭环，晶闸管，转速调节器，电流调节器V-M转速电流双闭环直流调速系统的设计1 系统的总体设计方案1.1双闭环直流调速系统的概述双闭环直流调速系统是一种当前应用广泛、经济、实用的电力拖动系统。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调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小

3、等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，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，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如1-1（a）所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。（a）带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程（b）理想的快速起动过程图1-1 直流调速系统起动过程的电流和转速波形在实际工作中,我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载

4、能力，最好是在过渡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起动，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。这样的理想起动过程波形如图1-1（b）所示，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）受限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，采用某个物理量V-M转速电流双闭环直流调速系统的设计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能得到近似的恒流过程。问题

5、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，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。1.2电机的技术参数直流电动机(ZD2-152-1B)的技术参数:额定容量：PN=400KW额定电压：UN=440V额定电流：IN=975A 额定转速：nN=500nmin额定效率：hN=0.93励磁电压：Uf=110V励磁电流：If=40.7A电枢绕组电阻：RS=0.0117W换向绕组电阻：RH=0.0025W过载倍速： l=1.92磁极对数：p=

6、3转动惯量：GD2=275kgm2测速发电机（ICF-22E）的技术参数：额定容量：PN=300W额定电压：UN=115V额定电流：IN=0.76A 额定转速：nN=750min系统参数：电枢总电阻：RS=0.076W系统总转动惯量：GD2=24696kgm2V-M转速电流双闭环直流调速系统的设计1.3双闭环直流调速系统的组成及其静特性1.3.1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。二者之间实行串级联接，如图1-2所示。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电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，

7、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、电流双闭环调速系统。图1-2 转速、电流双闭环直流调速系统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，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图1-3所示。图1-3 双闭环直流调速系统电路原理图图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它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。图中还表示了两个调V-M转速电流双闭环直流调速系统的设计节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器

8、ASR的输出限幅电压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。1.3.2稳态结构图和静特性为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如图1-4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PI 调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征，一般存在两种状况：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，除非有反向的输入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

9、器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压DU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a转速反馈系数 b电流反馈系数实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和和不饱和两种情况。1. 转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此*Un=Un=an=an0Ui*=Ui=bId由第一个关系式可得n=*Una=n0*从而得到图1-5所示静特性的CA段。与此同时，由于ASR不饱和，Ui*Uim，从上述第二个关系式可知IdIdm。这就是说，CA段特性从理想空载状态的Id=0一直延续到Id=Idm，而Idm一

10、般都是大于额定电流IdN的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。V-M转速电流双闭环直流调速系统的设计2. 转速调节器饱和*这时，ASR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Id=*Uimb=Idm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。其所描述的静特性对应于图1-5中的AB段，它是一条垂直的特性。这样的*下垂特性只适合于nUn，ASR将退出饱和状态。图1-5 双闭环直流调速系统的静特性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，

11、这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idm后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统的静特性好。1.3.3各变量的稳态工作点和稳态参数计算由图1-4可以看出，双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系*Un=Un=an=an0Ui*=Ui=bId=bIdL*Ud0Cen+IdRCeUn+IdLR Uc=KsKsKs*上述关系表明，在稳态工作点上，转速n是由给定电压Un决定的；ASR的输出量Ui*是由负载电流

12、IdL决定的；而控制电压Uc的大小则同时取决于n和Id，或者说，同时取决于V-M转速电流双闭环直流调速系统的设计*和IdL。这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。比例环节的输出量总是正比Un于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止 所以，*Unm转速反馈系数 a=电流反馈系数nmaxb=U*imI dmV-M转速电流双闭环直流调速系统的设计2 主电路的确定及参数计算2.1主电路的选择在直流调速系统中，我们采用的是晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统）的原理图如图2-1所

13、示。它通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压Ud，从而实现平滑调速。与旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且再技术性能上也呈现出较大的优越性。图2-1 晶闸管-电动机直流调速系统对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，根据晶闸管的特性，可以通过调节控制角a大小来调节电压。当整流负载容量较大或直流电压脉动较小时应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。三相整流电路中又分三相半波和全控桥式整流电路，因为三相半波整流电路在其变压器的二次侧含有直流分量，故本设计采用

14、了三相全控桥式整流电路来供电，该电路是目前应用极广泛的整流电路，输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。图2-2 主电路原理图三相全控桥式整流电路由晶闸管VT1、VT3、VT5接成共阴极组，晶闸管VT4、VT6、VT2接成共阳极组，在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电路。为了使元件免受在突发情况下超过其所承受的电压电流的侵害，电路中加入了过电V-M转速电流双闭环直流调速系统的

15、设计压、过电流保护装置。2.2整流变压器参数的计算2.2.1U2的计算为了减小电网与整流装置的相互干扰,使整流主电路与电网隔离,为此需要配置整流装置。但由于电网电压波动、管子本身的压降以及整流变压器等效内阻造成的压降等。所以设计时U2f应按下式计算: U2f=Udn+nDUTAB(cosamin-CUdlI2I2n)式中：Udn为负载的额定电压，取220VDUT为整流元件的正向导通压降，取1Vn为电流回路所经过的整流元件的个数，桥式电路取2oA为理想情况下a=0时Ud02，取2.34B为实际电压与理想空载电压比，取0.93amin为最小移相角，取10oC为线路接线方式系数，取0.5Udl为变压

16、器阻抗电压比，取0.05I2IN为二次侧允许出现的最大电流与额定电流之比，取0.816 所以将数据代入U2f=220+21=106.3V2.340.93(0.98-0.50.050.816)2.2.2变压器和晶闸管的容量1.变压器容量理想条件下变压器二次容量为S2=3U2I2=3106.30.81630.3=7.88KVA2.晶闸管容量晶闸管额定电压应选等于元件实际承受最大峰值电压UTM的(23)倍UTn=(23)UTM=22U2f=300.6V考虑3倍的过压容量,取901.98VV-M转速电流双闭环直流调速系统的设计晶闸管额定电流:有效值IVT=IN平均值考虑(1.52)=17.49A IV

17、T(AT)=(IVT.57)=11.1KIN=11AIVT(AT)的过流裕量,取18.128A2.3平波电抗器的电感量为了使负载电流得到平滑的直流,通常在整流输出端串入带有气隙铁心的电抗器。 电流连续时:Ld1=L1-(2LB+LD)式中:L2fU2f1=KU1I=K1dmin5%1.1I=0.693106.3N1.66=44.37mHL=KU2fBBIUdl%=3.9106.3rec33.30.05=0.622mHLD=11mH所以：Ld1=44.37-(20.622+11)=32.126mH电流断续时:Ld2=L2-(2LB+LD)LUdm2f2f32=2pfUdSiI10=0.46rec

18、23.14300106.30.0533.3103=15.58mH其中Si给定的允许电流脉动系数,三相整流电路中,Siwci，满足近似条件。 3TS30.0017s.忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件311=3=92.26s-1wci，满足近似条件。 3TSToi30.00170.0025（5）计算调节器电阻和电容运算放大器取R0=20KW，各电阻和电容值为Ri=KiR0=0.20720KW=4.1KW 取Ri=4KWCi=tiRi=0.0097F=2.4uF 取Ci=2.4uF 3410Coi=4Toi40.0025=F=0.5uF 取Coi=0.5uF R0201033.3转速调节器的设

19、计1.电流环的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，需求出它的闭环传递函数Wcli(s)。KII(s)s(TSis+1)1 Wcli(s)=*d=KITSi21Ui(s)/b1+s+s+1s(TSis+1)KIKI接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为Ui*(s) ，因此电流环在转速环中应等效为Id(s)Wcil(s)b= *1bUi(s)s+1KI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KI的一阶惯性环节。表明电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是内环控制的一个重要功能V-M转速电流双闭环直流调速系统的

20、设计2.转速调节器结构的选择用电流环的等效环节代替图3-2中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构框图如图3-6所示。图3-6 转速控制系统的动态结构框图*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Un再把时间(s)/a，常数为KI和Ton的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为TSn的惯性环节，其中TSn=1+Ton，则转速环结构框图可简化成图3-7： KI图3-7 等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理转速环开环传递函数应共有两个积分环节，应该设计成典型II型系统，这样系统同时也能满足动态抗扰性能号的要求，ASR也应该采用PI调节器，不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动

21、态结构框图如图3-8所示图3-8 校正后的典型II型系统V-M转速电流双闭环直流调速系统的设计3.转速调节器的参数计算转速调节器的参数包括Kn和tn，按照典型型系统的参数关系有：tn=hTSnK(h+1)bCeTmn=2haRTSn4.转速调节器的额实现含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器原理图如图3-9所示。 其中转速调节器参数与电阻、电容值的关系为KRnn=Rtn=RnCnTon=14R0Con图3-9 含给定滤波和转速滤波的PI型转速调节器5.确定时间常数.电流环等效时间常数KI，已取KITSi=0.5，则1K=2TSi=20.0042=0.0084sI.转速滤波时间常数Ton，取To

22、n=0.01s.转速环小时间常数TSn，按小时间常数近似处理，取T1Sn=K+Ton=0.0084+0.01=0.0184sIV-M转速电流双闭环直流调速系统的设计6.选择转速调节器参数按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为WASR(s)=Kn(tns+1) tns7.计算转速调节器参数按照跟随性能和抗扰性能都较好的原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为tn=hTSn=50.0184s=0.092s转速环开环增益KN=h+15+1-2 =354.44s2222hTSn250.0184ASR的比例系数为 Kn=8.检验近似条件转速环截止频率为 (h+1)bCeTm60.040.2080.1

23、09=9.17 2haRSTSn250.010.2150.0184wcn=KNw1=KNtn=354.440.092s-1=32.61s-1.电流传递函数简化条件为1KI1119.05-1=s=56.12s-1wcn，满足简化条件 3TSi30.0042.转速环小时间常数近似处理条件为1KI1119.05-1=s=36.37s-1wcn，满足近似条件 3Ton30.019.计算调节器电阻和电容取R0=20KW，则Rn=KnR0=9.1720=183KW，取Rn=180KWCn=tnRn=0.092F=0.5uF，取Cn=0.5uF 1801034T40.01Con=on=F=2uF，取Con=2uF 3R0201010.校核转速超调量当h=5时，sn=37.6%，不满足要求。实际上，突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量得：sn=8.31%10%，满足要求。V-M转速电流双闭环直流调速系统的设计4 结论双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时由于在起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。从起动时间上看，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起动。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是