V—M双闭环直流调速系统

1、摘要：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， 所以在电气传动中获得了广泛应用。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了 双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性 能。此设计利用晶闸管、二极管等器件设计了一个转速、电流双闭环直流晶闸 管调速系统。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LI的。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起 主要作用，调节起动电流保

2、持最大值，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 内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。关键词：直流电机晶闸管直流调速系统 ACR ASR 双闭环 系统一、设计丿VM双闭环直流调速系统二、目的意义：本课程设计是自动化专业学生在学完专业课程“拖动控制系统”之后进行的 一个实践性教学环节。通过此环节，使学生能结合已完成的基础课、技术基础课 和部分专业课对“拖动控制系统”课程的主要内容进行较为综合的实际运用，进 一步培养学生应用已学到的理论知识来解决实际工程设计问题，并为毕业设计奠 定基础。双闭环拖动控制系统是工业生

3、产中重要的拖动控制系统，应用很广泛, 也是其他复杂控制的基础。本专业学生应充分掌握双闭环控制系统的结构、系统 构成、设备及器件选择、参数整定计算以及绘制系统电路原理图等内容，并且初 步掌握设计的方法和步骤，同时增强独立查阅资料、分析问题和解决问题的能力 以及刻苦钻研的工作作风。本设计以直流电动机为被控对象，设计一套双闭环无 静差拖动控制系统。三、电动机参数和设计要求直流电动机参数：耳乜诙，4=220" ,<v=136A ,njV = 1460r/min , /?fl=0.2Qo采用三相可控晶闸管桥式电路供电，心严。处，0=0.0023 口=00比a = 0007Umin/x 0

4、 = °如/人。设计要求：稳态指标:稳态无静差;动态指标:电流超调量理想空载起动到额定转速时的转速超调量6% § 10%畑> TA四、双闭环直流调速系统的组成及其静特性K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。两者之间实行嵌套 连接，如图24所示。把转速调节器的输岀当作电流调节器的输入，再用电流调 节器的输岀去控制电力电子变换器UPEo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.电流双闭环调速系统。图1 转速、电流双闭环直流调

5、速系统其中：ASR-转速调节器ACR 一电流调节器TG-测速发电机T A-电流互感器UPE-电力电子变换器“厂-转速给定电压5-转速反馈电压口"-电流给定电压S 电流反馈电压2、双闭环直流调速系统的静特性分析图2双闭环直流调速系统的稳态结构框图分析静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征，一般使存在两种状况：饱 和一输出达到限幅值，不饱和一输出未达到限幅值。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岀的联系，相当于使该调节环开环。当 调节器不饱和时,P I的作用使输入偏差电压AU在稳态时总为

6、零。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与不饱和两种情况工浜八Ck-4-1-1111111111E -oIdn图3双闭环直流调速系统的静特性五、具体设计内容(一)主回路选择和计算1. 整流变压器计算A = U do 2.34COStz(1) 因为Udo=2 U2COSay 所以 /'当a 二0。时"=234电网波动系数0 = 0.9,B = = COS a,5当a 二 10° 时，B= 0 9 85变压器二次电压：S =(1.1 1.2)仝”AeB = 17V" 1 27V,取二 1 2 0 V二

7、次相电流人和一次相电流人:=丛生380N?二 U#o 二 220 =3. 17三相全控桥电感负载，“ =Kg =0.816I=K. IJK ”、I. = Kt Id人"=35A, 212 d =1 1A(3)变压器的容量：S二39. 9KVA, s2 =1U2I2 =39 %KVA,5=>+39.93KVA叫叫:变压器一次侧，二次侧绕组的相数为3,ZS三相油浸全波整流变压器技术参数型号电（kv）压损（W）耗阻抗电圧空载电流连接 组高压低压空载短路ZS-5 0/1 00.38根据用 户要求 而定1708704. 52.0D. Yn112. 晶闸管元件的选择三相桥4” =、你X J

8、动2二31 1 V,晶闸管的额定电压：% =（2 3）"帀,二§ 2293 3 V,It = I2 =111A,2）岛KAV) =10 6 14 IV,晶闸管的额定电流：抵=157/八加片（有效值）Its =166 221V, 快速晶闸管:KK1 0 0A-80 0 A /6 0 0V-200 0 V3. 主回路保护环节的选择和计算（1）交流侧过电圧保护用阻容保护：整流变压器一次采用三相;二次侧采用三相Y；（2）交流侧用压墩电阻保护，Y型标准电压匕血=1 %屁2 =233V;压敏电阻：MY3 1-27 0 /3 M敬感电阻器T压敬电阻器3 1 一序号2 70标称电压为270

9、V 3流通容量为3KA（3）直流侧过电压保护：晶闸管的阻容保护。由于晶闸管过流过压能力很差， 如果不采取可靠的保护措施是不能正常工作的。RC阻容吸收网络就是常用的保 护方法之一。整流晶闸管阻容吸收元件的选择电容的选择：C= （2.55）X10_8XIf, If=O. 367Id, Id=Ix=13 6A ,所以选用 00. 5uF,电阻的选择：R = （2 4）X535）/ I f 二 20Q40Q,选择 R 二 30Q（4）过电流保护用快速熔断器：交流侧、直流侧和晶闸管宙联快速熔断器;额定电压大于线路工作电压的有效值，额定电流加的取值：174A二1 .571®$ IfuNIt =1

10、 1 1A熔断器:规格RS7 1 1B额定电流1 2 5A额定电压38 0额定耗散功率2 7.0WC?（整流及晶闸管保护电路）士土C19Ud(二)控制回路设计触发装置选用高性能晶闸管三相移相触发集成电路TC787TC787采用独有的先进IC工艺技术，主要适用于三相晶闸管移相触发和三相 功率晶体管脉宽调制电路，以构成多种交流调速和变流装置。具有功耗小、功能 强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点，而且装调简 便、使用可靠，因此TC7 87可广泛应用于三相半控、三相全控、三相过零等电力 电子、机电一体化产品的移相触发系统。TC787及TC788是标准双列直插式1 8引脚的集成电

11、路，它的引脚排列如图所示。11Lz.IZJVfc©1 2_L2_I UVx|±U|5XC7<788Jde*Kd J方Li| 8n l-c久| 910 | B各引脚的名称、功能及用法如下：(1)同步电压输入端：引脚1 (Vc)、引脚2(Vb)及引脚18 ( Va)分别为三相 同步输入电压连接端，应用中分别接经输入滤波后的同步电压，同步电压的峰值 应不超过TC787或TC78 8的工作电源电压VDD。亠(2)脉冲输出端：在半控单 脉冲工作模式下，引脚8(C)、引脚10(B)、引脚12(A)分别为与三相同步电压 正半周对应的同相触发脉冲输出端，而引脚7 (-B)、引脚9GA

12、)、引脚I 1(-C) 分别为与三相同步电压负半周对应的反相触发脉冲输出端。当TC78 7或TC788 被设置为全控双窄脉冲工作方式时，引脚8为与三相同步电压中C相正半周及B 相负半周对应的两个脉冲输出端，引脚I 2为与三相同步电压中A相正半周及C 相负半周对应的两个脉冲输出端，引脚11为与三相同步电压中C相负半周及B 相正半周对应的两个脉冲输出端，引脚9为与三相同步电压中A相同步电压负半 周及C相电压正半周对应的两个脉冲输出端，引脚7为与三相同步电压中B相电 压负半周及A相电压正半周对应的两个脉冲输出端，引脚10为与三相同步电压 中B相正半周及A相负半周对应的两个脉冲输出端，应用中均接脉冲功

13、率放大环 节或脉冲变压器。33)控制端：引脚5 (P i )为输出脉冲禁止端。该端用来进行故障状态下封锁TC787或TC788的输出，高电平有效，应用中接保护电路的输 出。引脚14(Cb)、引脚15 (Cc)、引脚1 6 (Ca)分别为对应三相同步电压的 锯齿波电容连接端。该端连接的电容值大小决定了移相锯齿波的斜率和幅值，应 用中分别通过一个相同容量的电容接地。引脚6(P c )为TC7 87或TC78 8工 作方式设置端。当该端接高电平时，TC78 7或TC7 8 8输出双脉冲;而当该端接低 电平时，输出单脉冲。引脚4(Vr)为移相控制电压输入端。该端输入电压的 高低，直接决定着TC78 7

14、或TC788输出脉冲的移相范围，应用中接给定环节输 出，其电压幅值最大为TC787或TC7 8 8的工作电源电压VDD。引脚13(Cx)。 该端连接的电容C x的容量决定着TC7 8 7或TC7 88输出脉冲的宽度，电容的 容量越大，则脉冲宽度越宽。43)电源端:TC7 8 7或TC788可单电源工作，亦 可双电源工作。单电源工作时引脚3(VSS)接地,而引脚17(VDD)允许施加的电 压为旷1 8Vo双电源工作时，引脚3(VSS)接负电源,其允许施加的电压幅值为 -r-9V,引脚17(VDD)接正电源，允许施加的电压为+4+9V。*主要电参数 和限制：(1)工作电源电压VDD:818V； (

15、2)输入同步电压有效值：W(1/2J 2)VDD；(3) 输入控制信号电压范围:O'VDD; (4)输出脉冲电流最大值:20mA;锯齿波电容取值范围：0.10. I 5 : ( 6 )脉宽电容取值范围：3 3 00pF 0.01 nF;叽7)移相范围：0177° ； (8)工作温度范围：0+55°C。触发电路和运放用的直流电源选择：W7 8 15和W7915三端元件：反馈电路参数的选择(1)测速发电机的选择：5 5CY6 1型永磁直流测速发电机；55CY6 I型永磁式直流测速发电机系封闭自冷式，其输出电压正比于电枢转速, 适用于自动控制系统中作为测速、反馈和阻尼等元

16、件。发电机系连续工作制。3.空气相对湿度W9 5% （+2 5 C时）:4任意安装位置。型号输出电Jk转速负载电阻输出电压不对称度输出电压线性 误差55CY6140± 42 0 00转/分2000 欧> 1 %± 1（2）电流反馈环节的选择:选用LM-0.5型电流互感器。使用范圉：aL M-0. 5型电流互感器主要用于户内，供额定电压为5 0 0V及以 下，额定频率为50Hz的交流电路中作为电流、电能测量或继电保护用。产品 为干式电流互感器，其安装方式采用底板固定安装方式。主要技术参数：额定一次电流：3 0、50、7 5、10 0、150、200、30 0、400、5

17、 0 0、600A 额定二次电流：5A准确级次及额定负荷：准确级次为0. 5级。额定负荷为5VA1 0 VA等。（三）控制系统的动态计算及调节器设计转速调节器的作用：1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快的跟随给定电压 U呼的变化;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）对负载变化起抗扰作用；3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流；电流调节器的作用：1）为内环的调节器,在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟 随其给定电压Ui*（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；在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流从而加快

18、动态过程； 当电动机过载其至堵转时，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。图4双环调速系统原理图1. AC R的选择和计算RiC UACK图5电流调节器原理图电流调节器的设计：（1）.确定时间常数 整流装置滞后时间常数Ts。查资料得，三相桥式电路的平均失控 时间 Ts =0. 0016 7 s o 电流环小时间常数之和T£i。按小时间常数近似处理，取TEi二T；+T。 I 二0.00 3 7s。（2）.选择电流调节器结构根据设计要求%-5%,并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计 电流调节器。电

19、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:讣算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：卩T0. 03 s。电流环开环增益:要求6% "%时，应取皿=0.5,因此K：=0. 5/TEi =0.5 /0 .0 0 37s = 135. 1，于是，A CR的比例系数为K/TjRK, = 1.013Ksp 40 x 0.05（4）.计算调节器电阻和电容按所用运算放大器取Ro=4 0 kQ ,各电阻和电容值为0.0340x10RfK R。二 1.013 "Ok。二4 0.52 取 40k°F = 0.75 xlO6F = 0.75/F，取 0 7 5/

20、zF4T(4x0.002 厂c - 小= b =O2xlO"F = 0.2/?40xl(T，取 0 2妬按照这些参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为6% = 4.3%<5%,满足 设计要求。2. ASR的选择和计算图6转速调节器原理图（一）转速调节器的设计（1）.确定时间常数电流环等效时间常数I /KXo在电流调节器的设计中，已取K:TEi=0.5, 丄=2& =2x0.0037 5 = 0.0074 5则匚转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取Th +Tor= 0 . 0074s + 0. 0 1 s = 0. 0174 s(2).选择转速调节器结构按照设计要

21、求，选用PI调节器，其传递函数为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h二5,则ASR得超前时间常数为rZI = hT® = 5 x 0.0174 s = 0.087 s由""订二可求得转速环开环增益2x52 x0.01742 $_ 3%缶“(/i + l)/7CX 6 x 0.05 x 0.132 x 0.18-2haRTaK u = 11.7于是 |2haRT.(4).计算调节器电阻和电容取 & 二 40k Q,则他=K“&)=ll7x40RQ = 468RG,取 470kQ;=立=()()87 尸=0.185 x 10"F = 0.185/FR” 470x10，取 0.2PF；C->=SF=,