直流电动机双闭环调速系统设计

1、1 设计方案论证1.1 电流环调节器方案一，采用 PID 调节器， PID 调节器是最理想的调节器，能够平滑快 速调速，但在实际应用过程中存在微分冲击，将对电机产生较大的冲击作用， 一般要小心使用。方案二，采用 PI 调节器， PI 调节器能够做到无静差调节，且电路较 PID 调节器简单，故采用方案二。1.2 转速环调节器方案一，采用 PID 调节器， PID 调节器是最理想的调节器，能够平滑快 速调速，但在实际应用过程中存在微分冲击，将对电机产生较大的冲击作用， 一般要小心使用。方案二，采用 PI 调节器， PI 调节器能够做到无静差调节，且电路较 PID 调节器简单，故采用方案二。2 双闭

2、环调速控制系统电路设计及其原理2.1 综述随着现代工业的发展，在调速领域中，双闭环控制的理念已经得到了越来 越广泛的认同与应用。相对于单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的 动态过程的弱点。双闭环控制则很好的弥补了他的这一缺陷。双闭环控制可实现转速和电流两种负反馈的分别作用， 从而获得良好的静， 动态性能。其良好的动态性能主要体现在其抗负载扰动以及抗电网电压扰动之 上。正由于双闭环调速的众多优点，所以在此有必要对其最优化设计进行深入 的探讨和研究。本次课程设计目的就是旨在对双闭环进行最优化的设计。2.2 整流电路本次课程设计的整流主电路采用的是三相桥式全控整流电路，它可看成是由一组共阴接法

3、和另一组共阳接法的三相半波可控整流电路串联而成。共阴极组VTi、VT3和VT5在正半周导电，流经变压器的电流为正向电流；共阳极组 VT2、VT4和VT6在负半周导电，流经变压器的电流为反向电流。变压器每相 绕组在正负半周都有电流流过，因此，变压器绕组中没有直流磁通势，同时也 提高了变压器绕组的利用率。三相桥式全控整流电路多用于直流电动机或要求实现有源逆变的负载。为 使负载电流连续平滑，有利于直流电动机换向及减小火花，以改善电动机的机 械特性，一般要串入电感量足够大的平波电抗器，这就等同于含有反电动势的 大电感负载。三相桥式全控整流电路的工作原理是当 a=0 时的工作情况。 触发电路先 后向各自

4、所控制的 6 只晶闸管的门极(对应自然换相点)送出触发脉冲，即在 三相电源电压正半波的 1、 3、 5 点(正半波自然换相点)向共阴极组晶闸管 VTVT3、VT5输出触发脉冲；在三相电源电压负半波的2、4、6点(负半波自然换相点)向共阳极组晶闸管 VT2、VT4、VT6输出触发脉冲。以下三点是三相桥式全控整流电路所要遵循的规律：(1) 三相桥式全控整流电路任一时刻必须有两只晶闸管同时导通，才能形 成负载电流，其中一只在共阳极组，另一只在共阴极组。(2) 整流输出电压波形是由电源线电压 uUV、 uUW 、 uVW 、 uVU、 uWU 和 uWV 的轮流输出所组成的，各线电压正半波交点16分别

5、是VTiVT 6的自然换相 点。(3) 六只晶闸管中每管导通 120，每间隔 60有一只晶闸管换流。综上所述，三相桥式全控整流电路的整流输出电压脉动小，脉动频率高， 基波频率为300Hz,所以串入的平波电抗器电感量较小。在负载要求相同的直 流电压下，晶闸管承受的最大电压，将比采用三相半波可控整流电路要减小一 半，且无需要中线，谐波电流也小。所以，广泛应用于大功率直流电动机调速 系统。如果为了省去整流电压器，可以选用额定电压为440V的直流电动机。相比其他各类整流电路而言， 再根据其优点， 所以采用三相桥式全控整流电路。本次本次课程设计的变压器联结组别采用的是主变压器为Yd11 和同步变压器为Y

6、y4。当然不同的联结组别的选择会产生不同的效果和作用。以下为变压器联结组别选择的国家标准： 为了制造和使用上的方便，国家规定三相双绕组电力变压器的标准联结组 为YynO、YzyO、YyO、Yd11、Yzdll。其中YynO用于低压侧电压为 400230V 的配电变压器中，供给动力与照明混合负载。变压器的容量可达 1800kV.A,高压侧的额定电压不超过35kV。Yn yO用于高压侧需接地的场合。 YyO只供三相动力负载。Yd11用在低压侧电压超过400V的线路中，最大容 量为31500kV.A,高压侧电压在35kV以下。YNd11用在高压侧需要接地且 低压侧电压超过400V的线路中。三相变压器

7、的绕组联结时应注意利用单相变压器接成三相变压器组时,要 注意绕组的极性。把三相心式变压器的一、二次侧三相绕组接成星形或三角形 时,其首端都应为同名端；一、二次绕组相序要一致。2.3 触发电路的选择和同步晶闸管的电流容量越大,要求的触发功率越大。对于大中电流容量的晶闸 管,为了保证其触发脉冲具有足够的功率, 往往采用由晶体管组成的触发电路。 本次课程设计的触发电路采用的是锯齿波同步的触发电路,该电路由五个部分 组成,分别为同步环节；锯齿波形成及脉冲移相环节；脉冲形成、放大和输出 环节；双脉冲形成环节；强触发环节。选择好触发电路后,就要考虑同步的问题。所谓同步,就是要求触发脉冲 和加于晶闸管的电源

8、电压之间必须保持频率一致和相位固定。实现同步的主要 方法是通过同步变压器 TS 的不同联结组别向各触发单元提供不同相位的交流 电压,称之为同步信号电压,确保变流装置中各晶闸管能按规定的顺序和时刻 获得触发脉冲并有序地工作。通常,同步变压器的联结组别与主电路整流变压 器联结组别、主电路形式、负载性质以及采用何种触发电路均有关系。实际上 所谓三相触发电路同步定相, 就是在主电路整流变压器联结组别、 主电路形式、 负载提出的所需移相范围以及触发电路均已确定的条件下,如何经过简便的方 法来确定同步变压器联结组别并给各触发单元选取相应的同步电压。由于同步变压器二次电压要分别接到各单元触发电路,而各单元触

9、发电路 又均有公共“接地”端点,所以同步变压器的二次侧选择星形联结。由于整流变压器与同步变压器一次绕组总是接在同一的三相电源上，所以对同步变压器 联结组别的确定可以采用简化的电压相量图解方法。2.4双闭环控制电路的工作原理图2.1双闭环直流调速系统电路原理图双闭环直流调速系统电路原理图如图 2.1所示，首先是对双闭环控制电路 的稳态工作原理的分析，可以根据系统的稳态结构框图来分析，分析稳态工作 原理的关键是要了解PI调节器的稳态特征，一般都会存在着两种状况：饱和一 输出达到限幅值，不饱和一一输出未达到限幅值。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

10、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。当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压在稳态时总为零。在实际 的正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，只有转速调节器饱 和和不饱和两种情况。当转速调节器不饱和时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差 电压都是零。而当转速调节器饱和时， ASR输出达到限幅值，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。在稳态工作点上，转速是由给定电压决定的，ASR的输出量是由负载电流决定的，而控制电压的大小则同时取决于转速和负载电流。PI调节器的

11、输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时，输入为零， 输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。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，这时， 转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到 Idm 时，对应于转速调节器的饱 和输出，这时，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。 这样的静特性比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。双闭环直流调速系统稳态结构图如图 2.2 所示。对其起动过程的分析，由 于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种

12、情况，整个 动态过程就分成I、H、皿三个阶段。第I阶段（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， Uc、Udo、Id都跟着上升，但是在Id没有达到负载电流IdL以前，电动机还不能 转动。当Id IdL后，电动机开始起动。由于机电惯性的作用，转速不会很快增 长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压仍较大，其输出电压保持限幅值，强 迫电枢电流迅速上升。直到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。第H阶段（恒流升速阶段）。这是起动过程中的主要阶段。在这个阶段中， ASR始终是饱和的，转速环相当于开环， 系统成为在恒值电流给定下的电流调 节系统，基本上保持电流Id恒定，

13、因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长， 对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量，为了克服它，Udo和Uc也 必须基本上按线性增长，才能保持Id恒定。第皿阶段（转速调节阶段）。当转速上升到给定值时，转速调节器 ASR的 输入偏差减小到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍 在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱 和状态，U；和 Id很快下降。但是，只要Id仍大于负载电流IdL，转速就继续上 升。直到Id=IdL时，转矩Te=TL，则dn/dt=O，转速n才到达峰值。此后， 电动机开始在负载的阻力下减速，当Id IdL时，直到稳定。综上所述，双

14、闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：（1）饱和非线性控制（ 2）转速超调（ 3）准时间最优控制。最后是对其动态抗扰性能的分析，对于调速系统，最重要的动态性能是抗 扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。负载扰动作用在电流环 之后，因此只能靠转速调节器 ASR来产生抗负载扰动的作用。就静特性而言，系统对它们的抗扰效果是一样的。但从动态性能上看，由 于扰动作用点不同，存在着能否及时调节的差别。负载扰动能够比较快地反映 到被调量n上，从而得到调节，而电网电压扰动的作用电力被调量稍远，调节 作用受到延滞，因此单闭环调速系统抑制电压扰动的性能要差一点。综上所述，由于增设了电流内环，电压波动

15、可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗绕性能大有改善。因此,在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。3整流装置的设计及其计算3.1变压器副方电压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U 2应按下式计算：U dn n U TAB (cos)式中：Udn为负载的额定电压，取220VUt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2A为理想情况下 0时UdU2，取2.34B为实际电

16、压与理想空载电压比，取0.93min为最小移相角，取10C为线路接线方式系数，取0.5Udi为变压器阻抗电压比，取0.05I In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106.3V220 2 12.34 0.93 (0.98 0.5 0.05 0.816)3. 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 3U2I23 U20.816In 10.617KVA(2) 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)Utm22 U2300.66V考虑3倍的过压容量，取901.98V晶闸管额定电流：有效

17、值IvtlN.3 23.55.A平均值 Ivt(at) (Ivt.1.57)15 Kl N 12.24考虑(1.52)Ivt(at)的过流裕量，取24.28A3. 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:Ld1L1 (2Lb Ld)式中：1L1 K1-U K1士0.693 106347.45mHIdmin5% 1.1 In2.24U 2106 3LbKb Udl% 3.90.05 0.461mH1 rec44.88Ld 8mH所以 Ldi 47.45(2电流断续时：Ld2 L2(2Lb0.4618)38.528mHLd)式中：l2

18、Udm U2rU21031 rec0.46106.32 3.14 300 0.05 44.8810311.566mH其中Si给定的允许电流脉动系数，三相整流电路中，S (510)%,取5%。所以 Ld2 11.566(2 0.4618)2.644mH平波电抗器电感 Ld maxLd1,Ld238.528mH平波电抗器电阻为Rd =0.13.4晶闸管保护电路(1) 晶闸管关断过电压保护为了避免晶闸管两端在关断过程中出现瞬时反向过电压尖峰波形，最常用的保护方式是在晶闸管两端并接RC吸收元件。选择根据Ivt(at)15A查表得：电阻R 80 ，电容C 0.15 F电阻功率 Pr fCUm 10 65

19、0 0.15 (.6 106.3)2 10 65.08W(2) 交流侧过电压保护为了避免接通、断开交流侧电源时出现暂态过程而引起的过电压，故采用 阻容吸收电路S10617 3电容 C 610% F 6 4%厂 0.075 FU；106.32电阻R 2.3比 山 2.3适0 8.22K5 Iq%3533 V0.046 6Ic 2 fCUc102 3.14 50 0.075 150.3 100.0193A电阻功率 Pr(3 4)lf R 3 0.0193 2 82209.18W(3) 直流侧过电压保护直流侧由于是电感性负载，故在某种情况下，会发生浪涌过电压.如电压过 高的话，有可能会造成晶闸管硬开

20、通而损坏。为避免它，故在直流负载两端 并接压敏电阻来保护。选择根据UimA标准电压和通流容量通过查表可得出：U1mA 1.3 .2Ud 1.3、2 220 404V通流容量选择0.5KA，故查表得压敏电阻型号规格为 MY31 440 0.5(4) 过电流保护造成晶闸管过电流的主要原因是：电网电压波动太大、电动机轴上拖动 的负载超过允许值、电路中管子误导通以及管子击穿短路等。为了避免这 些影响，通常采取快速熔断器来起到过电流的保护作用。快速熔断器接法 有三种，本设计采用接入桥臂与晶闸管串联的方法。选择根据1.57Ivt(av)IfuItm的计算公式来进行选择本设计中Ivt(av) 15，所以查表

21、得型号为RLS 50(5) 电压上升率和电流上升率避免晶闸管由于正向电压上升率过大，而引起的晶闸管误导通，造成快熔 或晶闸管烧坏。通常限制措施是在每一个晶闸管桥臂中串接一个空芯小电 感(电感量约为2030卩H)本设计选择Ls 20 H(6) 选择触发电路主电路变压器选择Y. Y 12的联结组别同步变压器一组选择YY 4、另一组选择YY 10的联结组别4控制电路的设计4.1已知参数直流电动机Pn 60Kw,Un 220V,In 308 代 n”1000r mi n ,Ra 0.18放大倍数K s 35电磁时间常数 T1 0.012s机电时间常数 Tm 0.12s电动机电势常数 Ce 0196V.

22、min/ r电动机机电时间常数 Tm 0.015s4.2预选参数(1)调节器输入阻抗 R。20K(2) 电流反馈系数Uim1 dm(3) 转速反馈系数U nm81.5 40.8013V A815C35.3 10 V min r )0nN(4)电流反馈滤波时间常数Tfi1ms(5)转速反馈滤波时间常数Tfn5ms(6)电流给疋滤波时间常数ToiTf| 1ms(7)转速给疋滤波时间常数TonTfn 5ms4.3最佳典型I型电流环的计算(1) 简化系统并确定时间常数：略去反电势E Cen对电流变化的影响。合并 小惯性环节，包括晶闸管延迟和反馈滤波环节。电流环小时间常数之和为：T i Toi Ts 0

23、.0010.001670.00267s(2) 求出固有部分的传递函数，画出简化后的电流环结构图固有部分的传递函数为:Wi(s)Ks R(TsS 1)(1)3.178(0.00167s 1)(0.0287s 1)简化后的电流环结构图3.1所示为:图3.1简化后的电流环结构图(3) 选择电流调节器结构根据设计要求i 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 Wacr (s)Ki( is iS检查对电源电压的抗扰性能： L竺267 0.093，0.0287参照表后各项指标都是可接受的。(4) 计算电流调节器参数电流调

24、节器超前时间常数:iTl0.0287s电流环开环增益：要求5%时,应取KiT i 0.5，因此Ki0.5Ti急 1877s1ACR的比例系数为KiKiiR 187.27 0.0287 1.63631 693Ks40 0.13(5) 检验近似条件电流环截止频率:ci1Ki 187.27s(A) 晶闸管整流装置传递函数的近似条件1199.60s3Ts 3 0.001671ci满足近似条件(B) 忽略反电势变化对电流环动态影响的条件3 TmTl满足近似条件0.094 0.028757.75s 1ci(C) 电流环小时间常数近似处理条件13 Tsh130.00167 0.001257.9s 1 ci满

25、足近似条件(6) 计算调节器电阻和电容运算放大器R。20K ，各电阻和电容值为RiKiR01.693 20K33.86K ，取 34KC可將跆汀，取&5FC oi4ToiRo4 0.001云厂02F，取02 F4.4最佳典型型速度环的计算(1) 确定时间常数(A) 电流环等效时间常数1 KI 2T i 2 0.002670.00534s1(B) 转速环小时间常数 TnTon 0.00534 0.005 0.01034sK iKn( nS 1)(2) 选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为 Wasr(S)(3) 计算转速调节器参数按跟随和抗扰动性能都较好的原则，取 h=5，

26、则ASR的超前时间常数为hT n 5 0.010340.0515s转速开环增益为Kn2h2T2n62 25 0.0103421122sASR的比例系数为Kn(h 1) CeTm2hRTn6 0.13 0.1358 0.09432 5 5.3 101.6363 0.0103411.1036(4) 检验近似条件转速环截止频率为cnKn111122 0.0515 57.78s(A)电流环传递函数简化条件为Ki1187.273、0.0026788.28s满足近似条件(B)转速环小时间常数近似处理条件为13 I Ton 3 0.005&1 1872764.5s 1cn，满足近似条件(5)计算调节器电阻和

27、电容运算放大器R。20K ，各电阻和电容值为RnKnR)11.1036 20K222.072K，取 230KCn亠嘻0.22 FR.230K，取 0.22 FCon4Ton 4 皿 1 F20 K，取15系统性能指标的分析计算5.1静态指标的计算(A) 典型I型系统给定阶跃输入：Kp limG(k)S 0ess 0(B) 典型II型系统给定阶跃输入：Kp lim G(k)S 0esr 0moHs扰动阶跃输入:lim sEn(s)S 0188s(0.00167s 1)(0.001s 1)1135(0.0515s 1)2s (0.005s 1)(0.0053s 1)limsp2721S 0 s (

28、0.005s 1)(0.0053s 1) 6.3(0.0515s 1) sess| esr | esn |05.2动态跟随指标的计算n%，在饱和非线性下，以ASR “退饱CmaxRdn %()CbnCn%2 (-)(Z)nN T n2Cbn Tmtr 2.85T n 2.850.010340.03sts 9.55T n 9.550.010340.1s5.3动态抗扰动指标的计算(1)负载变化20%额定负载时(2)空载起动到额定转速的最大超调量 和超调”符合系统实际。81.2% 1.5 0.3277 0.118.78%Cb 2FK2T 2 20%In 5. J Tn 2 CnmaxCb1 17.4069Cb8.16 127.3958 0.0103421.49r min(1)电流环可以达到的动态跟随性能指标为i4.3%5%tr4.7T i0.0125sts 6Ti0.01602s.以 量 100%6385%tv 8.8 T n 0.09s电网电压波动10%额定值时(A)电流环1cb -FK20.5 22 0.611 6.721r min2maxmaxCb2.09皿盘 100% 52%tv 21.7 T i 0.06s(B)速度环Cb12FK2T 2 I max cm J Tn 2 2.09 12.74 0.01034 0.55