双闭环直流调速系统

1、 姓名： 学号： 专业：电气工程及其自动化 双闭环直流调速系统 日期：2015年12月23日 摘要 直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。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。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

2、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：双闭环，转速调节器，电流调节器 双闭环直流调速系统的设计 双闭环直流调速系统中设置了两个调节器，即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR),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，且都带有输出限幅电路。转速调节器 ASR的输出限幅电压5；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 由于调速系统的主要被控量是转速，故把转速负反馈组成的环 作为外环，以保证电动机的转速准确跟随给定电压，把由电流负反馈组成

3、的环作为内环，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,这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 双闭环直流调速系统框图 双闭环直流调速系统电路原理图 .本设计预设的参数 直流电动机：220V,136A,1500r/min,Ce=0.136Vmin/r 晶闸管装置放大系数：Ks=40 电枢回路总电阻：R=0.5欧 时间常数：Ti=0.015s,Tm=0.2s,转速滤波环节时间常数Ton取0.01s 电压调节和电流调节器的给定电压为8V 系统稳态无静差，电流超调量（rW5%;空载启动到额定转速时的转 速超调量（TnW10%。 .平波电抗器的选择： 2.1

4、 平波和均衡电抗器在主回路中的作用及布置 晶闸管整流器的输出直流电压是脉动的， 为了限制整流电流的脉动、 保持电流连续，常在整流器的直流输出侧接入带有气隙的电抗器，称作平波电抗器。 在有环流可逆系统中，环流不通过负载，仅在正反向两组变流器之间流通，可能造成晶闸管过流损坏。为此，通常在环流通路中串入环流电抗器（称均衡电抗器），将环流电流限制在一定的数值内。 电抗器在回路中位置不同，其作用不同。对于不可逆系统，在电动机电枢端串联一个平波电抗器，使得电动机负载得到平滑的直流电流，取合适的电感量，能使电动机在正常工作范围内不出现电流断续，还能抑制短路电流上升率。 2.2 平波电抗器选择 电抗器的主要参

5、数有额定电抗、额定电流、额定电压降及结构 形式等。 计算各种整流电路中平波电抗器和均衡电抗器电感值时，应根 据电抗器在电路中的作用进行选择计算 a）从减少电流脉动出发选择电抗器。 b）从电流连续出发选择电抗器。 c）从限制环流出发选择电抗器。 此外，还应考虑限制短路电流上升率等。 由于一个整流电路中，通常包含有电动机电枢电抗、变压器漏抗和外接电抗器的电抗三个部分，因此，首先应求出电动机电枢（或励磁绕组）电感及整流变压器漏感，再求出需要外接电 抗器的电感值 mH 式中UN直流电动机的额定电压（V）； 1N直流电动机的额定电流（A）; nN直流电动机的额定转速（rpm/min） P直流电动机的磁极

6、对数； 计算系数。一般无补偿电动机取812，快速无 1）直流电动机电枢电感: LDKD/N103 补偿电动机取68,有补偿电动机取56 2）整流变压器的漏感。整流变压器折合二次侧的每相漏感： U2 LTKTUdi-（mH） IN 式中KT计算系数，三相全桥取3.9,三相半波取6.75; Udi整流变压器短路电压百分比，一般取0.050.1; U2整流变压器二次相电压（V）; IN直流电动机额定电流（A）。 3）保证电流连续所需电抗器的电感值。当电动机负载电流 小到一定程度时，会出现电流断续的现象，将使直流电动机 的机械特性变软。为了使输出电流在最小负载电流时仍能连 续，所需的临界电感值L1 可

7、用下式计算： ,“U2 LiKi-|（mH） 1 dmin 式中Ki临界计算系数，三相全控桥0.693; U2整流变压器二次相电压（V）； 1 dmin电动机最小工作电流（A）,一般取电动机额定 电流的5%10% 实际串联的电抗器的电感值LpL1（LDNLT） 式中N系数，三相桥取2,其余取1。 4）限制电流脉动所需电抗器的电感值。由于晶闸管整流装置 的输出电压是脉动的，该脉动电流可以看成是一个恒定直流分 量和一个交流分量组成的。通常负载需要的是直流分量，而过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加。因此，应在直 流侧串联平波电抗器以限制输出电流的脉动量。将输出电流的 脉动量限制在要求的范围内

8、所需要的最小电感量L2: 式中K2临界计算系数，三相全控桥1.045; Si电流最大允许脉动系数，通常单相电路取20%,三 相电路取5%10%; U2整流变压器二次侧相电压（V）; Idmin电动机最小工作电流（A），取电动机额定电流 的5%10%。 实际串接的电抗器LP的电感值: L2 U2 s1dmin (mH) LpL2(LDNLJgH) 式中N系数，三相桥取2,其余取1。 2.3均衡电抗器选择： 限制环流所需的电抗器LR 的电感值： U2 LRKR-(mH) 1R 式中KR计算系数，三相全控桥0.693; IR环流平均值(A); U2整流变压器二次侧相电压(V)。 实际串接的均衡电抗器

9、LRA的电感值： LRALRLT(mH) 三.整流变压器的选择 整流变压器一次侧接交流电网，二次侧连接整流装置。整流变压器的选择主要内容有连接方式、额定电压、额定电流、容量等。 整流变压器的作用和特点 1)整流变压器的作用：变换整流器的输入电压等级。由于要求整流器输出直流电压一定，若整流桥路的交流输入电压太高，则晶闸管运行时的触发延迟角需要较大；若整流器输入电压太低，则可能在触发延迟角最小时仍不能达到负载要求的电压额定值。所以，通常采用整流变压器变换整流器的输入电压等级，以得到合适的二次电压。 实现电网与整流装置的电气隔离，改善电源电压波形，减少整流装置的谐波对电网的干扰。 2）整流变压器的特

10、点：由于整流器的各桥臂在一周期内轮流导通，整流变压器二次绕组电流并非正弦波（近似方波），电流含有直流分量，而一次电流不含直流分量，使整流变压器视在功率比直流输出功率大。当整流器短路或晶闸管击穿时，变压器中可能流过很大的短路电流。为此要求变压器阻抗要大些，以限制短路电流。整流变压器由于通过非正弦电流引起较大的漏抗压降，因此它的直流输出电压外特性较软。整流变压器二次侧可能产生异常的过电压，因此要有很好的绝缘。 3）整流变压器的联结方式 .整流变压器二次相电压的计算 1）整流变压器的参数计算应考虑的因素。由于整流器负载回 路的电感足够大，故变压器内阻及晶闸管的通态压降可忽略不 计，但在整流变压器的参

11、数计算时，还应考虑如下因素： a）最小触发延迟角min:对于要求直流输出电压保持恒定的整 流装置，应能自动调节补偿。一般可逆系统的min取30 35;不可逆系统的min取1015。 b）电网电压波动：根据规定，电网电压允许波动范围为+5%-10%,考虑在电网电压最低时，仍能保证最大整流输出电压的要求，通常取电压波动系数b=0.91.05。 c）漏抗产生的换相压降UX d）晶闸管或整流二极管的正向导通压降nU。 2）二次相电压U2的计算 UUdmaxnUT 2I2 Ac0sminCUsh I2N Udmax一负载要求的整流电路输出的最大值; UT一晶闸管正向压降，其数值为0.41.2V,通常取U

12、T1V; n一主电路中电流回路晶闸管的个数； A一理想情况下0时，整流输出电压Ud与变压器二次侧相电压Ud 之比； C一线路接线方式系数; 一电网电压波动系数，通常取0.9； 诬一最小控制角，通常不可逆取min1020； 5h变压器短路电压比，100KV以下的取Ush0.05； Umax220V变压器二次侧实际工作电流额定电流之比； 已知Umax220V,取UT1V、n2,查表得A2.34,取0.9,min10, Ush0.05,H1，查表得C0.5代入上式得:I2N 220 (11.2)106127V 2.340.90.985 取KII0.816U2110V,电压比KU U2 (2)一次和二

13、次向电流I和I2的计算 IIKi1ld,I2KI21d由表得KII0.816,K120.816,考虑励磁电流和 变压器的变比K,根据以上两式得： =1.057/-1,05x0.015x1.2/345=0.3A =n=Q.816L2=0.鲂4 (3)变压器的容量计算 用=冠=3乂320丈CL3=342KVA 4=独口山=3乂11。义0.28=323.4KVA 22021 U2110V, 2.340.9(0.9850.50.05) 应用式U2(.0黑，查表得 A=2.34,0.9,Bcos0.985,U2 380 3.45 110 S=夕用+SJ=g(342+323.4)=332.7KVA (4)

14、晶闸管参数选择 Z_=15xl.2=1.8A&=&1r=.，由=L46AJun=0.66A 由整流输出电压UdUN220V,进线线电压为110V,晶闸管承受的最大反向电压是变压器二次线电压的电压峰值，即： URM应向2269.5V,晶闸管承受的最大正向电压是线电压的一半， 即：UFM1/2收2134.7V。考虑安全裕量，选择电压裕量为2 倍关系，电流裕量为1.5倍关系，所以晶闸管的额定容量参数选择为： UVTN2269.5V539VIVTN1.526.4A39.6A 3.3整流器件的选择： 品闸管选择：品闸管的选择主要是根据整流的运行条件，计算品闸管电压、 电流值，选出品闸管的

15、型号规格。在工频整流装置中一般选择KP型普通晶 闸管，其主要参数为额定电压、额定电流值。 (1)额定电压UTn选择应考虑下列因素： 分析电路运行时品闸管可能承受的最大电压值。 考虑实际情况，系统应留有足够的裕量。通常可考虑23倍的安 全裕量。即 UTn(23)UTM 式中UTM晶闸管可能承受的最大电压值(V). 当整流器的输入电压和整流器的连接方式已确定后，整流器的输入电压和品闸管可能承受的最大电压有固定关系，常采用查计算系数表来选择计算,即 UTn(23)KUTU2 式中KUT晶闸管的电压计算系数； U2整流变压器二次相电压(V)。 3)按计算值换算出晶闸管的标准电压等级值。 (2)额定电流

16、T(AV)选择：品闸管是一种过载能力较小的元件, 选择额定电流时，应留有足的裕量，通常考虑选择1.52倍的安全裕量 式中IT流过晶闸管的最大电流有效值(A)。 2)实际计算中，常常是负载的平均电流已知，整流器连接及运行方式 已经确定，即流过晶闸管的最大电流有效值和负载平均电流有固定系数关系。这 样通过查对应系数使计算过程简化。当整流电路电抗足够大且整流电流连续时， 可用下述经验公式近似地估算品闸管额定通态平均电流1T(AV)。 1T(AV)(1.52)K|T|dmax 1)通用计算式：1T(AV) (1.52)一 1.57 式中式中 IT 晶闸管电流计算系数; 1dmax整流器输出最大平均电流

17、（A）；当采用品闸管作为电 枢供电时，取 dmax 为电动机工作电流的最大值。 四.电流，转速环的设计 双闭环直流调速动态结构图 CRi 双闭环直流调速稳态结构图 系统设计的一般原则是：先内环后外环。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。 电流调节器的设计 .电流环结构框图的化简 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响，即E-00这时，电流环如下图所示。 忽略反电动势对电流环作用的近似条件是 1 TmTl 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）/,则电流环便等效成单位负反馈

18、系统。 电流环的动态结构框图及其化简（等效成单位负反馈系统） 最后， 由于Ts和Toi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，其时间常数为 TE=Ts+Toi 三相桥式电路的平均失控时间为Ts0.0017s,电流滤波时间常数本设计初始式中c 电流环开环频率特性的截止频率。 电流环的动态结构框图及其化简（忽略反电动势的动态影响） U*i(s)+ 已给出，即Toi=0.001s 电流环结构图最终简化成下图O 电流环的动态结构框图及其化简（小惯性环节的近似处理） 图2-23c 2电流调节器结构的选择 根据设计要求：稳态无静差，超调量i5%,可按典型I型系统设计电路调 节器。

19、电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器具传递函数为: 式中Ki电流调节器的比例系数； i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，选择卡Tl a）b） 校正成典型I型系统的电流环 a）动态结构图b）开环对数幅频特性电流环小时间常数之和 Ti Ts Toi0.0027s 简化的近似条件为 U*i(s)+ WACR(S) Ki(is1) is 则电流环的动态结构图便成为图 2-5所示的典型形式，其中 ci 1 3 TT. 1s1Oi K KiKs iR 电枢回路电磁时间常数Ti=0.015s。 T0015s 检查对电源电压的抗扰性能：L5s5.56,参

20、照典型 Ti0.0027s 抗扰性能指标与参数的关系表2,可知各项指标都是可以接受的。 3.电流调节器的参数计算 转速反馈系数：a=U*mn/nmax=8/1500=0.005 电流反馈系数：B=U*mn/Idm=U*mn/2IN=8/2X40.8=0.087 电流调节器超前时间常数：iTl0.015s。 电流环开环增益：要求i5%时，应取己=0.707,KJi 10505. 因此Kwci四一02185.19s1(135.1) 2TiTi0.0027s K,R ACR的比例系数为Ki1L=1.078 Ks 4.检验近似条件 电流环截至频率：dKI185.19s1 机电时间常数Tm0.2s 1)

21、晶闸管整流装置传递函数的近似条件 1196.1s1ci 3Ts30.0017s 满足近似条件 I型系统动态 2) 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 ci 满足近似条件 3) 电流环小时间常数近似处理条件 54.77s 满足近似条件 1111 3TsToi30.0017s0.001s 255.65s ci RiKiRo2.7940k111.6k,取111k i0.0015匚 3F R111103 4Toi40.001 Coi7rF0.1uF,取0.1uF R040103 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为i4.3%5%。满 足设计要求 4.2转速调节器的设计 .电流环的等效闭

22、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，须求出它的闭环传递函 忽略高次项，上式可降阶近似为 5.计算调节器电阻和电容 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器如图所示: 、 其中Ui为电流给定电压，Id为电流 负反馈电压，Uc为电力电子变换器的控制电压。 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调 节器 按所用运算放大器取Ro 40k,各电阻和电容值为 0.14uF,取0.14uF Wcii(s) Id(s)* Ui(s)/ Ki s(Tis1) s(Tis1) 1-sKi Wcii(s) 1-sK, 近似条件可由式1.,1c、求出 c3m叫叫 b.1a) 接入转速环内，电流环等效环节

23、的输入量应为U*i(s),因此电流环在转速环 中应等效为 1 s1 Ki .转速调节器结构的选择 电流环的等效闭环传递函数为 * Ui(s) 所示。 图2-26转速环的动态结构图及其简化 转速换的动态结构框图及其化简(用等效环节代替电流环) 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)/,再把时间常数为1/Kl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。 2Ti20.00270.0054s,(0.0074s) 1 TnTon0.00540.0050.0104s Ki 式中cn 转速环开环频率特性的截止频率。 Id(s) Wcii(s

24、) Ui(s) Id(s) Wcii(s) 用电流环的等效环节代电流环后, 整个转速控制系统的动态结构图便如下图 其中电流环等效时间常数KI 则转速环节小时间常数 Ki 1 cn3 U (0.0074+0.01=0.0174S)则转速环结构框图可简化为下图 转速换的动态结构框图及其化简 （等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理） 按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为 Kn(nS1) WASR(S) 式中Kn-转速调节器的比例系数; n-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 以(S)Kn(nS1) nSCeTmS(TnS1) 令转速环开环增益为/ KN KN(nS1)

25、2_ S(TnS1) 不考虑负载绕动时，校正后的调速系统动态结构框图如下图 * Un(S) _,21)S) S2(TnS1) 转速换的动态结构框图及其化简 （校正后成为典型R型系统） .计算转速调节器参数IdL（S） CJmS n(s) KnR(nS1) 2 nCeTmS(TnS1) Wn(S) Id(s) 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器 * 其中Un为转速给定电压，n为转速负反馈电压，Ui：调节器的输出是电 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h5,则ASR的超前时间常数为 nhTn50.0104s0,052s(5*0.0174=0.087s) 转速开环增益KN h15122 2222s

26、1109.47s(396.4) 2hT22520.01042 ASR的比例系数为Kn(h1)CeTm(51)1.350.120.25.75(11.7) 2hRTn250.056.50.0104 4.检验近似条件 K 转速环截止频率cnNKNn1109.470.052s157.69s 1 1）电流环传递函数简化条件为 1KI1185.191 3Ti30.0027s 87.30s cn 满足简化条件 2）转速环小时间常数近似处理条件为 1K|1185.191 3T0n30.005s 64.15s cn 满足简化条件 5,计算调节器电阻和电容 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器如图2-10所示: 流调节器的给定电压。 取R040k,则 RnKnRo5.7540k230k,取230k 0.0523F0.23uF,取0.23uF Rn230103 4Ton40.005e Con-n3-F0.5uF,取0.5uF R040