直流流双闭环调速系统设计

1、 摘要直流双闭环调速系统的性能很好，具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统中得到了广泛的应用。直流双闭环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。本文对电机功率75W不可逆直流调速系统进行设计，介绍了其主电路、检测电路的设计，详细介绍了电流调节器和转速调节器的设计以及一些参数的选择和计算，使其满足工程设计参数指标。关键词：直流双闭环调速系统 电流调节器 转速调节器目 录摘 要I1设计任务与分析12调速系统总体设计13直流双闭环调速系统电路设计33.1晶闸管-电动机主电路的设计3主电路设计3 3.1.2主电路

2、参数计算.4晶闸管选择及计算.4 3.1.4晶闸管的保护.4 3.1.5平波电抗器的选择及计算.53.2转速、电流调节器的设计5电流调节器6电流调节器结构的选择6转速调节器结构的选择6电流调节器设计7电流调节器参数选择73.2.3转速调节器93.2.3.1转速调节器设计93.2.3.2转速调节器参数选择93.3转速检测电路设计113.4电流检测电路设计114转速、电流双闭环直流调速系统-原理简述.125转速、电流双闭环直流调速系统反馈、保护及其他电路.126小结与体会147参考文献141设计任务与分析直流电动机具有良好的调速性能、较高的起制动转矩和过载能力，宜于在大范围内实现平滑调速，在许多需

3、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。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统是比较基础比较容易掌握的，它可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。原因是因为在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。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，采用电流负反馈就可以得到近似的恒流过程。怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？转速、电流双闭环直流调速系统很好的解决了这个问题。转速、电

4、流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统，采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律、性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础，所以掌握直流双闭环调速系统对于电力拖动控制系统的学习有很重要的作用。2调速系统总体设计如图2-2所示，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在直流双闭环调速系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串联连接。把转速调节器ASR的输出作为电流调节器ACR的输入，用电流调节器的输出去控制晶闸管整流装置的触发器。，从闭环结构上看，电流调节环在里面，是内环；转速调节环

5、在外面，叫做外环。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。如图2-1所示：图2-1 直流双闭环调速系统为了获得良好的静、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。其原理图如图2-2所示：图2-2 直流双闭环调速系统原理图直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。3直流双闭环调速系统电路设

6、计3.1晶闸管-电动机主电路的设计主电路设计 晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）主电路原理图如图3-1所示：图3-1 V-M系统主电路原理图图中VT是晶闸管可控整流器，它由三相全控桥式整流电路组成，如图3-2所示：图3-2 三相全控桥式整流电路通过调节触发装置GT的控制电压来移动脉冲的相位，即可改变平均整流电压，从而实现平滑调速。主电路参数计算直流电动机：UN=110V,IN=5A,nN=1600rmin，电枢电阻：Ra=0.2系统给定：Unm=Uim=10V晶闸管装置：放大系数Ks=40电枢回路总电阻：R=2.5电流反馈系数：=UimIdm=1.33V/A, Idm=Id=1.5×

7、;5=7.5转速反馈系数：=UnmnN=0.006Vmin/r滤波时间常数：Toi=0.002s,Ton=0.01s允许过载倍数：=1.5Ud=UN=110V取=0o,U2=Ud2.34cos0o×0.9×(11.2)=57.45V其中系数0.9为电网波动系数，系数1-1.2为考虑各种因素的安全系数，这里取1.1。电动势系数Ce=UN-INRanN=110-5×0.21600=0.0688Vminr平波电抗器L=0.693U2Idmin=0.693×57.450.1×10=79.63mH，其中Idmin=（5%10%）IN，这里取10%晶闸管选

8、择及计算晶闸管导通的条件：受正向阳极电压，同时受正向门极电压，一旦导通后，门极信号去掉后晶闸管仍导通。晶闸管维持导通的条件：继续受正向阳极电压，同时流过晶闸管的电流大于它的维持电流。晶闸管关断条件：必须去掉阳极所加的正向电压，或者给阳极施加一反电压，或者设法使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。晶闸管参数计算如下：Ud=UN=110V取=0o,U2=Ud2.34cos0o×0.9×(11.2)=57.45VId0=UdoR=44A3.1.4晶闸管的保护： 晶闸管的保护电路，大致可以分为两种情况：一种是在适当的地方安装保护器件，例如，R-C阻容吸收回路、限流电感、快速

9、熔断器、压敏电阻或硒堆等。再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。 （1）晶闸管的过流保护 晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类:一类是由于整流电路内部原因；另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，另外，如整流变压器中心点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对地短路。 1.对于第一类过流，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地时，可以采用第一种保护措施，最常见的就是接入快速熔短器的方式。2、对于第二类过流，即整流桥负载外

10、电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。 （2）晶闸管的过压保护 晶闸管设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。 1.过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。2.过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。平波电抗器的选择及计算平波电抗器：平波电抗器用于整流以后的直流回路中。整流电路的脉波数总是有限的，在输出的整直电压中总是有纹波的。这种纹波往往是有害的，需要由平波电抗器加以抑制。平波电抗器的电感量一般按低速轻载时保证电流连续的条件来选择。对

11、于三相桥式整流电路：平波电抗器L=0.693U2Idmin=0.693×57.450.1×10=79.63mH，其中Idmin=（5%10%）IN，这里取10%3.2转速、电流调节器的设计转速、电流双闭环调速系统的动态结构图如图3-3所示：图3-3 直流双闭环调速系统动态结构图由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个等时间常数的惯性环节，称作

12、给定滤波环节。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用表示，根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为的给定滤波环节。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3.2.1.1电流调节器结构的选择：电流环的传递函数可以写成：电流环以跟随性能为主，即选用典型I系统。 图1.5 电流环等效近似处理后校正成为典型I系统框图ACR选用PI型电流调节器，传函如下：WARC（s）=Ki（is+1）isKi-电流调节器的比例系数；i-电流调节器的超前时间常数。转速调

13、节器结构的选择：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II系统，系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。图1-6转速环等效近似处理后校正成为典型II系统框图ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为：WASRs=Kn(s+1)nsKn-转速调节器的比例系数；n-转速调节器的超前时间常数。电流调节器设计含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器如图3-4所示：图3-4 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器其中为电流给定电压，为电流负反馈电压，为电力电子变换器的控制电压。3.2.2.1电流调节器参数选择1.确定时间常数1）三相桥式电路的平均失控时间为TS=0.000167s。2）电流环

14、小时间常数之和Ti=TS+Toi=0.00367s。3) 电磁时间常数T1=LR=0.079632.5=0.03S2.选择电流调节器结构根据设计要求：稳态无静差,超调量，可按典型I型系统设计电路调节器。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：WARC（s）=Ki（is+1）is检查对电源电压的抗扰性能：TiTi=0.03s0.00367s=8.17<10，参照典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表格，可知各项指标都是可以接受的。3.计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：i=Ti=0.03s。电流环开环增益：要求i5%时，应取KITi=0.5，因此KI=0

15、.5Ti = 0.50.00367 =136.2s-1。ACR的比例系数为Ki=KIiRKs = 136.2×0.03×2.540×1.33=0.1924.检验近似条件电流环截至频率：ci=KI=136.2s-1机电时间常数Tm=GD2R375CeCm=3.922×1.5375×0.1327×30×0.1327s=0.365s1） 晶闸管整流装置传递函数的近似条件 1/(3Ts )=1/(3×0.00167s)=199.6s-1>ci 满足近似条件。2） 电流环小时间常数近似处理条件(13)(1/(TsToi

16、)=13×(1/(0.00167×0.002)=182.4s-1>wci 满足近似条件。3） 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 3TmT1=3×10.365×0.03=28.67s-1<ci满足近似条件。5.计算调节器电阻和电容由图3-4，按所用运算放大器取，各电阻和电容值为 Ri=KiR0=0.192×50k=9.6 k,取10kCi=iRi=0.0356×103F=0.536F，取0.55FCi=iRi=0.0356×103F=0.536F，取0.55F按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为i

17、=4.3<5，满足设计要求。3.2.3转速调节器3.2.3.1转速调节器设计含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器如图3-5所示：图3-5 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*:调节器的输出是电流调节器的给定电压。3.2.3.2转速调节器参数选择1.确定时间常数1）电流环等效时间常数1KI=2Ti=2×0.00367s = 0.00734s2）转速环时间常数Tn=2Ti+Ton=0.00734s+0.01s=0.01734s2.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WASRs=Kn(s+1)ns3.

18、计算转速调节器参数综合考虑动态抗扰性能和启动动态性能，取中频宽h=5较好，如按max准则确定参数关系，则ASR的超前时间常数为n=hTn=5×0.0.01734s=0.0867s转速开环增益KN=h+12h2TN2=5+12×52×0.017342s-2= 399.1s-2ASR的比例系数为Kn=(h+1)CeTm2hRTn=5+1×0.05×0.132×0.3652×5×0.007×0.5×0.01734=12.44.检验近似条件cn15Ti按Mmin准则转速环截止频率cn=KN1=KNn=3

19、99.1×0.0867s-1=34.6s-1而15Ti=15*0.0367=54.5s-1>cn满足等效条件。转速环小时间常数近似处理条件 cn1312TiTon现在 1312TiTon=13*12×0.0367×0.01=38.9s-1>cn满足近似处理条件。5.计算调节器电阻和电容取R0=40，则 Rn=KnR0=23.8×40k=952k,取955kCn=nRn=0.049533×103F=1.5F,取1.5FCon=4TonR0=4×0.0140×103F=0.025F,取0.3F6.校核转速超调量按Mm

20、in准则确定常数关系，CmaxCb=81.2% 当h = 5 时，n=CmaxCb2-znNn*TnTm×100%nN=INRCe=1.4×0.50.0688=10.17r/min=2，z=0，n*=1500r/min, Tn=0.01734s,Tm=0.365sn=0.1%<8%满足设计要求。3.3转速检测电路设计转速检测装置时一种积雪转速测量或检测的仪器或元器件，又称速度传感器，其输出与转速成正比。本设计采用电气的方法测量。测速发电机是利用电磁作用原理直接检测转速，他将电动机的旋转速度变换为模拟量的电信号。转速的检测可把接到一个测速发电机上即可检测转速，如图3-7

21、所示：图3-7 转速检测电路3.4电流检测电路设计 电流检测的基本要求是要输出一个与电动机电枢回路（主回路）的电流成正比的直流低电压信号Ui。在调速系统中，将Ui信号作为电流反馈信号，送到调节器的输入端。使用霍尔电流传感器可以检测电流，把Ui接到霍尔传感器上。霍尔效应传感器，可以测量任意波形的电流和电压。输出端能真实地反映输入端电流或电压的波形参数。如图3-8所示：图3-8 电流检测电路4转速、电流双闭环直流调速系统原理简述（一）触发电路原理三相桥式全控整流电路相当于一组共阴极的三相半波和一组共阳极的三相半波可控整流电路串联起来构成的。习惯上将晶闸管按照其导通顺序编号，共阴极的一组为VT1、VT3和VT5，共阳极的一组为VT2、