直流双闭环调速系统的设计

1、 直流双闭环调速系统的设计 双闭环直流调速系统的设计()运用工程设计法设计ASR和ACR： 电流环的设计：(1) 确定时间常数整流装置滞后时间常数。按表2-2，三相桥式电路的平均失控时间电流滤波时间常数。三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有因此取。电流环小时间常数之和。按小时间常数近似定理，取 。 。电流反馈系数。(2)选择电流调节器的结构根据设计要求，电流环设计为典型系统，并取参数KT=0.5。采用PI型电流调节器，其传递函数为 WACR(s)= 检查对电源电压的抗扰性能： ，参看表3-2的 典型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。(3)计算电流调节器的参数

2、电流调节器的超前时间常数：。 电流环开环增益：按要求，查表3-1，有超调量，满足指标要求。因此，于是ACR的比例系数为(4)检验近似条件 电流环截止频率： 检验晶闸管整流装置传递函数的近似条件 ，满足近似条件 检验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 ，满足近似条件 检验电流环小时间常数近似处理条件 ，满足近似条件(5)计算调节器电阻和电容 调节器输入电阻,各电阻电容计算如下： ,取36 转速环的设计：(1) 确定时间常数 电流环时间常数 转速滤波时间常数。 转速环小时间常数。按小时间常数近似定理，取： 转速反馈系数。(2)选择转速调节器结构 按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数是如下：

3、 (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=5，则ASR的超前时间常数为： 转速环的开环增益：求得ASR的比例系数为： (4)检验近似条件 转速环截止频率为 电流环传递函数简化条件 满足简化条件 转速环小时间常数近似处理条件 满足近似条件(5)计算调节器电阻和电容 ，取416 (6)检验转速超调量 h=5时，由表3-5，根据公式有： ，满足设计要求各变量的稳态工作点和稳态参数的计算：额定转速下的给定电压值：电流调节器的限幅值：速度调节器的限幅值： 用MATLAB对上述设计的双闭环调速系统进行仿真，结果如下：电流环的仿真 电流环的仿真模型电流环的仿真结果 转速环的系统仿真 仿

4、真模型 仿真结果空载高速启动波形图： 根据仿真结果： 转速环：上升时间 超调量 峰值时间 电流环：上升时间 超调量，满足设计要求 峰值时间 参数的相关调整 根据计算的两个调节器的参数进行设计电路仿真，转速环的超调量满足设计要求，但是电流环的超调量偏大，需要对参数进行进一步的调整，将参数调节为0.49，在进行仿真，其超调量就在5%以内，满足设计的要求。 转速环的满载启动 设定负载电流时的仿真结果直流双闭环调速系统的硬件实现原理图总体设计方案图（数字）转速双闭环直流调速系统实现原理的说明 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器转速和电流，两者之间实行串联连接。把转速调节器

5、的输出当做电流调节器的输入，在用电流调节器的输出去驱动整流电路的触发装置。从闭环结构上看，电流调节器在闭环里，叫内环。转速调节器在外面，叫外环。这样就构成了转速，电流双闭环直流调速系统。如下图所示：晶闸管三相桥式整流电路的设计及管子的型号选择相关问题 晶闸管型号的选择 选择晶闸管主要是选择它的额定电压(通态电压或者峰值电压)和额定电流(通态平均电流)。对于本次系统的设计采用的是三想桥式全控整流电路，晶闸管按1至6顺序导通，在阻感负载中晶闸管承受的最大电压是，而考虑到电网电压波动和操作过电压等因素，需要留一定的裕量，一般电压放宽倍的安全系数，则晶闸管额定电压的计算结果为：,可以取大些，取2000

6、晶闸管的额定电流有效值大于实际流过晶闸管的最大电流的有效值。一般取按此原则所得的倍。已知： 晶闸管电流的有效值 可得晶闸管的额定电流的计算结果为： 可以取1000A 故，本设计采用的晶闸管型号为KP1000晶闸管的触发电路三相可控触发集成电路TC787介绍： TC787和TC788是采用独有的先进IC工艺技术,并参照国外最新集成移相触发集成电路而设计的单片集成电路。它可单电源工作,亦可双电源工作,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。它们是目前国内市场上广泛流行的TCA785及KJ(或KC)系列移相触发集成电路的换代产品,与TCA785及KJ(

7、或KC)系列集成电路相比,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,只需一个这样的集成电路,就可完成3只TCA785与1只KJ041、1只KJ042或5只KJ(3只KJ004、1只KJ041、1只KJ042)(或KC)系列器件组合才能具有的三相移相功能.因此,TC787/TC788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,从而取代TCA785、KJ004、KJ009、KJ041、KJ042等同类电路,为提高整机寿命、缩小体积、降低成本提供了一种新的、更加有效的途径。其引脚排列图如下：(各引脚的名称

8、、功能及其用法见附录) 晶闸管触发电路 晶闸管的型号很多，其应用电路种类也很多，不同的晶闸管型号、不同的晶闸管应用电路对触发信号都会有不同的具体要求。归纳起来， 晶闸管触发主要有移相触发、过零触发和脉冲列调制触发等。不管是哪种触发电路， 对它产生的触发脉冲都有如下要求： （1） 触发信号可为直流、交流或脉冲电压。由于晶闸管触发导通后，门极触发信号即失去控制作用，为了减小门极的损耗，一般不采用直流或交流信号触发晶闸管，而广泛采用脉冲触发信号。（2） 触发脉冲应有足够的功率。触发脉冲的电压和电流应大于晶闸管要求的数值，并留有一定的裕量。触发功率的大小是决定晶闸管元件能否可靠触发的一个关键指标。 由

9、于晶闸管元件门极参数的分散性很大，随温度的变化也大，为使所有合格的元件均能可靠触发，可参考元件出厂的试验数据或产品目录来设计触发电路的输出电压和电流值。 （3） 触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡， 以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。 电流调节器 含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器原理图如图所示 根据计算，取实际仿真的值进行计算， ，。 WACR(s)=转速调节器 根据计算，, 变压器的容量的计算以及选择 在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致；此外，为了尽量减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求它们相互隔离，故通常要配用

10、整流变压器，这里选项用的变压器的一次侧绕组采用联接，二次侧绕组采用Y联接。S为整流变压器的总容量，S为变压器一次侧的容量，为一次侧电压, 为一次侧电流, 为变压器二次侧的容量，为二次侧电压，为二次侧的电流，、为相数，以下就是各量的推导和计算过程。的计算为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后，晶闸管交流侧的电压只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器次级电压。 主要受以下因素影响：(1)值的大小首先要保证满足负载所需求的最大电流值的。(2)晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降，用表示。(3)变压器漏抗的存在会产生换相压降。(4)平波电

11、抗器有一定的直流电阻，当电流流经该电阻时就要产生一定的电压降。(5)电枢电阻的压降。综合以上因素得到的精确表达式为：式中 表示当控制角时，整流电压平均值与变压器次级相电压有效值之比；表示控制角为时和时整流电压平均值之比；C是与整流主电路形式有关的系数；为变压器的短路电压百分比，100千伏安以下的变压器取，1001000千伏安的变压器取；为电网电压波动系数。通常取,供电质量较差，电压波动较大的情况应取较小值； 表示电动机电枢电路总电阻的标么值.表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降。负载电流最大值；;根据经验所知,公式中的控制角应取300为宜。，,，（其中A、B、C可以查表4.1中三相全控桥

12、，见附录） ，以下为计算过程和结果： 这里可以取。实际选取为标准变压器时可以通过改变线圈匝数来实现。电流的计算 ,即得出二次侧电流的有效值,从而求出变压器二次侧容量。而一次相电流有效值，所以一次侧容量。一次相电压有效值取决于电网电压。所以变流变压器的平均容量为。 为各种接线形式时变压器次级电流有效值和负载电流平均值之比。对于本系统取0.816,且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗，故 变压器的容量计算 根据整流变压器的特性，即 取3，所以，所以整流变压器的容量为： 设计时留取一定的裕量，可以取容量为整流变压器。整个电路设计图4 参考书目文献1. 电力拖动自动控制系统运动控制系统第四版，阮毅、陈伯

13、时，机械工业出版社2. 电力电子技术第五版，王兆安、刘进军，机械工业出版社3. 附录1表1 变流变压器的计算系数整流电路单相双半波单相半控桥单相全控桥三相半波三相半控桥三相全控桥带平衡电抗器的双反星形0.90.90.91.172.342.341.17C0.7070.7070.7070.8660.50.50.50.707110.5780.8160.8160.289 附录2(TC787各引脚名及其用法称、功能)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)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T

14、C787/TC788的工作电源电压VDD。(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9(-A)、引脚11(-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TC787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12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

15、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，均接脉冲功率放大环节的输入或脉冲变压器所驱动开关管的控制极。(3) 控制端 引脚4(Vr)：移相控制电压输入端。该端输入电压的高低，直接决定着TC787/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/TC788的工作电源电压VDD。 引脚5(Pi)：输出脉冲禁止端。该端用来进行故障状态下封锁TC787/TC788的输出，高电平有效，应用中，接保护电路的输出。 引脚6(Pc)：TC787/TC788工作方式设置端。当该端接高电平时，TC787/TC788输出双脉冲列；而当该端接低电平时，输出单脉冲列。 引脚13(Cx)：该端连接的电容Cx的容量决定着TC787或TC788输出脉冲的宽度，电容