2双闭环系统设计实例(精)

于控制系统中。该电路主要由电流互感器构成，将电流互感器接于主电路中，在输出端即可获得与主电路电流成正比的电流信号，起到电气隔离的作用。其电路原理图如图3.3所示。（互感器电流检测电跑）GXDGM3GXDGM3图3.3电流检测电路原理图4主电路保护电路设计电力半导体元件虽有许多突出的优点，但承受过电流和过电压的性能都比一般电气设备脆弱的多，短时间的过电流和过电压都会使元件损坏，从而导致变流装置的故障。因此除了在选择元件的容量外，还必须有完善的保护装置。4.1过电压保护设计晶闸管对过电压很敏感，当正向电压超过其断态重复峰值值电压一定值时,就会误导通，引发电路故障；当外加的反向电压超过其反向重复峰值电压U一定值时，晶闸管将会立DRM即损坏。因此，必须研究过电压的产生原因及抑制过电压的方法。过电压产生的原因主要是供给的电压功率或系统的储能发生了激烈的变化，使得系统来不及转换，或者系统中原来积聚的电磁能量不能及时消散而造成的。本设计采用如右图4.3阻容吸收回路来抑制过电压。通过经验公式C=（2〜4）Ix10-3TR二10〜300P=-CU2R2m图4.1阻容吸收回路得：C=（2〜4）Ix10-3=（2〜4）x50x10-3=0.1〜0.2卩FTE=-CU2=1x0.2x10-6x1402=1.96x10-3JR2m2由于一个周期晶闸管充放电各一次，因此2E二2x1.96x10-3二3.92x10-3JRP=E=害=0^96W功率选择留5〜6倍裕量P=（5~6）P=（5~6）x0.196=1W〜1.2W因此，电阻R选择阻值为200,功率选择1W的电阻。电容C选择容量为0.20卩F的电容。4．2过电流保护设计过电流保护措施有下面几种，可以根据需要选择其中一种或数种。（1）在交流进线中串接电抗器或采用漏抗较大的变压器，这些措施可以限制短路短路电流。（2）在交流侧设置电流检测装置，利用过电压信号去控制触发器，使脉冲快速后移或对脉冲进行封锁。（3）交流侧经电流互感器接入过电流继电器或直流侧接入过电流继电器，可以在发生过电流时动作，断开主电路。（4）对于大容量和中等容量的设备以及经常逆变的情况，可以用直流快速开关进行过载或短路保护。直流开关的应根据下列条件选择：快速开关的额定电流I额定整流电流I。TOC\o"1-5"\h\zl2dN快速开关的额定电压U三额定整流电压U。KldN快速开关的分断能力I直流侧外部短路时稳态短路电流平均电流平均值I。快fd2dd20速开关的动作电流1按电动机最大过载电流整定1=KIg2dg2dN

式中，K为电动机最大过载倍数，一般不大于2.7；I为直流电动机的额定电流。N快速熔断器它可以安装在交流侧或直流侧，在直流侧与元件直接串联。在选择时应注意以下问题:快熔的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值。熔断器的额定电流应大于溶体的额定电流。溶体的额定电流1可按下式计算1.571<1<1KNTaKNT三相交流电路的一次侧过电流保护在本设计中，选用快速熔断器与电流互感器配合进行三相交流电路的一次侧过电流保护，保护原理图4.2如下：140x43.7380140x43.7380二16.1A图4.2—次侧过电流保护电路熔断器额定电压选择：其额定电压应大于或等于线路的工作电压。本课题设计中变压器的一次侧的线电压为380V，熔断器额定电压可选择400V。熔断器额定电流选择：其额定电流应大于或等于电路的工作电流。本课题设计中变压器的一次侧的电流Ii熔断器额定电流I<1.61二1.6x16.1二25.76A1FU1因此，如右图在三相交流电路变压器的一次侧的每一相上串上一个熔断器，按本课题的设计要求熔断器的额定电压可选400V，额定电流选25A。晶闸管过电流保护晶闸管不仅有过电压保护，还需要过电流保护。由于半导体器件体积小、热容量小，特别像晶闸管这类高电压、大电流的功率器件，结温必须受到严格的控制，否则将遭至彻底损坏。当晶闸管中流过的大于额定值的电流时，热量来不及散发，使得结温迅速升高，最终将导致结层被烧坏。晶闸管过电流保护方法中最常用的是快速熔断器。快速熔断器由银质熔丝埋于石英砂内，熔断时间极短，可以用来保护晶闸管。压可选择350V。5驱动电路的设计晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在学要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路往往包括触发时刻进行控制相位控制电路、触发脉冲的放大和输出环节。触发脉冲的放大和输出环节中，晶闸管触发电路应满足下列要求：（1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，三相全控桥式电路应采用宽于60°或采用相隔60。的双窄脉冲。（2）触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流3〜5倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达1〜2A/us。（3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极的伏安特性的可靠触发区域之内。（4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。在本设计中最主要的是第1、2条。理想的触发脉冲电流波形如图5.1。图5.1理想的晶闸管触发脉冲电流波形ti~12――脉冲前沿上升时间（'山S）t~t――强脉冲宽度I强脉冲幅值(31~51)13MGTGTt~t脉冲宽度I--脉冲平顶幅值(1・51~21)14GTGT常用的晶闸管触发电路如图5.2。它由V、V构成的脉冲放大环节和脉冲变压器TM及12附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成。当v2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出出发脉冲。R3是为了VfV2由导通变为直截时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设的。为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分，还需适当附加其它的电路环节。VV2VV26控制电路设计本控制系统采用转速、电流双闭环结构，其原理图如图6.1所示。图6.1双环调速系统原理图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。图4.7中标出了两个调节器的输入输出的实际极性，他们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图3.7为双闭环调速系统的稳态结构图。图3.8为双闭环调速系统的稳态结构图。ACR和ASR的输入、输出信号的极性，主要视触发电路对控制电压的要求而定。若触发器要求ACR的输出Uct为正极性，由于调节器一般为反向输入，则要求ACR的输入Ui*为负极性，所以，要求ASR输入的给定电压Un*为正极性。本文基于这种思想进行ASR和ACR设计。图6.2双闭环调速系统稳态结构图图6.3双闭环调速系统动态结构图7电流环与转速环的设计在设计双闭环调速系统时，一般是先内环后外环，调节器的结构和参数取决于稳态精度和动态校正的要求，双闭环调速系统动态校正的设计与调试都是按先内环后外环的顺序进行，在动态过程中可以认为外环对内环几乎无影响，而内环则是外环的一个组成环节［3］。由于典型I型系统的跟随性能由于典型II型系统，而典型II型系统的抗扰性能优于典型I型系统，因此一般来说，从快速启动系统的要求出发，可按典型I型系统设计电流环；由于要求转速无静差，转速环应按典型II型系统设计。工程设计法是建立在频率特性理论基础上的，只需将典型I系统和典型II系统的开环频率特性作为调速系统仅有的两种预期特性。7.1电流调节器的设计确定时间常数(1)整流装置滞后时间常数Ts。贝叽三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s。

(2)电流滤波时间常数Toi。三相桥式电路的每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有(1〜2)Toi=3.3ms,因此取Toi=2ms=0.002s。(3)电流环小时间常数之和T。按小时间常数近似处理，取T=Ts+Toi=0.0037s。选择电流调节器的结构根据设计要求◎<5%，并保证稳态电流无静差，可按典型I型系统设计电流调节器。i电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型调节器，其传递函数为WACR(s)K(WACR(s)iT—TSi式中K电流调节器的比例系数;iT——电流调节器的超前时间常数。i检查对电源电压的抗扰性能:Tl/T=0.033/0.0037=8.92,参照表知典型1型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型I型系统设计。计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：T=T]=0.033s。ii电流开环增益：要求◎<5%时，取KT二0.5,iIXi因此K===135.1s-1iT0.0037sXi因此,ACR的比例系数Ki=(KiTiR)/(K是B)=(l35.l*°.°33*3.7)/(27*°.77)=°.793故而，我们取R040K，则R.=KR0=0.793*40=31.72K0=ii0C=T/r.=0.033/31720=lufiiiC“=4Toi/R0)=4*0.002/4k=0.2uf7.2转速调节器的设计1.确定时间常数(1)电流环等效时间常数1/K卩由前述已知，KT二0.5，则IIXi1二7.2转速调节器的设计1.确定时间常数(1)电流环等效时间常数1/K卩由前述已知，KT二0.5，则IIXi1二2T二2x0.0037s二0.0074sKxi(2)转速滤波时间常数T，根据所用测速发电机纹波情况，取T=0.01s.onon转速环小时间常数T。按小时间常数近似处理，取XnT二丄+T二0.0074s+0.01s二0.0174sXnKon2.选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数式为K(Ts+1)W(s)nnASRTsn3.计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5,贝yASR的超前时间常数为=hT=5x0.0174s=0.087sXn则转速环开环增益h+1K二N2h2T2Xn2x52x0.01742z一396'4*可得ASR的比例系数为K=(h+1)BCT/(2haRT)=34.92nemXn式中电动势常数Ce=(Un-InRn)/Nn=(220-6.5*3.7)/1500=0.131o转速反馈系数a=0.007Vmin/r。我们取R0为40K，则Rn=KnRo=34・92*40K=1396.8KQCn=i/Rn=0.087/1396.8k=0.06ufCon=4Ton/R0=4*0.01/40K=1uf8结论体会双闭环调速系统起动过程的电流和转速波形是接近理想快速起动过程波形的。按照ASR在起动过程中的饱和情况，可将起动过程分为三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从起动时间上看，II阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速起动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态时无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。ACR的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压波动。通过这次实验是我详细的明白了双闭环直流调速系统的原理,也是我知道了一些他在工业中的一些应用,以前没明白的一些细节在这次设计中也得到了深刻的理解。理合实际互相结合是我对电力拖动自动控制系统这门课有了进一步的认识。在设计之初，我不知道该如何来完成这次的的课程设计，但经过努力终于还是完成了，要感谢我的指导老师在设计课程是给了我很大的帮助，同时还要感谢给我帮助的同学！9参考文献：1、莫正康，机械工