直流电动机错位无环流调速系统的设计 石油化工大学毕业设计（论文）

辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸PAGEVI直流电动机错位无环流调速系统的设计摘要直流电动机具有良好的起制动性能，易于在广泛范围内平滑调速，在需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，它是交流拖动控制系统的基础，所以首先应该掌握直流系统。从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统，位置随动系统，张力控制系统，多电动机同步控制系统等多种类型，而各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因而调速系统是最基本的拖动控制系统。在许多生产机械中，常要求电动机既能正反转，又能快速制动，需要四象限运行的特性，此时必须采用可逆调速系统。直流电机是最常见的一种电机，研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。电机调速问题一直是自动化领域比较重要的问题之一。不同领域对于电机的调速性能有着不同的要求，因此，不同的调速方法有着不同的应用场合。直流电动机可逆无环流调速系统分为两类：(1)逻辑无环流可逆调速系统。(2)错位无环流可逆调速系统。错位无环流可逆直流调速系统与逻辑无环流可逆直流调速系统不同，基本区别在于前者不以“逻辑控制”的方法遏制环流，而采用所谓“错位”原理以遏制环流，从根本上切断了环流的通路，确保系统主电路在任何时刻、任何状态、任何条件下只有一组整流装置工作。所以，错位无环流可逆直流调速系统中不存在任何的环流。错位无环流直流可逆调速系统是直流可逆调速系统中较为完善的一种控制方式，采用错位控制，消除静态环流，并在调速系统中采用转速环、电流环和电压内环三闭环的结构，三环对系统稳定运行都有影响。其中，电压内环的作用和意义非常重要：1.缩小电压调节死区，提高切换的快速性；2.防止动态环流，保证电流安全换向；3.抑制各种非线性因素对系统动态品质的不利影响本文通过讨论直流电机调速系统的控制方法，应用Matlab仿真来设计直流电机错位无环流调速系统。关键词：直流电动机，错位无环流，MatlabAbstract

TheDCmotorhasagoodstartingandbrakingperformance,easytosmooththegovernor,inabroadrangehasbeenwidelyappliedinthefieldofhigh-performancecontrollableelectricdrive.DCdrivecontrolsystemsinthetheoryandpracticemoremature,itisthefoundationoftheACDrivecontrolsystemshouldfirstmastertheDCsystem.

Thecontrolofphysicalquantitiesfromtheproductionmachinery,electricdriveautomaticcontrolsystemhasaspeedcontrolsystem,positionservosystem,tensioncontrolsystem,multi-motorsynchronouscontrolsystemandothertypes,avarietyofsystemsareoftenbycontrollingthespeedtoachieve,andthusthespeedcontrolsystemisthemostbasicdragcontrolsystems.Inmanyproductionmachinery,andoftenrequirethemotornotonlyrotating,butalsorapidbraking,youneedfour-quadrantoperationcharacteristics,mustbereversiblespeedcontrolsystem.TheDCmotoristhemostcommontypeofmotor,obtainsthewidespreadapplicationinvariousdomains.StudyofDCmotor'scontrolandthemeasuringtechnique,toimprovethecontrolprecisionandresponsespeed,energysavingetchaveimportantsignificance.Motorspeedcontrolproblemhasbeenoneofimportantproblemsinautomationfieldcomparison.Differentareasformotorspeedregulationperformancehavedifferentrequirements,therefore,differentcontrolmethodshavedifferentapplicationoccasions.ThispaperdiscussestheDCmotorspeedcontrolsystemcontrolmethod,tounderstandthestatusofDCmotorspeedcontrolmethod.DCmotorspeedcontrolsystemofreversiblewithoutcirculatingcurrentaredividedintotwocategories：(1)Logicnoncirculatingcurrentreversiblespeedcontrolsystem.(2)thedislocationfreecirculationreversiblespeedcontrolsystem.DislocationfreecirculationreversibleDCspeedcontrolsystemwithlogicnoncirculatingcurrentreversibleDCspeedregulatingsystemisdifferent,thefundamentaldifferenceliesinthattheformerisnotto"control"curbcirculation,theso-called"dislocation"principletocurbcirculation,fundamentallycutoffcirculationchannel,ensurethemaincircuitofthesystematanytime,anycondition,anyundertheconditionsofonlyonegroupofrectifyingdevice.So,thereisnodislocationwithoutanycirculationcirculationreversibleDCspeedregulatingsystem.DislocationfreecirculationreversibleDCspeedregulatingsystemisakindofcontrolmodeofDCreversiblespeedcontrolsystem,adoptsthedisplacementcontrol,eliminatethestaticcirculation,andthespeedloop,currentloopandvoltageloopthree,loopinthespeedcontrolsystem,threeringhasaneffectonthesystemstableoperationofline.Amongthem,theveryimportantfunctionandsignificanceofvoltageloop:1reducedvoltageregulationdeadzone,improvetherapidswitching;2topreventthedynamiccirculation,toensurethatcurrentsafecommutation;3inhibitionofvariousnonlinearfactorsadverseeffectonsystemdynamicqualityThispaperdiscussesthecontrolmethodofDCmotorspeedcontrolsystem,theapplicationofMatlabsimulationtodesigntheDCmotorspeedcontrolsystemofdislocationfreecirculation.Keywords:DCmotor；Dislocationfreecirculation；Matlab目录1绪论 11.1选题的目的及意义 11.2直流传动系统概述 11.2.1电力拖动的基本概述 11.2.2直流传动控制系统发展概况 21.2.3错位无环流调速系统简介 31.2.4控制系统的计算机仿真 41.3设计主要内容 41.4论文的结构 52错位控制无环流可逆调速系统的原理 62.1可逆调速系统的原理 62.2环流的介绍 72.2.1环流的定义 72.2.2环流的分类 72.3错位控制无环流系统 72.3.1静态环流的错位消除原理 72.3.2错位控制无环流系统的结构 82.3.3错位控制无环流系统的优缺点 93主电路的参数计算与保护设计 103.1主电路设计及参数的选择 103.1.1主电路设计 103.1.2晶闸管的选择 103.1.3电抗的选择 113.2同步变压器及触发器的设计 113.2.1触发电路的设计 113.2.2同步变压器的设计 123.2.3整流变压器的计算与选择 134利用工程设计法设计三闭环错位无环流调速系统 154.1各器件的参数选择 154.2设计指标 164.3工程设计方法的基本思路 164.4AVR电压内环的设计 174.4.1AVR的模型简化及参数计算 174.4.2电压环校验近似条件 194.4.3电压环的动态性能指标 194.5电流调节器的设计 204.5.1电流环动态结构图的简化 204.5.2确定电流环的时间常数 214.5.3电流调节器结构的选择 214.5.4电流调节器参数的计算 224.5.5电流环校验近似条件 234.5.6电流环的动态性能指标 234.6转速调节器的设计 244.6.1电流环的等效闭环传递函数 244.6.2转速环的动态结构图及其近似处理 244.6.3转速调节器结构的选择 254.6.4转速调解器参数的计算 264.6.5转速环的性能指标 284.6系统的静态综合及静态性能指标 295保护电路设计 335.1过电流保护 335.1.1自动开关保护 335.1.2快速熔断器保护 335.2过电压保护 335.2.1交流侧过电压保护 335.2.2直流侧过电压保护 355.3晶闸管关断过电压保护 376错位无环流直流可逆调速系统的仿真 386.1错位无环流直流可逆调速系统的建模 386.2系统模型参数的配置及模型的封装 396.2.1主电路模块的建模和参数配置 396.2.2移相控制器触发器的封装 396.2.3同步电源与6脉冲触发器的封装 406.2.4错位无环流直流可逆调速系统整流桥的建模与封装 416.3三环错位无环流直流可逆调速系统仿真实例及分析 426.3.1系统主要环节的仿真参数 426.3.2仿真分析 437结束语 44参考文献 45致谢 46辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸PAGE431绪论1.1选题的目的及意义直流流电动机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。长期以来直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。直流电动机具有良好的起制动性能，易于在广泛范围内平滑调速，在需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以首先应该掌握好直流系统。从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统，位置随动系统，张力控制系统，多电动机同步控制系统等多种类型，而各种系统往往都通过控制转速来实现的，因而调速系统是最基本的拖动控制系统。在许多生产机械中，常要求电动机既能正反转，又能快速制动，需要四象限运行的特性，此时必须采用可逆调速系统。当工艺过程对系统正反转的平滑过渡特性要求不是很高时，特别是对于大容量的系统，常采用既没有直流平均环流又没有瞬时脉动环流的无环流控制可逆系统。直流调速系统在理论上和实践上都比较成热，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。因此，直流调速系统的应用研究有实际意义在工程实践中，有许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节并且要求有良好的静、动态性能。由于直流电动机具有极好的运行性能和控制性.尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位.由于全数字直流调速系统的出现，目前，直流调速系统仍然是自动速系统的主要形式。1.2直流传动系统概述1.2.1电力拖动的基本概述现代工业生产中，大多数生产机械都采用电力拖动。随着生产科学技术的发展，电力拖动及其自动化得到不断的发展。电力拖动系统为电气与机械综合的系统。它由电动机及其供电电源、传动机构、执行机构、电气控制装置四部分组成。电动机及其供电电源的作用是把电能转换成机械能；传动机构的作用是把机械能转化成所需要的运动形式并进行传递与分配；执行机构是完成生产工艺任务的；电气控制装置是控制系统按着生产工艺的要求来动作，并对系统起保护作用或进行更高层次的自动化控制。随着生产的发展，生产工艺对电力拖动系统在准确性、快速性、经济性、先进性等方面提出愈来愈高的要求，因此，需要不断地改进和完善电气控制设备，使电力拖动自动化得到不断的发展。电力拖动系统的发展，亦按着从低级到高级、从简单到复杂的一般规律。电力拖动自动化在新型电机、大功率半导体器件、大规模集成电路、电子计算机及现代控制理论发展的推动下，发生了巨大的变革。由单机自动化本身高层次的发展，扩展到生产过程与管理的自动化。电力拖动自动化的发展，为工业发展和科学技术进步打开了更广阔的前景。1.2.2直流传动控制系统发展概况长期以来，直流电机由于其良好的起、制动性能和调速性能，在电力拖动调速系统中占有主导地位，虽然近年来交流电动机的调速控制技术发展很快，但就反馈闭环控制的机理来说，直流电动机的传动与控制理论和实现都是交流电动机传动控制的基础，从根本上说，由于直流电动机电枢和磁场能独立进行激励，而且转速和输出转矩的描述是对可控电压（或电流）激励的线性函数，因此，容易实现各种直流电动机控制系统，也容易实现对控制目标的“最佳化”，这也是直流机长期主导传动领域的原因。直流电动机具有良好的起、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系统领域中得到了广泛的应用。近年来，高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统正逐步取代直流调速系统。然而，直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，还是应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动控制系统有调速系统、位置随动系统、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的电力拖动控制系统。1.2.3错位无环流调速系统简介许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速的启动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是需要可逆的调速系统。采用两组晶闸管反并联的可逆调速系统解决了电动机的正、反转运行和回馈制动问题，但是，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称做环流。这样的环流对负载无益，只会加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率。换流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除有环流可逆系统虽然具有反向快、过渡平滑等优点，但设置几个环流电抗器终究是个累赘。因此，当工艺过程对系统过度特性的平滑性要求不高时，特别是对于大容量的系统，常采用既没有直流平均环流又没有瞬时脉动环流的无环流可逆系统。无环流可逆调速系统可按实现无环流原理的不同而分为两大类：逻辑无环流系统和错位控制无环流系统。逻辑无环流系统目前生产中应用最为广泛的可逆系统，但是应用到电气元件较多,系统结构较为复杂,当一组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路，这就是逻辑控制的无环流可逆系统.而错位无环流系统的系统结构简单,调整方便，但与逻辑无环流系统相比，切换特性较差，在某些切换条件下的切换死区较大。而且在切换过程中容易出现电流冲击。因此错位无环流系统通常用于系统容量较小而且对切换品质要求不高的场合。也可对错位无环流系统进行改进。例如，为避免电源电压波动造成逆变颠覆现象，最好是在电流调节器上设置活动限幅，当电源电压降低时，限幅值亦随之下降。错位无环流系统从形式上看，除了多一个电压环而且无环流电抗器外，与自然环流系统没有任何区别。它们之间的原则性区别在于初始相位的整定不同。随着逻辑控制无环流可逆调速系统的出现，错位控制无环流系统目前其实际应用已经较少,但是作为一种简单的调速系统,其应用也是必不可少的。1.2.4控制系统的计算机仿真计算机仿真是指以计算机为主要工具，运行真实系统或预研系统的仿真模型。计算机仿真通过对计算机输出信息的分析与研究，实现对实际系统运行状态和演化规律的综合与预测。它是分析评价现有系统运行状态或设计优化未来系统性能与功能的一种技术手段，在工程设计、航空航天、交通运输、经济管理、生态环境、通信网络和计算机集成等领域中有着广泛的应用。计算机仿真基本内容包括系统建模、仿真算法、计算机程序设计与仿真结果显示、分析与验证等环节。随着计算机仿真与技术的发展，目前各个科学与工程领域均已开展了仿真技术的研究。系统系统仿真技术已经被公认为是一种新的试验手段，在科学与工程领域发挥着越来越重要的作用。MATLAB语言是当前国际上自动控制领域的首选计算机语言。MATLAB中的Simulink提供的面向框图的仿真即概念性仿真功能，使得用户能容易地建立复杂系统模型，准确地对其进行仿真分析。Simulink的概念性仿真模块允许用户在一个框架下对含有控制环节、机械环节和电子电机环节的系统进行建模与仿真，这是目前其他计算机语言无法做到的。1.3设计主要内容本次设计的主要内容是直流电动机无环流可逆调速系统设计，直流电动机无环流可逆调速系统主要有错位控制无环流和逻辑控制两种方式，本次设计采用的是错位控制无环流的方式。主要针对主电路和控制电路进行设计。设计的重点在于主电路参数的选择,控制电路的设计，在控制电路设计中详细描述电流调节器，转速调节器，和电压调节器的设计方案。最后在MATLAB中对本次设计进行适当仿真模拟，得出仿真结果与理论值进行比较。1.4论文的结构本设计共分为七章，第一章主要介绍电力拖动系统的基本概况；第二章介绍了错位控制无环流调速系统的主要原理；第三章主要是主电路的设计，第四章主要介绍控制电路的设计，第五章介绍保护电路的设计，第六章介绍了系统的MATLAB仿真结果。第七章为设计的结束语。2错位控制无环流可逆调速系统的原理2.1可逆调速系统的原理图2-1两组晶闸管装置触发并联线路较大功率的可逆直流调速系统多采用晶闸管—电动机系统。由于晶闸管的单向导电性，需要可逆运行时经常需要采用俩组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，如图2-1，电动机正转时，由正组晶闸管VF供电；反转时，由反组晶闸管VR供电。两组晶闸管分别由两组触发装置进行控制，都能灵活的控制电机的起动、制动和升速、降速。但在一般情况下不允许让两组晶闸管同时处于整流状态，否则将造成电源短路。在可逆调速系统中，正转运行时可利用反组晶闸管实现回馈制动，反转时同样可利用正组晶闸管实现回馈制动，总结起来，可将可逆线路的正反转时的晶闸管和电机状态总结为表2.1。表2.1V-M系统反并联可逆线路的工作状态V-M系统的工作状态正向运行正向制动反向运行反向制动电枢端电压极性++——电枢电流极性+——+电机旋转方向++——电机运行状态电动回馈发电电动回馈发电晶闸管工作的组别和状态正组整流反组逆变反组整流正组逆变机械特性所在象限限一二三四2.2环流的介绍2.2.1环流的定义采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流。如图2-2中的Ih。一般情况，这样的环流对负载无益，徒然加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。图2-2反并联可逆V—M系统中的环流（Ih—环流Id—负载电流）2.2.2环流的分类（1）静态环流：两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流，其中又有两类：直流平均环流由晶闸管装置输出的直流平均电压所产生的环流称作直流平均环流。瞬时脉动环流两组晶闸管输出的直流平均电压差为零，但因电压波形不同，瞬时电压差仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。（2）动态环流：仅在可逆V-M系统处于过渡过程中出现的环流。2.3错位控制无环流系统2.3.1静态环流的错位消除原理采用配合控制的原理，当一组晶闸管装置整流时，让另一组处于待逆变状态，而且两组触发脉冲的零位错开的比较远，避免了瞬时脉动环流产生的可能性，这就是错位控制无环流可逆系统。具体地说，在α=β配合控制的有换流可逆调速系统中，两组触发脉冲的配合关系是，时的初始相位整定在，从而消除了直流平均环流，但仍存在瞬时脉动环流。在错位控制的无环流可逆调速系统中，同样采用配合控制的触发移相方法，但两组脉冲的关系是，甚至是，也就是说初始相位整定在。这样，当待逆变组的触发脉冲到来时，它的晶闸管已经完全处于反向阻断状态，不可能导通，当然就不会产生静态环流了。2.3.2错位控制无环流系统的结构如图2-3主电路采用两组三相桥式晶闸管装置反并联可逆线路，控制电路采用转速、电流双闭环系统，其中，转速调节器ASR控制转速，设置双向输出限幅电路，以限制最大起制动电流；电流调节器ACR控制电流，设置双向输出限幅电路，以限制最小控制角αmin与最小逆变角βmin。根据可逆系统正反向运行需要，给定电压、转速反馈电压、电流反馈电压都应该能够反映正和负极性，电流反馈应能否反映极性，因此电流互感器需采用直流电流互感器或霍尔变换器。在错位无环流系统中增设了电压内环。电压内环的作用：缩小反向时的电压死区，加快系统的切换过程。抑制电流断续等非线性因素的影响，提高系统的动、静态性能。防止动态环流，保证电流安全换向。图2-3三环错位控制无环流可逆调速系统ASR—转速调节器，ACR—电流调节器，AVR—电压调节器，TG—测速发电机，TA—电流互感器，AR—反相器，GTF—正组晶闸管脉冲移相触发装置，GTR—反组晶闸管脉冲移相触发装置，VF—正组晶闸管，VR—反组晶闸管，—平波电抗器，Un*—转速给定电压，Un—转速反馈电压，Ui*—电流给定电压，Ui—电流反馈电压，Uu—端电压给定电压，Uu—端电压反馈电压2.3.3错位控制无环流系统的优缺点错位控制无环流系统的结构简单，调整方便，但与逻辑无环流系统相比，切换特性较差，在某些切换条件下的切换死区较大。而且在切换过程中容易出现电流冲击。因此错位控制无环流系统通常用于系统容量较小而且对切换品质要求不高的场合。3主电路的参数计算与保护设计3.1主电路设计及参数的选择3.1.1主电路设计由于技术要求直流电动机可逆运行，所以需要设计由两组晶闸管交流装置组成的可逆线路。图3-1主电路3.1.2晶闸管的选择考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，在设计中应该有2—3倍的电压设计裕量，则晶闸管的额定电压值为。晶闸管的额定电流的选取设计过程中也应该考虑裕量的问题，则其额定电流为。(1)SCR的额定电流：取=350(A)(2）SCR的额定电压：661.4-992.1(V)取=1000（V）式中=330.7(V)——次级线电压最大值所以可选SCR6只检验电压裕量：>2符合要求3.1.3电抗的选择在V-M系统中，脉动电流会产生脉动转矩，对生产机械不利，同时也增加电机的发热。为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，主要是：设置平波电抗器；增加整流电路相数；采用多重化技术。在此处增加平波电抗器。则平波电抗器参数计算如下：式中——系数，无补偿绕组电机=10.变压器漏电感：式中=3.9（查表得出三相全控桥=3.9）.平波电抗器电感：查表得三相全控桥整流电路A=0.639，取得出3.2同步变压器及触发器的设计3.2.1触发电路的设计晶闸管触发电路类型很多，有分立式、集成式和数字式，分立式相控同步模拟电路相对来说电路比较复杂；数字式触发器可以在单片机上来实现，需要通过编程来实现，本设计不采用。由于集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便，所以本设计采用的是集成触发器，选择目前国内常用的KJ、KC系例，本设计采用3个KJ004集成块和1个KJ041集成块，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可。电路原理图如图3-2，Uco处为触发系统的输入端，可将变阻器去掉，直接接控制电压Uc；Up为初始相位控制端，即在Uc初始电压为0时调节脉冲的初始相位。图3-2三相全控桥整流电路的集成触发电路3.2.2同步变压器的设计触发电路应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系。同步变压器原边接入为主电路供电的电网，保证频率一致；此外，应确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系。图5同步变压器的原理图晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压+ua-uc+ub-ua+uc-ub同步电压-u+usc-usb+u-usc+usb表2三相全控桥各晶闸管的同步电压变压器接法：主电路整流变压器为D,y-11联结，同步变压器为D,y-11,5联结。此时，同步电压的选取结果见表。3.2.3整流变压器的计算与选择(1)整流变压器的次级相电压的有效值U2考虑到占空比为90％则：取则 考虑到10％裕量取(2)变压器初级电流、电压和次级电流、电压的有效值变压器接成Δ/Y形，可以得到零线，同时滤除三次谐波。（a）次级线电压：U线=1.732U2=234（V）（b）次级相电流：I2=0.816Id=111.0（A）（c）初级线电压：U1线=U1相=380（V）（d）初级相电流：I1相=(U2相/U1相)*I2=39.4（A）（e）变压器的变比：K=U1相/U2相=2.8(3)变压器的容量S(视在功率)(a)初级容量(损耗为5%)(b)次级容量变压器容量S=(S1+S2)/2=88.93(KVA)取S=90(KVA)4利用工程设计法设计三闭环错位无环流调速系统4.1各器件的参数选择（1）被控直流电动机Unom=220vInom=136ANnom=1460rpmCe=0.132V/rpm=1.5=1.26kg.m/A（2）整流装置三相全控桥式整流电路Ks=ΔUd/ΔUk=40(按照经验值取)Ts=1.7ms（3）电枢回路总电阻R＝0.5Ω（4）电枢回路总电感由电感计算公式(4-1)计算得L=2.12mH（5）电动机轴一总飞轮矩（6）系统时间常数由公式计算得Tl=0.00424s由公式计算得Tm=0.160s（7）反馈滤波时间常数Toi=0.002sTon=0.01s（8）调节器最大给定电压U*nm=U*im=10v（9）调节器输入回路电阻R0=40kΩ4.2设计指标（1）负载：恒转矩负载Idl=1.5Inom（2）起动方式：空载起动到额定转速，Ido=0.05Inom（3）性能指标：1）调速范围：D＝202）静差率：S≤5%3）电流超调量σi%≤5%4）转速超调量σn%≤10%4.3工程设计方法的基本思路用经典的动态校正方法设计调节器必须同时解决自动控制系统的稳定性、快速性、抗干扰性等各方面相互矛盾的静态、动态性能要求。作为工程设计方法,首先要使问题简化,突出主要矛盾。简化的基本思路是，把调节器的设计过程分为两步：第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需要的稳态精度。第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标这样做，就把稳、准、快抗干扰之间互相交叉的矛盾问题分成两步来解决，第一步先解决主要矛盾—动态稳定性和稳态精度，然后在第二步中进一步满足其它动态性能指标。在选择调节器结构时，只采用少量的典型系统，它的参数与性能指标的关系都已事先找到，具体选择参数时只须按现成的公式和表格中的数据计算以下就可以了。这样就使设计犯法规范化，大大减少了设计工作量。下面我们就应用这种方法来分析计算错位无环流调速系统，其三环调速静态结构图如图4-1：KEQKEQKEQKEQKEQSR1/CeASRACRAVRUIUNUUU4.4AVR电压内环的设计4.4.1AVR的模型简化及参数计算AVR的设计采用积分调节器，其分析过程如下。将电压环的传递函数等效成如图4-2：UUUUUd0UdId图4-2电压环结构图(4-2)由于因此，电压环简化后可视为电流环中的一个环节，化简后如4-3：IId(s)图4-3电压环化简图(4-3)式中—电压调节器的比例系数—电压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,则,=0.02s,再计算调节器电阻和电容按所用运放取R0=40k(Ω)，则Rv=KvR0=5.85k(Ω)Cv=τv/Rv=0.00424/5.85k=0.724μFCov=4Tov/R0=4*0.002/40k=0.32μF在工程实际中Rv取6kΩ,4.4.2电压环校验近似条件电压环的截止频率ωcv=Kv=121.16（1）晶闸管装置传递函数近似条件ωcv≤1/3Ts(4-4)现在，1/3Ts=1/3*0.0017s=196.1>ωcv，满足近似条件。（2）忽略反电动势对电流环影响的条件(4-5)3(1/TmTl)1/2=3*(1/(0.160*0.00424))1/2=115.18≤ωcv=KV=121.16小时间常数近似处理条件(4-6)=135.14按上述参数,电流环可以达到动态指标σI%=4.3%<5%。4.4.3电压环的动态性能指标（1）频域指标电流环的动态结构图如图3-2所示,其开环频率特性为:(4-7)L(ω)=20lgKI-20lgω-20lg(1+T∑i2ω2)½(4-8)Φ(ω)=-90o-tg-1T∑iω(4-9)γ(ω)=90o-tg-1T∑iω(4-10)根据典型I型系统动态跟随指标和频域指标的参数的关系,当KVT∑V=0.5时,阻尼比ξ=0.707，振荡指标MP=1，截止频率ωcv=KV=121.16因此Φ(ω)=-900-tg-1T∑iω=-116.57γ(ωci)=180-Φ(ω)=63.43（2）跟随性能指标σi%=4.3%<5% 上升时间tr=4.72T∑i=4.72*0.0067=31.62ms超调时间tm=6.5T∑i=6.5*0.0067=43.55ms调节时间tS=6T∑i=6*0.0067=40.2ms4.5电流调节器的设计4.5.1电流环动态结构图的简化设计电流环首先遇到的问题是反电动势产生的交叉反馈作用。它代表转速环输出量对电流环的影响。实际系统中的电磁时间常数TL一般远小于机电时间常数Tm，因而电流的调节过程往往比转速的变化过程快得多，也就是说比反电动势E的变化快得。反电动势对电流环来说只是一个变化缓慢的扰动作用，在电流调节器的调节过程中可以近似的认为E不变，即△E=0。这样，在设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态作用，而将电动势反馈作用断开，从而得到忽略电动势影响的电流环近似结构。再把给定滤波和反馈滤波两个环节等效地移到环内。最后，Ts和Toi一般比Tl小的多，可以当作小惯性环节处理，看作一个惯性环节，取T∑i=Ts+Toi。图4-1电流环的动态结构图及其化简4.5.2确定电流环的时间常数以下数据Ts和Toi,已给定。（1）平均失控时间。参阅相关数据，三相桥式电路的平均时空时间Ts=1.7ms（2）电流滤波时间常数Toi三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms,为了基本虑平波头，应有Toi,=3.33ms,因此取Toi,=2ms(3)电流环时间常数T∑I=Ts+Toi=3.7ms4.5.3电流调节器结构的选择首先应决定要把电流环校正成哪一类典型系统,电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值,因而在突加控制作用时不希望有超调,或者超调量越小越好。从这个观点出发,应该把电流环校正成典Ⅰ系统。可电流环还有另一个对电网电压波动及时调节的作用,为了提高其抗扰性能,又希望把电流环校正成典Ⅱ系统。一般情况下,当控制对象的两个时间常数之比TL/T∑I≥10时,典Ⅰ系统的抗扰恢复时间还是可以接受的。因此,一般多按典Ⅰ系统来设计电流环。本设计因为δi%≥5%且TL/T∑I=4.24/3.7>10。所以按典Ⅰ系统设计,选PI调节器，其传递函数为(4-11)式中—电流调节器的比例系数—电流调节器的超前时间常数。为了让调节器零点对消掉控制对象的大时间常数极点，选择=TL,则电流环的动态结构图可以化简为图4-2：IdId(s)图4-2电流环简化成典型Ⅰ系统4.5.4电流调节器参数的计算(1)计算时间常数和比例系数电流调节器积分时间常数:τI=Tl=4.24ms电流开环增益:要求σi%≤5%,应取ξ=0.707KIT∑i=0.5因此KI=0.5/T∑i=0.5/0.0037=135.14（1/s）电流反馈系数β(4-12)于是，ACR的比例系数:(4-13)(2)计算调节器电阻和电容按所用运放取R0=40k(Ω)，则Ri=KiR0=5.85k(Ω)Ci=τi/Ri=0.00424/5.85k=0.724μFCoi=4Toi/R0=4*0.002/40k=0.32μF在工程实际中Ri取6kΩ,=1μF,=0.5μF。4.5.5电流环校验近似条件电流环的截止频率ωci=KI=135.14（1）晶闸管装置传递函数近似条件ωci≤1/3Ts(4-14)现在，1/3TS=1/3*0.0017s=196.1>ωci，满足近似条件。（2）忽略反电动势对电流环影响的条件(4-15)3(1/TmTl)1/2=3*(1/(0.160*0.00424))1/2=115.18≤ωci=KI=135.14小时间常数近似处理条件(4-16)=135.14按上述参数,电流环可以达到动态指标σI%=4.3%<5%。4.5.6电流环的动态性能指标（1）频域指标电流环的动态结构图如图3-2所示,其开环频率特性为:(4-17)L(ω)=20lgKI-20lgω-20lg(1+T∑i2ω2)½Φ(ω)=-90o-tg-1T∑iωγ(ω)=90o-tg-1T∑iω根据典型I型系统动态跟随指标和频域指标的参数的关系,当KIT∑i=0.5时,阻尼比ξ=0.707，振荡指标MP=1，截止频率ωci=KI=135.14因此Φ(ω)=-90o-tg-1T∑iω=-116.57oγ(ωci)=180-Φ(ω)=63.43o（2）跟随性能指标σi%=4.3%<5% 上升时间tr=4.72T∑i=4.72*0.0067=31.62ms超调时间tm=6.5T∑i=6.5*0.0067=43.55ms调节时间tS=6T∑i=6*0.0067=40.2ms4.6转速调节器的设计4.6.1电流环的等效闭环传递函数在设计转速调节器时，可把已设计好的电流环看作是转速调节系统中的一个环节。为此，需求出它的等效传递函数：(4-18)则近似条件:(4-19)(4-20)式中ωcn为转速环的截止频率,其一般较低。在后续计算完成后,需校验此近似条件。4.6.2转速环的动态结构图及其近似处理用电流环的等效环节代替电流闭环后，整个转速调节系统的动态结构图如4-4（a）所示。把给定滤波和反馈滤波环节等效地移到环内，同时将给定信号改为U*n(s)/α；再把时间常数为Ton和2T∑i的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为T∑n的惯性环节，且T∑n=Ton+2T∑I,，则转速环结构图可转化成图4-4（b）。图4-4转速环的动态结构图及其近似处理4.6.3转速调节器结构的选择(1)转速调节环选用典型Ⅱ型系统的原因为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须加上一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中，由于在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速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型系统。这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。(2)典型Ⅱ型系统参数和性能指标的关系为了分析方便起见，引入一个新的变量中频宽h，令h=τ/T=ω2/ω1(4-21)h是斜滤为-20dB/dec的中频断的宽度(对数坐标)，称作“中频宽”。由于中频段的状况对控制系统的动态品质起着决定性的作用，因此h只是一个很关键的参数。从频率特性上还可看出，由于T一定，改变τ就等于改变了中频宽h；在τ确定以后，再改变K相当于是开环对数幅频特性上下平移，从而改变了截止频率ωc。因此在设计调节器时，选择两个参数h和ωc，就相当于选择参数τ和K。由“振荡指标法”中所用的闭环幅频特性峰值Mr最小准则，对于一定的h值，只有一个确定的ωc(或K)，可以得到最小的闭环幅频特性峰值Mrmin，这时ωc和ω1，ω2之间的关系是ω2/ωc=2h/(h+1)(4-22)ωc/ω1=(h+1)/2(4-23)而ω1+ω2=2ωc/(h+1)+2hωc/(h+1)=2ωc因此ωc=(1/2)(ω1+ω2)=(1/2)(1/τ+1/T)对应的最小M峰值是Mrmin=(h+1)/(h-1)(4-24)确定了h和ωc以后,可以很容易的计算τ和K。由h的定义知τ=hT(4.-25)222212122221212)1()1(21nThhhhThWKWCW14.6.4转速调解器参数的计算要把转速环校正成典型Ⅱ型系统，ASR也应采用PI调节器，其传递函数为式中Kn—转速调节器的比例系数;τn—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(4-27)其中,转速环开环增益KN=KnаR/(τnβCeTm)(4-28)上述近似的假定条件如下(1)ωcn≤1/(5T∑I)=54.05rad/sec(2)小时间常数近似条件:(4-29)即ωcn≤(1/3)(1/(2*0.0037*0.01))1/2=38.75(rad/sec)其中转速滤波时间常数:Ton=0.01s转速环小时间常数:T∑n=2T∑I+Ton=0.0174s按跟随性能和抗扰性能都比较好的原则,取h=5则ASR的超前时间常数:τn=hT∑n=5*0.0174=0.087s转速环开环增益KN=(h+1)/(2h2T∑n2)=6/(2*25*0.01742)=396.35(1/s2)ASR的比例系数Kn=(h+1)βCeTm/(2hαRT∑n)(4-30)=6*0.049*0.132*0.160/(2*5*0.0068*0.5*0.0174)=10.50转速环截止频率ωcn=KN/ω1=KN*τn=396.35*0.087=34.48rad/sec取R0=40kΩ则Rn=KnR0=420kΩ Cn=τn/R0=0.087/40k=2.17uFCon=4Ton/R0=4*0.01/40k=1uF 在工程实际中Rn取420KΩ.4.6.5转速环的性能指标(1)转速环的跟随性能指标因为得%=37.6%显然,%不满足设计要求，事实上，当突加给定或大幅度升降或制动时，ST处于饱和限幅状态，系统的超调实际上是退饱和超调。而上述计算的%=37.6%却是ASR处于线性状态下的超调.该直流电机的起动方式为空载起动到额定转速，此时分析典型Ⅱ型系统动态抗扰性能指标的的基准值：（4-31）当h=5时，查典型Ⅱ型抗扰性能指标表得所以，有(4-32)满足设计要求。(2)转速环的抗扰性能指标突加负载的动态速降指标：续(1)，有，所以(4-33)(4-34)满足设计要求。4.6系统的静态综合及静态性能指标(1)近似的PI调节器严格来说，“无静差”只是理论上的，因为积分或比例积分调节器在稳态时电容两端的电压不变，相当于开路，由于ST和LT都采用了PI调节器,可以认为其静态放大倍数为无穷大,所以才能在输入电压△U=0时，使输出电压Uct成为任意所需值，因此,消除了稳态误差,但是也容易使运放产生“零漂”，引起系统的工作点移动。为了抑制“零漂”，往往采用近似的PI调节器，即在运放的输出端和输入端并联一个较大的硬反馈电阻，把静态放大倍数压下来，同时又不影响动态放大倍数。这样系统就成了有差系统，有必要对系统进行静态综合，以满足静态性能指标的要求。近似的PI调节器及对数幅频特性如图4-5所示：图4-5近似调节器及对数幅频特性a)近似调节器结构图b)近似调节器的对数幅频特性在R1、C1两端并接一个电阻R1/，其值一般为若干MΩ，这样就形成了近似的PI调节器，或称“准PI调节器”。这时调节器的稳态放大系数更低于无穷大，为KP/=Ri//R0，系统也只是一个近似的无静差调速系统。(4-35)。静态放大倍数KP/=Ri//R0，动态放大倍数KP=Ri/R0。(2)系统的静态结构图三闭环调速系统的静态结构图如图4-6所示:KKEQKEQKEQKEQSR1/CeASRACRAVRUIUNUuU图4－6三闭环调速系统的静态结构图其中—速度调节器的静态放大倍数为10.5—电流调节器的静态放大倍数为0.146—电压调节器的静态放大倍数为0.236KS=△Ud/△UK=40α=Ufn/n=Ugn/n=0.0068v/rpmβ=Ufi/Id=8/15=0.049V/A由图4－5易得如下方程:△Un=Un*-Un,Ui*=KN/△Un,△Ui=Ui*-βId,Uct=KI/△Ui整理后能够得到系统的静特性方程为:(4-36)其中—系统的开环增益静态速降为:(4-37)设计要求满足的静差率为s≤5%.调速范围D,静差率s与静态速降△ned的关系为:△ned=neds/D(1-s)即△ned=1460*0.05/10(1-0.05)=7.68为系统所能允许的静态速降。一般情况下，总有则取，有整理得:带入数据得取,所以Rn=Kn/R0=2.5*40=100(MΩ)取,则，检验:显然，满足性能指标要求。5保护电路设计5.1过电流保护晶闸管允许的过电流能力很差，即使在短时间流过短路电流或过载的电流很小，如不及时切断电路，就会损坏晶闸管元件。因此，除了在选择时留有充分余地以外，还必须采取恰当的保护措施。发生过电流的原因有很多：生产机械的过载、整流装置的直流侧短路、某一元件击穿引起相邻元件过流等等。5.1.1自动开关保护自动开关的作用有二：交流侧过电流保护和直流侧过电流的后备保护，当晶闸管整流装置失去控制作用，其电流达到2.5Ⅰ时，且过电流时间大于0.5～1ms时，自动开关自动断开交流电源。5.1.2快速熔断器保护式中为修正系数。实选快速熔断器：型号RS3额定电流500V额定电压500A5.2过电压保护过电压有操作过电压和浪涌过电压两种。操作过电压是由于变压器合闸、拉闸以及晶闸管本身管断所引起的。浪涌过电压是由于雷击等原因，从电网侵入的偶然性过电压。晶闸管元件承受过电压的能力较差，发生过电压时，会损坏元件，因此必须采用有效措施。5.2.1交流侧过电压保护a整流变压器静电迁移电压的吸收装置由于变压器原副级绕组间的寄生电容，在变压器合闸时这种过电压很大。一般采用副级绕组中点经电容接地等措施。本设计的整流变压器的降压比很小，因此不必考虑此种保护。b阻容吸收装置变压器拉闸时，由于磁通突然减小，在副级绕组中产生一个很高的瞬时电压，严重其峰值可达到正常峰值的8~10倍。采用阻容吸收装置可将降到正常值的1.25倍。（1）变压器原级侧阻容吸收装置参数计算：变压器每项伏安数为阻容保护采用△接线，电容至为取%=8，=5F电容耐压值考虑到电容至已大于计算值，取=19阻容电流=2f×=2×3.14×50×5×380×=5.97A电阻功率≥6=6×19×=4063.1W根据上式计算实选阻容吸收装置△接线，每项用电容5F，630V一支电阻19，（2）变压器副级侧阻容吸收装置参数计算：阻容装置采用△接线，电容至为取C2=20F电容耐压≥1.5=1.5××122=317V取=6阻容电流=2f×=2×3.14×50×20××122×=13.27A电阻功率≥6=6×6×=6339.3W根据上式计算实选阻容吸收装置△接线，每项用电容20F，630V一支电阻6。（3）非线性电阻吸收装置阻容吸收装置一般只能抑制操作过电压，对于浪涌电压不能抑制到允许范围之内。还要加设非线性电阻元件来保护晶闸管元件不受浪涌电压的伤害。压敏电阻具有很陡的正反向稳压管特性，平时电流很小（μA级），几乎没有损耗，二放点容量大，抑制过电压能力强，而且体积小。故选用压敏电阻作为浪涌过电压的保护，装入整流变压器副级侧。压敏电阻按下式计算选用VYJ440-2KA型压敏电阻额定电压=440V额定容量2KA实选压敏电阻VYJ440-2KA型3支，三角接线。5.2.2直流侧过电压保护直流侧的过电压是由于快速熔断器熔断时整流变压器储能的释放和平波电抗器储能的释放引起的。a操作过电压保护当快速熔断器切断过载电流时，有整流变压器储能释放所产生的过电压，虽然交流侧吸收装置可抑制一部分，但变压去过载比空载的储能大，因此还会有一部分能量通过导通的晶闸管反应到直流侧来。一般大、中容量的晶闸管整流装置均采用阻容吸收装置保护。阻容吸收装置的选择如下：=×三相桥式整流=7000×，则=7000××=10.2F取=15F电容耐压=1.5×=1.5××122=448.3V=×=0.1××=4.12取=4，的额定功率式中为谐波电压，近似等于q(整流相数)次谐波电压分量，对于三项桥式整流电路q=6，查手册得：===8.89Vq=6时，=300实选电容15F耐压630V的2支;法琅电阻4，1W，1支b浪涌过电压保护由于电网遭受雷击或高于电源电压的浪涌电压侵入直流侧，而阻容装置不一定能完全吸收，因而设置压敏电阻作浪涌过电压保护。压敏电阻按下式计算：≥××=××122=210.9～237.2V选用VYJ440-2KA型压敏电阻1支并接在直流侧额定电压=440V额定容量2KA5.3晶闸管关断过电压保护晶闸管正向导通关断时，由于空穴积蓄，使晶闸管反向阻断能力的恢复需要一段时间。在这段时间里晶闸管元件流过反向电流。此反向电流接近终止时很大，与线路电感共同作用产生过电压可使元件击穿，所以必须采用保护措施。一般可在晶闸管元件两端并联阻容吸收装置。电容起抑制关断过电压的作用。电阻的作用是抑制晶闸管再次导通时，电容经晶闸管放电时的电流上升率和与线路中电感产生的震荡。电容可按下述经验公式计算=(2～4)×=(2～4)×500×=1～2F取=1F=10交流耐压=1.5×=1.5×××122=448.3V电阻功率＞==0.044W实选每支晶闸管用电容1F耐压630V1支;