转速电流双闭环直流调速系统专业课程设计

课程设计说明书课程名称：电力拖动自动控制系统设计题目：转速电流双闭环直流调速系统院系：电子信息和电气工程学院学生姓名：学号：专业班级：指导老师：摘要：本文介绍了基于工程设计对直流调速系统设计，依据直流调速双闭环控制系统工作原理，利用晶闸管、二极管等器件设计了一个转速、电流双闭环直流晶闸管调速系统。该系统中设置了电流检测步骤、电流调整器和转速检测步骤、转速调整器，组成了电流环和转速环，前者经过电流元件反馈作用稳定电流，后者经过转速检测元件反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达成调整电流和转速目标。关键词：双闭环控制系统；晶闸管；电流调整器；转速调整器；目录1.引言 12.设计内容 12.1设计思绪： 12.2双闭环调速系统组成： 22.3双闭环调速系统优点 33.方案实施 43.1转速给定电路设计 43.2转速检测电路设计 43.3电流检测电路设计 54主电路保护电路设计 64．1过电压保护设计 64．2过电流保护设计 75驱动电路设计 86控制电路设计 107电流环和转速环设计 117．1电流调整器设计 117．2转速调整器设计 138结论体会 149参考文件： 141.引言调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛一中系统。现在对调速性能要求较高各类生产机械大多采取直流传动，简称为直流调速。早在20世纪40年代采取是发电机－电动机系统，又称放大机控制发电机－电动机组系统。这种系统在40年代广泛应用，不过它缺点是占地大，效率低，运行费用昂贵，维护不方便等，尤其是最少要包含两台和被调速电机容量相同电机。为了克服这些缺点，50年代开始使用水银整流器作为可控变流装置。这种系统缺点也很显著，关键是污染环境，危害人体健康。50年代末晶闸管出现，晶闸管变流技术日益成熟，使直流调速系统愈加完善。晶闸管－电动机调速系统已经成为当今关键直流调速系统，广泛应用于世界各国。近几年，交流调速飞速发展，逐步有赶超并替换直流调速趋势。直流调速理论基础是经典控制理论，而交流调速关键依靠现代控制理论。不过最近研制成功直流调速器，含有和交流变频器相同性能高精度、高稳定性、高可靠性、高智能化特点。同时直流电机低速特征，大大优于交流鼠笼式异步电机，为直流调速系统展现了无限前景。单闭环直流调速系统对于运行性能要求很高机床还存在着很多不足，快速性还不够好。而基于电流和转速双闭环直流调速系统静动态特征全部很理想。2.设计内容2.1设计思绪：带转速负反馈单闭环系统，因为它能够伴随负载改变而对应改变电枢电压，以赔偿电枢回路电阻压降改变，所以相对开环系统它能够有效降低稳态速降。当反馈控制闭环调速系统使用带百分比放大器时，它依靠被调量偏差进行控制，所以是有静差率调速系统，而百分比积分控制器可使系统在无静差情况下保持恒速，实现无静差调速。对电机开启冲击电流和电机堵转时堵转电流，能够用附带电流截止负反馈作限流保护，但这并不能控制电流动态波形。按反馈控制规律，采取某个物理量负反馈就能够保持该基础量基础不变，采取电流负反馈就应该能够得到近似恒流过程。另外，在单闭环调速系统中，用一个调整器综合多个信号，各参数间相互影响，难于进行调整器参数调速。比如，在带电流截止负反馈转速负反馈单闭环系统中，同一调整器担负着正常负载时速度调整和过载时电流调整，调整器动态参数无法确保两种调整过程均含有良好动态品质。根据电机理想运行特征，应该在开启过程中只有电流负反馈，达成稳态转速后，又期望只有转速反馈，双闭环调速系统静特征就在于当负载电流小于最大电流时，转速负反馈起关键作用，当电流达成最大值时，电流负反馈起关键作用，得到电流自动保护。2.2双闭环调速系统组成：a.系统电路原理图图2-1为转速、电流双闭环调速系统原理图。图中两个调整器ASR和ACR分别为转速调整器和电流调整器，二者串级连接，即把转速调整器输出作为电流调整器输入，再用电流调整器输出去控制晶闸管整流器触发装置。电流环在内，称之为内环；转速环在外，称之为外环。两个调整器输出全部带有限幅，ASR输出限幅什Uim决定了电流调整器ACR给定电压最大值Uim，对就电机最大电流；电流调整器ACR输出限幅电压Ucm限制了整流器输出最大电压值，限最小触发角α。b.系统动态结构图图2-2为双闭环调速系统动态结构框图，因为电流检测信号中常含有交流分量，须加低通滤波，其滤波时间常数Toi按需要选定。滤波步骤能够抑制反馈信号中交流分量，但同时也给反馈信号带来了延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入一个相同时间常数惯性步骤，称作给定滤波步骤。其作用是：让给定信号和反馈信号经过一样延滞，使二者在时间上得到合适配合，从而带来设计上方便。由测速发电机得到转速反馈电压含有电机换向纹波，所以也需要滤波，滤波时间常数用Ton表示。依据和电流环一样道理，在转速给定通道中也配上时间常数为Ton给定滤波步骤。2.3双闭环调速系统优点通常来说，我们总期望在最大电流受限制情况下，尽可能发挥直流电动机过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大加速度起动，达成稳态转速后，电流应快速下降，确保输出转矩和负载转矩平衡，进入稳定运行状态[1]。这种理想起动过程图2.3所表示。为实现在约束条件快速起动，关键是要有一个使电流保持在最大值恒流过程。依据反馈控制规律，要控制某个量，只要引入这个量负反馈。所以采取电流负反馈控制过程，起动过程中，电动机转速快速上升，而要保持电流恒定，只需电流负反馈；稳定运行过程中，要求转矩保持平衡，需使转速保持恒定，应以转速负反馈为主。采取转速、电流双闭环控制系统。即为双闭环调速系统优点。0n0nnt图2.3理想开启过程3.方案实施3.1转速给定电路设计转速给定电路关键由滑动变阻器组成，调整滑动变阻器即可取得对应大小给定信号。转速给定电路能够产生幅值可调和极性可变阶跃给定电压或可平滑调整给定电压。其电路原理图图3.1所表示。图3.1转速给定电路原理图3.2转速检测电路设计转速检测电路关键作用是将转速信号变换为和转速称正比电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足要求转速反馈信号。转速检测电路关键由测速发电机组成，将测速发电机和直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可取得和转速成正比电压信号，经过滤波整流以后即可作为转速反馈信号反馈回系统。其原理图图3.2所表示。图3.2转速检测电路原理图3.3电流检测电路设计电流检测电路关键作用是取得和主电路电流成正比电流信号，经过滤波整流后，用于控制系统中。该电路关键由电流互感器组成，将电流互感器接于主电路中，在输出端即可取得和主电路电流成正比电流信号，起到电气隔离作用。其电路原理图图3.3所表示。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很多突出优点，但承受过电流和过电压性能全部比通常电气设备脆弱多，短时间过电流和过电压全部会使元件损坏，从而造成变流装置故障。所以除了在选择元件容量外，还必需有完善保护装置。4．1过电压保护设计晶闸管对过电压很敏感，当正向电压超出其断态反复峰值值电压一定值时，就会误导通，引发电路故障；当外加反向电压超出其反向反复峰值电压一定值时，晶闸管将会立即损坏。所以，必需研究过电压产生原因及抑制过电压方法。过电压产生原因关键是供给电压功率或系统储能发生了猛烈改变，使得系统来不及转换，或系统中原来积聚电磁能量不能立即消散而造成。本设计采取如右图4.3阻容吸收回路来抑制过电压。经过经验公式图4.1阻容吸收回路得：因为一个周期晶闸管充放电各一次，所以功率选择留5～6倍裕量所以，电阻R选择阻值为,功率选择1W电阻。电容C选择容量为电容。4．2过电流保护设计过电流保护方法有下面多个，能够依据需要选择其中一个或数种。（1）在交流进线中串接电抗器或采取漏抗较大变压器，这些方法能够限制短路短路电流。（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，能够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设备和常常逆变情况，能够用直流快速开关进行过载或短路保护。直流开关应依据下列条件选择：①快速开关额定电流额定整流电流。②快速开关额定电压≥额定整流电压。③快速开关分断能力直流侧外部短路时稳态短路电流平均电流平均值。快速开关动作电流按电动机最大过载电流整定式中，K为电动机最大过载倍数，通常小于2.7；为直流电动机额定电流。（5）快速熔断器它能够安装在交流侧或直流侧，在直流侧和元件直接串联。在选择时应注意以下问题：①快熔额定电压应大于线路正常工作电压有效值。②熔断器额定电流应大于溶体额定电流。③溶体额定电流可按下式计算1．三相交流电路一次侧过电流保护在本设计中，选择快速熔断器和电流互感器配合进行三相交流电路一次侧过电流保护，保护原理图4.2以下：图4.2一次侧过电流保护电路（1）熔断器额定电压选择：其额定电压应大于或等于线路工作电压。本课题设计中变压器一次侧线电压为380V，熔断器额定电压可选择400V。（2）熔断器额定电流选择：其额定电流应大于或等于电路工作电流。本课题设计中变压器一次侧电流熔断器额定电流所以，如右图在三相交流电路变压器一次侧每一相上串上一个熔断器，按本课题设计要求熔断器额定电压可选400V，额定电流选25A。2．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。因为半导体器件体积小、热容量小，尤其像晶闸管这类高电压、大电流功率器件，结温必需受到严格控制，不然将遭至根本损坏。当晶闸管中流过大于额定值电流时，热量来不及散发，使得结温快速升高，最终将造成结层被烧坏。晶闸管过电流保护方法中最常见是快速熔断器。快速熔断器由银质熔丝埋于石英砂内，熔断时间极短，能够用来保护晶闸管。压可选择350V。5驱动电路设计晶闸管触发电路作用是产生符合要求门极触发脉冲，确保晶闸管在学要时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路往往包含触发时刻进行控制相位控制电路、触发脉冲放大和输出步骤。触发脉冲放大和输出步骤中，晶闸管触发电路应满足下列要求：（1）触发脉冲宽度应确保晶闸管可靠导通，三相全控桥式电路应采取宽于60°或采取相隔60°双窄脉冲。（2）触发脉冲应有足够幅度，对户外严寒场所，脉冲电流幅度应增大为器件最大触发电流3～5倍，脉冲前沿陡度也需增加，通常需达1～2A∕us。（3）所提供触发脉冲应不超出晶闸管门极电压、电流和功率定额，且在门极伏安特征可靠触发区域之内。（4）应有良好抗干扰性能、温度稳定性及和主电路电气隔离。在本设计中最关键是第1、2条。理想触发脉冲电流波形图5.1。图5.1理想晶闸管触发脉冲电流波形脉冲前沿上升时间（）强脉冲宽度强脉冲幅值（）脉冲宽度--脉冲平顶幅值（）常见晶闸管触发电路图5.2。它由V1、V2组成脉冲放大步骤和脉冲变压器TM及隶属电路组成脉冲输出步骤两部分组成。当V1、V2导通时，经过脉冲变压器向晶闸管门极和阴极之间输出出发脉冲。VD1和R3是为了V1、V2由导通变为直截时脉冲变压器TM释放其储存能量而设。为了取得触发脉冲波形中强脉冲部分，还需合适附加其它电路步骤。图5.2触发电路6控制电路设计本控制系统采取转速、电流双闭环结构，其原理图图6.1所表示。图6.1双环调速系统原理图为了取得良好静动态性能，转速和电流两个调整器通常全部采取PI调整器。图4.7中标出了两个调整器输入输出实际极性，她们是根据电力电子变换器控制电压Uc为正电压情况标出，并考虑到运算放大器倒相作用。图3.7为双闭环调速系统稳态结构图。图3.8为双闭环调速系统稳态结构图。ACR和ASR输入、输出信号极性，关键视触发电路对控制电压要求而定。若触发器要求ACR输出Uct为正极性，因为调整器通常为反向输入，则要求ACR输入Ui*为负极性，所以，要求ASR输入给定电压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电流环和转速环设计在设计双闭环调速系统时，通常是先内环后外环，调整器结构和参数取决于稳态精度和动态校正要求，双闭环调速系统动态校正设计和调试全部是按先内环后外环次序进行，在动态过程中能够认为外环对内环几乎无影响，而内环则是外环一个组成步骤[3]。因为经典Ⅰ型系统跟随性能因为经典Ⅱ型系统，而经典Ⅱ型系统抗扰性能优于经典Ⅰ型系统，所以通常来说，从快速开启系统要求出发，可按经典Ⅰ型系统设计电流环；因为要求转速无静差，转速环应按经典Ⅱ型系统设计。工程设计法是建立在频率特征理论基础上，只需将经典Ⅰ系统和经典Ⅱ系统开环频率特征作为调速系统仅有两种预期特征。7．1电流调整器设计1.确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数Ts。则，三相桥式电路平均失控时间Ts=0.0017s。（2）电流滤波时间常数Toi。三相桥式电路每个波头时间是3.3ms，为了基础滤平波头，应有（1~2）Toi=3.3ms，所以取Toi=2ms=0.002s。（3）电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取。2.选择电流调整器结构依据设计要求，并确保稳态电流无静差，可按经典I型系统设计电流调整器。电流环控制对象是双惯性型，所以可用PI型调整器，其传输函数为式中电流调整器百分比系数；电流调整器超前时间常数。检验对电源电压抗扰性能：Tl/=0.033/0.0037=8.92,参考表知经典I型系统动态抗扰性能，各项指标全部是能够接收，所以基础确定电流调整器按经典I型系统设计。3.计算电流调整器参数 电流调整器超前时间常数：=Tl=0.033s。电流开环增益：要求时，取，所以所以，ACR百分比系数Ki=（KIR）/（K是β）=（135.1*0.033*3.7）/(27*0.77)=0.793故而，我们取R0=40K，则Ri=KiR0=0.793*40=31.72KCi=/Ri=0.033/31720=1ufCoi=4Toi/R0=4*0.002/4k=0.2uf7．2转速调整器设计1.确定时间常数（1）电流环等效时间常数1/KI。由前述已知，，则（2）转速滤波时间常数，依据所用测速发电机纹波情况，取.（3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取2.选择转速调整器结构根据设计要求，选择PI调整器，其传输函数式为3.计算转速调整器参数按跟随和抗扰性能全部很好标准，先取h=5，则ASR超前时间常数为则转速环开环增益K可得ASR百分比系数为Kn=(h+1)βCeTm/(2hαR)=34.92式中电动势常数Ce=(Un-InRn)/Nn=(220-6.5*3.7)/1500=0.131。转速反馈系数α=0.007Vmin/r。我们取R0为40K，则RN=KNRO=34.92*40K=1396.8KΩCn=/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电流和转速波形是靠近理想快速起动过程波形。根据ASR在起动过程中饱和情况，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整阶段。从起动时间上看，Ⅱ阶段恒流升速是关键阶段，所以双闭环系统基础上实现了电流受限制下快速起动，利用了饱和非线性控制方法，达成“按时间最优控制”。带PI调整器双闭环调速系统还有一个特点，就是转速必