直流电动机转速电流双闭环调速系统设计(共19页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上课 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： 电子信息与电气工程学院 学生姓名： 李强 学 号： 8 专业班级： 08自动化（2）班 指导教师： 雷 慧 杰 2011年12 月 10日专心-专注-专业转速电流双闭环直流调速系统 摘  要：利用晶闸管驱动电路、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。基于对转速电流双闭环直流调速系统的组成，以及动态静态性能的分析，设计出系统的各个环节，并对个部分元件进行分析取舍，并计算出相应的性能参数，该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。分析双闭环直流调速系统的特性。关键词：双闭环，晶闸管，转速调节器，电流调节器，1.前言 直流电机调速系统在现代化工业生产中已经得到广泛应用。直流电动机具有良好的起、制动性能和调速性能，易于在大范围内平滑调速，且调速后的效率很高。针对直流电机调速的方法也很多，目前国内外也研究了一些调速的控制器。例如已经用于实际生产的直流电机无极电子调速控制器采用国际先进的IGBT大功率模块器件和独特自行设计的PWM微电子控制技术，以及节能反馈电路和丰富的保护功能控制电路。适用于无轨机车、矿山井下窄轨机车、磨床、木工机械、服装制作、纺织、造纸印刷等场所。该控制器具有调速平稳，安全可靠，提高生产效率；直流电机正反转控制简便；可以与计算机连接控制等特点。直流电动机有三种调速方法，分别是改变电枢供电电压、励磁磁通和电枢回路电阻来调速。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压方式为最好，调压调速是调速系统的主要调速方式。 三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并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，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。2. 双闭环直流调速系统设计直流调速系统中应用最普通的方案是转速、电流双闭环系统。转速负反馈环为外环，其作用是保证系统的稳速精度。电流负反馈环为内环，其作用是实现电动机的转距控制，同时又能实现限流以及改善系统的动态性能。转速、电流双闭环直流调速系统在突加给定下的跟随性能、动态限流性能和抗扰动性能等，都比单闭环调速系统好。本课题设计主要是设计双闭环的中两个调节器参数计算与检测。2.1设计参数直流电动机设计双闭环直流晶闸管调速系统，技术要求如下：1. 直流他励电动机：功率Pe145KW，额定电压Ue=220V，额定电流Ie=6.5A，磁极对数P=1，ne=1500r/min,，励磁电压220V，电枢绕组电阻Ra=3.7,，主线路电路总电阻R7.4，Ks=27，电磁时间常数Tl=0.033s，机电时间常数Tm=0.26ms，滤波时间常数 Ton=0.01sToi=0.0031s，过载倍数1.5，电流给定最大电压值8V，速度给定最大电压值10V。=0.77V/A =0.007min/r2. 设计要求：稳态无静差，电流超调量i5%；空载起动到额定转速时的转速超调n10。PWM主电路：驱动频率f10kHz设计指标转速单闭环直流调速系统：D=20，s5%；转速电流双闭环直流调速系统：U *n=5V，Uim=5V，Idm=1.5IN，i5%，n10%。2.2转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性2.2.1双闭环调速系统的组成速度与电流双闭环调速系统是20世纪60年代在国外出现的一种新型的调速系统。70 年代以来,在我国的冶金、机械、制造以及印染工业等领域得到日益广泛的应用。 双闭环调速系统是由单闭环自动调速系统发展而来的。单闭环调速系统使用了一个比例积分调节器组成速度调节器可以得到转速的无静差调节。从扩大调速范围的角度来看, 单环系统已能基本上满足生产机械对调速的要求。但是, 任何调速系统总是需要启动与停车的, 从电机能承受的过载电流有一定限制来看, 要求启动电流的峰值不要超过允许数值。为达到这个目的, 采用电流截止负反馈的系统, 它能得到启动电流波形, 见图2.1中实线所示。波形的峰值正好达到直流电动机所允许的最大冲击电流, 其启动时间为。图2-1 带有截止负反馈系统启动电流波形实际的调速系统, 除要求对转速进行调整外, 很多生产机械还提出了加快启动和制动过程的要求, 例如可逆轧钢, 龙门刨床都是经常处于正反转工作状态的, 为了提高生产率, 要求尽量缩短过渡过程的时间。从图2.1启动电流变化的波形可以看到, 电流只在很短的时间内就达到了最大允许值, 而其他时间的电流均小于此值, 可见在启动过程中,电机的过载能力并没有充分利用。如果能使启动电流按虚线的形状变化, 充分利用电动机的过载能力, 使电机一直在较大的加速转矩下启动, 启动时间就会大大缩短, 只要就够了。上述设想提出一个理想的启动过程曲线, 其特点是在电机启动时, 启动电流很快加大到允许过载能力值, 并且保持不变, 在这个条件下, 转速得到线性增长, 当开到需要的大小时, 电机的电流急剧下降到克服负载所需的电流值,对应这种要求可控硅整流器的电压在启动一开始时应为, 随着转速的上升, 也上升, 达到稳定转速时, 。这就要求在启动过程中把电动机的电流当作被调节量, 使之维持在电机允许的最大值, 并保持不变。这就要求一个电流调节器来完成这个任务。带有速度调节器和电流调节器的双闭环调速系统便是在这种要求下产生的。如下图2-2 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，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，如图2-2所示。这这就是说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晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫内环；转速调节环在外边，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用调节器。采用型的好处是其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于最大电流 时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到 后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个调节器分别形成内、外两个闭环的效果。2.2.2稳态结构框图和静特性为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构框图，如下图2-4所示。电流调节器和转速调节器均为具有限幅输出的PI调节器，当输出达到饱和值时，输出量的变化不再影响输出，除非产生反向的输入才能使调节器退出饱和。当输出未达到饱和时，稳态的输入偏差电压总是为零。正常运行时，电流调节器设计成总是不会饱和的，而转速调节器有时运行在饱和输出状态，有时运行在不饱和状态。 分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征，一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值。即饱和调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。不饱和输出未达到限幅值。即PI的作用使输入偏差电压在稳态时总为零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有调速调节器饱和与不饱和两种状况：（1）转速调节器不饱和：稳态时，他们的输入偏差电压都是零，因此，而得到下图2-5静特性的CA段。 （2）转速调节器饱和： 输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的点电流闭环调节系统。稳态时 ，从而得到下图2-5静特性的AB段。 这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点漂移而采用“准PI调节器”时，静特性的两段实际上都N略有很小的静差，见图2-5的虚线。 图2-5 双闭环直流调速系统的静特性 ASR主导，表现为转速无静差 ACR主导，表现为电流无静差（过电流保护）2.2.3 稳态参数计算 转速反馈系数： 电流反馈系数： 2.3转速、电流双闭环直流调速系统的动态模型在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图，如下图所示。 图中WASR(s)和WACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用PI调节器，则有双闭环直流调速系统突加给定电压由静止起动时，转速和电流的动态过程示于下图。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。 2.4转速和电流两个调节器的作用 转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用可分别归纳如下。1电流调节器作用（1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。（4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。2转速调节器作用（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。3. 系统设计3.1 电流调节器的设计3.1.1. 确定时间常数（1）PWM装置的延长时间Ts。Ts=0.0017s。（2）电流滤波时间常数Toi。Toi=3.3ms，因此取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= Ts+Toi=0.0037s。3.1.2. 选择电流调节器的结构根据设计要求，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。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 式中 -电流调节器的比例系数；-电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能：,参照附表的典型I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。3.1.3. 计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：。电流开环增益：要求时，取，因此 于是，ACR的比例系数为 3.1.4. 校验近似条件电流环截止频率： （1） PWM装置传递函数的近似条件 满足近似条件。（2） 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。（3） 电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件。3.1.5. 计算调节器电阻和电容由图3-1，按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为 ， 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标满足设计要求。图3-1 含滤波环节的PI型电流调节器3.2 转速调节器的设计3.2.1. 确定时间（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，根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 3.2.2. 选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数式为 3.2.3. 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，则ASR的超前时间常数为 则转速环开环增益 可得ASR的比例系数为 式中 电动势常数 3.2.4.检验近似条件转速截止频率为： （1）电流环传递函数简化条件为： 满足简化条件。 （2）转速环小时间常数近似处理条件为： 满足近似条件。 3.2.5计算调节器电阻和电容根据图3-2 所示，取，则 , , 图3-2 含滤波环节的PI型转速调节器3.2.6.校核转速超调量当h=5时，查附表1典型1型系统阶跃输入跟随性能指标得，不能满足设计要求。实际上，由于附表2是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。计算超调量。设理想空载起动时，负载系数，已知， ， 。当时，由附表6.4查得，而调速系统开环机械特性的额定稳态速降 调速系统开环机械特性的额定稳态速降 : (为基准值，对应为额定转速。根据上式计算得 满足设计要求。3.3 驱动电路的设计晶闸管触发电路 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35倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达12Aus。 （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3-3。图3-3 理想的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（）常用的晶闸管触发电路如图3-4。它由V1、V2构成的脉冲放大环节和脉冲变压器TM及附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成。当V1、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。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。 图3-4 触发电路3.4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。34.1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一定值时，晶闸管将会立即损坏。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3-5阻容吸收回路来抑制过电压。通过经验公式 图3-5 阻容吸收回路得： 由于一个周期晶闸管充放电各一次，因此 功率选择留56倍裕量 因此，电阻R选择 阻值为,功率选择1W的电阻。电容C选择 容量为的电容。34.2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额定整流电流。 快速开关的额定电压额定整流电压。 快速开关的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。快速开关的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，一般不大于2.7；为直流电动机的额定电流。（5） 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。 溶体的额定电流可按下式计算 1三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3-6如下：图3-6 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。（2）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 熔断器额定电流 因此，如图3-7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。2晶闸管过电流保护图3-7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。4. 结果与结论双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态启动时由于在启动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从启动时间上看，第二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启动，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是无静差，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的波动。启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随电流外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。5. 心得体会课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。随着科学技术发展的日新月异，双闭环直流调速已经成为当今电机调速系统应用中空前活跃的领域， 在生活中可以说是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握双闭环直流调速技术是十分重要的。回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在将近两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多的东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到了很多问题，同时也发现了自己的不足之处，意识到自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这也将为我今后的学习和工作产生积极的影响。在小组同学的热情帮助下，在指导教师的耐心讲解下，我学会了MATLAB软件的调试和使用，顺利的完成了这次课程设计。由于水平有限，在设计中难免存在许多不妥之处，敬请老师指正。同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！6. 参考文献1 . .北京：电子工业出版社，2007.12 王兆安，等.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2000.3 张广溢，等.电机学M.重庆：重庆大学出版社，2002.4 王军.自动控制原理M.重庆：重庆大学出版社，2008.5 导向科技.Protel DXP电子电路设计培训教程M.北京：人民邮电大学出版社，2003.6 周渊深.交直流调速系统与Matlab仿真M.北京：中国电力出版社，2004.7 陈伯时.电力拖动自动控制系统（第2版）M.北京： 机械工业出版社. 20057. 附件表1典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间tp8.3T 6.2T4.7T3.6T相对稳定裕度76.3°69.9°65.5°59.2°51.8°截止频率c0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T 表2典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系H345678910Cmax/Cb72.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%Tm/T2.452.702.853.003.153.253.303.40Tv/T13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85指导教师评语：课程设计报告成绩： ，占总成绩比例： 30% 课程设计其它环节成绩：环节名称： 考勤 ，成绩： ，占总成绩比例： 20% 环节名称： 综合 ，成绩： ，占总成绩比例： 50% 总 成 绩： 指导教师签字：年 月 日本次课程设计负责人意见：负责人签字：年 月 日