电流与转速双闭环直流调速系统的设计与研究.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流电流与转速双闭环直流调速系统的设计与研究.精品文档. 目录摘要2第一章 转速、电流双闭环直流调速系统主电路设计3（一）转速、电流双闭环直流调速系统的系统组成3（二）转速、电流双闭环直流调速系统的原理图：3（三）器件的选择及参数的计算41.3.1可控整流变压器的选择及计算41.3.2晶闸管选择及计算41.3.3晶闸管的保护：51.3.4平波电抗器的选择及计算51.3.5快速熔断器选择及计算61.3.6自锁电路61.3.7调节器的选择及计算7（二）转速调节器结构的选择：7第二章转速、电流双闭环直流调速系统调节器设计7（一）电流调节器设计7（二）转

2、速调节器设计8（三）反号器9第三章 转速、电流双闭环直流调速系统原理简述9（一）触发电路原理9第四章转速、电流双闭环直流调速系统反馈、保护及其他电路10（一） 转速反馈环节FBS10（二）电流反馈环节及过流保护环节11（三）零速封锁器DZS11（四） 过电压保护和TA互感器11（五） 给定器12（六）稳压电源12第五章 调试并验证双闭环调速系统的起动性能12（一）调试双闭环调速系统的起动性能12总结：15参考文献：16摘要本文所论述的是“转速、电流双闭环直流调速系统转述单闭环直流调速系统的主电路设计与研究”。主电路设计是依据晶闸管-电动机（VM）系统组成，其系统由整流变压器TR、晶闸管整流调速

3、装置、平波电抗器L和电动机-发电机组等组成。整流变压器TR和晶闸管整流调速装置的功能是将输入的交流电整流后变成直流电；平波电抗器L的功能是使输出的直流电流更平滑；电动机-发电机组提供三相交流电源。关键词：主电路 整流变压器 晶闸管整流调速装置 平波电抗器 第一章 转速、电流双闭环直流调速系统主电路设计（一）转速、电流双闭环直流调速系统的系统组成图1-1 转速、电流双闭环直流调速系统ASR-转速调节器 ACR-电流调节器 TG-测速发电机TA-电流互感器 UPE-电力电子变换器 Un*-转速给定电压Un-转速反馈电压Ui*-电流给定电压Ui-电流反馈电压为实现转速和电流两种负反馈分别作用，可在系

4、统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套连接，如图所示。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电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。（二）转速、电流双闭环直流调速系统的原理图：图1-2双闭环直流调速系统电路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，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如上图所示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它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，

5、并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定后了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制电压Ucm 限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。（三）器件的选择及参数的计算1.3.1可控整流变压器的选择及计算作为整流装置电源用的变压器称为整流变压器。一般的变压器有整流跟变压两项功能,其中整流是把交流变直流。整流的过程中,采用三相桥式全控整流电路。三相桥式全控整流电路原理图如下：图1-3 三相桥式全控整流电路原理图可控整流的原理：当晶闸管的阳极和阴极之间承正向电压并且门极加触发信号晶闸管导通，并且去掉门

6、极的触发信号晶闸管依然维持导通。当晶闸管的阳极和阴极之间承受反向电压并且门极不管加不加触发信号晶闸管关断。可控整流变压器的参数计算：（参考课程设计一数据）选择一台主变压器计算如下：一次绕组为0.22KV 二次绕组为0.232KV由直流发电机额定数据得：PN=0.185KWP30=PN=0.185KW查附录表1得实验室小型电热设备的cos=1.0 tan=0Q30= P30tan=0.1850=0KV*AS30= P30cos=0.1851.0=0.185 KV*A只装一台主变压器应全部满足用电设备总计算负荷S30的需要：即 STSNTS30选择SNT=0.2 KV*A所以所选变压器的型号为：S

7、9-0.2/0.38 型。1.3.2晶闸管选择及计算晶闸管导通的条件：受正向阳极电压，同时受正向门极电压，一旦导通后，门极信号去掉后晶闸管仍导通。晶闸管维持导通的条件：继续受正向阳极电压，同时流过晶闸管的电流大于它的维持电流。晶闸管关断条件：必须去掉阳极所加的正向电压，或者给阳极施加一反电压，或者设法使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。晶闸管参数计算如下：（参考课程设计一数据）Ud=Cen+IdR=0.1551600+1.152.3=305.53VU2=Ud/2.34=305.53/2.34=130.57VId0=Udo/R=305.53/52.3=5.84AIvt=Id0/3-1/

8、2=3.37AIvt(AV)=Ivt/1.57=2.15AURM=61/2U2=319.83V可选用的晶闸管为：KP 5-8 型表1.1型号Type通态平均电流IT（AV） A正向电流有效值IF(AV) A通态峰值电压VTM正反向重复峰值电压VRRM V正反向重复峰值电流IRRM mA触发电流IGT mA触发电压VGTV维持电流IH MA断态电压临界上升率dv/dt V/s通态电流临界上升率di/dt A/s工作结温Tj 结壳热阻Pjc /W外型Outline推荐散热器KP5A582.220020008.05452.5545500/-40+2503.0B1SZ131.3.3晶闸管的保护：晶闸管

9、的保护电路，大致可以分为两种情况：一种是在适当的地方安装保护器件，例如，R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。 （1）晶闸管的过流保护 晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类:一类是由于整流电路内部原因；另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，另外，如整流变压器中心点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对地短路。 1.对于第一类过流，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负

10、载回路接地时，可以采用第一种保护措施，最常见的就是接入快速熔短器的方式。2、对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。 （2）晶闸管的过压保护 晶闸管设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。 1.过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。2.过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。1.3.4平波电抗器的选择及计算平波电抗器：平波电抗器用于整流以后的直流回路中。整流电路的脉波数总是有限的，在输出的整直电压中总是有纹

11、波的。这种纹波往往是有害的，需要由平波电抗器加以抑制。平波电抗器的电感量一般按低速轻载时保证电流连续的条件来选择。对于三相桥式整流电路：（参考课程设计一数据）L=0.693U2/Idmin又因为一般Idmin为电动机额定电流的5%10%，这里去10%。In=1.1A因此：L=0.693U2/0.11Ud=Cen+IdR=0.1551600+1.152.5=305.75VU2=Ud/2.34=305.75/2.34=123.93V所以：L=0.693*123.93/0.11=780.76mh1.3.5快速熔断器选择及计算熔断器作用： 当电路发生故障或异常时，伴随着电流不断升高，可能损坏电路中的某

12、些重要器件或贵重器件，也有可能烧毁电路甚至造成火灾。若安置了熔断器，那么，熔断器就会在电流异常升高到一定的高度和一定的时候，自身熔断切断电流，从而起到保护电路安全运行的作用。快速熔断器的额定电流的计算如下：ITN=IT/2 (A) 其中IT为晶闸管的额定通态平均电流，即为5A。因此：ITN=7.854A。快速熔断器的额定电压UTN可用下列公式计算：UTNKUTUV/21/2UV=U2=130.662V；KUT为元件电压计算系数,查表得2.45。 因此：UTN226.36V所以应选用的熔断器为：RT0100 型。1.3.6自锁电路在接触器的“自锁”电路，简单的两位按钮“开”和“断”，接触器的线圈

13、一个接头，根据线圈的电压要求，接上一条火线或零线。在按电钮“开”的时候，由按钮接通线圈的另一个接头，提供了线圈电压，接触器吸和。当按钮断开时，按钮的这一条火线，通过接触器的辅助接点，继续为线圈提供电压，接触器还可以保持接通状态，这就是接触器的“自锁”。如果要断开接触器，就按动按钮开关的“停”，接触器失电，断开了电路。如图所示：图1-4 自锁电路原理图1.3.7调节器的选择及计算系统给定: U*nm=U*im=10V =1.5 Idm=Id转速反馈系数： = U*nm/nmax=10/1600=0.006V.min/r电流反馈系数： = U*im/Idm=10/1.11.5=6.06V/A（一）

14、电流调节器结构的选择：电流环的传递函数可以写成：电流环以跟随性能为主，即选用典型I系统。 图1.5 电流环等效近似处理后校正成为典型I系统框图ACR选用PI型电流调节器，传函如下：WACR（S）=Ki（is +1）/isKi-电流调节器的比例系数；i-电流调节器的超前时间常数。（二）转速调节器结构的选择：转速环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系统，系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。图1-6转速环等效近似处理后校正成为典型II系统框图ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为：WASR（s）= Kn（ns +1）/nsKn-转速调节器的比例系数；n-转速调节器的超前时间常

15、数。第二章转速、电流双闭环直流调速系统调节器设计（一）电流调节器设计2.1.1确定时间常数 1） 整流装置滞后时间常数Ts。 按表1-2，三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。三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms,为了基本滤平波头，应有（12）Toi=3.33ms,因此取Toi=2ms=0.002s。3） 电流环小时间常数之Ti近似处理，取Ti =Ts+Toi=0.0037s。4） 电枢回路电磁时间常数Tl TlL/R0.781/52.30.015s5）电力拖动系统时间常数Tm由实验测得 Tm=40ms0.04s2.1.2选择电流调节器结构 根据设计

16、要求5，并保证稳态电流无差，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型电流调节器，其传递函数为W(s)=Ki(iS+1)/iS。检查对电源电压的抗干扰性能： Tl /TI =0.015s/0.0037s=4.05,参照书中表2-3的典型型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。2.1.3计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：i=Tl=0.015s。电流环开环增益：要求i5时,查表得KITi=0.5,因此 KI=0.5/0.0037s=135.1s-1于是，ACR的比例系数为 Ki=KIiR/Ks=135.10.01552.3/122.56.060.1432

17、.1.4校验近似条件电流环截止频率：Wci=KI=135.1s-1晶闸管整流装置传递函数近似条件1/3Ts=1/30.0017s=191.6s-1Wci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31/TmTl=31/0.04s0.015s122.47s-1Wci满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件1/31/TsToi=1/31/0.00170.002=180.8s-1Wci满足近似条件。2.1.5计算调节器电阻和电容所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为Ri=KiR0=0.143405.72KCi=i/Ri=0.015/5.72=2.62FCoi=4Toi/R0=4

18、0.002/40=0.2F（二）转速调节器设计2.2.1确定时间常数1）电流环等效时间常数1/KI 已知KITi=0.5，则 1/KI2Ti20.0037s0.0074s2）转速时间常数Ton。根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.01s3）转速小时间常数 Tn。按小时间常数近似处理，取 Tn1/KITon0.0174s2.2.2选择电流调节器结构 由于设计要求无静差,故选用PI型电流调节器，其传递函数为W(s)=Ki(iS+1)/iS。2.2.3计算转速调节器参数 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为 n=hTn=50.0174s=0.087s转速开环增益 K

19、N=(h+1)/2h2Tn2=6/2520.0174=396.4s-2ASR的比例系数为 Kn=(h+1)CeTm/2hRTn=66.060.1550.04 / 250.00625 52.3 0.0174=3.962.2.4检验近似条件 转速环截止频率为 Wcn=KN/W1=KNn=396.40.087=34.5s-1 1)电流环传递函数简化条件为 （KI /Ti）/3（135.1 /0.0037）/3=63.7s-1Wcn 2）转速环小时间常数近似处理条件为 （KI /Ton）/3=（135.1 /0.01）/3=38.7s-1Wcn2.2.5计算调节器电阻和电容 取R0=40k，各电阻和电

20、容值为Rn=KnR0=3.9640=158.4kCn=n/Rn=0.087 / 158.4103=5.4910-3FCon=4Ton/R0=40.01/40103=1F2.2.6校核转速超调量 n=2(Cmax / Cb)(-Z)(nN/n*)(Tn / Tm)=281.2%(1.5-0.5) (0.852.3/0.155/1600)0.0174/0.04=11.92%15% 能满足设计要求。 转速调节器具有将输入的给定信号与反馈信号进行加,减,比例,积分,违反等一些运算的功能,使其输出量能根据输入的信号按照某种预定的规律变化。上图为转速调节器电路图。（三）反号器图2-1 反号器电路图 反号器

21、AR由运算放大器及有关电阻组成，如图2-3所示。用于调速系统中信号需要倒相的场合。反号器的输入信号由信号放大器的反相输入，故输出电压为： Uout =(RP+R3) / R1 调解RP的可动触点，可改变RP的数值，使RP+R3=R1,则Uout=Uin，输入与输出成倒相关系。第三章 转速、电流双闭环直流调速系统原理简述（一）触发电路原理三相桥式全控整流电路相当于一组共阴极的三相半波和一组共阳极的三相半波可控整流电路串联起来构成的。习惯上将晶闸管按照其导通顺序编号，共阴极的一组为VT1、VT3和VT5，共阳极的一组为VT2、VT4和VT6。图4-1三相桥式电阻性负载全控整流电路图4-2三相桥式电

22、阻性负载a=0时波形图4-3三相桥式全控整流电路触发脉冲第四章转速、电流双闭环直流调速系统反馈、保护及其他电路（一） 转速反馈环节FBS(1) 转速反馈环节主要作用是将测速发电机输出的电压进行滤波，滤除交流分量并变换为能满足系统需要的与电动机转速成正比的电压作为系统的转速反馈信号，另外还备有转速的检测信号。图4-1 转速反馈环节FBS电路图（二）电流反馈环节及过流保护环节 (1) 交流互感器测得晶闸管交流进线的电流，以获得过电流信号。图54是过流保护电路的电路图。图4-2 过流保护电路的电路图（三）零速封锁器DZS零速封锁器的作用是当系统处于停车状态时，即给定电压为零，同时电动机转速也为零时，

23、将系统中所有调节器锁零，以避免停车时，由于各调节器的零点漂移，致使晶闸管整流电路有微量的输出，从而使电动机出现窜动现象。 （四） 过电压保护和TA互感器压敏电阻RV三角形联结进行交流侧的过电压保护，电流互感器TA可取得与主电路电流成正比的电流信号用于控制系统中。图4-3 过电压保护和TA互感器（五） 给定器给定器可以产生幅值可调和极性可变的阶跃给定电压或可平滑调节的给定电压。图4-4 给定器的电路图（六）稳压电源(1) 稳压电源输出稳定的15V直流电源向所有需要直流电源的各控制单元供电，它由整流、滤波、稳压三个部分组成。第五章 调试并验证双闭环调速系统的起动性能（一）调试双闭环调速系统的起动性

24、能5.1.1双闭环调速系统调试选择(1)先部件，后系统。即先将各单元的特性调好，然后才能组成系统。(2)先开环，后闭环。即使系统能正常开环运行，然后在确定电流和转速均为负反馈时组成闭环系统。(3)先内环，后外环。即先调试电流内环，然后调转速外环。5.1.2开环外特性的测定(1)控制电压UCt由给定器Ug直接接入，直流发电机所接负载电阻Rd断开。(2)使Ug=0，调节偏移电压电位器，使稍大于90，合上主电路电源。逐渐增加给定电压Ug，使电机起动，升速，调节Ug使电机空载转速n0=1500r/min，再调节负载电阻Rd,改变负载,在直流电机空载至额定负载范围,测取78点,读取电机转速n,电机电枢电

25、流Id,即可测出系统的开环外特性n=f(Id) 。表51开环特性n=f(Id)的测定n(r/min)120011901180117011601140Id(A)0.580.680.710.750.80.9注意：，若给定电压Ug为0时，电机缓慢启动，则表明太小，需后移。5.1.3单元部件调试ASR调试：使调节器为PI调节器，加入一定的输入电压，调整正、负限幅电位器RP1，RP2，是输出正负值等于5V。ACR调试：使调节器为PI调节器，加入一定的输入电压，调整正、负限幅电位器，使脉冲前移30，使脉冲后移30，反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小。5.1.4系统调试将Ublf接地，Ublr悬空

26、，即使用一组桥六个晶闸管。(1)电流环调试电动机不加励磁(a)系统开环，即控制电压Uct由给定器Ug直接接入，开关S拨向左边，主回路接入电阻Rd并调至最大（Rd由MEL03的两只900电阻并联）。逐渐增加给定电压，用示波器观察晶闸管整流桥两端电压波形。在一个周期内，电压波形应有6个对称波头平滑变化。(b)增加给定电压，减小主回路串接电阻Rd，直至Id=1.1Inom，再调节MCL31挂箱上的电流反馈电位器RP，使电流反馈电压Ui近似等于速度ASR的输出限幅值（ASR的输出限幅值为5V）。(c)MCL31的G（给定）输出电压Ug接至ACR的“3”端，ACR的输出“7”端接至Uct，即系统接入已接

27、成PI调节的ACR组成电流单闭环系统。ACR的“9”。“10”端接MCL11电容器，可预置7.5 F，同时，反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小。逐渐增加给定电压Ug，使之等于ASR输出限幅值（5V），观察主电路是否小于或等于1.1Inom，如Id过大，则应调整电流反馈电位器，使Ui增加，直至Id 1.1Inom；如Id Inom，则可将Rd减小直至切除，此时应增加有限，小于过电流保护整定值，这说明系统已具有限流保护功能。测定并计算电流反馈系数。(2)速度变换器的调试电动机加额定励磁。(a)系统开环，即给定电压Ug直接接至Uct，Ug作为输入给定，逐渐加正给定，当转速n=1500r/m

28、in时，调节FBS（调速变换器）中速度反馈电位器RP，使速度反馈电压为=5V左右，计算速度反馈系数。(b)速度反馈极性判断：系统中接入ASR构成转素单闭环系统，即给定电压Ug接至ASR的第2端，ASR的第3端接至Uct。调节Ug（Ug为负电压），若稍加给定，电机转速即达最高速且调节Ug不可控，则表明单闭环系统速度反馈极性有误。但若接成转速电流双闭环系统，由于给定极性改变，故速度反馈极性可不变。5.1.5系统特性测试将ASR，ACR均接成PI调节器接入系统，形成双闭环不可逆系统。ASR的调试：(a)反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小；(b)“5”、“6”端接入MCL11电容器，预置57

29、.5F；(c)调节RP1、RP2使输出限幅值5V。(1)机械特性n=f（Id）的测定调节转速给定电压Ug，使电机空载转速至1500r/min，再调节发电机负载电阻Rd，在空载至额定负载范围内分别记录78点，可测出系统静特性曲线n=f（Id）。表52 系统静特性曲线n=f（Id）n（r/min）120011991199119911981198I（A）0580.650.750.80.850.9(2)闭环控制特性n=f（Ug）的测定调节Ug和n，即可测出闭环控制特性n=f（Ug）。表53 闭环控制特性n=f（Ug）n（r/min）7012001000900800500Ug（V）0.263.743.1

30、42.832.531.65.1.6系统动态波形的观察用二踪慢扫描示波器观察动态波形，用示波器记录动态波形。在不同的调节器参数下，观察，记录动态波形：(1)突加给定起动时，电动机电枢电流波形和转速波形。(2)突加额定负载时，电动机电枢电流波形和转速波形。(3)突加负载时，电动机电枢电流波形和转速波形。注：电动机电枢电流波形的观察可通过ACR第“1”端 转速波形的观察可通过ASR的第“1”端总结本设计为“电流与转速双闭环直流调速系统的设计与研究”，经过调试证明设计的双闭环系统能满足设计指标的要求，完成了设计任务。实验结果表明经过该设计系统改进，与其为单闭环系统相比：机械特性偏硬，快速起制动，突加负载动态速将小。 因为本系统采用了双闭环系统，所以系统能够通过两个转速调节器进行自动调节作用减少稳态速降，但是有超调。为使系统的稳态性能更好，该系统采用无静差调节，即转速调节器采用比例积分调节器（PI调节器），使系统保证恒速运行，以保证满足更严格的生产要求。参考文献1 陈伯时主编。电力拖动自动控制系统运动控制系统。第3版机械工业出版社，2007 2 王兆安，黄俊主编。电力电子技术。第4版。北京：机械工业出版社，20003 任彦硕主编。自动控制原理。机械工业出版社，20064 陈治明主编.电力电子器件. 北京：机械工业出版社，1992