双闭环直流调速系统(22页).doc

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1、-姓名：学号：专业：电气工程及其自动化日期：2015年12月23日双闭环直流调速系统摘要直流电动机具有良好的起动、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领域中得到了广泛的应用。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。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

2、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。关键词：双闭环，转速调节器，电流调节器双闭环直流调速系统的设计 双闭环直流调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 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。两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 把转速调节器的

3、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，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。双闭环直流调速系统框图双闭环直流调速系统电路原理图一本设计预设的参数直流电动机：220V，136A, 1500r/min, Ce=0.136Vmin/r晶闸管装置放大系数：Ks =40 电枢回路总电阻：R=0.5欧时间常数：Tl=0.015s, Tm=0.2s, 转速滤波环节时间常数Ton取0.01s电压调节和电流调节器的给定电压为8V系统稳态无静差，电流超调量i5%; 空载启动到额定转速时的转速超调量n10%。二平波电抗器的选择： 2.1平波和均衡电抗器在主回路中的作用及布置晶闸管整

4、流器的输出直流电压是脉动的，为了限制整流电流的脉动、保持电流连续，常在整流器的直流输出侧接入带有气隙的电抗器，称作平波电抗器。在有环流可逆系统中，环流不通过负载，仅在正反向两组变流器之间流通，可能造成晶闸管过流损坏。为此，通常在环流通路中串入环流电抗器（称均衡电抗器），将环流电流限制在一定的数值内。电抗器在回路中位置不同，其作用不同。对于不可逆系统，在电动机电枢端串联一个平波电抗器，使得电动机负载得到平滑的直流电流，取合适的电感量，能使电动机在正常工作范围内不出现电流断续，还能抑制短路电流上升率。2.2平波电抗器选择电抗器的主要参数有额定电抗、额定电流、额定电压降及结构形式等。计算各种整流电路

5、中平波电抗器和均衡电抗器电感值时，应根据电抗器在电路中的作用进行选择计算。a)从减少电流脉动出发选择电抗器。b)从电流连续出发选择电抗器。c)从限制环流出发选择电抗器。此外，还应考虑限制短路电流上升率等。由于一个整流电路中，通常包含有电动机电枢电抗、变压器漏抗和外接电抗器的电抗三个部分，因此，首先应求出电动机电枢（或励磁绕组）电感及整流变压器漏感，再求出需要外接电抗器的电感值。1） 直流电动机电枢电感：mH式中 直流电动机的额定电压（V）; 直流电动机的额定电流（A）; 直流电动机的额定转速（rpm/min）; P直流电动机的磁极对数； 计算系数。一般无补偿电动机取812，快速无补偿电动机取6

6、8，有补偿电动机取56。 2）整流变压器的漏感。整流变压器折合二次侧的每相漏感： （mH）式中 计算系数，三相全桥取3.9，三相半波取6.75； 整流变压器短路电压百分比，一般取0.050.1； 整流变压器二次相电压（V）; 直流电动机额定电流（A）。3）保证电流连续所需电抗器的电感值。当电动机负载电流 小到一定程度时，会出现电流断续的现象，将使直流电动机的机械特性变软。为了使输出电流在最小负载电流时仍能连续，所需的临界电感值可用下式计算：（mH）式中 临界计算系数，三相全控桥0.693； 整流变压器二次相电压（V）; 电动机最小工作电流（A）,一般取电动机额定电流的5%10%。 实际串联的电

7、抗器的电感值式中 N系数，三相桥取2，其余取1。4）限制电流脉动所需电抗器的电感值。由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，该脉动电流可以看成是一个恒定直流分量和一个交流分量组成的。通常负载需要的是直流分量，而过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加。因此，应在直流侧串联平波电抗器以限制输出电流的脉动量。将输出电流的脉动量限制在要求的范围内所需要的最小电感量：（mH）式中 临界计算系数，三相全控桥1.045； 电流最大允许脉动系数，通常单相电路取20%，三相电路取5%10%； 整流变压器二次侧相电压（V）; 电动机最小工作电流（A）,取电动机 额定电流的5%10%。 实际串接的电抗器的电感值：

8、 (mH)式中 N系数，三相桥取2，其余取1。2.3均衡电抗器选择:限制环流所需的电抗器的电感值：（mH）式中 计算系数，三相全控桥0.693； 环流平均值（A）; 整流变压器二次侧相电压（V）。 实际串接的均衡电抗器的电感值： （mH）三整流变压器的选择 整流变压器一次侧接交流电网，二次侧连接整流装置。整流变压器的选择主要内容有连接方式、额定电压、额定电流、容量等。3.1整流变压器的作用和特点 1）整流变压器的作用：变换整流器的输入电压等级。由于要求整流器输出直流电压一定，若整流桥路的交流输入电压太高，则晶闸管运行时的触发延迟角需要较大；若整流器输入电压太低，则可能在触发延迟角最小时仍不能达

9、到负载要求的电压额定值。所以，通常采用整流变压器变换整流器的输入电压等级，以得到合适的二次电压。实现电网与整流装置的电气隔离，改善电源电压波形，减少整流装置的谐波对电网的干扰。2）整流变压器的特点：由于整流器的各桥臂在一周期内轮流导通，整流变压器二次绕组电流并非正弦波（近似方波），电流含有直流分量，而一次电流不含直流分量，使整流变压器视在功率比直流输出功率大。当整流器短路或晶闸管击穿时，变压器中可能流过很大的短路电流。为此要求变压器阻抗要大些，以限制短路电流。整流变压器由于通过非正弦电流引起较大的漏抗压降，因此它的直流输出电压外特性较软。整流变压器二次侧可能产生异常的过电压，因此要有很好的绝缘

10、。3）整流变压器的联结方式3.2.整流变压器二次相电压的计算1）整流变压器的参数计算应考虑的因素。由于整流器负载回路的电感足够大，故变压器内阻及晶闸管的通态压降可忽略不计，但在整流变压器的参数计算时，还应考虑如下因素：a)最小触发延迟角：对于要求直流输出电压保持恒定的整流装置，应能自动调节补偿。一般可逆系统的取3035，不可逆系统的取1015。b)电网电压波动：根据规定，电网电压允许波动范围为+5%-10%，考虑在电网电压最低时，仍能保证最大整流输出电压的要求，通常取电压波动系数b=0.91.05。c)漏抗产生的换相压降。d)晶闸管或整流二极管的正向导通压降。2)二次相电压的计算负载要求的整流

11、电路输出的最大值；晶闸管正向压降，其数值为0.41.2V，通常取；n主电路中电流回路晶闸管的个数；A理想情况下时，整流输出电压与变压器二次侧相电压之比；C线路接线方式系数；电网电压波动系数，通常取；最小控制角，通常不可逆取；变压器短路电压比，100Kv以下的取；变压器二次侧实际工作电流额定电流之比；已知，取、，查表得，取,查表得代入上式得：，应用式，查表得A=2.34，取，电压比（2）一次和二次向电流和的计算 ，由表得 ，考虑励磁电流和变压器的变比K，根据以上两式得：（3） 变压器的容量计算(4)晶闸管参数选择由整流输出电压，进线线电压为110V，晶闸管承受的最大反向电压是变压器二次线电压的电

12、压峰值，即：，晶闸管承受的最大正向电压是线电压的一半，即：。考虑安全裕量，选择电压裕量为2倍关系，电流裕量为1.5倍关系，所以晶闸管的额定容量参数选择为：3.3整流器件的选择：晶闸管选择：晶闸管的选择主要是根据整流的运行条件，计算晶闸管电压、电流值，选出晶闸管的型号规格。在工频整流装置中一般选择KP型普通晶闸管，其主要参数为额定电压、额定电流值。（1） 额定电压选择应考虑下列因素：1） 分析电路运行时晶闸管可能承受的最大电压值。2） 考虑实际情况，系统应留有足够的裕量。通常可考虑23倍的安全裕量。即 式中 晶闸管可能承受的最大电压值（V）.当整流器的输入电压和整流器的连接方式已确定后，整流器的

13、输入电压和晶闸管可能承受的最大电压有固定关系，常采用查计算系数表来选择计算，即 式中 晶闸管的电压计算系数； 整流变压器二次相电压（V）。 3)按计算值换算出晶闸管的标准电压等级值。 （2）额定电流选择：晶闸管是一种过载能力较小的元件，选择额定电流时，应留有足够的裕量，通常考虑选择1.52倍的安全裕量。 1）通用计算式：式中 流过晶闸管的最大电流有效值（A）。2）实际计算中，常常是负载的平均电流已知，整流器连接及运行方式已经确定，即流过晶闸管的最大电流有效值和负载平均电流有固定系数关系。这样通过查对应系数使计算过程简化。当整流电路电抗足够大且整流电流连续时，可用下述经验公式近似地估算晶闸管额定

14、通态平均电流。 式中 晶闸管电流计算系数； 整流器输出最大平均电流（A）;当采用晶闸管作为电枢供电时，取为电动机工作电流的最大值。四电流，转速环的设计双闭环直流调速动态结构图 双闭环直流调速稳态结构图系统设计的一般原则是：先内环后外环。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。4.1电流调节器的设计1.电流环结构框图的化简在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即DE0。这时，电流环如下图所示。 电流环的动态结构框图及其化简（忽略反电动势的动态影响）忽略反电动势对电流环作用的近似条件是式中c-电流环开环频率特性的截止频率

15、。如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成U*i(s) /b ，则电流环便等效成单位负反馈系统。 电流环的动态结构框图及其化简（等效成单位负反馈系统）最后，由于Ts 和 Toi 一般都比Tl 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为 Ti = Ts + Toi 三相桥式电路的平均失控时间为，电流滤波时间常数本设计初始已给出，即电流环小时间常数之和简化的近似条件为 电流环结构图最终简化成下图。 电流环的动态结构框图及其化简（小惯性环节的近似处理）2电流调节器结构的选择根据设计要求：稳态无静差,超调量，可按典型I型系统设计电路调节器。电流环控制对

16、象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器其传递函数为：式中 Ki 电流调节器的比例系数； ti 电流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i=Tl则电流环的动态结构图便成为图2-5所示的典型形式，其中 a) b)校正成典型I型系统的电流环a) 动态结构图 b) 开环对数幅频特性电枢回路电磁时间常数 Tl=0.015s。检查对电源电压的抗扰性能：，参照典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表2，可知各项指标都是可以接受的。3.电流调节器的参数计算转速反馈系数：a=U*mn/nmax=8/1500=0.005电流反馈系数：= U*mn/Idm= U*mn/2I

17、N=8/240.8=0.087 电流调节器超前时间常数：。 电流环开环增益：要求时，应取=0.707， 因此 （135.1）ACR的比例系数为1.0784.检验近似条件电流环截至频率：机电时间常数1） 晶闸管整流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。5.计算调节器电阻和电容含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器如图所示：其中为电流给定电压，为电流负反馈电压，为电力电子变换器的控制电压。 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器按所用运算放大器取，各电阻和电容值为，取，取，取按照上述参数，电流环

18、可以达到的动态跟随性能指标为。满足设计要求。4.2转速调节器的设计1.电流环的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。忽略高次项，上式可降阶近似为近似条件可由式求出 式中 wcn - 转速环开环频率特性的截止频率。 接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U*i(s)，因此电流环在转速环中应等效为 2.转速调节器结构的选择电流环的等效闭环传递函数为用电流环的等效环节代电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如下图所示。转速换的动态结构框图及其化简（用等效环节代替电流环）和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成 U*n

19、(s)/a，再把时间常数为1/KI 和 T0n 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节。其中电流环等效时间常数，（0.0074s）则转速环节小时间常数 （0.0074+0.01=0.0174S） 则转速环结构框图可简化为下图转速换的动态结构框图及其化简（等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理）按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为 式中 Kn - 转速调节器的比例系数； t n - 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令转速环开环增益为则 不考虑负载绕动时，校正后的调速系统动态结构框图如下图转速换的动态结构框图及其化简（校正后成为典型型系统）3.计算转

20、速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取，则ASR的超前时间常数为（5*0.0174=0.087s）转速开环增益（396.4）ASR的比例系数为（11.7）4.检验近似条件转速环截止频率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简化条件。5.计算调节器电阻和电容含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器如图2-10所示：含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器其中为转速给定电压，为转速负反馈电压，：调节器的输出是电流调节器的给定电压。取，则，取，取，取五.限幅电路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U*im决定了电流给定电压的最大

21、值；电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系： 上述关系表明，在稳态工作点上， 转速 n 是由给定电压U*n决定的； ASR的输出量U*i是由负载电流 IdL 决定的；控制电压 Uc 的大小则同时取决于 n 和 Id，或者说，同时取决于U*n 和 IdL。双闭环直流调速系统的静特性曲线： n O Idm Id六总结 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

22、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。通过这次课程设计，我对双闭环直流调速系统有了更深的认识，加深了理解，是对课堂所学知识的一次很好的应用。我不仅在知识上有了进一步的巩固和提高，在求学和研究的心态上也有了不小的进步。经过这次课程设计，我发现理论知识与实际的区别与结合。总之，在设计过程中，我不仅学到了课本以外的新知识，而且学会了独立的发现，面对，分析，解决新问题的能力。最后要谢谢老师对我们的悉心教导。-第 20 页-