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V-M转速电流双闭环直流调速系统 作者： 日期：2 个人收集整理 勿做商业用途目录1 系统的总体设计方案31。1双闭环直流调速系统的概述31.2电机的技术参数41.3双闭环直流调速系统的组成及其静特性52.1主电路的选择92.2整流变压器参数的计算102.3平波电抗器的电感量112.4晶闸管保护电路113 动态参数计算及调节器的设计143.1系统的动态结构图143.2电流调节器的设计143.3转速调节器的设计184 结论2227摘 要本次设计利用晶闸管等器件设计了一个VM转速、电流双闭环直流调速系统。通过分析直流双闭环调速系统的组成，设计出系统的电路原理图。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.采用工程设计的方法对直流双闭环调速系统的电流和转速两个调节器进行设计，先设计电流调节器,然后将整个电流环看作是转速调节系统的一个环节，再来设计转速调节器.遵从确定时间常数、选择调节器结构、计算调节器参数、校验近似条件的步骤一步一步的实现对调节器的具体设计。之后,再对系统的起动过程进行分析,以了解系统的动态性能。关键词：双闭环,晶闸管，转速调节器，电流调节器1 系统的总体设计方案1.1双闭环直流调速系统的概述双闭环直流调速系统是一种当前应用广泛、经济、实用的电力拖动系统.它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制.采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差.但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等,单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形.带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如1-1(a）所示。当电流从最大值降低下来以后,电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。（a）带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程（b）理想的快速起动过程图11 直流调速系统起动过程的电流和转速波形在实际工作中，我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下,充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡,从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形如图1-1（b）所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程.实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程,按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈,而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。1。2电机的技术参数直流电动机（ZD2-152-1B)的技术参数：额定容量:额定电压：额定电流： 额定转速: 额定效率：励磁电压： 励磁电流： 电枢绕组电阻： 换向绕组电阻： 过载倍速: 磁极对数: 转动惯量： 测速发电机(ICF-22E)的技术参数：额定容量： 额定电压: 额定电流: 额定转速： 系统参数：电枢总电阻： 系统总转动惯量:1。3双闭环直流调速系统的组成及其静特性1。3.1双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器,分别调节转速和电流。二者之间实行串级联接，如图1-2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。图1-2 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图13所示。图13 双闭环直流调速系统电路原理图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，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Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。1.3。2稳态结构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图,如图1-4所示。它可以很方便地根据原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI 调节器就可以了。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，不饱和-输出未达到限幅值。当调节器饱和时,输出为恒值,输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的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.当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压U在稳态时总为零。图1-4 双闭环直流调速系统的稳态结构框图-转速反馈系数 电流反馈系数实际上，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，只有转速调节器饱和和不饱和两种情况。1. 转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时,它们的输入偏差电压都是零,因此由第一个关系式可得从而得到图15所示静特性的CA段。与此同时，由于ASR不饱和，,从上述第二个关系式可知.这就是说，CA段特性从理想空载状态的Id=0一直延续到Id=Idm，而Idm一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。2. 转速调节器饱和这时，ASR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单电流闭环调节系统。稳态时其中，最大电流Idm是由设计者选定的，取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。其所描述的静特性对应于图1-5中的AB段，它是一条垂直的特性.这样的下垂特性只适合于，则，ASR将退出饱和状态.图15 双闭环直流调速系统的静特性双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm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Idm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PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果.这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统的静特性好。1。3.3各变量的稳态工作点和稳态参数计算 由图1-4可以看出，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是由给定电压决定的；ASR的输出量是由负载电流决定的;而控制电压Uc的大小则同时取决于n和Id,或者说,同时取决于和。这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输入量,而PI调节器则不然，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PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少,直到饱和为止所以,转速反馈系数 电流反馈系数 2 主电路的确定及参数计算2。1主电路的选择在直流调速系统中，我们采用的是晶闸管电动机调速系统（简称V-M系统）的原理图如图21所示.它通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压Ud,从而实现平滑调速。与旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高,而且再技术性能上也呈现出较大的优越性。图2-1 晶闸管-电动机直流调速系统对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主,根据晶闸管的特性，可以通过调节控制角大小来调节电压。当整流负载容量较大或直流电压脉动较小时应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。三相整流电路中又分三相半波和全控桥式整流电路，本设计采用了三相全控桥式整流电路来供电，该电路是目前应用极广泛的整流电路,输出电压波动小,适合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广，能实现电动机连续、平滑地转速调节等技术要求.图2-2 主电路原理图三相全控桥式整流电路由晶闸管VT1、VT3、VT5接成共阴极组,晶闸管VT4、VT6、VT2接成共阳极组，在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时,才构成完整的整流电路.为了使元件免受在突发情况下超过其所承受的电压电流的侵害，电路中加入了过电压、过电流保护装置.2。2整流变压器参数的计算2。2.1的计算为了减小电网与整流装置的相互干扰,使整流主电路与电网隔离，为此需要配置整流装置。但由于电网电压波动、管子本身的压降以及整流变压器等效内阻造成的压降等。所以设计时应按下式计算： 式中：为负载的额定电压,取220V为整流元件的正向导通压降，取1Vn为电流回路所经过的整流元件的个数，桥式电路取2A为理想情况下时，取2。34B为实际电压与理想空载电压比，取0.93为最小移相角，取C为线路接线方式系数，取0.5为变压器阻抗电压比，取0。05为二次侧允许出现的最大电流与额定电流之比，取0。816 所以将数据代入2.2.2变压器和晶闸管的容量1。变压器容量理想条件下变压器二次容量为2。晶闸管容量晶闸管额定电压应选等于元件实际承受最大峰值电压的(23)倍 考虑3倍的过压容量,取晶闸管额定电流：有效值平均值考虑(1.52)的过流裕量，取2。3平波电抗器的电感量为了使负载电流得到平滑的直流，通常在整流输出端串入带有气隙铁心的电抗器。电流连续时：式中： 所以：电流断续时: 其中给定的允许电流脉动系数，三相整流电路中,取。所以:平波电抗器电感：平波电抗器电阻为：=2.4晶闸管保护电路1。晶闸管关断过电压保护为了避免晶闸管两端在关断过程中出现瞬时反向过电压尖峰波形，最常用的保护方式是在晶闸管两端并接RC吸收元件.选择根据查表得：电阻， 电容，电阻功率2。交流侧过电压保护为了避免接通、断开交流侧电源时出现暂态过程而引起的过电压,故采用阻容吸收电路。电容：电阻： 电阻功率:3。直流侧过电压保护直流侧由于是电感性负载,故在某种情况下，会发生浪涌过电压。如电压过高的话,有可能会造成晶闸管硬开通而损坏.为避免它，故在直流负载两端并接压敏电阻来保护。选择根据标准电压和通流容量通过查表可得出：通流容量选择。 故查表得压敏电阻型号规格为。4.过电流保护造成晶闸管过电流的主要原因是:电网电压波动太大、电动机轴上拖动的负载超过允许值、电路中管子误导通以及管子击穿短路等.为了避免这些影响,通常采取快速熔断器来起到过电流的保护作用.快速熔断器接法有三种，本设计采用接入桥臂与晶闸管串联的方法.选择根据的计算公式来进行选择，本设计中，所以查表得型号为.3 动态参数计算及调节器的设计3。1系统的动态结构图图3-1 双闭环直流调速系统的动态结构图系统的动态结构图如图31所示,图中：转速调节器的传递函数； -电流调节器的传递函数；晶闸管整流与触发装置的静态放大倍数； -电流反馈滤波时间常数；-转速反馈滤波时间常数；晶闸管整流电路的失控时间，对于三相桥式电路;电动机电枢回路的电磁时间常数 ；机电时间常数 ；主回路总电阻 ；-电动机电势系数（)；电动机转矩系数（）；转速反馈系数（)；电流反馈系数（）；3.2电流调节器的设计1。电流环结构框图的化简如图32所示， 3-2 电流环的动态结构框图在一般情况下，系统的电磁时间常数远小于机电时间常数，因此,转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说,反电动势是一个变化较慢的扰动,在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即。这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂且把反电动势的作用去掉，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，则电流环便等效成单位负反馈系统,由于和一般都比小得多,可以当作小惯性环节,其时间常数为：，则电流环结构框图最终简化成图3-3。图3-3 电流环的最终结构框图2.电流调节器结构的选择首先考虑应把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的赌转特性,采用I型系统就够了.再从动态要求上看,实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素。为此，电流环应以跟随性能为主,即应选用典型I型系统。电流环的控制对象是双惯性型的,要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成式中：-电流调节器的比例系数； -电流调节器的超前时间常数.为了让调节器零点与控制多项的大时间常数极点对消，选择则电流环的动态结构框图便成为图34所示的典型形式,其中。图34 校正成典型I型系统的电流环3.电流调节器的参数计算电流调节器的参数是和,其中电流调节器超前时间常数本次设计要求超调要尽量小，可选, 则 由以上三式联立可得电流调节器的比例系数 4.电流调节器的实现图35 含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器原理图如图35所示.根据运算放大器的电路原理，可以知道5。电流调节器的参数整定 （1）确定时间常数。整流装置滞后时间常数，三相桥式电路的平均失控时间。.电流滤波时间常数，三相桥式电路每个波头的时间是，为了基本滤平波头，应有，因此取.。电流环小时间常数之和，按小时间常数近似处理,取（2）选择电流调节器的结构根据设计要求电流超调尽可能小,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,因此采用PI型电流调节器,其传递函数可以写成（3）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数 考虑系统响应的快速性，并兼顾到电流超调尽量小的原则，取于是,ACR的比例系数（4）检验近似条件.电流环截止频率：。晶闸管整流装置传递函数的近似条件,满足近似条件。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。.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运算放大器取，各电阻和电容值为 取 取 取3。3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，需求出它的闭环传递函数。接入转速环内,电流环等效环节的输入量应为 ，因此电流环在转速环中应等效为这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后,可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。表明电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是内环控制的一个重要功能2。转速调节器结构的选择用电流环的等效环节代替图3-2中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构框图如图36所示。图3-6 转速控制系统的动态结构框图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,再把时间常数为和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，则转速环结构框图可简化成图37：图3-7 等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理转速环开环传递函数应共有两个积分环节，应该设计成典型II型系统,这样系统同时也能满足动态抗扰性能号的要求，ASR也应该采用PI调节器，不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构框图如图38所示图3-8 校正后的典型II型系统3。转速调节器的参数计算转速调节器的参数包括和，按照典型型系统的参数关系有：4.转速调节器的额实现含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器原理图如图39所示。其中转速调节器参数与电阻、电容值的关系为图39 含给定滤波和转速滤波的PI型转速调节器5。确定时间常数。电流环等效时间常数，已取，则。转速滤波时间常数，取.转速环小时间常数，按小时间常数近似处理，取6。选择转速调节器参数按照设计要求,选用PI调节器,其传递函数为7.计算转速调节器参数按照跟随性能和抗扰性能都较好的原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为转速环开环增益ASR的比例系数为 8。检验近似条件转速环截止频率为。电流传递函数简化条件为，满足简化条件.转速环小时间常数近似处理条件为,满足近似条件9。计算调节器电阻和电容取，则，取，取,取10.校核转速超调量当h=5时，=37。6%，不满足要求。实际上，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得:=8。3110，满足要求。4 结论双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段.从起动时间上看，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起动。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。起动时，让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，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.本次设计达到了基本的设计要求。5 心得体会经过了大概一周的努力这次课程设计终于完成了，但是由于时间太仓促所以不是太完美，每次课程设计总会有收获，这次也不例外。通过这次课程设计我认识到了电力拖动自动控制不仅仅是只学书本知识就能学到其精髓的,只有理论联系实际不断的在生活中实践才能明白电力拖动控制系统的本质原理，同时这次设计也让我认识到了自身的一些缺点，尤其是复杂系统的设计和整体系统参数的计算。这让我感到了深深的不足,如果没有老师的指导和同学的帮助我是很难完成的，在此我要感谢所有给过我指导的老师和帮助我的同学，没有他们我也许还会在黑暗中摸索好长时间。同时，这次课程设计也为我以后的毕业设计打下了坚实的基础6 参考文献1 陈伯时。电力拖动自动控制系统。北京.机械工业出版社。2000：76862 王兆安、刘进军。电力电子应用技术。北京。机械工业出版社.2010.178-1843 清华大学工业自动化系。电力拖动自动化。北京。清华大学出版社。1977:1902354 马国伟、叶平主编，无刷直流电动机的双闭环调速系统设计,机电产品开发与创，新。2004.5 王果、朱大鹏主编，直流电机双闭环调速系统的工程设计方法仿真，电机技术，2005.6 张传伟、郭卫主编，直流电机双闭环调速系统仿真研究，机床与液压，2005.