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V-M双闭环直流可逆调速系统设计

1设计任务及要求
1.1设计任务
设计任务：设计V-M双闭环直流可逆调速系统
（1）技术数据
直流电动机：PN=3KW ,UN=220V,IN=17.5A,nN=1500r/min ； Ra=1.25Ω堵转电流Idbl=2IN,截止电流Idcr=1.5IN，GD2=3.53N.m2。三相全控整流装置：Ks=40 , Rrec=1. 3Ω。平波电抗器：RL=0. 3Ω。电枢回路总电阻 R=2.85Ω ，总电感 L=200mH。电动势系数： (Ce= 0.132V.min/r)。系统主电路：(Tm=0.16s ，Tl=0.07s)。滤波时间常数：Toi=0.002s , Ton=0.01s。其它参数：Unm*=10V , Uim*=10V , Ucm=10V ，σi≤5% , σn≤10。
（2）技术指标
稳态指标：无静差（静差率s≤10%, 调速范围 D≥20 ）。动态指标：转速超调量δn≤10%，电流超调量δi≤5%，动态速降Δn≤10%，调速系统过渡过程时间（调整时间）ts≤0.5s。
（3）依据题目标技术要求，分析论证并确定主电路结构型式和闭环调速系统组成，画出系统组成原理框图 。调速系统主电路元部件确实定及其参数计算（包含有变压器、电力电子器件、平波电抗器和保护电路等）。
（4）动态设计计算：依据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调整器和ACR调整器结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标要求。绘制V-M双闭环直流可逆调速系统电气原理总图。
1.2设计要求
（1）该调速系统能进行平滑速度调整，负载电机可逆运行，含有较宽调速范围（D≥20），系统在工作范围内能稳定工作。 系统静特征良好，无静差（静差率s≤10%）。 动态性能指标：转速超调量δn＜10%，电流超调量δi＜5%，动态速降Δn≤10%，调速系统过渡过程时间（调整时间）ts≤0.5s。
（3）系统在5%负载以上改变运行范围内电流连续。调速系统中设置有过电压、过电流等保护，而且有制动方法。
2双闭环调速系统总体设计
2.1双闭环调速系统设计原理
改变电枢两端电压能使电动机改变转向。尽管电枢反接需要较大容量晶闸管装置，不过它反向过程快，因为晶闸管单向导电性，需要可逆运行时常常采取两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路，电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电；反转时，由反组晶闸管装置VR供电。图1所表示两组晶闸管分别由两套触发装置控制，能够做到互不干扰，全部能灵活地控制电动机可逆运行，所以本设计采取两组晶闸管反并联方法。而且采取三相桥式整流。
即使两组晶闸管反并联可逆V-M系统处理了电动机正、反转运行问题，不过两组装置整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通短路电流，，称作环流，通常地说，这么环流对负载无益，只会加重晶闸管和变压器负担，消耗功率。
环流太大时会造成晶闸管损坏，所以应该给予抑制或消除。为了预防产生直流平均环流，应该在正组处于整流状态、Udof 为正时，强迫让反组处于逆变状态、使Udor为负，且幅值和Udof相等，使逆变电压Udor把整流电压Udof顶住，则直流平均环流为零。于是有：

又因为：

其中，和分别为VF和VR控制角。因为两组晶闸管装置相同，两组最大输出电压是一样，所以，当直流平均环流为零时，应有

假如反组控制角用逆变角表示，则根据这么控制就能够消除环流。
系统设计通常标准为：先内环后外环。即从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调整器，然后把整个电流环看作是转速调整系统中一个步骤，再设计转速调整器。

图1 两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路
图2为转速、电流双闭环调速系统原理图，图3为双闭环调速系统结构图。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，即把电流调整器输出作为转速调整器输入，再用转速调整器输出去控制电力电子变换器UPE。
两个调整器输出全部是带限幅作用。转速调整器ASR输出限幅电压U*im决定了电流给定电压最大值；转速调整器ASR输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器最大输出电压Udm。
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。其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引发电
机发烧和产生脉动转矩对生产机械不利影响。

图2 双闭环调速系统电路原理图
+
+
-

+
-
M
TG
+
-
+
-
RP2
n
U*n
R0
R0
Uc
Ui
TA
L
Id
Ri
Ci
Ud
+
+
-
R0
R0
Rn
Cn
ASR
ACR
LM
GT
V
RP1
Un
U*i
LM

M

UPE

-IdL
Ud0
Un
+
-
-
+
-
Ui
ACR
1/R
Tl s+1
R
Tms
U*i
Uc
Ks
Tss+1
Id
1
Ce
+
E
b
T0is+1
1
T0is+1
ASR
1
T0ns+1
a
T0ns+1
U*n
n
图3 双闭环调速系统结构框图
2.2主电路设计
2.2.1主电路电气原理图及其说明
主电路采取转速、电流双闭环调速系统，使电流环(ACR)作为控制系统内环，转速环(ASR)作为控制系统外环，以此来提升系统动态和静态性能。二者串级连接，即把电流调整器输出作为转速调整器输入，再用转速调整器输出去控制电力电子变换器UPE。从而改变电机转速。经过电流和转速反馈电路来实现电动机无静差运行。

图4 系统电气原理框图
2.2.2平波电抗器参数计算：
Ud=2.34U2cos
Ud=UN=220V, 取=0°
U2=
Idmin=(5%-10%)IN,这里取10% 则
L=0.693

2.2.3变压器参数计算
变压器副边电压采取以下公式进行计算：

已知，取
。
可得：

所以变压器变比近似为：

一次侧和二次侧电流I1和I2计算
I11.05×287×0.861/3.45=75A
I2=0.861×287=247A
变压器容量计算：
S1=m1U1I1=3×380×75=85.5kVA
S2=m2U2I2=3×110×247=81.5kVA
S=0.5×(S1+S2)=0.5×(85.5+81.5)=83.5kVA
所以整流变压器参数为：变比K=3.45，容量S=83.5kVA
2.2.4晶闸管元件参数计算
晶闸管额定电压通常选择断态反复峰值电压UDRM和反向反复峰值电压URRM中较小标值作为该器件额定电压。晶闸管额定电流通常选择其通态平均电流1.5-2倍。在桥式整流电路中晶闸管两端承受最大正反向电压均为，晶闸管额定电压通常选择其最大正反向电压2-3倍。
带反电动势负载时，变压器二次侧电流有效值I2是其输出直流电流有效值Id二分之一，而对于桥式整流电路，晶闸管通态平均电流，则在本设计中晶闸管额定电流IVT(AV)=523-698A，本设计中晶闸管额定电压UN=311-466V。
2.2.5保护电路设计
对于过电压保护本设计采取RC过电压抑制电路，该装置置于供电变压器两侧或是电力电子电路直流上，图5所表示。对于过电流保护本设计采取在电力变压器副边每相母线中串接快速熔断器方法来保护电路。

图5 过压保护电路

3控制及驱动电路设计
晶闸管整流电路是经过控制触发角大小，即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。为确保整流电路正常工作，应确保触发角大小在正确时刻向电路中晶闸管施加有效触发脉冲。
为简化设计过程，在本设计中采取集成触发器TC787作为晶闸管触发电路关键元器件。
TC787含有功耗小、功效强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点，而且装调简便，使用可靠。只需一片芯片即可完成三相桥式晶闸管驱动工作。驱动控制原理图图6所表示。

图6驱动、控制电路原理图

4转速调整器设计
4.1转速环结构框图化简
电流环经简化后可视作转速环中一个步骤，接入转速环内，电流环等效步骤输入量应为Ui*(s),所以电流环在转速环中应等效为

用电流环等效步骤替换电流环后，整个转速控制系统动态结构图便图7所表示和电流环一样，把转速给定滤波和反馈滤波步骤移到环内，同时将给定信号改成U*n(s)/a，再把时间常数为1 / KI 和 T0n 两个小惯性步骤合并起来，近似成一个时间常数为惯性步骤，其中

n (s)
+
-
Un (s)
ASR
CeTms
R
U*n(s)
Id (s)
a
T0ns+1
1
T0ns+1
U*n(s)

+
-
IdL (s)

图7 用等效步骤替换电流环转速环动态结构图
最终转速环结构简图为图8所表示。

图8 等效成单位负反馈系统和小惯性近似处理转速环结构框图
4.2转速环参数计算
4.2.1确定时间常数
（1）电流环等效时间常数1/KI。由电流环参数可知KIT∑i=0.5，则

（2)转速滤波时间常数Ton。依据已知条件可知Ton=0.01s
（3)转速环小时间常数T∑n。按小时间常数近似处理，取

4.2.2选择转速调整器结构
为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必需有一个积分步骤，它应该包含在转速调整器 ASR 中，在扰动作用点后面已经有了一个积分步骤转速环开环传输函数应共有两个积分步骤，所以应该设计成经典 Ⅱ 型系统，这么系统同时也能满足动态抗扰性能好要求。ASR也应该采取PI调整器，其传输函数为：

式中 Kn — 转速调整器百分比系数；t n — 转速调整器超前时间常数。
4.2.3计算转速调整器参数
按跟随和抗扰性能全部很好标准，取h=5，则ASR超前时间常数为

转速环开环增益为：

ASR百分比系数为：

4.2.4检验近似条件
转速环截止频率为

（1）电流环传输函数简化条件为

满足近似条件
（2）转速环小时间常数近似处理条件为

满足近似条件
4.2.5计算调整器电阻和电容
依据图9，取R0=40k，则

图9含给定滤波和反馈滤波PI型转速调整器
4.2.6校核转速超调量
当h=5时，查询经典Ⅱ型系统阶跃输入跟随性能指标表格能够看出，不能满足设计要求。实际上，上述表格是根据线性系统计算，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统前提，应该按ASR退饱和情况重新计算超调量。此时超调量为：

能满足设计要求。

5电流调整器设计
5.1电流环结构框图化简
电流环结构图简化分为忽略反电动势动态影响、等效成单位负反馈系统、小惯性步骤近似处理等步骤。
在通常情况下，系统电磁时间常数 Tl远小于机电时间常数Tm，所以转速改变往往比电流改变慢得多，对电流环来说，反电动势是一个改变较慢扰动，在按动态性能设计电流环时，能够暂不考虑反电动势改变动态影响，即DE≈0。这时，电流环图10所表示。
Ud0(s)
+
-
Ui (s)
ACR
1/R
Tl s+1
U*i(s)
Uc (s)
Ks
Tss+1
Id (s)
b
T0is+1
1
T0is+1

图10 忽略反电动势动态影响电流环动态结构图
假如把给定滤波和反馈滤波两个步骤全部等效地移到环内，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，图11所表示。

+
-

ACR
Uc (s)
Ks /R
(Tss+1)(Tl s+1)
Id (s)
U*i(s)b
b
T0is+1

图11等效成单位负反馈系统电流环动态结构图
最终，因为Ts 和 T0i 通常全部比Tl 小得多，能够看成小惯性群而近似地看作是一个惯性步骤，其时间常数为
T∑i = Ts + Toi
则电流环结构图最终简化成图8

+
-
ACR
Uc (s)
bKs /R
(Tls+1)(TSis+1)
Id (s)
U*i(s)b
+
-
ACR
Uc (s)
bKs /R
(Tls+1)(TSis+1)
Id (s)
U*i(s)b
图8 电流环简化结构图

5.2电流环参数计算
5.2.1确定时间常数
（1）整流装置滞后时间常数 Ts。按表1，三相桥式电路平均失控时间Ts=0.0017s。
（2）电流滤波时间常数本设计初始条件已给出，即Toi=0.002s。
(3)电流环小时间常数之和T∑=Ts+Toi=0.0037s
表1 多种整流装置失控时间

5.2.2电流调整器结构选择
从稳态要求上看，期望电流无静差，以得到理想堵转特征，采取 I 型系统就够了。
从动态要求上看，实际系统不许可电枢电流在突加控制作用时有太大超调，以确保电流在动态过程中不超出许可值，而对电网电压波动立即抗扰作用只是次要原因，为此，电流环应以跟随性能为主，应选择经典I型系统。
电流环控制对象是双惯性型，要校正成经典 I 型系统，显然应采取PI型电流调整器，其传输函数能够写成

式中 Ki — 电流调整器百分比系数；
ti — 电流调整器超前时间常数。
检验对电源电压抗扰性能：

参考经典Ⅰ型系统动态抗扰性能指标和参数关系表格，能够看出各项指标全部是能够接收。
5.2.3计算电流调整器参数
电流调整器超前时间常数：ti=Tl=0.07s。
电流环开环增益：要求δi＜5%时，应取KIT∑i=0.5，所以

于是，ACR百分比系数为：

5.2.4校验近似条件
电流环截止频率：ci=KI=135.1s-1。
晶闸管整流装置传输函数近似条件：

满足近似条件
忽略反电动势改变对电流环动态影响条件

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
5.2.5计算调整器电阻和电容
由图12，按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为

根据上述参数，电流环能够达成动态跟随性能指标为δi=4.3%<5%,满足设计要求。

6 设计心得
经过一个多星期课程设计，我对这门课有了深入了解。学习过程中在老师耐心指导下，有意识培养和建立了我思维能力，使我真正建立数据及信息流概念，方便在控制应用中，能够使软件和硬件有机地结合。
转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广直流调速系统。含有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统中得到了广泛应用。常见电机调速系统有转速闭环控制系统和电流闭环控制系统，二者全部能够在一定程度上克服开环系统造成电动机静差率，不过不够理想。实际设计中常采取转速、电流双闭环控制系统，通常使电流环(ACR)作为控制系统内环，转速环(ASR)作为控制系统外环，以此来提升系统动态和静态性能。本文是根据工程设计方法来设计转速和电流调整器。使电动机满足所要求静态和动态性能指标。电流环应以跟随性能为主，即应选择经典Ⅰ型系统，而转速环以抗扰性能为主，即应选择经典Ⅱ型系统为主。

参考文件

[1]陈伯时. 电力拖动自动控制系统.机械工业出版社.
[2]王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.
[3]邹伯敏.自动控制理论.机械工业出版社.
[4]章燕申.控制系统设计和实践.清华大学出版社.1992
[5]胡寿松.自动控制原理.科学出版社.