直流双闭环有环流可逆调速系统设计.doc

目录
1 系统组成及工作原理 1
1.1 系统组成 1
1.2 工作原理图 1
2 电路的设计 3
2.1 整流电源 3
2.2 双环调节器电路 3
2.2.1 转速调节器 3
2.2.2 电流调节器 4
2.3触发器的设计 5
2.4 主电路的设计 6
2.5转速及电流检测电路 6
2.6反相器的设计 7
3 调节器的参数整定 7
3.1 电流调节器参数的计算 7
3.2 转速调节器设计 10
3.2.1 电流环的等效闭环传递函数 10
3.2.2 转速调节器结构的选择 11
3.2.3 转速调节器参数的选择 12
3.2.4 校验近似条件及转速超调量 12
3.2.5 转速调节器的实现 13
4 总结 15
参考文献 16
附录 17

1 系统组成及工作原理
1.1 系统组成
主电路两组三相桥式晶闸管装置反并联的可逆线路，控制电路采用典型的转速、电流双闭环，转速调节器ASR和电流调节器ACR都设置了双向输出限幅，以限制最大制动电流和最小控制角αmin与最小逆变角βmin。根据可逆系统正反向运行的需要，给定电压Un，电流反馈电压Ui都应该能反映正和负的极性。图中的电流互感器TA采用霍尔变换器可以满足这一要求。
直流平均环流可以用α=β配合控制消除，而瞬时脉动环流却是自然存在的。为了抑制瞬时脉动环流，课在环流回路中串入电抗器，环路电抗器，如图中的Lc1、Lc2、Lc3和Lc4。环流电抗器的大小可以按照瞬时环流的直流分量限制在负载额定电流的5%~10%来设计。Ld为平波电抗器，用于减少电动机电枢电流的脉动，减少电枢电流的断续区，改善电动机的机械特性，在流过较大的负载电流时，环流电抗器会饱和，而Ld体积大，可以不饱和，从而发挥滤平电流波形的作用。
为了确保两组整流器的工作状态相反，电流调节器的输出分两路，一路经正组桥触发器GTF控制正组桥整流器，另一组经反相器AR、反组桥GTR控制反组桥整流器。

1.2 工作原理图
系统的组成图有以下特点：
⑴ 主电路采用两组晶闸管反并联连接（也可采用交叉连接），因为有二条并联的环流通路，所以要用四个环流电抗器。由于环流电抗器流过较大的负载电流饱和。因此在电枢回路中还要另设一个体积较大的平波电抗器Ld。
⑵ 控制线路采用典型的转速、电流双闭环系统， ASR、 ACR都设置了双向输出限幅，限制αmin 、βmin。Uct=-Uct满足α=β。
⑶给定电压应有正负极性，由继电器KF和KR来切换。
⑷ 可逆，所以转速和电流方向可变，转速和电流检测也要反映相应极性。

图1.2 工作原理图

2 电路的设计
2.1 整流电源
此电路用于产生±15V电压作为转速给定电压以及基准电压，如图2.1.1所示：

图2.1.1 整流电源

2.2 双环调节器电路
为了实现闭环控制，必须对被控量进行采样，然后与给定值比较，决定调节器的输出，反馈的关键是对被控量进行采样与测量。
2.2.1 转速调节器
转速调节器ASR的作用：
（1）是转速n跟随给定电压un*变化稳态无静差；
（2）使负载变化起抗扰作用；
（3）其输出限幅值决定允许的最大电流。

转速反馈电路如下图所示，由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，由初始条件知滤波时间常数。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。

图2.1.1 转速调节器原理图

2.2.2 电流调节器
电流调节器ACR的作用：
（1）对电网电压波动起及时抗扰作用；
（2）启动时保证获得允许的最大电流；
（3）在转速调节过程中，使电流跟随起给定值Ui*的变化
（4） 当电机处于过载甚至于堵转时限制电枢电流的最大值起到快速的安全保护作用如果故障消失， 系统能够恢复正常。
由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不影响调节器的输入，需加低通滤波。此滤波环节传递函数可用一阶惯性环节表示，由初始条件知滤波时间常数，以滤平电流检测信号为准。为了平衡反馈信号的延迟，在给定通道上加入同样的给定滤波环节，使二者在时间上配合恰当。

图2.2.2 电流调节器
2.3触发器的设计
晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。晶闸管具有下面的特性：
1） 当晶闸管承受反向电压时，无论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。
2） 晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。
3） 晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何变化，晶闸管都保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。
4） 晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。

图2.3 触发器原理图
根据晶闸管的这种特性，通过控制晶闸管的导通和关断时刻，就能控制整流电路的触发角的大小。在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。在触发某个晶闸管的同时，给序号紧前的一个晶闸管补发脉冲。即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60o，脉宽一般为20o ~30o，称为双脉冲触发。双脉冲电 路较复杂，但要求的触发电路输出功率小。触发电路如图2.3所示。
2.4 主电路的设计
主电路由两组三相桥式晶闸管整流器反并联组成，共用同一路三相电源。采用α=β配合控制，在正反组整流器之间没有直流平均环流，但存在瞬时脉动环流，所以需要设置四个环流电抗器来限制环流。

图2.4.1 主电路原理图
2.5转速及电流检测电路
转速检测电路如下图。与电动机同轴安装一台测速发电机，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压，与给定电压相比较后，得到转速偏差电压输送给转速调节器。测速发电机的输出电压不仅表示转速的大小，还包含转速的方向，测速电路如图转速调节器所示，通过调节电位器即可改变转速反馈系数。

图2.5.1 转速检测电路
通过霍尔传感器测量电流的电流检测电路原理如图2.5.1所示。

2.6反相器的设计
反相器AR由运算放大器及有关电阻组成，如图所示。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。

图2.6.1 反相器的设计

3 调节器的参数整定
3.1 电流调节器参数的计算
采用PI型调节器，传递函数可写成：

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
=0.03s
则电流环的动态结构图便成为下图3.1.1所示的典型形式
Id (s)
K I
s(TSis+1)
+
-
U*i(s)b

图3.1.1 电流环的动态结构图
其中

校正后电流环开环对数幅频特性如下

0
L/dB
wci
-20dB/dec
w /s-1
-40dB/dec
∑i
T∑i

图 3.1.2 幅频特性
设计要求电流环超调量σi≤5%，可选 x =0.707，KI TSi =0.5，则

即

含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器的原理图如下图3.3.3所示

图3.1.3 PI型电流调节器
根据运算放大器电路原理，导出：

电流环截止频率为

满足近似条件。
忽略反电动势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。
电流调节器实现
取R0=40KΩ，
求得：
Ri=KiR0=41.6kΩ 取 40kΩ
Ci=τi/Ri≈0.77μF 取 0.75μF
Coi=4Toi/R0=0.2μF 取 0.2μF

3.2 转速调节器设计
3.2.1 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

电流环等效时间常数为1/KI
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(s)/a，再把时间常数为 1 / KI 和 Ton 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为T∑n的惯性环节，其中

等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理

Ui*(s)/β
n (s)
+
-
ASR
CeTms
R
U*n(s)
+
-
IdL (s)
Id (s)
a /b
TSns+1

图3.2.1 传递函数结构图

3.2.2 转速调节器结构的选择
为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此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 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。
由此可见，ASR也应该采用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

其中

校正后的系统结构为
n (s)
+
-
U*n(s)
a

图3.2.2 系统结构图
3.2.3 转速调节器参数的选择

已知KIT∑i=0.5，则1/KI＝2T∑i＝2×0.0037s＝0.0074s
转速滤波时间常数Ton，取Ton=0.01s
转速环小时间常数 T∑n=1/KI+Ton=0.0174s，转速调节器的参数包括 Kn 和 tn。

按跟随和抗扰性能都较好原则，取h=5
得
τn=0.087s
再由

得

3.2.4 校验近似条件及转速超调量
转速环截止频率为

电流环传递函数简化条件为

满足近似条件。
转速环小时间常数近似处理条件为
，
满足近似条件。

满足设计要求。
3.2.5 转速调节器的实现
模拟式转速调节器电路原理图如下

图3.2.5 转速调节器电路原理图

取R0=40KΩ，求得
Rn=KnR0=239.6KΩ
Cn=τn/Rn=0.36μF
Con=4Ton/R0=1μF

参考文献
[1] 王兆安等.电力电子技术. 北京.机械工业出版社，2000.
[2] 周渊深.交直流调速系统与MATLAB仿真.北京.中国电力出版社，2007
[3] 陈伯时.运动控制系统. 北京.机械工业出版社，2003.
[4] 黄家善等.电力电子技术. 北京.机械工业出版社，2007.
[5] 孙立志.PWM与数字化电动机控制技术应用.北京.中国电力出版社，2008.
[6] 陈伯时主编。电力拖动自动控制系统—运动控制系统。第4版。机械工业出版社，2007
[7] 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，2000
[8] 童福尧编著。电力拖动自动控制系统习题例题集。北京：机械工业出版社，1993
[9] 李光举。有环流可逆调速系统正向制动过程的分析。邢台职业技术学院学报。2000，第三期，第十七卷

附录
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