VM双闭环不可逆直流调速系统设计

精选优质文档-倾情为你奉上目录摘要直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。 转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统, 采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，在理论分析的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。关键词 直流电机 直流调速系统 速度调节器 电流调节器 双闭环系统 1理论设计用工程设计方案设计转速、电流反馈控制直流调速系统的原则是先内环后外环。步骤是：先从电流环开始，对其进行不要的变换个近似处理，然后根据电流环的控制要求确定把它校正成典型系统，在按照控制对象确定电流调节器的类型，最后按动态性能指标要求确定电流调节器的参数。电流环设计完成后，把电流环等效成转速环中的一个环节，再用同样的办法设计转速环。双闭环调速系统的实际动态结构中包含有滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。设置滤波环节的必要性是由于反馈信号检测中常含有谐波和其他扰动量，为了抑制各种扰动量对系统的影响，需要增加低通滤波，这样的滤波环节传递函数可以用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定。然而，在抑制扰动量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。2主电路结构设计变压器调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变流机组简称G-M系统，适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。静止可控整流器又称V-M系统，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变Ud，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。直流斩波器和脉宽调制交换器采用PWM受器件限制，适用于中、小功率的系统。根据本设计的技术要求和特点选V-M系统。在V-M系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出瞬时电压Ud。由于要求直流电压脉动较小，故采用三相全控桥式整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥整流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相整流电路的一大优点。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综上所述，选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。三相桥式全控整流电路的原理如图2-1所示，习惯将其中阴极连接在一起到3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极，另外通常习惯晶闸管从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a，b，c三相电源相接的3个晶体管分别是VT1、VT3、VT5,共阳极组中与a，b，c三相电源相接的3个晶闸管分别是VT4、VT6、VT2。其工作特点如下：1）每个时刻均需两个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。2）对触发脉冲的要求：六个晶闸管的脉冲按VT1VT2VT3VT4VT5VT6的顺序相为，相位依次相差；共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差;同一相的上下两个桥臂即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2脉冲相差。 图2-1 三相桥式全控整流电路原理图3）整流输出电压一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为六脉波整流电路。4）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，需保证同时导通的两个晶闸管均有触发脉冲。为此，可采用两种方法：一种是使脉冲宽度大于（一般取），称为宽脉冲触发；另一种方法是，在触发某个晶闸管的同时，给前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，脉宽一般为，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。宽脉冲触发电路虽可少输出一半脉冲，但为了不使脉冲变压器饱和，需将铁芯体积做得较大，绕组匝数较多，导致漏感增大，脉冲前沿不够陡，对于晶闸管串联使用不利。虽可用去磁绕组改善这种情况，但又触发电路复杂化。因此，常用的是双脉冲触发。3双闭环不可逆直流调速系统设计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，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接，如图5-1所示，把转速调节器（ASR）的输出当作电流调节器（ACR）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；转速换在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。图3-1 双闭环直流调速系统动态结构框图双闭环直流调速系统动态结构框图如图5-1所示，速度调节器根据转速给定电压和速度反馈电压的偏差进行调节，其输出是电流的给定电压（对于直流电动机来说，控制电枢电流就是控制电磁转矩，相应的可以调速）。电流调节器根据电流给定电压和电流反馈电压的偏差进行调节，其输出是功率变换器件（三相整流装置）的控制信号。通过电压进而调节整流装置的输出，即电机的电枢电压，由于转速不能突变，电枢电压改变后，电枢电流跟着发生变化，相应的电磁转矩也跟着变化，由可知，只要与不相等那么转速n会相应的变化。整个过程到电枢电流产生的转矩与负载转矩达到平衡后，转速达到稳定。 在双闭环调速系统在稳态工作中，当转速和电流两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系： （2-1） （2-2） （2-3）在稳态工作点上，转速n是由给定电压Un*决定的，ASR的输出量Ui*是有负载电流IdL决定的，而控制电压Uc的大小则同时取决于n和Id。这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。P调节器的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量在动态过程中决定于输入量的积分，达到稳态时，输入为零，输出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。双闭环调速系统的稳态参数计算和无静差系统的稳态计算相似，根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数转速反馈系数 （2-4）电流反馈系数 （2-5） 本设计中电流调节器输出正限幅值为8V，负限幅值为0V；转速调节器输出正限幅值为8V，负限幅值为0V。根据已知参数可求得转速反馈系数为： 电流反馈系数为： 另外由 （2-6）根据电机参数得 0.128Vmin/r在双闭环直流调速系统中，转速调节器和电流调节器的结构选择与参数设计须从动态校正的需要来解决。本设计采用工程设计方法：先确定调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳定精度。再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。按照“先内环后外环” 的一般系统设计原则，从内环开始，逐步向外扩展。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。比例调节器的作用是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例,使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 积分调节器的作用是使系统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数 ，越小,积分作用就越强。反之大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。PI调节器综合了比例控制器和积分控制器两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。要实现系统无静差，满足系统的技术指标要求，转速调节器和电流调节器都要采用PI调节器。双闭环直流调速系统电路原理如图3-2所示：图3-2闭环直流调速系统电路原理图3.1变压器参数计算变压器副边电压采用如下公式进行计算： 因此变压器的变比近似为：一次侧和二次侧电流I1和I2的计算I1=1.052870.861/3.45=75AI2=0.861287=247A变压器容量的计算S1=m1U1I1=338075=85.5kVAS2=m2U2I2=3110247=81.5kVAS=0.5(S1+S2)=0.5(85.5+81.5)=83.5kVA因此整流变压器的参数为：变比K=3.45，容量S=83.5kVA3.2电流连续的临界电感量L1的计算平波电抗器的临界电感量L1（单位mH）可由下式计算 （3-5）式中K1为与整流电路形式有关的系数，可由表查得K1=0.693，由技术要求知Idmin=10%Id，所以Ud=2.34U2cos Ud=UN=220V, 取=0 3.3输出电流脉动的临界电感量L2的计算由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。该脉动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。通常伏在需要的只是直流分量，对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加，引起过热。因此，应在直流侧传入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量L2（单位mH）可由下式计算 （3-6）式中K2为与整流电路形式有关的系数，Si为电流最大允许脉动系数，通常三相电路。根据本电路形式查表可得K2=1.045，所以=3.42mH3.4电动机电感量LD的计算电动机电感量LD（单位mH）可按下式计算 （3-7）式中Ud 、Ld、n直流电动机额定电压、额定电流和额定转速；P电动机磁极对数；计算系数，对一般无补偿电机取=812。所以=1.28mH （取P=2,=10）3.5实际串入平波电抗器的电感量L的计算由于变压器的漏电感很小，可以忽略不计，那么串入平波电抗器的电感量L=max(L1,L2)-LD= 2.14mH 取其电感值为2mH根据电感量大小取其电阻为0.23.6可控晶闸管参数计算3.6.1晶闸管的额定电压计算 通常取晶闸管的断态重复峰值电压和反向重复峰值电压中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作电压时晶闸管所承受峰值电压的2-3倍。本设计中峰值电压538.9V故晶闸管电压定额取其电压定额=1500V。3.6.2晶闸管的额定电流计算 晶闸管的额定电压通常选取断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。晶闸管的额定电流一般选取其通态平均电流的1.5-2倍。在桥式整流电路中晶闸管两端承受的最大正反向电压均为，晶闸管的额定电压一般选取其最大正反向电压的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的一半，而对于桥式整流电路，晶闸管的通态平均电流IVT=I，则在本设计中晶闸管的额定电流IVT(AV)=523-698A本设计中晶闸管的额定电压UN=311-466V3.7 整流电路及晶闸管保护电路设计晶闸管具有许多优点，但它属于半导体器件，因此具有半导体器件共有的弱点，承受过电压和过电流的能力差，很短时间的过电压和过电流就会造成元件的损坏。为了使晶闸管装置能长期可靠运行，除了合理选择元件外，还须针对元件工作的条件设置恰当的保护措施。晶闸管主要需要四种保护：过电压保护和du/dt限制，过电流保护和di/dt限制。 图3-3整流电路及晶闸管保护电路3.7.1 过电压保护和du/dt限制凡是超过晶闸管正常工作是承受的最大峰值电压的都算过电压。产生过压的原因是电路中电感元件聚集的能量骤然释放或是外界侵入电路的大量电荷累积。按过压保护的部位来分，有交流侧保护，直流侧保护和元件保护。元件保护主要是通过阻容吸收电路。阻容吸收电路的参数计算式根据变压器铁芯磁场释放出来的能量转化为电容器电场的能量存储起来为依据的。由于电容两端的电压不能突变，所以可以有效的抑制尖峰过电压。串阻的目的是为了在能量转化过程中能消耗一部分能量，并且抑制LC回路的振荡。3.7.2 过电流保护和di/dt限制由于晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度就会急剧上升可能烧坏PN结，造成元件内部短路或开路。晶闸管发生过电流的原因主要有：负载端过载或短路；某个晶闸管被击穿短路，造成其他元件的过电流；触发电路工作不正常或受干扰，使晶闸管误触发，引起过电流。晶闸管允许在短时间内承受一定的过电流，所以过电流保护作用就在于当过电流发生时，在允许的时间内将过电流切断，以防止元件损坏。晶闸管过电流的保护措施有下列几种：（1）快速熔断器 普通熔断丝由于熔断时间长，用来保护晶闸管很可能在晶闸管烧坏之后熔断器还没有熔断，这样就起不了保护作用。因此必须采用专用于保护晶闸管的快速熔断器。快速熔断器用的是银质熔丝，在同样的过电流倍数下，它可以在晶闸管损坏之前熔断，这是晶闸管过电流保护的主要措施。（2）硒堆保护 硒堆是一种非线性电阻元件，具有较陡的反向特性。当硒堆上电压超过某一数值后，它的电阻迅速减小，而且可以通过较大的电流，把过电压的能量消耗在非线性电阻上，而硒堆并不损坏。硒堆可以单独使用，也可以和阻容元件并联使用。本系统采用快速熔断器对可控硅进行过流保护，整流电路及晶闸管保护电路如图3-3所示。3.8电流调节器的设计电流环结构图的简化分为忽略反电动势的动态影响、等效成单位负反馈系统、小惯性环节的近似处理等环节。对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流瞬变的过程中，可以认为反电动势基本不变，即DE0。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，也就是说可以暂时把反电动势去掉。这时，电流环如图5-4所示。Ud0(s)+-Ui (s)ACR1/RTl s+1U*i(s)Uc (s)Ks Tss+1Id (s)b T0is+11 T0is+1图3.4 忽略反电动势动态影响的电流环动态结构图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，如图3.5.1.1-2所示。+-ACRUc (s)Ks /R (Tss+1)(Tl s+1)Id (s)U*i(s)bb T0is+1图3.5等效成单位负反馈系统的电流环的动态结构图最后，由于Ts 和 T0i 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 则电流环结构图最终简化成图5.6+-ACRUc (s)bKs /R (Tls+1)(TSis+1)Id (s)U*i(s)b+-ACRUc (s)bKs /R (Tls+1)(TSis+1)Id (s)U*i(s)b图3.6 电流环的简化结构图3.8.1 确定时间常数 1)整流装置滞后时间常数 Ts。按表3.8-1，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s。 2)电流滤波时间常数已经在初始条件中给出，即Toi=0.002s3)电流环小时间常数之和T=Ts+Toi=0.0037s表3.8-1 各种整流装置的失控时间3.8.2 选择电流调节器结构 根据设计要求i5%，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，可用PI型调节器，其传递函数可写成：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。检查对电源电压的抗扰性能：，参照典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表格，可以看出各项指标都是可以接受的。3.8.3 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：ti=Tl=0.012s。电流环开环增益：要求i5%时，应取KITi=0.5，因此于是，ACR的比例系数为：3.8.4 校验近似条件电流环截止频率：ci=KI=135.1s-1。（1）校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件： s-1 ci 满足近似条件（2）校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 s-1 ci 满足近似条件3.8.5 计算调节器电阻和电容 由图5-7，按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为图3-7 含给定滤波与反馈滤波的 PI型电流调节器按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为i=4.3% 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3.9.5 计算调节器电阻和电容根据图3-1，取R0=40k，则图3-8 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器3.9.6 校核转速超调量当h=5时，查询典型型系统阶跃输入跟随性能指标的表格可以看出，不能满足设计要求。实际上，上述表格是按照线性系统计算的，而突加阶跃给定时，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。此时超调量为：满足设计要求。-IdLUd0Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*iUcKs Tss+1Id1Ce+Tl s+1b T0is+11 T0is+1ASR1 T0ns+1a T0ns+1U*nn图3-9 双闭环直流调速系统动态结构图3.10触发电路的选择与原理图三相整流电路中必须对两组中应导通的一对晶闸管同时给触发脉冲为此可以采用两种办法：一种是使每个触发脉冲宽度大于，称宽脉冲触发；另一种是在触发某一号晶闸管的同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，相当于用两个窄脉冲等效代替一个宽脉冲，称为双脉冲触发。图4-1为KJ004电路原理图，从图中可以看出，它与分立元件的锯齿波移相触发电路相似。可分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。图3-10 KJ004电路原理图随着工业自动化，集成化的不断把发展；现在市场中已有多种型号的六脉冲触发集成电路广泛应用于各种控制中，从本设计的简单和稳定性出发，本设计直接采用KJ系列的三相全控桥式整流电路的集成触发器KJ041作为三相整流电路的触发电路。只需用三个KJ004集成块，即可形成六路双脉冲，再由留个晶体管进行脉冲放大，即构成完整的三相全控桥整流电路的集成触发电路。KJ041的内部是由12个二极管构成的6个或门，其作用是将6路单脉冲输入转换为6路双脉冲输出。以上触发电路均为模拟量，这样使集成片内部结构、可靠，但是却是其容易受电网电压影响，导致触发脉冲的不对称度较高，可达。在对精度要求高的大容量变流装置中，采用了数字触发电路，可获得很好触发脉冲对称度。KJ041的主要参数和限制：（1）工作电源电压：V（2）同步输入允许最大电流值：6mA（3）输出脉宽：400us2ms（4）最大负载能力：100mA由KJ041外部电路接线图如图4-2所示：该集成片的主要设计特点为：（1）端口1和端口4，端口2和端口5，端口3和端口6分别输出两路相位互差的移向脉冲，可以方便地构成全控桥式晶闸管触发器线路。（2）输出负载的能力大，移相性能好，脉冲输出稳定，正、负半周脉冲相位均衡性好。（3）移相范围宽，对同步电压要求不高，并且具有脉冲列调制输出端等功能。 图3-11 KJ041外部电路接线图触发电路输出脉冲波形如下图3-12 触发电路输出脉冲波形图4总结与体会本设计为V-M双闭环直流调速系统设计，通过三相变压整流装置将三相交流电压整流为直流电压。其中对主电路的结构及元件包括变压器，晶闸管以及电抗器的参数进行了计算和选取。确定了电流调节器和转速调节器的结构并按照设计参数要求对调节器的参数进行了计算和确定。 通过本次设计使我对电力拖动自动控制系统有了进一步的认识和了解，掌握了用工业设计法对双闭环调节器的设计方法。对电力电子器件在工业发展中所起的巨大作用也有了认识。另外在设计过程中遇到了一些难题，在自己查找多方资料并和同学相互讨论的情况下终于找到了解决的方法。这使我明白理论和实际是存在一定偏差的，计算结果并不能代表实际数据。总的来说这次设计让我受益匪浅，对我来说是一次很好的经历。参考文献1 阮毅 陈伯时 电力拖动自动控制系统 第4版 机械工业出版社 2009 2 王兆安 刘进军 电力电子技术 第5版 机械工业出版社2009 3 黄俊 王兆安 电力电子变流技术 第三版 机械工业出版社 2005 4 莫正康 电力电子应用技术 第三版 机械工业出版社 20005 张东力 陈丽兰 仲伟峰 直流拖动控制系统 机械工业出版社 19996 朱仁初 万伯任 电力拖动控制系统设计手册 机械工业出版社 1994附录 V-M双闭环不可逆直流调速系统电气原理图本科生课程设计成绩评定表姓 名性 别专业、班级课程设计题目： V-M双闭环不可逆直流调速系统设计 2课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：序号评定项目评分成绩1选题合理、目的明确（10分）2设计方案正确，具有可行性、创新性（20分）3设计结果（例如：硬件成果、软件程序）（25分）4态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分）5设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（10分）6答辩（20分）总分最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日专心-专注-专业