1、 交直流調速系統課程設計說明書 轉速、電流雙閉環控制直流調速系統設計院 部：電氣與信息工程學院學生姓名： 李 旭 指導教師： 李建軍老師 專 業： 自動化 班 級： 自本1001 完成時間： 2013年12月 摘 要轉速、電流雙閉環控制直流調速系統的性能很好，具有調速范圍廣、精度高、 雙閉環調速系統中設置了兩個調節器，即轉速調節器（ASR）和電流調節器（ACR），分別調節轉速和電流。本文對直流雙閉環調速系統的設計進行了分析，對直流雙閉環調速系統的原理進行了一些說明，介紹了其主電路、檢測電路的設計，詳細介紹了電流調節器和轉速調節器的設計以及一些參數的選擇和計算，使其滿足工程設計參數標準。關鍵詞：

2、直流雙閉環 調速系統 電流調節器 轉速調節器ABSTRACT Speed and current double closed-loop control dc speed control system performance is very good, has a wide speed range, high accuracy, good dynamic performance and the advantages of easy to control, so has been widely used in the electric drive system. Dc double closed

3、loop speed regulation system set up two regulator, speed regulator (ASR) and current regulator (ACR), adjusting the rotational speed and current respectively. In this paper, the design of dc double closed loop speed regulation system is analyzed, the principle of dc double closed loop speed regulati

4、on system with some instructions, introduces the design of main circuit, detection circuit, the design of the current regulator and speed regulator is introduced and some parameters selection and calculation, to make it satisfy the standard of engineering design parameters. Keywords: current regulat

5、or dc double closed loop speed regulation system of speed regulator 緒 論采用轉速負反饋和PI調節的單閉環調速系統可以實現轉速的無靜差，如果附帶電流截止負反饋作限流保護可以限制電流的沖擊，但并不能控制電流的動態波形。我們希望系統在啟動時，一直能有電機過載能力允許條件下的最大電流，電機有最大的啟動轉矩和最短的啟動時間。這一點利用電流截止負反饋是很難實現的。另外，在單閉環調速系統中，用一個調節器綜合多種信號，各參數間相互影響，難于進行調節器的參數調速。例如，在帶電流截止負反饋的轉速負反饋的單閉環系統中，同一調節器擔負著正常負載時的

6、速度調節和過載時的電流調節，調節器的動態參數無法保證兩種調節過程均具有良好的動態品質為了解決單閉環調速系統存在的問題，可以采用轉速、電流雙閉環直流調速系統，采用兩個調節器分別對轉速和電流進行調節。目 錄第一章 課程設計任務書11.1設計任務11.2設計要求1第二章 轉速、電流雙閉環直流調速系統的組成及原理22.1系統的組成22.2系統的原理22.3系統的動態結構框圖3第三章 器件的選擇及參數的計算33.1可控整流變壓器的選擇及計算33.2晶閘管選擇及計算63.3平波電抗器電感的選擇及計算73.4晶閘管的保護73.4.1過流保護83.4.2過壓保護83.5觸發電路9第四章 按工程設計方法設計系統

7、調節器ACR、ASR104.1電流調節器ACS的設計104.2轉速調節器ASR的設計124.3系統總體結構圖15第五章 工程設計調節器需注意的問題165.1轉速的退飽和超調量與穩態轉速有關165.2反電動勢對轉速環和轉速超調量的影響165.3內外環開環對數幅頻特性比較16總結18參考文獻19III第一章 課程設計任務書1.1設計任務直流他勵電動機：功率PN145KW，額定電壓UN=220V，額定電流IN=6.5A,磁極對數P=1，nN=1500r/min,勵磁電壓220V,電樞繞組電阻Ra=3.7,主電路總電阻R7.4，Ks=27，電磁時間常數TL=0.033ms，機電時間常數Tm=0.26m

8、s，濾波時間常數Toi=0.0031s，Ton=0.01s，過載倍數1.5，電流給定最大值，速度給定最大值，設計要求：穩態無靜差，電流超調量；空載啟動到額定轉速時的轉速超調量1.2設計要求1. 系統各環節選型1) 主回路方案確定。2) 控制回路選擇：給定器、調節器、觸發器、電流檢測環節、（須對以上環節畫出線路圖，說明其原理）。2. 主要電氣設備的計算和選擇整流變壓器計算：變壓器原副邊電壓、電流、容量。1) 晶閘管整流元件：電壓定額、電流定額計算及定額選擇。2) 系統各主要保護環節的設計：快速熔斷器計算選擇、阻容保護選擇。3) 平波電抗器選擇計算。3. 系統參數計算1) 電流調節器ACR中計算。

9、2) 轉速調節器ASR中計算。輸入電阻均為40K。3) 動態性能指標計算（包括空載起動到額定轉速超調量的計算和過渡過程的時間的計算以及空載起動到額定轉速所需時間的計算）。4. 畫出雙閉環調速系統電氣原理圖，并畫出動態框圖和波德圖。第二章 轉速、電流雙閉環直流調速系統的組成及原理2.1系統的組成為實現轉速和電流兩種負反饋分別作用，可在系統中設置兩個調節器，分別調節轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套連接，如圖所示。把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環結構上看，電流環在里面，稱作內環；轉速環在外邊，稱作外環。這就形

10、成了轉速、電流雙閉環調速系統。如圖2-1所示： 圖2-1雙閉環直流調速系統組成圖2.2系統的原理 為了獲得良好的靜、動態性能，轉速和電流兩個調節器一般都采用PI調節器，這樣構成的雙閉環直流調速系統的電路原理圖2-2。 圖2-2雙閉環直流調速系統原理圖 兩個調節器的輸出都是帶限幅作用的，轉速調節器ASR的輸出限幅電壓決定后了電流給定電壓的最大值，電流調節器ACR的輸出限幅電壓限制電壓 限制了電力電子變換器的最大輸出電壓2.3系統的動態結構框圖由于電流檢測信號中常含有交流分量，須加低通濾波，其濾波時間常數按需要選定。濾波環節可以抑制反饋信號中的交流分量，但同時也給反饋信號帶來了延滯。為了平衡這一延

11、滯作用，在給定信號通道中加入一個相同時間常數的慣性環節，稱作給定濾波環節。其作用是：讓給定信號和反饋信號經過同樣的延滯，使二者在時間上得到恰當的配合，從而帶來設計上的方便。動態結構框圖如2-3： 圖 2-3雙閉環直流調速系統動態結構框圖第三章 器件的選擇及參數的計算3.1可控整流變壓器的選擇及計算作為整流裝置電源用的變壓器稱為整流變壓器。一般的變壓器有整流跟變壓兩項功能,其中整流是把交流變直流。整流的過程中, 采用三相橋式二極管整流電路。因為二極管整流裝置所要求的交流供電電壓與電網不一致，為此需要配置整流變壓器。整流變壓器使整流主電路與電網隔離，減少了電網與整流裝置的相互干擾。整流變壓器根據主

12、電路的型式、負載額定電壓和額定電流，算出整流變壓器二次側相電壓、一次與二次額定電流以及容量。三相橋式全控整流電路原理如圖3-1： 圖3-1三相橋式全控整流及控制電路雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為 當時，電機正轉；當時，電動機反轉；當時，電動機停止。平時我們在計算是在理想條件下進行的，但實際上許多影響是不可忽略的。如電網電壓波動、管子本身的壓降以及整流變壓器等效內阻造成的壓降等。所以設計時應按下式計算：式中 負載的額定電壓； 整流元件的正向導通壓降，一般取1V； 電流回路所經過的整流元件（VT及VD）的個數（如橋式=2，半波電路=1）； A理想情況下=0º時與的比值，查表可

13、知； 電網電壓波動系數，一般取0.9； 最少移相角，在自動控制系統中總希望值留有調節余量，對于可逆直流調速系統取30º35º，不可逆直流調速系統取10º15º； C線路接線方式系數，查表三相橋式C取0.5V； 變壓器阻抗電壓比，100KV及其以下，取=0.05，100KV·A以上，取=0.050.1； 二次側允許的最大電流與額定電流之比。對于一般三相橋式可控整流電路供電的直流調速系統，計算也可以采不可逆調速系統 =（0.530.58）可逆調速系統 =（0.580.64）式中整流變壓器二次相電壓有效值；直流電動機額定電壓。所以根據已知的參數及查表

14、得：一次側與二次額定電流計容量的計算如果不計變壓器的勵磁電流，根據變壓器磁動勢平衡原理可得一次和二次電流關系式為： 式中 、變壓器一次和二次繞組的匝數； K變壓器的匝數比。 由于整流變壓器流過的電流通常都是非正弦波，所以其電流、容量計算與線路型式有關。三相橋式可控整流電路計算如下：大電感負載時變壓器二次電流的有效值為 U2=27.93V由一次側和二次側電壓得： 故=1.755A變壓器一次側容量為；變壓器二次側容量為： 考慮勵磁功率，取，。3.2晶閘管選擇及計算 直流他勵電動機：功率PN145KW，額定電壓UN=220V，額定電流IN=6.5A,磁極對數P=1，nN=1500r/min,勵磁電壓

15、220V,電樞繞組電阻Ra=3.7,主電路總電阻R7.4，Ks=27，電磁時間常數TL=0.033ms，機電時間常數Tm=0.26ms，濾波時間常數Toi=0.0031s，Ton=0.01s，過載倍數1.5，電流給定最大值，速度給定最大值.由于三相全控橋式整流電路阻感性負載移相范圍為0º90º。所以，當=0º時：由Ud=2.34U2cos得 取94V由于三相橋式全控整流電路帶阻感性負載時，晶閘管可能承受的最大正反向電壓均為：取為576V當=6.5A時，流過每個晶閘管的電流有效值為： 取，經查表可知，選擇晶閘管型號為：DD023.3平波電抗器電感的選擇及計算為了使負

16、載得到平滑的直流，通常在整流輸出端串入帶有氣隙鐵心的電抗器，也稱平波電抗器。這里主要計算在保證負載電流連續和輸出電流脈動系數達到一定要求的條件下所需的平波電抗器電感量。對于直流電動機負載的可控整流電路,為了使直流電動機在最輕負載下()，也能工作在其機械特性的電流直線段上，要求電樞回路的臨界電感量為：查表得，取，則式中：與整流電路形式有關的系數，查表可得。 最小負載電流，常取電動機額定電流的510計算。3.4晶閘管的保護晶閘管的保護電路，大致可以分為兩種情況：一種是在適當的地方安裝保護器件，例如，R-C阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器、壓敏電阻或硒堆等。再一種則是采用電子保護電路，檢測設備的輸

17、出電壓或輸入電流，當輸出電壓或輸入電流超過允許值時，借助整流觸發控制系統使整流橋短時內工作于有源逆變工作狀態，從而抑制過電壓或過電流的數值。 3.4.1過流保護晶閘管設備產生過電流的原因可以分為兩類:一類是由于整流電路內部原因；另一類則是整流橋負載外電路發生短路而引起的過電流，另外，如整流變壓器中心點接地，當逆變負載回路接觸大地時，也會發生整流橋對地短路。 1.對于第一類過流，即整流橋的內部原因引起的過流，以及逆變器負載回路接地時，可以采用第一種保護措施，最常見的就是接入快速熔斷器的方式。2.對于第二類過流，即整流橋負載外電路發生短路而引起的過電流，則應當采用電子電路進行保護。 在選擇快速熔斷

18、器時應考慮：1、快速熔斷的額定電壓應大于線路正常工作電壓的有效值。2、快速熔斷熔體的額定電流應小于。同時又應大于正常運行時晶閘管通過的電流有效值，即：3.為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應考慮其時間電流特性。快速熔斷器的保護方式分為全保護和短保護兩種。全保護是指無論過載還是短路均由快速熔斷器進行保護。短路保護方式是快速熔斷器只要短路電流較大的區域內起保護作用，此方式需與其他過電流保護措施相配合。快熔電流容量選擇查表可得。經查表，選擇熔斷器的型號為RLS-50。3.4.2過壓保護晶閘管設備在運行過程中，會受到由交流供電電網進入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。同時，設備自身運行中以及非正常運行中

19、也有過電壓出現。 1.過電壓保護的第一種方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用壓敏電阻或硒堆等非線性元件加以抑制。2.過電壓保護的第二種方法是采用電子電路進行保護。3.5觸發電路此設計選用SG3524作為觸發電路的主要器件，SG3524是通用型脈寬調制器（PWM），屬于數子、模擬混合型集成電路，占空比可在0100%之間調節。圖3-5-1 觸發電路圖在上圖中，ACR的輸出Uc可以調節占空比在0100%內變化。使整流器的輸出電壓在0UN內變化，電機對應的轉速也跟其變化。如果電機轉速由于外界機械原因發生改變，對應測速發電機的輸出也跟隨變化。測速發電機輸出的變化直接影響ASR的調節，從而Uc的大小，Uc

20、大小的變化改變GS3524輸出波形的占空比，從而使斬波電路的輸出電壓平均值改變，使電機轉速返回到預先設定的值。觸發電路通過Uc的變化，可以得到不同占空比的PWM波，波形如：圖 3-5-2觸發電路輸出波形第四章 按工程設計方法設計系統調節器ACR、ASR設計多環控制系統的一般原則是：從內環開始，一環一環地逐步向外擴展。首先設計好電流調節器，然后把整個電流環看作是轉速調節系統中的一個環節，再設計轉速調節器。4.1電流調節器ACS的設計轉速反饋系數： 電流反饋系數： 電機的電動勢系數：1. 確定時間常數1) 整流裝置滯后時間常數H型雙極式PWM電路的平均失控時間 2) 電流濾波時間常數 S3) 電流

21、環小時間常數按小時間常數近似處理，取 S2. 選擇電流調節器結構根據工程設計的一般要求：，并且保證穩態電流無差，由于 ，因此電流環可按典型型系統設計。電流調節器選用PI型，其傳遞函數為 3. 計算選擇電流調節器參數1) ACR超前時間常數： S2) 電流環開環增益：要求時，應取,因此 于是，ACR的比例系數為4. 校驗近似條件電流環截止頻率 1) 晶閘管裝置傳遞函數近似條件： 滿足近似條件。2) 忽略反電動勢對電流環影響的條件： , 滿足近似條件。3) 電流環小時間常數近似處理條件： ， 滿足近似條件。5. 計算調節器電阻和電容按所用運算放大器取，各電阻和電容值計算如下 因為 ，所以,取72

22、因為 ，所以,取0.079 因為 ，所以，取0.3 按照上述參數，電流環可以達到的動態跟隨性能指標為：，滿足設計要求。 圖4-1含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調節器4.2轉速調節器ASR的設計1. 電流環的等效把電流環簡化后看作是轉速環中的一個環節，為此，須求出它的等效傳遞函數。電流環的閉環傳遞函數為經過降階、近似以后，電流環在轉速環中等效為：2. 確定時間常數1) 電流環等效時間常數,由于在電流調節器中，已取， 則，2) 轉速濾波時間常數3) 轉速環小時間常數3. 選擇轉速調節器結構由于設計要求無差，轉速調節器必須含有積分環節；又根據動態要求，應按典型型系統設計轉速環。故ASR選用PI調節

23、器，其傳遞函數為 速系統的開環傳遞函數為：4. 計算選擇轉速調節器參數按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數為 則轉速開環增益ASR的比例系數為 5. 校驗近似條件轉速環截止頻率為 ：1) 電流環傳遞函數簡化條件： ，滿足簡化條件。2) 時間常數近似處理條件： ，滿足簡化條件。6. 計算調節器電阻和電容按所用運算放大器取，各電阻和電容值計算如下 因為，所以 ,取556 . 因為，所以 ,取0.2 因為，所以 ,取1 7. 校核轉速超調量當h=5時，由表查得，不能滿足要求。實際上，以上計算是按線性系統計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調量。 =<25% 能滿足設計要求。 上升時間t： 由以上計算可得，轉速調節器的結構如圖4-2：圖4-2含給定濾波與反饋濾波的PI型電壓調節器4.3系統總體結構圖 圖4 3總體結構圖第五章 工程設計調節器需注意的問題5.1轉速的退飽和超調量與穩態轉速有關按線性系統計算轉速超調量時，當h選定后，不論穩