交直流课程设计1.docx

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交直流课程设计1

摘要

转速、电流双闭环控制直流调速系统的性能很好，具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统中得到了广泛的应用。

直流双闭环调速系统中设置了两个调节器，即转速调节器（ASR）和电流调节器（ACR），分别调节转速和电流。

本文对直流双闭环调速系统的设计进行了分析，对直流双闭环调速系统的原理进行了一些说明，介绍了其主电路、检测电路的设计，详细介绍了电流调节器和转速调节器的设计以及一些参数的选择和计算，使其满足工程设计参数标准。

关键词：

直流双闭环调速系统电流调节器转速调节器

摘要

1.设计任务与分析·························································

2.调速系统总体设计·······················································

3.直流双闭环调速系统电路设计·············································

3.1晶闸管—电动机主电路的设计··········································

3.1.1主电路设计························································

3.1.2主电路参数计算···················································

3.2.转速、电流调节器的设计·············································

3.2.1.1电流调节器设计··················································

3.2..1.2电流调节器参数选择·············································

3.2.2.转速调节器························································

3.2.2.1.转速调节器设计···················································

3.2.2.2转速调节器参数选择··············································

3.3转速检测电路设计····················································

3.4.电流检测电路设计····················································

4.小结与体会·······························································

5.参考文献·································································

直流双闭环调速系统设计

在双闭环调速系统中，若将转速反馈和电流反馈信号同时引入一个调节器的输入端，则两则两种反馈量会互相牵制，不可能获得接近理想的效果。

因此在系统中设置了两个调节器，分别控制转速和电流，并且将两个调节器实行串级连接。

转速反馈的闭坏在外面称外环，电流负反馈的闭环在里面，称内环这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

1.设计任务与分析

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于再大范围内实现平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

从控制的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础，所以应该首先掌握直流拖动控制系统。

采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流直流调速系统是比较基础比较容易掌握的，它可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差，但是，如果对系统的动态性能要求较高，

例如：

要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要，原因是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。

为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为Imax的恒流过程，采用电流负反馈就可以得到近似的恒流过程。

怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又能使他们只能分别在不同的阶段里起作用呢？

转速、电流双闭环直流调速系统很好的解决了这个问题。

转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用很广泛的质量调速系统，才用转速、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，所以掌握直流双闭环调速系统对于电力拖动控制系统的学习有很重要的作用。

本课程设计就要求结合给定的初始条件来完成直流双闭环调速系统的设计，其中包括绘制该调速系统的原理图，对调节器进行工程设计。

选择调节器的参数等。

要实现直流双闭环调速系统的设计需先对控制系统的组成及工作原理又一定深入的理解，弄清楚调速系统每个组成部分的作用，弄清楚转速环河工作环的工作原理，合理选择调节器的参数以便进行合理的工作设计。

2.调速系统总体设计

直流双闭环调速系统中设置了两个调节器，即转速调节器（ASR）和电流调节器（ACR），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。

两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。

转速调节器（ASR）的输出限幅电压U决定了电流给定的最大值；电流调节器（ACR）的输出限幅电压U限制了电力电子变换器的最大输出电压U。

由于调速系统的主要被控量是转速，故把转速负反馈组成的环作为外环，以保证电动机的转速准确跟随给定电压，把由电流负反馈组成的环作为内环，把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器（UPE），这久形成了转速、电流双闭环调速系统。

如图2—1所示：

-

图2-1直流闭环调速系统

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一段采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统。

其原理图如图2—2所示：

图2-2直流双闭环调速系统原理图

ASR—转速调节器ACR—电流调节器GT—触发装置

TG—测速发电机TA—电流互感器UPE—电力电子变换器

—转速给定电压Un—转速反馈电压Ui—电流给定电压

—电流给定电压

直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。

3.直流双闭环调速系统电路设计

3.1晶闸管—电动机主电路设计

3.1.1主电路设计

晶闸管—电动机调速系统（V-M系统）主电路原理图如图3—1所示：

图3-1V-M系统主电路原理图

图中VT是晶闸管可控整流器,它由三相桥式全控整流电路组成,如图3-2所示:

图3-2三相桥式可控整流电路

三相桥式可控整流电路由两组三相半波整流电路串联而成，其中阴极连在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组，阳极连接在一起的3个晶闸管（VT2、VT4、VT6）称为共阳极组。

对于共阴极组，阳极所接交流电压最高的一个先触发导通；对于共阳极组，阴极所接交流电压最低的一个先触发导通。

通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动脉冲相位，即可改变平均整流电压Ud,从而实现平滑调速。

3.1.2主电路参数计算

技术数据：

晶闸管整流装置：

Rrec=0.5Ω，Ks=45。

负载电机额定数据：

PN=26KW，UN=230V，IN=113A，nN=1450r/min，Ra=0.5Ω，Ifn=2.765A，GD2=27.44N㎡

系统主电路：

时间常数Tm=0.1s

取

Ud=Un=230V

电动机的电动势系数：

Ce=Un-In*Ra/nN=230-113*0.5/1450=0.1197V*min/r

则开环系数额定速降：

△nop=IN*R/Ce=IN*（Rrec+Ra）/Ce=113*（0.5+0.5）/0.1197=944.03r/min

U2=Ud/

=230/

=132.79V

电流反馈系数：

转速反馈系数：

3.2转速、电流调节器的设计

转速电流双闭环调速系统的动态结构土如图3-3所示：

由于电流检测信号中含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。

这样的滤波函数可用一介惯性环节来表示，其滤波时间常数ton按需要选定。

以滤波电流检测信号为准。

然而，在印制交流分量的同时，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等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。

由测速发电机得到的转速反馈电压含有换相纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用Ton表示，根据和电流环节一样的道理，在转速通道上也加入时间常数Ton的给定滤波环节。

系统设计的一般原则是：

先内环，后外环。

在这里首先设计电流调节器。

3.2.1电流调节器

电流调节器电路参数的计算公式：

Ki—电流调节器的比例系数；i—电流调节器的超前时间常数。

T0i—电流反馈滤波时间常数

3.2.1.1电流调节器的设计

含给定滤波与反馈滤波的PI型调节器如图3-4所示：

图3-4含给定滤波与反馈滤波的PI型调节器

其中Ui*为电流给定电压，

为电流反馈电压,Uc为电力电子变换器的控制电压。

3.2.1.2电流调节器参数选择

1.确定时间常数

1）三相桥式电路的平均失控时间为：

Ts=0.0017s

2）电流滤波时间常数：

Toi=0.002s

3）电流环时间常数：

T∑i=Ts+Toi=0.0017s+0.002s=0.0037s

2选择电流调节器结构

根据设计要求;稳态无静差，超调量

，可按典型I型系统设计电路调节器。

电流环控制系统是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为：

3计算电流调节器参数

电流调节器超前时间常数：

s

电流环开环益：

要求

时，应取

，因此

ACR的比例系数为：

4检验近似条件

电流环截止频率：

机电时间常数：

Tm=GD

R/375CeCm=27.44*（0.5+0.5）/（375*0.1197*

*0.1197）=0.3s

1）晶闸管整流装置传递函数近似条件为

>

，满足近似条件

2）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。

3）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

由图3-4，按所用放大器取

各电阻和电容值为:

，取0.6uF

按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为

，满足设计要求。

6．转速调节器

（1）转速调节器设计

含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器如图3—5所示：

其中

为转速给定电压，

为转速负反馈电压，

为电力电子变换器的控制电压。

（2）电流调节器参数选择

1.确定时间常数

1）电流环等效时间常数

2）转速滤波时间常数Ton：

根据所用测速发电机文波情况，取Ton=0.0025s。

3）转速环小时间常数:

=0.0074+0.0025=0.0099s

（3）.选择转速调节器结构

按照设计要求，选用PI调节器其传递函数式为

式中Kn—转速调节器的比例系数；

n—转速调节器的超前时间常数。

（4）计算转速调节器参数

时间常数Tm=0.1s

按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为

=5*0.0099=0.0495s

转速环开环增益：

=6/（2*5*5*0.0099*0.0099）=6/0.0049005=1224.4

ASR的比例系数为

=6*0.0354*0.1197*0.1/（2*5*0.1*1*0.0099）=0.257

（5）检验近似条件

转速环截止频率为

wcn=KN*n=1224.4*0.0495=60.6

1）电流环传递函数简化条件为

，满足简化条件。

2）转速环小时间常数近似处理条件为

，满足简化条件。

（6）计算调节器电阻和电容

取

各电阻和电容值为:

Rn=Kn*R0=0.257*40=10.28

Cn=

Con=

综上所述，转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用可以分别归纳如下：

1.转速调节器的作用

（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。

（2）对负载变化起抗扰作用。

（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。

2.电流调节器的作用

（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。

（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。

（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。

（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。

一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。

这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。