转速电流双闭环直流调速系统课程设计方案.docx
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转速电流双闭环直流调速系统课程设计方案
转速电流双闭环直流调速系统
课程设计
学生：
xxx
学号：
xxxxxxxx
专业：
电气工程及其自动化
学院：
信息工程与科学学院
目录
摘要
本文介绍了基于工程设计对直流调速系统的设计。
根据直流调速双闭环控制系统的工作原理，利用晶闸管等器件设计了一个转速、电流双闭环直流晶闸管调速系统。
该系统中设置了电流反馈环节、电流调节器以及转速反馈环节、转速调节器，构成电流环和转速环——前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。
最后使用MATLAB对系统进行仿真。
<本课程设计为自主完成，如有雷同，纯属他人参考不当。
）
第一章任务书
（一）设计参数
直流电动机的额定电压UN=220V，额定电流IN=12A，额定转速nN=1500rpm，电枢电阻Ra=1.2Ω，电流过载倍数λ=1.5，机电时间常数Tm=0.03s。
（二）设计要求
系统稳态无静差，电流超调量σi≤5%，空载起动到额定转速时的转速超调量σn≤10％。
第二章主电路设计
（一）系统组成
本设计采用的转速电流反馈控制直流调速系统各个模块如图1-1所示。
系统可分为三个部分：
主电路和控制电路以及保护电路和反馈环节。
主电路主要包括整流变压器和电力电子变换装置，起到将交流变换成直流，从而为直流电动机提供电源电压的作用。
控制电路主要包括电流调节器和转速调节器以及触发器，其中电流调节器与电流反馈环构成电流环，起到稳定电流的作用；转速调节器和转速反馈环构成转速环，使转速稳态无静差；触发器则用于为整流晶闸管组提供触发脉冲。
保护电路主要为晶闸管保护电路，包括由整流变压器交流侧的快速熔断器组构成的保护电路，以及与晶闸管并联的阻容电路构成的保护电路。
保护电路的设置使得晶闸管免受过电压以及过电流的影响，从而使系统工作可靠。
反馈环节包括电流反馈环节和转速反馈环节。
前者由电流互感器进行电流检测，再进行整流滤波得到电流反馈信号，后者则使用测速发电机来得到实际转速信号。
此外，还有其它部分的电路。
包括减小电流脉动的平波电抗器，以及减小直流电压脉动的滤波电容。
图1-1转速电流反馈控制直流调速系统组成框图
（二）主电路原理
如图1-2所示。
主电路主要由整流变压器和整流晶闸管组构成。
整流变压器将公共电网的交流电压变换成整流桥可用的电源电压，而整流晶闸管组构成三相全控桥，将交流电变换成直流电，从而作为直流电动机的电源电压。
直接整流得到的电流和电压往往有较大的脉动，若直接作为直流电动机的电源电压，将会引起电机振动及噪声。
为此，需要在主电路的直流侧加入平波电抗器和滤波大电容，从而减小整流器输出电流脉动以及输出电压脉动。
图1-2主电路原理图
（三）主电路元器件参数计算及器件选型
主电路元器件包括整流元器件及其它元器件。
整流元器件起整流作用，包括将市电电压变换成整流桥可用电源电压的整流变压器，以及将交流电变整流成直流电的整流晶闸管组；其它元器件则起减小纹波作用，包括抑制输出电流纹波的平波电抗器，以及抑制输出电压纹波的滤波电容器。
正确计算其参数，适当选择其型号，将有助于使主电路以低成本在高可靠下运行。
1.3.1整流元器件参数计算与选型
整流元器件参数计算与选型包括整流变压器参数计算与选型及整流晶闸管参数计算与选型。
1.整流变压器参数计算与选型
在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致。
此外，为了尽量减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求它们相互隔离，故通常要配用整流变压器。
本设计采用变压器的接线型式为一次侧绕组采用△联接，二次侧绕组采用Y联接。
为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式<△/Y）和负载要求的额定电压影响U2值的因素有：
<1）首先要保证满足负载所需求的最大电流值的Idmax。
<2）晶闸管并非是理想的可控开关元件，故导通时有一定的管压降VT。
<3）变压器漏抗的存在会产生换相压降。
<4）平波电抗器有一定的直流电阻，当电流流经该电阻时就要产生一定的电压降。
<5）电枢电阻的压降。
综合以上因素得到的U2精确表达式为：
式中，A=Ud0/U2表示当控制角α=0°时，整流电压平均值与变压器次级相电压有效值之比；B=Udα/Ud0表示当控制角为α与0°时，整流电压平均值之比；C是与整流电路形式有关的系数；Uk%是变压器的短路电压百分比，100kVA以下的变压器取Uk%=5，100kVA~1000kVA的变压器取Uk%=5~10；ε为电网电压波动系数，通常取0.9~1.05，供电质量较差，电压波动较大的情况应取较小值；ra=INRΣ/UN表示电动机电枢电路总电阻RΣ的标幺值，对于容量为15kW~150kW的电动机，通常取ra=0.04~0.08；nUT表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降；Idmax/IdN表示电动机允许过载倍数，即λ。
考虑到本设计为了保证电动机负载能在额定转速下运转，并且所取U2留有一定裕量，根据经验，公式中的控制角α应取30°为宜。
电动机电枢电路总电阻标幺值ra=INRΣ/UN=12×1.2/220=0.065。
其它部分参数可查附表1-1取值如下：
ε=0.9，A=2.34，B=cosα=cos30°=0.866，C=0.5，Uk%=5。
则U2=。
。
。
=229.15=132V。
可取U2=135V。
根据主电路接线方式，查附表1-1得KI2=I2/Id=0.816，考虑到电动机的允许过载倍数，忽略变压器初次侧间的能量损耗，则次级电流有效值应为I2=λKI2·IN=1.5×0.816×12=14.688A。
根据变压器特性，即m1U1I1=m2U2I2。
取m1=m2=3，则U1I1=U2I2，故整流变压器容量为S=<1/2）综上，整流变压器容量可取为6kVA，型号可选为S9-6/0.38。
2.整流晶闸管参数计算与选型
已知本设计采用的是三相桥式整流电路，则在阻感负载中晶闸管承受的最大电压<考虑到2~3倍裕量）：
URM=<2~3）·2.45U2=<2~3）×2.45×135=661V~993V。
取为URM=800V。
又已知直流电动机过载倍数为λ=1.5，则电路中允许流过的最大电流为：
Idmax=λIdN=1.5×12=18A
故晶闸管应能承受的电流有效值：
IVT=Idmax/1.732=18/1.732=11A
故晶闸管额定电流<考虑到1.5~2倍裕量）：
IT可取为IT综上，晶闸管型号可选为：
KP-10。
查附表1-2可得KP-10型晶闸管主要参数：
额定电压：
800V；额定电流：
10A；门极触发电压：
≤2.5V；门极触发电流5mA~45mA。
则晶闸管整流装置放大系数为KS=220/2.5=88。
1.3.2其它元器件参数计算与选取
其它元器件参数计算与选型包括平波电抗器参数计算与选取及滤波电容器参数计算与选取。
1.平波电抗器参数计算与选取
为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出回路串入带有气隙的铁心电抗器Ld，称为平波电抗器。
平波电抗器的参数计算主要是计算在保证电流连续和输出电流脉动系数达到一定要求时所需要的平波电抗器的电感值。
<1）计算维持输出电流连续的电感值
当控制角较大，负载电流很小或者平波电抗器Ld不够大时，负载电流id会出现断续。
电流断续使晶闸管导通角减小，机械特性明显变软，电机工作甚至不稳定，这是应该尽量避免的。
要使电流在整个工作区域保持连续，必须使临界电流Idk小于或等于最小负载电流Idmin（一般可取额定电流的5%>。
把满足电流连续的最小电感量称为临界电感。
临界电感的计算公式为：
L1=K1U2Φ/Idmin式中，K1为考虑不同电路时临界电感的计算系数。
K1值可通过查附表1-1得到。
对于本设计采用的三相全控桥，取K1=0.693。
则满足电流连续的临界电感为L1=K1U2Φ/Idmin=0.693×380/<12×0.05）=438.9mH。
<2）计算限制输出电流脉动的电感值
晶闸管整流装置的输出电压可以分解成一个恒定直流分量和一个交流分量，通常负载需要的只是直流分量，对电机负载来说，过大的交流分量会使电机换向恶化和因铁心损耗增大而引起电机过热。
拟制交流分量的有效办法是串接平波电抗器，使交流分量基本降落在电抗器上，而负载上能够得到比较恒定的直流电压和电流。
满足一定脉动要求时的临界电感量为L2=式中，fd为输出最低频率分量的最低值；Si为给定的允许电流脉动系数。
对于本设计采用的三相全控桥，查附表1-1可得：
UdM/U2Φ=0.46，fd=300Hz。
通常在三相电路中，电流脉动系数可取Si<5%~10%。
则限制输出电流脉动的电感值L2>综合<1）<2），则平波电抗器电感值可取为Ld=450mH。
但由以上公式计算得到的电感值均是电路总电感，其中包括负载电动机的电感LD与变压器漏感LB,因此外接平波器电抗器Ld应减去LD和LB。
电动机电感LD值按下式计算：
LD=KD·UeD·103/<2p·neD·IeD）式中，UeD、IeD、neD为直流电机的额定电压、额定电流与额定转速；P为电机极对数；KD为计算系数，一般无补偿电机KD=8~12。
则电动机电感LD=KD·UeD·103/<2p·neD·IeD）=<8~12）×220×103/<2×1×1500×12）可取LD=50mH。
考虑到变压器漏感一般很小，故忽略变压器漏感。
则三相全控桥整流器输出串接平波电抗器的电感量为Ld=L1−（2LB+LD>≈L1-LD=400mH。
2.滤波电容器参数计算与选型
桥式整流电路的滤波电容取值在工程设计中，一般由两个切入点来计算。
一是根据电容由整流电源充电与对负载电阻放电的周期，再乘上一个系数来确定的，另一个切入点是根据电源滤波输出的波纹系数来计算的，无论是采用那个切入点来计算滤波电容都需要依据桥式整流的最大输出电压和电流这两个数值。
通常比较多的是根据电源滤波输出波纹系数这个公式来计算滤波电容。
C≥0.289/式中，0.289是由半波阻性负载整流电路的波纹系数推演来的常数；fp是整流电路的脉冲频率；Uomax是整流电路最大输出电压；Iomax是整流电路最大输出电流；Su是电压纹波系数。
对于本设计采用的三相全控桥整流电路，输出电压220V，输出电流12A，波纹系数取8%，滤波电容为C≥0.289/取C=1000μF。
第三章调节器设计
本设计采用工程设计方法来设计转速、电流反馈控制直流调速系统的调节器。
原则是先内环后外环。
即先进行电流环的设计，再进行转速环的设计。
（一）电流调节器设计
1.确定时间常数。
<1）整流装置滞后时间常数TS：
由附表2-1可知三相桥式电路平均失控时间TS=0.0017s。
<2）电流滤波时间常数Toi：
三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有<1~2）Toi=3.33ms，故取Toi=2ms=0.002s。
<3）电流环小时间常数之和TΣi：
按小时间常数近似处理，取TΣi=TS+Toi=0.0037s。
<4）电磁时间常数Tl：
已知直流电动机电感为LD=50mH，则电磁时间常数Tl=Ll/R=0.050/1.2=0.0417s。
2.选择电流调节器结构。
<1）确定系统型式及其传递函数：
根据设计要求σi≤5%，并保证稳态电流无静差，可按典型I型系统设计电流调节器。
又电流环控制对象是双惯性的<电磁惯性和机械惯性），故可用PI型电流调节器，其传递函数为
<2）检查对电源电压的抗扰性能：
Tl/TΣi≈0.0417/0.0037=11.27。
参照附表2-2的典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。
故基本确定电流调节器按典型I型系统设计。
3.计算电流调节器参数。
<1）电流调节器超前时间常数：
τi=Tl=0.0417s。
<2）电流环开环增益：
要求σi≤5%时，应取KITΣi=0.5，故KI=0.5/TΣi=0.5/0.0037=135.1s-1。
又电流反馈系数β=Ui*/1.5IdN=10/1.5×12=0.5556V/A，则ACR的比例系数Ki=KIτiR/KSβ=135.1×0.0417×1.2/88×0.5556=0.138。
4.校验近似条件。
<1）电流环截止频率：
ωci=KI=135.1s-1。
故
<2）校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件：
1/3TS=1/3×0.0017=196.1s-1>ωci。
满足近似条件。
<3）校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：
3√<1/TmTl）=3×√<1/0.03×0.0417）=84.8<ωci。
满足近似条件。
<4）校验电流环小时间常数近似处理条件：
1/3√<1/TSToi）=1/3×√<1/0.0017×0.002）=180.8>ωci。
满足近似条件。
5.计算调节器电阻和电容。
电流调节器原理图如图2-1所示。
按所用运算放大器取R0=40Ω，各电阻和电容值计算如下：
Ri=KiR0=0.138×40=5.52Ω。
取6Ω
Ci=τi/Ri=0.0417/6=6.59μF。
取6.6μF
Coi=4Toi/R0=4×0.002/40=0.2μF。
取0.2μF
按照上述参数，电流环可达到的动态跟随性能指标为：
σi=4.3%<5%<见附表2-2）。
满足设计要求。
图2-1电流调节器原理图
（二）转速调节器设计
1.确定时间常数。
<1）电流环等效时间常数1/KI：
已取KITΣi=0.5，故1/KI=2×0.0037=0.0074s。
<2）转速滤波时间常数Ton：
根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.01s。
<3）转速小时间常数TΣn：
按小时间常数近似处理，取TΣn=1/KI+Ton=0.0074+0.01=0.0174s。
2.选择转速调节器结构。
<1）确定系统型式及其传递函数：
按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为
3.计算转速调节器参数。
按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则
<1）ASR的超前时间常数为：
τn=hTΣn=5×0.0174=0.087s。
<2）转速环开环增益为：
KN=又转速反馈系数α=Un*/nN=10/1500=0.0067V/rpm，则
<3）ASR比例系数为：
Kn=4.校验近似条件。
<1）转速截止频率：
ωci=KN/ω1=KNτn=396.4×0.087=34.5s-1。
故
<2）校验电流环传递函数简化条件：
<1/3）√ωcn。
满足简化条件。
<3）校验转速环小时间常数近似处理条件：
<1/3）/√ωcn。
满足近似条件。
5.计算调节器电阻和电容。
转速调节器原理图如图2-2所示。
取R0=40Ω。
则
Rn=KnR0=18.9×40=756Ω
Cn=τn/Rn=0.087/756=0.115μF
Con=4Ton/R0=4×0.01/40=1μF
图2-2转速调节器原理图
6.校核转速超调量。
当h=5时，查附表2-3，得σn=37.6%，不能满足设计要求。
实际上，由于附表2-3是按线性系统计算的，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。
设理想空载启动时z=0，当h=5时，查附表2-4得△Cmax/Cb=81.2%，则σn=2×81.2%×1.5×<<12×1.2/0.137）/1500）×<0.0174/0.03）=9.91%<10%。
能满足设计要求。
第四章触发器设计
本设计采用集成触发器。
三个KJ004集成块和一个KJ401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。
如图3-1所示。
第五章反馈环节、保护电路及其它电路设计
（一）反馈环节设计
4.1.1转速反馈环节设计
转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信号。
转速检测电路主要由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统。
其原理图如图4-1所示。
图4-1转速检测电路原理图
4.1.2电流反馈环节设计
电流检测电路的主要作用是获得与主电路电流成正比的电流信号，经过滤波整流后，用于控制系统中。
该电路主要由电流互感器构成，将电流互感器接于主电路中，在输出端即可获得与主电路电流成正比的电流信号，起到电气隔离的作用。
其电路原理图如图4-2所示。
图4-2电流检测电路原理图
（二）保护电路设计
本设计主要考虑晶闸管的保护。
如图4-3所示。
图4-3晶闸管保护电路图
4.2.1过电流保护电路设计
本设计采用快速熔断器安装于交流侧的过电流保护方案。
考虑在整流变压器二次侧每一相上各安装一个快速熔断器。
由前面的计算选型可知，晶闸管的最大工作电压为URM=800V。
故选取快速熔断器额定电压为UFN≥URM/2=400V。
又由前面的计算选型可知，流过晶闸管的电流有效值为IVT=11A，故选取快速熔断器额定电流为IFN≥IVT=11A，可选10A。
综上，快速熔断器型号可选为117NH-10A/400V。
4.2.2过电压保护电路设计
本设计采用电阻和电容并联于晶闸管的过电压保护方案。
下面进行电阻和电容的参数计算和选型。
由经验公式：
C=<2~4）IT×10-3<μF）
R=10Ω~30Ω
PR=<1/2）CUm2
得：
C=<2~4）IT×10-3=<2~4）×10×10-3=<20~40）nF
PR=<1/2）CUm2=<1/2）×0.04×10-6×1352=3.645×10-4J
由于一个周期晶闸管充放电各一次，因此：
2PR=2×3.645×10-4=7.29×10-4J
P功率选择留5～6倍裕量：
P=<5~6）P综上，电阻R选择阻值为10Ω~30Ω,功率为0.5W的电阻。
电容C选择容量为40nF的电容。
（三）其它电路设计
4.3.1转速给定器设计
转速给定电路主要由滑动变阻器构成，调节滑动变阻器即可获得相应大小的给定信号。
转速给定电路可以产生幅值可调和极性可变的阶跃给定电压或可平滑调节的给定电压。
其电路原理图如图4-4所示。
图4-4转速给定电路原理图
4.3.2零速封锁器设计
零速封锁器的作用是当系统处于停车状态时，即给定电压为零，同时电动机转速也为零时，将系统中所有调节器锁零，以避免停车时，由于各调节器的零点漂移，致使晶闸管整流电路有微量的输出，从而使电动机出现窜动现象。
出于成本及性能已能满足要求考虑，本设计将不涉及零速封锁器的设计。
第六章系统仿真
（一）仿真模型建立
已经建立的仿真模型如图5-1。
给定器方面：
模块Un*仿真转速给定，模块TL仿真负载给定。
调节器方面：
放大器模块KnK、KnI以及积分模块In如图构成ASR；放大器模块KiK、KiI以及积分模块Ii如图构成ACR。
电动机方面：
模块M仿真直流电动机的机械部分，模块E仿真直流电动机的电磁部分，则模块M、E构成直流电动机主要部分，经过1/Ce则得到直流电动机转速。
反馈环方面：
模块IF和模块nF分别仿真电流反馈和转速反馈。
其它方面：
Sn和Si分别为ASR和ACR的限幅；而Dn和Di则分别仿真ASR和ACR的滞后效应。
图5-1电流转速双闭环直流调速系统仿真模型
（二）仿真参数输入
5.2.1给定器仿真模块参数设置
1.转速给定仿真模块Un*
Steptime=0
Initialvalue=0
Finalvalue=10
Sampletime=0
其它默认。
2.负载给定仿真模块TL
Steptime=0
Initialvalue=0
Finalvalue=10
Sampletime=0
其它默认。
5.2.2调节器仿真模块参数设置
1.电流调节器
放大器KiK积分器上下限设为±10。
2.转速调节器
放大器KnK积分器上下限设为±10。
5.5.3直流电动机仿真模块参数设置
1.电磁部分
E2.机械部分
M3.转速部分
1/Ce=1/0.1371。
5.5.4反馈环仿真模块参数设置
1.电流反馈环
IF2.转速反馈环
nF5.5.5其它仿真模块参数设置
1.限幅
上下限均设置为±10。
2.滞后
Di1Di2Dn（三）仿真结果输出
仿真结果如图5-2。
图5-2转速n与电流Id仿真曲线
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