VM双闭环不可逆直流调速系统设计个人制作Word文档格式.docx
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调节器参数整定或程序设计
10
20
主电路
控制电路
总图
2011年1月
摘要
电力拖动自动控制系统是把电能转换成机械能的装置，它被广泛地应用于一般生产机械需要动力的场合，也被广泛应用于精密机械等需要高性能电气传动的设备中，用以控制位置、速度、加速度、压力、张力和转矩等。
本文所论述的是“转速、电流双闭环直流调速系统转述单闭环直流调速系统的主电路设计与研究”。
主电路设计是依据晶闸管-电动机（V—M）系统组成，其系统由整流变压器TR、晶闸管整流调速装置、平波电抗器L和电动机-发电机组等组成。
整流变压器TR和晶闸管整流调速装置的功能是将输入的交流电整流后变成直流电；
平波电抗器L的功能是使输出的直流电流更平滑；
电动机-发电机组提供三相交流电源。
关键字：
直流调速晶闸管双闭环
第一章绪论
直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一。
广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中。
它通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速，传统的控制系统采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等，在一定程度上满足了生产要求。
直流电动机和交流电动机相比，其制造工艺复杂，生产成本高．维修困难，需备有直流电源才能使用。
但因直流电动机具有宽广的调速范围，平滑的调速特性，较高的过载能力和较大的起动、制动转矩，因此被广泛地应用于调速性能要求较高的场合。
在工业生产中，需要高性能速度控制的电力拖动场合，直流调速系统发挥着极为重要的作用，高精度金属切削机床，大型起重设备、轧钢机、矿井卷扬、城市电车等领域都广泛采用直流电动机拖动。
特别是晶闸管一直流电动机拖动系统，、具有自动化程度高、控制性能好、起动转矩大，易于实现无级调速等优点而被广泛应用。
本文主要是根据三相全波全控整流电路的原理，选择合适的变压器、晶闸管、平波电抗器以及晶闸管保护、触发电路，组成整流电路。
第二章课程设计任务与要求
2.1课程设计简介
某电动拖车，V-M双闭环不可逆直流调速系统，技术要求：
1．该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作。
2．系统静特性良好，无静差（静差率s≤0.2）。
3．动态性能指标：
转速超调量δn＜8%，电流超调量δi＜5%，动态速降Δn≤8-10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤1s。
4．系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续。
5．调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。
2.2课程设计基本要求
1．根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图。
2．调速系统主电路元部件的确定及其参数计算（包括有变压器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等）。
3．驱动控制电路的选型设计（模拟触发电路、集成触发电路、数字触发器电路均可）。
4．动态设计计算：
根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。
5．绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图）。
6．整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。
技术数据：
晶闸管整流装置：
Rrec=0.032ΩΩ，Ks=45-48。
负载电机额定数据：
PN=90KW，UN=440V，IN=220A，nN=1800r/min，Ra=0.088Ω，λ=1.5。
系统主电路：
R∑=0.12Ω，Tm=0.1s。
第三章 控制系统设计
3.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成
如图3-1所示，转速调速器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。
从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；
转速环在外边，称作外环，这就形成了转速、电流双闭环系统。
图3-1调速、电流双闭环直流调速系统
为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图3-2所示。
图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们电力电子变换器的控制电压Uc为正压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。
图3-2双闭环直流调速系统电路原理图
3.2双闭环直流调速系统的动态数学模型
在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构框图，如图3-3所示。
图3-3双闭环直流调速系统的动态结构框图
3.3 系统的设计
按照“先内环后外环”的设计原则，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。
3.3.1 电流调节器的设计
一、电流环结构框图的化简
在图3-3点画线框内的电流环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。
实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流环的影响。
在一般情况下，系统的电磁时间常数Tl远小于机电时间常数Tm,因此，转速的变化往往比电流变化慢的多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为电动势基本不变，即ΔE≈0。
这样，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，可以暂且把反电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构款图，如图3-4所示。
图3-4忽略反电动势的电流环动态结构框图
如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效的移到环内，同时把给定信号给成Ui*（s）/β，则电流环便等效成单位负反馈系统。
最后，由于Ts和Toi一般都比Tl小得多，可以当作小惯性而近似的看作一个惯性环节，其时间常数为T∑i=Ts+Toi,则电流环结构框图最终简化成图3-5所示。
图3-5小惯性环节近似处理后的电流环动态结构框图
二、电流调节器结构的选择
首先考虑应把电流环校正成哪一类典型系统。
从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由3-5可以看出，采用I型系统就够了。
再从动态要求上看，实际系统部允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素。
为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型I型系统。
图3-5表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成
WACR（s）=
则电流环的动态结构框图便成为图3-6所示的典型形式，其中
KI=
图3-6校正成典型I型系统的电流环动态结构框图
三、电流调节器的实现
含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器原理图如图3-7所示：
图3-7模拟式PI型电流调节器原理图
四、电流调节器的参数计算
根据已知数据得
电机额定电流：
IN=PN/Un=90000/440=204.545（A）
电机电动势常数：
Ce=（Un-INRa）/nN=（440-204.545x0.08）/1800=0.2435（V.min/r）
电枢电流：
IdN=IN=204.545（A）
主电路总电感：
L=0.639Ud/Idmin=（0.639*440）/20.4545=13.74563mH=0.0137H
（Idmin=10%IdN）
1.确定时间常数
1）电磁时间常数:
Tl=L/R∑=0.031416（S）。
2）三相桥式晶闸管整流电路的平均滞后时间Ts=0.0017s，取电流反馈滤波时间常数Toi=0.002s,可得电流环的小时间常数为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δi＜5%，并保证静态电流无差，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，因此可用PI型电流调节器。
检查对电源电压的抗扰性能：
Tl/T∑i=0.031416/0.0037=8.11,参照典型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。
3.计算电流调节器的参数
电流调节器超前时间常数：
τi=Tl=0.03s
电流环开环增益：
要求δi＜5%时，按表3-1，应取KIT∑i=0.5，因此
KI=0.5/T∑i=0.5/0.0037=135.1s-1
表3-1典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系
参数关系KT
0.25
0.39
0.50
0.69
1.0
阻尼比ε
0.8
0.707
0.6
0.5
超调量σ
0%
1.5%
4.3%
9.5%
16.3%
上升时间tr
∞
6.6T
4.7T
3.3T
2.4T
峰值时间tp
8.3T
6.2T
3.6T
相角稳定裕度
76.3°
69.9°
65.5°
59.2°
51.8°
截止频率ωc
0.243/T
0.367/T
0.455/T
0.596/T
0.786/T
于是，ACR的比例系数为
Ki=（KIτiR）/（Ksβ）=1.013
4.校验近似条件
电流环截止频率：
ωci=KI=135.1S-1
1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件
Ts=196.1S-1>
ωci，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
=40.82S-1<
3）电流环小时间常数近似处理条件
=180.8S-1>
5.计算调节器电阻和电容
由图3-7，按所用运算放大器取R0=40KΩ,各电阻和电容值为
Ri=KiR0=40.52KΩ,取40KΩ
Ci=
=0.75x10-6F,取0.75μF
Coi=
=0.2x10-6F，取0.2μF
按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为σi=4.3%，满足设计
要求。
3.3.2 转速调节器的设计
一、转速环结构框图的化简
用电流环的等效环节代替图3-3中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构框图如图3-8所示。
图3-8用等效环节代替电流环后的转速环动态结构框图
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Un*（s）/α，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T∑n=
+Ton，则转速环结构框图可简化图3-9。
图3-9等效成单位负反馈系统和小惯性近似处理后的转速环动态结构框图
二、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。
至于其阶跃响应超调量较大，那是按照线性系统理论计算的数据，实际系统中调速调节器的饱和非线性性质会使超调量大大降低。
由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为
WASR（s）=
不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构框图如图3-10所示。
图3-10校正后成为典型Ⅱ系统的转速环动态结构框图
三、转速调节器的实现
含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器原理图如图3-11所示。
图3-11含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器
四、转速调节器的参数计算
1）电流环等效时间常数1/KI:
=2T∑i=2x0.0037s=0.0074s
2）转速滤波时间常数Ton：
根据所用测速发动机纹波情况，取Ton=0.01S
3）转速环小时间常数：
按小时间常数近似处理，取
T∑i=
+Ton=0.0074s+0.01s=0.0174s
2.计算转速调节器结构
按跟随和抗扰性能都较好的原则，参考表3-2取h=5,则ASR的超前时间常数为
表3-2典型Ⅱ型系统系统阶跃输入跟随性能指标
h
6
9
σ
52.6%
43.6%
37.6%
33.2%
29.8%
27.2%
25.0%
23.3%
tr/T
2.40
2.65
2.85
3.0
3.1
3.2
3.3
3.5
ts/T
12.15
11.65
9.55
10.45
11.30
12.25
13.25
14.20
k
2
1
n=hT∑n=5x0.0174=0.087s
转速环开环增益
KN=
=396.4S-2
ASR的比例系数为
Kn=
=11.7
3.检验近似条件
转速环截止频率为
Wcn=
=34.5s-2
1）电流环传递函数简化条件为
=63.7S-1>
ωcn,满足简化条件
2）转速环小时间常数近似处理条件为
=38.7S-1>
ωcn,满足近似条件
3．计算调节器电阻和电容
根据图3-11，取R0=40KΩ,则
Rn=KnR0=468KΩ,取470KΩ
Cn=
=0.185x10-6F,取0.2μF
Con=
=1x10-6F，取1μF
第四章心得体会
这次电力拖动自动控制系统历时两个星期，在做这次课程设计期间遇到了很多问题，有关于设计的专业知识问题，也有软件使用上的问题，虽然网上查了不少资料，也查阅了一些书籍，但是并没有得到较好的解决，后来通过老师和同学的帮忙，终于完成了设计。
在实际的设计过程中，能把理论中所学的知识灵活地运用起来，并能在设计中遇到各种各样的问题，这样的设计提高了我们解决问题的能力，学会了在设计中独立解决问题，也包括怎样去查找问题，所有的事都得自己亲手去设计、翻阅资料才会在脑海中留下深刻的印象。
这个课程设计让我对Word这款软件使用的更加熟悉，特别是公式方面的输入技巧，更加深了我对双闭环直流调速系统的认识和理解。
学习是没有止境的。
在做这个课程设计之前，我一直以为自己的理论知识学的很好了。
但是在完成这个设计的时候，我总是被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。
最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。
并且我在做设计的过程中发现有很多东西，我都还不知道。
其实在计算设计的时候，基础是一个不可缺少的知识，但是往往一些核心的高层次的东西更是不可缺少。
参考文献
[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统（第三版）.北京:
机械工业出版社，2003
[2]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：
机械工业出版社，2006
[3]黄俊.电力电子变流技术.北京：
机械工业出版社，2002
[4]赵明.直流调速系统.北京:
机械工业出版社，1998
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