双闭环不可逆直流调速系统设计.doc
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题目：
双闭环不可逆直流调速系统设计
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设
计
依
据
1.该调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽地转速调速范围（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≤2%）；
3.动态性能指标：
转速超调量δn<8%，电流超调量δi<5%，动态最大转速降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。
6.电力电子变流电路采用晶闸管构成的三相可控整流电路。
第十三组：
晶闸管整流装置：
Rrec=0.2Ω，Ks=70。
负载电机额定数据：
PN=44kW，UN=480V，IN=90A，nN=1600r/min，Ra=0.3Ω，λ＝1.7。
系统总电阻RΣ=0.8Ω，Tm=0.47S。
设
计
要
求
及
主
要
内
容
1.根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构形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（包括整流变压器、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调节器的结构形式及进行参数计算，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电气原理总图（要求用计算机绘图）。
（建立传递函数方框图），并研究参数变化时对直流电机动态性能的影响。
6.整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。
参
考
资
料
1.陈伯时主编。
电力拖动自动控制系统——运动控制系统（第3版）北京：
机械出版社，2003.7
2.机械工程手册、电机工程手册编辑委员会，电机工程手册第九卷自动控制系统，机械工业出版社，1982
3.朱仁初、万伯任，电力拖动系统设计手册，机械工业出版社，1994
指导教
师签字
日期
摘要 5
1双闭环直流调速系统 6
1.1闭环调速系统的组成 6
1.2转速﹑电流双闭环直流调速系统的组成 6
1.3双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性 7
1．4双闭环直流调速系统的数学模型 8
2转速调节器、电流调节器 9
2.1双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形 9
2.2转速调节器的作用 10
2.3电流调节器的作用 10
3双闭环调速系统的主电路各器件的选择和计算 11
3.1变流变压器二次相电压有效值的计算 11
3.2 变流变压器容量的计算：
12
取为40KVA。
型号为SG-40 13
3.3 晶闸管的电流、电压定额计算 13
3.4晶闸管额定电流（AV） 13
3.5直流侧电抗器的设计 13
3.6限制输出电流脉动的电感量的计算 13
3.7变流器在最小输出电流时仍能维持电流连续时电抗器电感量按下式计算 14
3.8整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感按下式计算 14
3.9电动机电枢电感量按下式计算 15
3.10直流侧电抗器电感量L计算如下 15
为和中较大者的值，所以：
15
4保护电路的设计计算 15
4.1过电压保护：
15
4.2过电流保护 18
5电流调节器的设计 18
5.1计算电流调节器参数 18
5.2选择电流调节器的结构 18
5.3计算电流调节器参数 19
5.4效验近似条件 19
5.5计算调节器电阻及电容 19
6转速调节器的设计 20
6.1确定时间常数 20
6.2计算调节器参数 20
6.3检验近似条件 21
6.3校核转速超调量 21
7MATLABSimulink仿真 22
7.1转速仿真图与分析 23
7.2电枢电流仿真图与分析 24
8设计总结 25
9参考文献 26
摘要
许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。
而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。
双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。
它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。
我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。
采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。
本设计根据设计要求确定调速方案和主电路的结构形式，主电路和闭环系统确定下来后，对电路各元件参数的计算和器件的选型，包括整流变压器、整流元件、平波电抗器、保护电路以及电流和转速调节器的参数计算。
关键词：
双闭环直流调速，转速调节器，电流调节器
1双闭环直流调速系统
1.1闭环调速系统的组成
根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。
调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统可以大大减少转速降落。
图1.1带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图
1.2转速﹑电流双闭环直流调速系统的组成
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图1.2所示，即把转速调节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晶闸管整流器的触发装置。
从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。
这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。
该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。
因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。
一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。
图1.2转速、电流反馈控制直流调速系统原理图
1.3双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性
首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图3所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳太特征。
一般存在两种状况：
饱和——输出达到限幅值；不饱和——输出未达到限幅值。
当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。
当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳太时总是为零。
Ks
a
1/Ce
U*n
Uct
Id
E
n
Ud0
Un
+
+
-
ASR
+
U*i
-IdR
R
b
ACR
-
Ui
UPE
图1.3双闭环直流调速系统的稳态结构图
实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。
因此，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。
1．4双闭环直流调速系统的数学模型
双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。
双闭环直流调速系统的动态结构框图如图1.4所示。
图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。
为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流显露出来。
U*n
a
Uct
-IdL
n
Ud0
Un
+
-
-
b
-
Ui
WASR（s）
WACR（s）
Ks
Tss+1
1/R
Tls+1
R
Tms
U*i
Id
1/Ce
+
E
图1.4双闭环直流调速系统的动态结构图
实际上，双闭环调速系统在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。
因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。
（1）转速调节器不饱和
在正常情况下，两个调节器都不饱和，稳态时，依靠调节器的调节作用，它们的输入偏差电压都是零，因此系统具有绝对硬的静特性，即
由第一个关系式可得
（3-1）
从而得到图3.3所示静特性的CA段。
由于ASR不饱和，，从上述第二个关系式可知。
这表明，CA段特性从理想空载状态的一直延续到，而一般都是大于电动机的额定电流的。
这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。
（2）转速调节器饱和
当电动机的负载电流上升时，转速调节器的输出也将上升，当上升到某一数值（）时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。
双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。
稳态时
（3-2）
其中，最大电流Idm是由设计者选定的，取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。
所描述的静特性对应于图1.5中的AB段，它是一条垂直的特性。
这样的下垂特性只适合于的情况，因为如果，则，ASR将退出饱和状态。
由以上分析可知，双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。
当负载电流达到时，对应于转速调节器ASR的饱和输出，这时，电流调节器ACR起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。
这就是采用了两个PI调节器分别形成内﹑外两个闭环的效果。
这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性要强得多。
然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大。
静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图1.5中的虚线。
总之，双闭环系统在突加给定信号的过渡过程中表现为恒值电流调节系统，在稳定和接近稳定运行中表现为无静差调速系统，发挥了转速和电流两个调节器的作用，获得了良好的静、动态品质。
图1.5双闭环直流调速系统的静特性
2转速调节器、电流调节器
2.1双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形
图2.1为突加给定电压U*n时，双闭环直流调速系统在带负载IdL条件下起动过程的电流波形和转速波形。
图2.1起动过程的电流波形和转速波形
在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和（I）、饱和（II）、退饱和（III）三个阶段。
第I阶段电流上升的阶段（0--t1）
突加给定电压U*n后，Id上升，当Id小于负载电流IdL时，电机还不能转动。
当Id≥IdL后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，ASR输入偏差电压仍较大，ASR很快进入饱和状态，而ACR一般不饱和。
直到Id=Idm，Ui=U*im。
特点：
ASR由不饱和进入饱和状态，转速增加较慢、电流快速上升到Idm。
第II阶段恒流升速阶段（t1--t2）
ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统为在恒值电流U*im给定下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长，直到n=n*。
电机的反电动势E也按线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，Ud0和Uc也必须基本上按线性增长，才能保持Id恒定。
当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，Id应略低于Idm。
特点：
ASR处于饱和状态－－转速环开环；电流无静差系统；转速线性上升；Id略小于Idm
第Ⅲ阶段转速调节阶段（t2以后）
ASR和ACR都不饱和，ASR起主导作用，ACR力图使Id尽快地跟随U*i，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。
当n=n*时，ASR输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值U*im，所以电机仍在加速，使n>n*。
ASR输入偏差电压变负，开始退出饱和，U*i和Id很快下降。
但是，只要Id仍大于负载电流IdL，转速就继续上升。
直到Id=IdL时，转矩Te=TL，则dn/dt=0，转速n才到达峰值（t=t3时）。
此后，电动机在负载的阻力下减速，在一小段时间内（t3~t4），Id如果调节器参数整定得不够好，会有振荡过程。
特点：
ASR不饱和，起主要调节作用；ACR起跟随作用；转速有超调。
起动过程的三个特点：
（1）饱和非线性控制；
（2）转速超调；（3）准时间最优控制（有限制条件的最短时间控制）
2.2转速调节器的作用
使转速n跟随给定电压变化，当偏差电压为零时，实现稳态无静差；对负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定允许的最大电流。
2.3电流调节器的作用
在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压变化；对电网电压波动起及时抗扰作用；起动时保证获得允许的最大电流，使系统获得最大加速度起动；当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起大快速的安全保护作用。
当故障消失时，系统能够自动恢复正常。
3双闭环调速系统的主电路各器件的选择和计算
3.1变流变压器二次相电压有效值的计算
一般情况下，晶闸管变流装置所要求的交流供电电压与电网电压是不一致的，所以需要用变流变压器。
通过此变压器进行电压变换，并使装置与电网隔离，减少了电网与晶闸管变流装置的互相干扰，为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后，晶闸管交流侧的电压只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器次级电压。
精确计算要考虑一下因素：
1）不同主电路接线方式和负载性质。
2）电网电压波动。
3）变压器的漏抗。
4）最大过载电流时，包括电动机电阻等的压降。
其中=90*（0.8-0.3）/480Ω=0.09375Ω
，，，
=355.33V
（应取360V）
表1变流变压器的计算系数
整流电路
单相双半波
单相半控桥
单相全控桥
三相半波
三相半控桥
三相全控桥
带平衡电抗器的双反星形
0.9
0.9
0.9
1.17
2.34
2.34
1.17
C
0.707
0.707
0.707
0.866
0.5
0.5
0.5
0.707
1
1
0.578
0.816
0.816
0.289
3.2 变流变压器容量的计算：
m1=m2=3
式中，为各种接线形式时变压器次级电流有效值和负载电流平均值之比，对于本设计取0.816,且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗。
）
所以
取为40KVA。
型号为SG-40
3.3 晶闸管的电流、电压定额计算
晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压Um，考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽2~3倍的安全系数，即按下式选取
，对于本设计，
3.4晶闸管额定电流（AV）
为使晶闸管元件不因过热而损坏，需要按电流的有效值来计算其电流额定值。
即必须使元件的额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。
可按下式计算：
晶闸管额定电流取120A。
3.5直流侧电抗器的设计
直流侧电抗器的主要作用为限制直流电流脉动；轻载或空载时维持电流连续；在有环流可逆系统中限制环流；限制直流侧短路电流上升率。
3.6限制输出电流脉动的电感量的计算
由相关数据得：
所以，
3.7变流器在最小输出电流时仍能维持电流连续时电抗器电感量按下式计算
是与整流主电路形式有关的系数，三相全控桥取0.693
取5%
则
3.8整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感按下式计算
—变压器次级相电压有效值
—晶闸管装置直流侧的额定负载电流
—与整流主电路形式有关的系数
对于本设计，=3.9，U
则
3.9电动机电枢电感量按下式计算
式中，、为电动机额定电压和额定电流；n和p为电动机的额定转速和磁极对为计算系数，对有补偿电动机取5~6。
则
所以，=
3.10直流侧电抗器电感量L计算如下
为和中较大者的值，所以：
则
根据本设计所选电抗器电感量L取20mH。
所以：
4保护电路的设计计算
4.1过电压保护：
①交流侧过电压的保护
采用RC过电压抑制电路如图3所示，在变压器次级并联RC电路，以吸收变压器铁心的磁场释放的能量，并把它转换为电容器的电场能而存储起来，串联电阻是为了在能量转换过程中可以消耗一部分能量并且抑制LC回路可能产生的震荡。
本设计采用三相全控桥整流电路，变压器的绕组为△—Y联结，阻容保护装置采用三角形接法，故可按下式计算阻容保护元件的参数:
取60
取10
表2不同联结时的值
变压器联接型式
电容器三角形联结值
电容器星型联结值
Y/Y,初级中点不接地
150
450
Y/Δ,初级中点不接地
300
900
所有其他接法
900
2700
②直流侧的过电压保护
整流器直流侧在快速开关断开或桥臂快速熔断等情况，也会在A、B之间产生过电压，可以用非线性元气件抑制过电压，本设计压敏电阻设计来解决过电压时（击穿后），正常工作时漏电流小、损耗低，而泄放冲击电流能力强，抑制过电压能力强，除此之外，它对冲击电压反应快，体积又比较小，故应用广泛。
其电路图如右图3.2所示。
图4.1压敏电阻保护电路
③晶闸管换相过电压保护
晶闸管对过电压很敏感，当正向电压超过其断态重复峰值值电压一定值时，就会误导通，引发电路故障；当外加的反向电压超过其反向重复峰值电压一定值时，晶闸管将会立即损坏。
因此，必须研究过电压的产生原因及抑制过电压的方法。
过电压产生的原因主要是供给的电压功率或系统的储能发生了激烈的变化，使得系统来不及转换，或者系统中原来积聚的电磁能量不能及时消散而造成的。
图4.2阻容吸收回路
取0.5uF
所以取2
4.2过电流保护
①变压器一次侧保护
图4.3一次侧过电流保护电路
由之前计算可知：
熔断器保护取70A
②晶闸管保护
晶闸管不仅有过电压保护，还需要过电流保护。
由于半导体器件体积小、热容量小，特别像晶闸管这类高电压、大电流的功率器件，结温必须受到严格的控制，否则将遭至彻底损坏。
当晶闸管中流过的大于额定值的电流时，热量来不及散发，使得结温迅速升高，最终将导致结层被烧坏。
晶闸管过电流保护方法中最常用的是快速熔断器。
快速熔断器由银质熔丝埋于石英砂内，熔断时间极短，可以用来保护晶闸管。
5电流调节器的设计
5.1计算电流调节器参数
平均失控时间：
5.2选择电流调节器的结构
根据设计要求，并保证稳态电流无误差，可按典型行系统设计电流调节器。
5.3计算电流调节器参数
电流调节器超前时间常数：
电流环开环增益：
要求时，应取
因此
电流反馈系数：
于是，ACR的比例系数为：
5.4效验近似条件
电流环截止频率：
（以上三个系数都满足要求）
5.5计算调节器电阻及电容
按所用运算放大器取，各电阻和电容值为：
取27
取1
取0.2
按照上诉参数，根据典型I型动态跟随性能指标和频域指标参数的关系（具体见下表）可知σ＝4.3%＜σ=5%，满足设计要求。
参数关系KT
0.25
0.39
0.50
0.69
1.0
阻尼比ξ
1.0
0.8
0.707
0.6
0.5
超调量δ
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
4.7T
3.6T
相对稳定裕度γ
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
6转速调节器的设计
6.1确定时间常数
1）电流环等效时间常数1/KI：
已取KIT∑i=0.5，则1/KI=2T∑i=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）按小时间近似处理,T∑n=1/KI+Ton=0.0074+0.01=0.0174s
6.2计算调节器参数
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：
转数开环增益：
升级会员 