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1、.V-M 双闭环直流可逆调速系统设计1 设计任务及要求1.1 设计任务设计任务：设计V-M 双闭环直流可逆调速系统（1）技术数据直流电动机：PN=3KW,UN=220V,IN=17.5A,nN=1500r/min；Ra=1.25 堵转电流 Idbl=2IN,截止电流Idcr=1.5IN，GD2=3.53N.m2。三相全控整流装置：Ks=40,Rrec=1.3。平 波 电 抗 器：RL=0.3。电 枢 回 路 总 电 阻R=2.85 ，总 电 感L=200mH。电动势系数：(Ce=0.132V.min/r)。系统主电路：(Tm=0.16s，Tl=0.07s)。滤 波 时 间常 数：Toi=0.0
2、02s,Ton=0.01s。其 他 参 数：Unm*=10V,Uim*=10V,Ucm=10V，i5%,n10。（2）技术指标稳态指标：无静差（静差率s10%,调速范围D20）。动态指标：转速超调量n10%，电流超调量i 5%，动态速降 n 10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts0.5s。（3）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。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）。（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
3、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。绘制V-M 双闭环直流可逆调速系统的电气原理总图。1.2 设计要求（1）该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽的调速范围（D20），系统在工作范围内能稳定工作。系统静特性良好，无静差（静差率 s10%）。动态性能指标：转速超调量n10%，电流超调量 i5%，动态速降n 10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts0.5s。（3）系统在 5%负载以上变化的运行范围内电流连续。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 双闭环调速系统的总体设计2.1 双闭环调速系统的设计原理改变电枢两端的电压能使电动机改
4、变转向。尽管电枢反接需要较大容量的晶闸管装置，但是它反向过程快，由于晶闸管的单向导电性，需要可逆运行时经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，电动机正转时，由正组晶闸管装置 VF 供电；反转时，由反组晶闸管装置VR 供电。如图1 所示两组晶闸管分别由两套触发装置控制，可以做到互不干扰，都能灵活地控制电动机的可逆运行，所以本设计采用两组晶闸管反并联的方式。并且采用三相桥式整流。虽然两组晶闸管反并联的可逆V-M 系统解决了电动机的正、反转运行的问题，但是两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流，一般地说，这样的环流对负载无益，只会加重晶闸
5、管和变压器的负担，消耗功率。环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。为了防止产生直流平均环流，应该在正组处于整流状态、Udof 为正时，强迫让反组处于逆变状态、使 Udor 为负，且幅值与Udof 相等，使逆变电压Udor 把整流电压Udof 顶住，则直流平均环流为零。于是有：dofdorUU又由于：rdodorfdodofUUUUcoscosmaxmax其中，f和r分别为 VF 和 VR 的控制角。由于两组晶闸管装置相同，两组的最大输出电压maxdoU是一样的，因此，当直流平均环流为零时，应有180coscosrffr如果反组的控制角用逆变角r表示，则rr按照这样控制就可以消除环
6、流。系统设计的一般原则为：先内环后外环。即从内环开始，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。.图 1 两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路图 2 为转速、电流双闭环调速系统的原理图，图3 为双闭环调速系统的结构图。图中两个调节器ASR 和 ACR 分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把电流调节器的输出作为转速调节器的输入，再用转速调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。两个调节器的输出都是带限幅作用的。转速调节器ASR 的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值；转速调节器ASR 的输出限幅电压Ucm限制了电
7、力电子变换器的最大输出电压Udm。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。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。图 2 双闭环调速系统电路原理图+-+-MTG+-+-RP2 nU*R0 R0 Uc Ui TALId Ri Ci Ud+-R0 R0 Rn Cn ASRACRLMGTVRP1 Un U*i LMM U.图 3 双闭环调速系统结构框图2.2 主电路的设计2.2.1 主电路电气原理图及其说明主电路采用转速、电流双闭环调速系统，使电流环(ACR)作为控制系统的内环，转速环(ASR)作
8、为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。二者串级连接，即把电流调节器的输出作为转速调节器的输入，再用转速调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从而改变电机的转速。通过电流和转速反馈电路来实现电动机无静差的运行。图 4 系统电气原理框图-IdLUd0Un+-+-Ui ACR 1/RTl s+1RTmsU*i UcKsTss+1Id1Ce+ET0is+11T0is+1ASR 1T0ns+1T0ns+1U*nn.2.2.2 平波电抗器参数的计算：Ud=2.34U2cosUd=UN=220V,取=0U2=VUd0171.9434.22200cos34.2Idmin=(5%-10%)IN,这
9、里取10%则L=0.693mHIUd2308.375.171.00171.94693.0min20067.0150010*NnmnU2857.05.172102*NimIU2.2.3 变压器参数的计算变压器副边电压采用如下公式进行计算：NshTdIICUAnUUU2minmaxcos已知vUd220max，取05.0,10min,9.0,34.2,2,1UshAnvUt5.0,122CIIN。可得：VU110)105.05.09848.0(9.034.2122202因此变压器的变比近似为：45.311038021UUK一次侧和二次侧电流I1和 I2的计算I1=1.05 287 0.861/3.
10、45=75A I2=0.861 287=247A 变压器容量的计算：S1=m1U1I1=3 380 75=85.5kVA S2=m2U2I2=3 110 247=81.5kVA S=0.5 (S1+S2)=0.5 (85.5+81.5)=83.5kVA 因此整流变压器的参数为：变比K=3.45，容量S=83.5kVA 2.2.4 晶闸管元件参数的计算.晶闸管的额定电压通常选取断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。晶闸管的额定电流一般选取其通态平均电流的1.5-2倍。在桥式整流电路中晶闸管两端承受的最大正反向电压均为22U，晶闸管的额定电压一般选取其
11、最大正反向电压的2-3 倍。带反电动势负载时，变压器二次侧电流有效值I2是其输出直流电流有效值Id的一半，而对于桥式整流电路，晶闸管的通态平均电流IIvt22，则在本设计中晶闸管的额定电流IVT(AV)=523-698A，本设计中晶闸管的额定电压UN=311-466V。2.2.5 保护电路的设计对于过电压保护本设计采用RC 过电压抑制电路，该装置置于供电变压器的两侧或者是电力电子电路的直流上，如图5 所示。对于过电流保护本设计采用在电力变压器副边每相母线中串接快速熔断器的方法来保护电路。图 5 过压保护电路.3 控制及驱动电路设计晶闸管整流电路是通过控制触发角的大小，即控制触发脉冲的起始相位来
12、控制输出电压的大小。为保证整流电路的正常工作，应确保触发角的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。为简化设计过程，在本设计中采用集成触发器TC787 作为晶闸管触发电路主要元器件。TC787 具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点，而且装调简便，使用可靠。只需一片芯片即可完成三相桥式晶闸管驱动工作。驱动控制原理图如图6 所示。图 6 驱动、控制电路原理图.4 转速调节器的设计4.1 转速环结构框图的化简电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为Ui*(s),因此电流环在转速环中应等效为用电流环的等效环节代替
13、电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图7所示和电流环一样，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 U*n(s)/，再把时间常数为1/KI和 T0n的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中图 7 用等效环节代替电流环的转速环的动态结构图最后转速环结构简图为图8 所示。图 8 等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理的转速环结构框图4.2 转速环参数的计算111)()()(Icli*idsKsWsUsIn+-Un(s)ASR CeTmsRU*n(s)Id(s)T0ns+11T0ns+1U*n(s)111sKI+-IdL(s)onIn1TKT.4.2.1
14、确定时间常数（1）电流环等效时间常数1/KI。由电流环参数可知KIT i=0.5，则sTKiI0074.00037.0221（2)转速滤波时间常数Ton。根据已知条件可知Ton=0.01s（3)转速环小时间常数Tn。按小时间常数近似处理，取sTKTonIn0174.001.00074.014.2.2 选择转速调节器结构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，在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，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 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。ASR 也应该采用PI 调节器，其传递
15、函数为：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。4.2.3 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 ASR 的超前时间常数为shTnn087.00174.05转速环开环增益为：222224.3960174.052621sThhKnNASR 的比例系数为：95.100174.085.20067.05216.0132.02857.062)1(nmenRThTChK4.2.4 检验近似条件转速环截止频率为115.34087.04.396sKKnNNcn（1）电流环传递函数简化条件为17.630037.01.1353131sTKiI满足近似条件ssKsWnn
16、nASR)1()(.（2）转速环小时间常数近似处理条件为17.3801.01.1353131sTKonI满足近似条件4.2.5 计算调节器电阻和电容根据图 9，取 R0=40k，则；取kkkRKRnn4404384095.100；取FFFRCnnn2.01977.010440087.03FFFRTConon11104001.04430取图 9 含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速调节器4.2.6 校核转速超调量当h=5时，查 询 典 型 型 系 统 阶 跃 输 入 跟 随 性 能 指 标 的 表 格 可 以 看 出%6.37n，不能满足设计要求。实际上，上述表格是按照线性系统计算的，而突加阶跃给
17、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。此时超调量为：%9.816.00174.01500132.085.25.172812.02)(2*maxmnNbnTTnnzCC能满足设计要求。.5 电流调节器设计5.1 电流环结构框图的化简电流环结构图的简化分为忽略反电动势的动态影响、等效成单位负反馈系统、小惯性环节的近似处理等环节。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得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，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，即E 0。这时，电流环如图
18、10 所示。图 10 忽略反电动势动态影响的电流环动态结构图如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成 U*i(s)/，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图11 所示。图 11 等效成单位负反馈系统的电流环的动态结构图最后，由于 Ts和 T0i一般都比Tl小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是Ud0(s)+-Ui(s)ACR 1/RTl s+1U*i(s)Uc(s)Ks Tss+1Id(s)T0is+11T0is+1+-ACR Uc(s)Ks/R(Tss+1)(Tl Id(s)U*i(s)T0is+1.一个惯性环节，其时间常数为T i=Ts+Toi则电流环结构图最终简
19、化成图8 5.2 电流环参数的计算5.2.1 确定时间常数（1）整 流 装 置 滞 后 时 间 常 数Ts。按 表1，三相 桥 式 电 路 的 平 均 失 控时 间Ts=0.0017s。（2）电流滤波时间常数本设计初始条件已给出，即Toi=0.002s。(3)电流环小时间常数之和T=Ts+Toi=0.0037s 表 1 各种整流装置的失控时间5.2.2 电流调节器结构的选择从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用I 型系统就够了。从动态要求上看，实际系统不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
20、，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I 型系统。U+-ACUcKs/R Id(s)*i(s)图 8 电流环的简化结构图整流电路形式最大失控时间Tsmax（ms）平均失控时间Ts（ms）单相半波单相桥式（全波）三相半波三相桥式、六相半波20 10 6.67 3.33 10 5 3.33 1.67.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式中Ki 电流调节器的比例系数；i 电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能：9189.180037.007.0ilTT参照典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表格，可以看出各项指标都
21、是可以接受的。5.2.3 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：i=Tl=0.07s。电流环开环增益：要求i5%时，应取KIT i=0.5，因此于是，ACR 的比例系数为：3585.22857.04085.207.01.135siIiKRKK5.2.4 校验近似条件电流环截止频率：ci=KI=135.1s-1。晶闸管整流装置传递函数的近似条件：1.1960017.03131sT满足近似条件忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件3473.2807.016.01313lmTT满足近似条件电流环小时间常数近似处理条件8.180002.00017.01131oisTT11.1350037.05.0
22、5.0sTKiIssKsWiiiACR)1()(.满足近似条件5.2.5 计算调节器电阻和电容由图 12，按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为kkkRKRii9534.94403585.20取FFFRCiii75.07368.0109507.03取FFFRTCoioi2.02.01040002.04430取按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为i=4.3%5%,满足设计要求。.6 设计心得通过一个多星期的课程设计，我对这门课有了进一步的了解。学习过程中在老师的耐心指导下，有意识的培养和建立了我的思维能力，使我真正建立数据及信息流的概念，以便在控制应用中，能够使软件和硬件有
23、机地结合。转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。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。常用的电机调速系统有转速闭环控制系统和电流闭环控制系统，二者都可以在一定程度上克服开环系统造成的电动机静差率，但是不够理想。实际设计中常采用转速、电流双闭环控制系统，一般使电流环(ACR)作为控制系统的内环，转速环(ASR)作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。本文是按照工程设计的方法来设计转速和电流调节器的。使电动机满足所要求的静态和动态性能指标。电流环应以跟随性能为主，即应选用典型型系统，而转速环以抗扰性能为主，即应选用典型型系统为主。.参考文献1 陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社.2005 2 王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.2009 3 邹伯敏.自动控制理论.机械工业出版社.2003 4 章燕申.控制系统的设计与实践.清华大学出版社.1992 5 胡寿松.自动控制原理.科学出版社.2007