直流流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

1、 摘要直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能很好，具有調(diào)速范圍廣、精度高、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，所以在電氣傳動系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器, 即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR), 分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。本文對電機(jī)功率75W不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，介紹了其主電路、檢測電路的設(shè)計，詳細(xì)介紹了電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計以及一些參數(shù)的選擇和計算，使其滿足工程設(shè)計參數(shù)指標(biāo)。關(guān)鍵詞：直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 電流調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器目 錄摘 要I1設(shè)計任務(wù)與分析12調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計13直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計33.1晶閘管-電動機(jī)主電路的設(shè)計3主電路設(shè)計3 3.1.2主電路

2、參數(shù)計算.4晶閘管選擇及計算.4 3.1.4晶閘管的保護(hù).4 3.1.5平波電抗器的選擇及計算.53.2轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計5電流調(diào)節(jié)器6電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇6轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇6電流調(diào)節(jié)器設(shè)計7電流調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇73.2.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器93.2.3.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計93.2.3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇93.3轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計113.4電流檢測電路設(shè)計114轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)-原理簡述.125轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)反饋、保護(hù)及其他電路.126小結(jié)與體會147參考文獻(xiàn)141設(shè)計任務(wù)與分析直流電動機(jī)具有良好的調(diào)速性能、較高的起制動轉(zhuǎn)矩和過載能力，宜于在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，在許多需

3、要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是比較基礎(chǔ)比較容易掌握的，它可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動，突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。原因是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，采用電流負(fù)反饋就可以得到近似的恒流過程。怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)很好的解決了這個問題。轉(zhuǎn)速、電

4、流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)速特性。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律、性能特點(diǎn)和設(shè)計方法是各種交、直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，所以掌握直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)對于電力拖動控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)有很重要的作用。2調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計如圖2-2所示，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串聯(lián)連接。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出作為電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入，用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流裝置的觸發(fā)器。，從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，是內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)

5、在外面，叫做外環(huán)。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE，這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。如圖2-1所示：圖2-1 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。其原理圖如圖2-2所示：圖2-2 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由給定電壓、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、三相集成觸發(fā)器、三相全控橋、直流電動機(jī)及轉(zhuǎn)速、電流檢測裝置組成，其中主電路中串入平波電抗器，以抑制電流脈動，消除因脈動電流引起的電機(jī)發(fā)熱以及產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩對生產(chǎn)機(jī)械的不利影響。3直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)

6、計3.1晶閘管-電動機(jī)主電路的設(shè)計主電路設(shè)計 晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）主電路原理圖如圖3-1所示：圖3-1 V-M系統(tǒng)主電路原理圖圖中VT是晶閘管可控整流器，它由三相全控橋式整流電路組成，如圖3-2所示：圖3-2 三相全控橋式整流電路通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動脈沖的相位，即可改變平均整流電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。主電路參數(shù)計算直流電動機(jī)：UN=110V,IN=5A,nN=1600rmin，電樞電阻：Ra=0.2系統(tǒng)給定：Unm=Uim=10V晶閘管裝置：放大系數(shù)Ks=40電樞回路總電阻：R=2.5電流反饋系數(shù)：=UimIdm=1.33V/A, Idm=Id=1.5×

7、;5=7.5轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：=UnmnN=0.006Vmin/r濾波時間常數(shù)：Toi=0.002s,Ton=0.01s允許過載倍數(shù)：=1.5Ud=UN=110V取=0o,U2=Ud2.34cos0o×0.9×(11.2)=57.45V其中系數(shù)0.9為電網(wǎng)波動系數(shù)，系數(shù)1-1.2為考慮各種因素的安全系數(shù)，這里取1.1。電動勢系數(shù)Ce=UN-INRanN=110-5×0.21600=0.0688Vminr平波電抗器L=0.693U2Idmin=0.693×57.450.1×10=79.63mH，其中Idmin=（5%10%）IN，這里取10%晶閘管選

8、擇及計算晶閘管導(dǎo)通的條件：受正向陽極電壓，同時受正向門極電壓，一旦導(dǎo)通后，門極信號去掉后晶閘管仍導(dǎo)通。晶閘管維持導(dǎo)通的條件：繼續(xù)受正向陽極電壓，同時流過晶閘管的電流大于它的維持電流。晶閘管關(guān)斷條件：必須去掉陽極所加的正向電壓，或者給陽極施加一反電壓，或者設(shè)法使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。晶閘管參數(shù)計算如下：Ud=UN=110V取=0o,U2=Ud2.34cos0o×0.9×(11.2)=57.45VId0=UdoR=44A3.1.4晶閘管的保護(hù)： 晶閘管的保護(hù)電路，大致可以分為兩種情況：一種是在適當(dāng)?shù)牡胤桨惭b保護(hù)器件，例如，R-C阻容吸收回路、限流電感、快速

9、熔斷器、壓敏電阻或硒堆等。再一種則是采用電子保護(hù)電路，檢測設(shè)備的輸出電壓或輸入電流，當(dāng)輸出電壓或輸入電流超過允許值時，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時內(nèi)工作于有源逆變工作狀態(tài)，從而抑制過電壓或過電流的數(shù)值。 （1）晶閘管的過流保護(hù) 晶閘管設(shè)備產(chǎn)生過電流的原因可以分為兩類:一類是由于整流電路內(nèi)部原因；另一類則是整流橋負(fù)載外電路發(fā)生短路而引起的過電流，另外，如整流變壓器中心點(diǎn)接地，當(dāng)逆變負(fù)載回路接觸大地時，也會發(fā)生整流橋相對地短路。 1.對于第一類過流，即整流橋內(nèi)部原因引起的過流，以及逆變器負(fù)載回路接地時，可以采用第一種保護(hù)措施，最常見的就是接入快速熔短器的方式。2、對于第二類過流，即整流橋負(fù)載外

10、電路發(fā)生短路而引起的過電流，則應(yīng)當(dāng)采用電子電路進(jìn)行保護(hù)。 （2）晶閘管的過壓保護(hù) 晶閘管設(shè)備在運(yùn)行過程中，會受到由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。同時，設(shè)備自身運(yùn)行中以及非正常運(yùn)行中也有過電壓出現(xiàn)。 1.過電壓保護(hù)的第一種方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用壓敏電阻或硒堆等非線性元件加以抑制。2.過電壓保護(hù)的第二種方法是采用電子電路進(jìn)行保護(hù)。平波電抗器的選擇及計算平波電抗器：平波電抗器用于整流以后的直流回路中。整流電路的脈波數(shù)總是有限的，在輸出的整直電壓中總是有紋波的。這種紋波往往是有害的，需要由平波電抗器加以抑制。平波電抗器的電感量一般按低速輕載時保證電流連續(xù)的條件來選擇。對

11、于三相橋式整流電路：平波電抗器L=0.693U2Idmin=0.693×57.450.1×10=79.63mH，其中Idmin=（5%10%）IN，這里取10%3.2轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3-3所示：圖3-3 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù)按需要選定，以濾平電流檢測信號為準(zhǔn)。然而，在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作

12、給定濾波環(huán)節(jié)。由測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用表示，根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時間常數(shù)為的給定濾波環(huán)節(jié)。系統(tǒng)設(shè)計的一般原則是：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。在這里，首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器3.2.1.1電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇：電流環(huán)的傳遞函數(shù)可以寫成：電流環(huán)以跟隨性能為主，即選用典型I系統(tǒng)。 圖1.5 電流環(huán)等效近似處理后校正成為典型I系統(tǒng)框圖ACR選用PI型電流調(diào)節(jié)器，傳函如下：WARC（s）=Ki（is+1）isKi-電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；i-電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。轉(zhuǎn)速調(diào)

13、節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇：轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型II系統(tǒng)，系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。圖1-6轉(zhuǎn)速環(huán)等效近似處理后校正成為典型II系統(tǒng)框圖ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：WASRs=Kn(s+1)nsKn-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；n-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。電流調(diào)節(jié)器設(shè)計含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器如圖3-4所示：圖3-4 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器其中為電流給定電壓，為電流負(fù)反饋電壓，為電力電子變換器的控制電壓。3.2.2.1電流調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇1.確定時間常數(shù)1）三相橋式電路的平均失控時間為TS=0.000167s。2）電流環(huán)

14、小時間常數(shù)之和Ti=TS+Toi=0.00367s。3) 電磁時間常數(shù)T1=LR=0.079632.5=0.03S2.選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求：穩(wěn)態(tài)無靜差,超調(diào)量，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電路調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器其傳遞函數(shù)為：WARC（s）=Ki（is+1）is檢查對電源電壓的抗擾性能：TiTi=0.03s0.00367s=8.17<10，參照典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表格，可知各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。3.計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：i=Ti=0.03s。電流環(huán)開環(huán)增益：要求i5%時，應(yīng)取KITi=0.5，因此KI=0

15、.5Ti = 0.50.00367 =136.2s-1。ACR的比例系數(shù)為Ki=KIiRKs = 136.2×0.03×2.540×1.33=0.1924.檢驗(yàn)近似條件電流環(huán)截至頻率：ci=KI=136.2s-1機(jī)電時間常數(shù)Tm=GD2R375CeCm=3.922×1.5375×0.1327×30×0.1327s=0.365s1） 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 1/(3Ts )=1/(3×0.00167s)=199.6s-1>ci 滿足近似條件。2） 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件(13)(1/(TsToi

16、)=13×(1/(0.00167×0.002)=182.4s-1>wci 滿足近似條件。3） 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 3TmT1=3×10.365×0.03=28.67s-1<ci滿足近似條件。5.計算調(diào)節(jié)器電阻和電容由圖3-4，按所用運(yùn)算放大器取，各電阻和電容值為 Ri=KiR0=0.192×50k=9.6 k,取10kCi=iRi=0.0356×103F=0.536F，取0.55FCi=iRi=0.0356×103F=0.536F，取0.55F按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為i

17、=4.3<5，滿足設(shè)計要求。3.2.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器3.2.3.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖3-5所示：圖3-5 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器其中Un*為轉(zhuǎn)速給定電壓，-n為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓， Ui*:調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。3.2.3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇1.確定時間常數(shù)1）電流環(huán)等效時間常數(shù)1KI=2Ti=2×0.00367s = 0.00734s2）轉(zhuǎn)速環(huán)時間常數(shù)Tn=2Ti+Ton=0.00734s+0.01s=0.01734s2.選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為WASRs=Kn(s+1)ns3.

18、計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)綜合考慮動態(tài)抗擾性能和啟動動態(tài)性能，取中頻寬h=5較好，如按max準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系，則ASR的超前時間常數(shù)為n=hTn=5×0.0.01734s=0.0867s轉(zhuǎn)速開環(huán)增益KN=h+12h2TN2=5+12×52×0.017342s-2= 399.1s-2ASR的比例系數(shù)為Kn=(h+1)CeTm2hRTn=5+1×0.05×0.132×0.3652×5×0.007×0.5×0.01734=12.44.檢驗(yàn)近似條件cn15Ti按Mmin準(zhǔn)則轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率cn=KN1=KNn=3

19、99.1×0.0867s-1=34.6s-1而15Ti=15*0.0367=54.5s-1>cn滿足等效條件。轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 cn1312TiTon現(xiàn)在 1312TiTon=13*12×0.0367×0.01=38.9s-1>cn滿足近似處理?xiàng)l件。5.計算調(diào)節(jié)器電阻和電容取R0=40，則 Rn=KnR0=23.8×40k=952k,取955kCn=nRn=0.049533×103F=1.5F,取1.5FCon=4TonR0=4×0.0140×103F=0.025F,取0.3F6.校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量按Mm

20、in準(zhǔn)則確定常數(shù)關(guān)系，CmaxCb=81.2% 當(dāng)h = 5 時，n=CmaxCb2-znNn*TnTm×100%nN=INRCe=1.4×0.50.0688=10.17r/min=2，z=0，n*=1500r/min, Tn=0.01734s,Tm=0.365sn=0.1%<8%滿足設(shè)計要求。3.3轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計轉(zhuǎn)速檢測裝置時一種積雪轉(zhuǎn)速測量或檢測的儀器或元器件，又稱速度傳感器，其輸出與轉(zhuǎn)速成正比。本設(shè)計采用電氣的方法測量。測速發(fā)電機(jī)是利用電磁作用原理直接檢測轉(zhuǎn)速，他將電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度變換為模擬量的電信號。轉(zhuǎn)速的檢測可把接到一個測速發(fā)電機(jī)上即可檢測轉(zhuǎn)速，如圖3-7

21、所示：圖3-7 轉(zhuǎn)速檢測電路3.4電流檢測電路設(shè)計 電流檢測的基本要求是要輸出一個與電動機(jī)電樞回路（主回路）的電流成正比的直流低電壓信號Ui。在調(diào)速系統(tǒng)中，將Ui信號作為電流反饋信號，送到調(diào)節(jié)器的輸入端。使用霍爾電流傳感器可以檢測電流，把Ui接到霍爾傳感器上?；魻栃?yīng)傳感器，可以測量任意波形的電流和電壓。輸出端能真實(shí)地反映輸入端電流或電壓的波形參數(shù)。如圖3-8所示：圖3-8 電流檢測電路4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理簡述（一）觸發(fā)電路原理三相橋式全控整流電路相當(dāng)于一組共陰極的三相半波和一組共陽極的三相半波可控整流電路串聯(lián)起來構(gòu)成的。習(xí)慣上將晶閘管按照其導(dǎo)通順序編號，共陰極的一組為VT1、VT3和VT5，共陽極的一組為VT2、