雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

1前言I 直流調(diào)速系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最廣的電氣! 傳動裝置之一。廣泛地應(yīng)用于軋鋼機(jī)、冶金、印刷、金屬切削機(jī)床等許多領(lǐng)域的自ii 動控制系統(tǒng)中。它通常采用三相全控橋式整流電路對電動機(jī)進(jìn)行供電，從而控制電1 動機(jī)的轉(zhuǎn)速，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，如晶體管、各種線性運(yùn)算電路等，在i一定程度上滿足了生產(chǎn)要求。II 直流電動機(jī)和交流電動機(jī)相比，其制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高.維修困難，需1 備有直流電源才能使用。但因直流電動機(jī)具有寬廣的調(diào)速范圍，平滑的調(diào)速特性，I1 較高的過載能力和較大的起動、制動轉(zhuǎn)矩，因此被廣泛地應(yīng)用于調(diào)速性能要求較高! I 的場合。在工業(yè)生產(chǎn)中，需要高性能速度控制的電力拖動場合，直流倜速系統(tǒng)發(fā)揮裝 著極為重要的作用，高精度金屬切削機(jī)床，大型起重設(shè)備、軋鋼機(jī)、礦井卷揚(yáng)、城 . .: 市電車等領(lǐng)域都廣泛米用直流電動機(jī)拖動。特別是晶閘管一直流電動機(jī)拖動系統(tǒng)，、!I 具有自動化程度高、控制性能好、起動轉(zhuǎn)矩大，易于實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛; 應(yīng)用。!訂 本文主要是根據(jù)三相全波全控整流電路的原理，選擇合適的變壓器、晶閘管、1 平波電抗器以及晶閘管保護(hù)、觸發(fā)電路，組成整流電路.2調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計直流雙閉環(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，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。兩者之間實(shí)行嵌套連接，且都帶有輸出限幅電路。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*決定了電流給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓uc限制了電力電子變換器的最大輸出電壓U血。”由于調(diào)速系統(tǒng)的主要被控量是轉(zhuǎn)速，故把轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成的環(huán)作為外環(huán)，以保證電動機(jī)的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確跟隨給定電壓，把由電流負(fù)反饋組成的環(huán)作為內(nèi)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)。電流檢測UnAU.速度

調(diào)節(jié)器UiUi*4T-電流—調(diào)節(jié)器Uc三相集萬卜三相UnAU.速度

調(diào)節(jié)器UiUi*4T-電流—調(diào)節(jié)器Uc三相集萬卜三相1觸發(fā)器全控行;觸發(fā)器Ud*直流

電動機(jī)轉(zhuǎn)速

檢測圖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。動態(tài)結(jié)構(gòu)圖2-3如下：圖2-3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

3直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計3.1晶閘管?電動機(jī)主電路的設(shè)計3.1.1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3-1V-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:VT.VT.VT,d.vt4vt6vt2d2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Uc來移動脈沖的相位，即可改變平均整流電壓Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。 '3.1.2主電路參數(shù)計算

直流電動機(jī)： Un=220V、七=17.5A、 nN=1500r/min，C=0.132V/（r?min-1），允許過載倍數(shù)入二1.5；=30；晶閘管裝置放大系數(shù)：K=30；回路總電阻:R=3.3。；4.時間常數(shù)：4.時間常數(shù)：T=0.0702slT=0.1613s；m5.電流反饋系數(shù):*■im5.電流反饋系數(shù):*■im—1.51N電流調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為：WACR(s)=K工iTs——=0.38V/A；1.5X17.56.轉(zhuǎn)速反饋系數(shù):a=Un*m= =0.007V/（r-min-1）6.轉(zhuǎn)速反饋系數(shù):nN1500設(shè)計要求：①靜態(tài)指標(biāo)：無靜差；②動態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量七<5%，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量a<10%。n3.2ACR的設(shè)計確定時間常數(shù)（1） 整流裝置滯后時間常數(shù)T。三相橋式電路的平均失控時間T=0.0167s；（2） 電流濾波時間常數(shù)T。,。三相橋式電路每個波頭的時間是3.33ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有G?2》=3.33ms，因此取T=2ms=0.002s；（3） 電流環(huán)小時間常數(shù)T。按小時間常數(shù)近似處理，取T=T+T=0.00367s。以 &soi確定將電流環(huán)設(shè)計成何種典型系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計要求電流超調(diào)量a<5%，保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電i流調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)ACR超前時間常數(shù)：t=T=0.0702s；電流環(huán)開環(huán)增益：因為要求a.<5%，故應(yīng)取K?￡=0.5，因此上 0.5 0.5K=——= =136.2s-1iT. 0.00367

于是，ACR的比例系數(shù)為K=K慕=136.2x0.0702*2.85=2.38。iiPK 0.38x30s計算電流調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)電流調(diào)節(jié)器原理如圖3-3所示，按所用運(yùn)算放大器，取R°=電流調(diào)節(jié)器原理如圖3-3所示，按所用運(yùn)算放大器，取R°=20KQ，各電阻和U.*圖3-3電流調(diào)節(jié)器原理圖?Uct電容值計算如下：R=KR=2.38x20=47.6KQ，取50KQ；C=R=。巖。2x103=1.40叩，取1.50rF；C=4-T=4x0002x103=0.4rF，取0.4rF。

oi R0 20校驗近似條件電流環(huán)截止頻率?.=K=136.2s-1（1）校驗晶閘管裝置傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足。/-s,1 1因為—=3000167=199?6st>3.，所以滿足近似條件。s（2）校驗忽略反電動勢對電流環(huán)影響的近似條件是否滿足3產(chǎn)3:——。\丁mi滿足近似條件?，F(xiàn)在3'—-—=3' =28.19s-1<3，滿足近似條件。\TTV0.1613x0.0702 c⑶校驗小時間常數(shù)的近似處理是否滿足條件。攵十源soi滿足近似條件?，F(xiàn)在3*=3V0.0167X0.002T82.4S一1〉。也，soi滿足近似條件。3.3ASR的設(shè)計確定時間常數(shù)（1） 電流環(huán)等效時間常數(shù)為2T=0.00734s；（2） 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)七。根據(jù)所用測速發(fā)電機(jī)紋波情況，取七=0.01s；（3） 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)T。按小時間常數(shù)近似處理，取T=2T+T=0.01734s。'Ln Xn Xi on確定將轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計成何種典型系統(tǒng)由于設(shè)計要求轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；有根據(jù)動態(tài)設(shè)計要求，應(yīng)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為：W（s）=KL土ASR nTs選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗繞性能都較好的原則取h=5,則ASR超前時間常數(shù)：t=氣=5x0.01734=0.0867s；….一一…. h+1轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：K= = =398.7；于是ASR的比例系n2hTT 2x25x0.017342Xn數(shù)為：KM+g,=6X0.38X0.132X0.1613=14.03。n 2haRT 2x5x0.007x2.85x0.01734Xn計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-4所示

圖3-4圖3-4含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器按所用運(yùn)算放大器，取R0=20KQ，各電阻和電容值計算如下：R=KR0=14.03x20=280.6KQ，取280KQ；C=二=0.0867x103=0.30叩，取0.30rF；nR280nT0.01 一C=4-f=4x—x103=2rF，取2rF。0校驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率①=K-n=Kt=398.7x0.0867=34.6s-i1 1（1）校驗電流環(huán)傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足-< 。Xn.一. 1 1現(xiàn)在5T=5~°00367=54.5s-1>—，滿足間化條件。Xn（2）校驗小時間常數(shù)的近似處理是否滿足條件-%.滿足近似條件。onXi滿足近似條件?，F(xiàn)在3\2TT=3\'2x0.01x0.00367=3泊，-1>-LonXi（3）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量。當(dāng)h=5時，a〔<37.6%，不能滿足設(shè)計要求，實(shí)際上這是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。

3.4按ASR退飽和重新計算超調(diào)量當(dāng)h=5時，%=81.2%；而An=—= =377.8r/min，因此，ACmx%XvcACmx%Xvc/能滿足設(shè)計要求。2（X-Z）AnNx2n* Tm377.80.01734

=81.2%x2x1.5x x=6.60%<10%15000.16133.5轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計轉(zhuǎn)速的檢測可把Un接到一個測速發(fā)電機(jī)上即可檢測轉(zhuǎn)速，如圖3-5所示:3.6電流檢測電路設(shè)計使用霍爾電流傳感器可以檢測電流，把u接到霍爾傳感器上?；魻栃?yīng)傳感器，i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3-6所示：圖3-6電流檢測電路圖3-6電流檢測電路4采用工程方法設(shè)計時需注意的問題從轉(zhuǎn)速環(huán)看，能不能忽略反電動勢在設(shè)計電流環(huán)時已經(jīng)算出Oci=KI=135.15-1，而3\|U—=40.82s-1<wc.，所以反電動勢對電流環(huán)來說可以忽ml略。但，Ocn=竺!■=KNw=34.5s-1<3j—!—，因而對于轉(zhuǎn)速環(huán)來說，忽略反電動^1 t—m—勢的條件就不成立了。實(shí)際上，考慮到反電動勢的影響，轉(zhuǎn)速超調(diào)量將比上面的計算值更小，更能滿足設(shè)計要求。內(nèi)、外開環(huán)對數(shù)幅頻特性的比較，圖4-1把電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性畫在一張圖上，其中各轉(zhuǎn)折頻率和截止頻率依次為：=一1一=270.3s-1，—Ei0.0037=―1—=57.51s-1，—En 0.0174ocn=34.51s-1，10.08710.08711.5s-1。以上頻率一個比一個小，從計算過程可以看出，這是必然的規(guī)律。因此，這樣設(shè)計的雙閉環(huán)系統(tǒng)，外環(huán)一定比內(nèi)環(huán)慢。一般來說，Oci=100~15?-1，0cn=20~50s-1。從外環(huán)的響應(yīng)速度受到限制，這是按上述方法設(shè)計多環(huán)控制系統(tǒng)時的缺點(diǎn)。然而，這樣一來，每個環(huán)本身都是穩(wěn)定的，對系統(tǒng)的組成和調(diào)試工作非常有利?？傊喹h(huán)系統(tǒng)的設(shè)計思想是：以穩(wěn)為主，穩(wěn)中求快。

圖4—1又閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)環(huán)和外環(huán)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性5晶閘管的電壓、電流定額計算| 5.1晶閘管額定電壓UN'I 晶閘管額定電壓必須大于元件在電路中實(shí)際承受的最大電壓Um,考慮到電! 網(wǎng)電壓的波動和操作過電壓等因素，還要放寬2?3倍的安全系數(shù)，即按下式選取'IUN=(2?3)Um,式中系數(shù)2?3的取值應(yīng)視運(yùn)行條件，元件質(zhì)量和對可靠性的要I 求程度而定。I 5.2晶閘管額定電流INI1 為使晶閘管元件不因過熱而損壞，需要按電流的有效值來計算其電流額定II 值。即必須使元件的額定電流有效值大于流過元件實(shí)際電流的最大有效值。可按下Ii式計算：IN=(1.5~2)KfbIMAX。裝! 式中計算系數(shù)Kfb=Kf/1.57Kb由整流電路型式而定，Kf為波形系數(shù)，Kb為共Ii 陰極或共陽極電路的支路數(shù)。當(dāng)a=0時，三相全控橋電路Kfb=0.368，故計算的晶I .!閘管額定電流為IN=(1.52)KfbIMAX=(1.52)X0.368X(220X1.5)=182.16?II 242.88A，取200A。訂I心得體會, 通過本次課程設(shè)計，學(xué)會了轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，并能熟練I 地掌握轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇和計算，在設(shè)計的基礎(chǔ)上更加認(rèn)識到直流雙閉i 環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用廣泛。開始的態(tài)度都要擺好，都要認(rèn)真去對待，到最后才不會后-: 悔！也許有些人會說，草草完成的設(shè)計沒有什么意義，沒有意義的是也就沒有收獲。!I 沒錯，這次的設(shè)計是草草完成，沒有多大的意義，在答辯的時候，很多設(shè)計的重點(diǎn)1 都沒有完成，但這次給我的經(jīng)驗是寶貴的，在以后的畢業(yè)設(shè)計甚至在以后的工作中，!I 我就不會出現(xiàn)這種問題了。人的一生，不是沒有意義的事，就不去做了。很多事，I 都是在做了之后，才會覺得有沒有意義，才會覺得有沒有收獲！所以，在這次設(shè)計I 的過程中，我得到了一些寶貴的經(jīng)驗，所以這就是我