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1、太原理工大学现代科技学院 运动控制系统课程设计设计名称 双闭环直流调速系统专业班级 自动化 103 学 号 2010102366 姓 名 王韶雨 指导教师 李铁鹰 太原理工大学现代科技学院 运动控制系统课程设计设计名称 双闭环直流调速系统专业班级 自动化 103 学 号 2010101271 姓 名 张浩宇 指导教师 李铁鹰 目录一、设计任务21、设计对象参数22、性能指标23、课程设计的主要内容和要求23.1电力拖动不可逆直流调速系统主电路的设计23.2控制电路的设计2二、电力拖动不可逆直流调速系统主电路的设计31、整流电路和整流器件的选择32、 整流变压器参数的计算33、整流器件的保护44
2、、平波电抗器参数的计算45、触发电路的选择4三、直流双闭环调速系统原理图设计51系统的组成52系统的电路原理图63直流双闭环调速系统调节器设计63.1获得系统设计对象83.2电流调节器的设计93.3转速调节器的设计13四、系统起动过程分析18 一、设计任务1、设计对象参数（1）Pnom=30KW （2）Unom=220V （3）Inom=136A（4）nnom=1460r/min （5）R a =0.2 （6）R =0.6（7）C e=0.2 v.min/r （8）R =0.18 （9）KS=42（10）Toi=0.002 s （11）T0=0.01 s （12）=1.5（13）U*nm=8
3、V (14)U*im=8 V2、性能指标i5% n10%3、课程设计的主要内容和要求3.1电力拖动不可逆直流调速系统主电路的设计 （1） 整流电路和整流器件的选择 （2） 整流变压器参数的计算 （3） 整流器件的保护 （4） 平波电抗器参数的计算 （5） 触发电路的选择3.2控制电路的设计（1） 建立双闭环不可逆直流调速系统的动态数学模型（2） 电流调节器的设计计算（3） 转速调节器的设计计算二、电力拖动不可逆直流调速系统主电路的设计1、整流电路和整流器件的选择目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理图如图1所示，其中阴极连接在一起的三个晶体管（VT1，VT3，VT5
4、）称为共阴极组；阳极连接在一起的三个晶体管（VT4，VT6，VT2）称为共阳极组。三相桥式全控整流电路图2、 整流变压器参数的计算采用三相双绕组变压器。设计参数如下：U2N=UN=220V；I2N=IN=136A；额定容量：SN=sqr(3)* U2N* I2N=518.23KVA三相双绕组变压器原理图3、整流器件的保护电力电子器件中不可避免的会发生过电压，会损坏电力电子器件。对于大容量的电力电子装置，可以采用如下图所示的反向阻断式RC电路来限制和吸收过电压。反向阻断式RC电路4、平波电抗器参数的计算负载为直流电动机时，如果出现电流断续则电动机的机械特性将很软。当电流断续时，随着Id的增大，转
5、速n（与反电动势成比例）降落很大，机械特性较软，相当于整流电源的内阻增大。较大的电流峰值在电动机换向时容易产生火花。同时，对于相等的电流平均值，若电流波形底部较窄，则其有效值越大，要求电源的容量也大。为了克服以上缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。总电感：L=TlR=0.002*0.6=1.2mH平波电抗器的电感量：L=L-0.693U2/Idmin=2.74mH5、触发电路的选择如图所示的晶体管触发电路，它由V1，V2组成的脉冲放大环节和脉冲变压器TM及附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成。当V1，V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门
6、极和阴极之间输出触发脉冲。VD1和R3是为了V1，V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设的。为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分，还需适当附加其它电路环节。三、直流双闭环调速系统原理图设计1系统的组成转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广、性能很好的直流调速系统。采用PI调节的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足要求了。 图1理想快速启动过程电流和转速波形如题1所示，为了实现在允许条件下的最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该
7、量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。所以，我们希望达到的控制：启动过程只有电流负反馈，没有转速负反馈；达到稳态转速后只有转速负反馈，不让电流负反馈发挥作用。故而采用转速和电流两个调节器来组成系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别在系统中起作用，可以在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）连接，如图2所示。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；转速环在外面，称作外环。这就组成了转速、电流双闭环调速系统。图2转速、电流双
8、闭环直流调速系统2系统的电路原理图图3直流双闭环调速系统电路原理图为了获得良好的静、动态性能，转速和电路两个调节器一般都采用PI调节器，这样组成的直流双闭环调速系统电路原理图如图3所示。图中ASR为转速调节器，ACR为电流调节器，TG表示测速发电机，TA表示电流互感器，GT是触发电路，UPE是电力电子变换器。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还标出了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给的电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大
9、输出电压。3直流双闭环调速系统调节器设计 本设计将运用工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器。按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展。在双闭环系统中，应该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的一个环节，再设计转速调节器。3.1获得系统设计对象根据图3直流双闭环调速系统电路原理图可以方便的绘出系统的稳态结构框图，如图4所示。其中为转速反馈系数，为电流反馈系数。图4直流双闭环调速系统的稳态结构框图在考虑双闭环控制的结构（见图4直流双闭环调速系统的稳态结构框图）的基础上，即可绘出直流双闭环调速系统的动态结构框图，如图5所示。图中和分别表
10、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示出来。图5直流双闭环调速系统的动态结构框图在实际设计过程中，由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可以用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同的延时，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。由测速发电机得到的转速
11、反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为的给定滤波环节。所以直流双闭环调速系统的实际动态结构框图应该与图5有所不同，应当增加滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。如图6所示。图6直流双闭环调速系统的实际动态结构框图3.2电流调节器的设计3.2.1电流环结构框图的化简在图6点画线框内的电流内环中，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远小于机电时间常数，因此，转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流
12、环来说，反电动势是一个变化慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即。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，也就算说，可以暂且把反电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如图7所示。可以证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是：式中 电流环开环频率特性的截止频率。图7忽略反电动势的动态影响时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，同时把给定信号改成，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图8所示。图8等效成单位负反馈系统的电流环动态结构框图最后，由于和一般都比小的多，可以当作小惯性群而近似的看作是一个惯性环节，其时间
13、常数为：则电流环结构框图最终可以简化成如图9所示。简化的近似条件是图9小惯性环节近似处理的电流环动态结构框图3.2.2电流调节器结构的选择首先考虑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，可以得到理想的堵转特性，由图9可以看出，采用型系统就够了。再从动态要求上看，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因素。为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型型系统。图9的表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成：式中 电流调节器的比例
14、系数； 电流调节器的超前时间常数。为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择则电流环的动态结构框图便成图10所示的典型形式，其中：图10校正成典型型系统的电流环动态结构框图3.2.3电流调节器的参数计算1.确定时间常数1）整流装置滞后时间常数。通过表1可得出，三相桥式电路的平均失控时间。2）电流滤波时间常数。根据初始条件有Toi=0.002 s。3）电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取0.0037。表1各种整流电路的失控时间（）整流电路形式最大失控时间平均失控时间单相半波单相桥式（全波）三相半波三相桥式、六相半波20106.673.331053.331.672.选择电流调节器结构根据设计要求，并保证稳态电压无差，按典型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
