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1、武汉理工大学课程设计摘 要双闭环直流调速系统是由电流和转速两个调节器进行综合调节，可获得良好的静、动态性能（两个调节器均采用PI调节器），由于调整系统的主要参量为转速，故将转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样可以抑制电网电压扰动对转速的影响。本调速系统设计的主回路由正桥及反桥反向并联组成，并通过逻辑控制来控制正桥和反桥的工作与关闭，并保证在同一时刻只有一组处于整流状态,另一组桥路处于逆变状态，这样就有环流产生。由于存在环流回路,主回路需要再设置平衡电抗器，但为了限制整流电压幅值的脉动和尽量使整流电流连续，仍然保留了平波电抗器。利用Matlab软件对系统进行了各种参数给定下的仿真
2、，通过仿真获得了参数整定的依据。在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。关键词：直流调速系统 电流调节器 转速调节器 双闭环有环流可逆系统 主电路 保护电路 触发电路目录摘 要11、系统设计思路32、转速调节器ASR和转速反馈电路的设计52.1 转速调节器和反馈电路的设计52.2 参数的计算63、电流调节器ACR和电流反馈电路的设计73.1 电流调节器和反馈电路的设计73.2参数的计算84、
3、闭环有环流可逆直流调速系统的控制94.1 主电路及其保护电路的设计94.1.1 主电路框图94.1.2 保护电路设计94.2 =配合控制的有环流可逆调速系统104.2.1 实现= 配合控制104.2.2 =配合控制中的瞬时脉动环流及其抑制115、触发装置的设计126、闭环有环流可逆调速系统原理137、总结14参考文献15附录、总电路图161、系统设计思路 主电路两组三相桥式晶闸管装置反并联的可逆线路，控制电路采用典型的转速、电流双闭环，转速调节器ASR和电流调节器ACR都设置了双向输出限幅，以限制最大制动电流和最小控制角min与最小逆变角min。根据可逆系统正反向运行的需要，给定电压Un，电流
4、反馈电压Ui都应该能反映正和负的极性 。 图1 配合控制的直流双闭环有环流可逆调速系统原理框图 由于主电路电感的作用，电流不可能突变，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Idm 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。问题是，应该在启动过程只有电流负反馈，没有转速负反馈，在达到稳定转速后，又希望只要转速负反馈，不在让电流负反馈发挥作用。为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器。分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节电流和转速，两者之间实行串级连接。把转速调节器的
5、输出当做电流调节器的输入，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，称做内环；转速环在外边，称做外环。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。由于晶闸管的单向导电性，对于需要电流反向的直流电动机可逆调速系统，必须使用两组晶闸管整流装置反并联线路来实现可逆调速。两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能灵活的控制电动机的启动、制动和升、降速。在可逆调速系统中，正转运行时可利用反组晶闸管实现回馈制动，反转运行时同样可以利用正组晶闸管实现回馈制动。配合控制系统的移相时，如果一组晶闸管装置处于整流状态，另一组便处于逆变状态，这是指触发延迟角
6、的工作状态而言。实际上，这时逆变组除环流外并未流过负载电流，也就没有电能回馈电网，确切的说，它只是处于“待逆变状态”，表示该组晶闸管装置是在逆变角的控制下等待工作。只是在制动时，当发出信号改变触发延迟角后，同时降低了Udof 和Udor的幅值，一旦电动机反电动势E|Udor|=|Udof| ，整流组电流将被截止，逆变组才真正投入逆变工作，使电动机产生回馈制动，将电能通过逆变组回馈电网。同样，当逆变组工作时，另一组也是在等待整流，可称做处于“待整流状态”。所以，在配合控制下，负载电流可以迅速地从正向到反向（或从反向到正向）平滑过渡，在任何时候，实际上只有一组晶闸管装置在工作，另一组则处于等待工作
7、的状态。 2、转速调节器ASR和转速反馈电路的设计 将反映转速变化的电压信号Un 作为反馈信号，经“速度变换”后接到“速度调节器”的输入端，与“给定”的电压Un* 相比较经放大后，得到电流给定电压Ui*，用作电流调节器ACR的给定电压。这就构成了速度调节器ASR。电机的转速随给定电压变化，电机最高转速由速度调节器的输出限幅所决定，速度调节器采用P（比例）调节对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则需将调节器换成PI(比例积分)调节。这时当“给定”恒定时，速度调节器对速度变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的转速能稳定在一定的范围内变化，这就构成了转速反馈电路。2.1 转速调节
8、器和反馈电路的设计 由自动控制基本理论推导可得，电流环不论是典型I型花或是典型II型化在一定的近似条件下都可以等效为一个惯性环节，写成通式为： 若典型I型化且=0.707，=0.5，则a=2。若典型II型化h=5,m=0.1.则a=。由上式画出转速闭环的动态结构图，将它简化为单位负反馈形式并将两个小惯性合并为一个小惯性，即将转速给定及转速反馈的滤波时间常数与电流环等效时间常数，合并为转速环小惯性时间常数。 若只考虑给定信号的作用则得到简化的转速环的动态结构图如图2.1所示，这里有： 图2.1 转速调节闭环等效动态结构图技术指标要求实现转速静态无静差，空载起动至额定转速时的转速超调量n10，则在
9、ASR中必须含有积分环节，取ASR为PI调节器，因此转速环必然按典型II型系统设计。其传递函数为： 式中Kn为转速调节器的比例系数；t n为转速调节器的超前时间常数。 2.2 参数的计算根据测速发动机纹波情况，转速滤波时间常数取为0.01s。按小时间常数近似处理，转速环小时间常数为： 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取，则ASR的超前时间常数为： =5s转速开环增益为： ASR的比例系数为： 校验近似条件： wcn=396.4s-1电流环传递函数简化条件为： 满足近似条件 转速环小时间常数近似处理条件为： 满足近似条件PI型转速调节器如图2.2所示。按所用运算放大器取 R0 =40K，则有： R
10、n=KnR0=468KW （取470 KW） Cn =/ Rn =0.185 （取0.2 ） Con=4Ton/ Ro =1 图2.2 PI型转速调节器空载起动至额定转速时的转速超调量为： 能满足设计要求。 3、电流调节器ACR和电流反馈电路的设计将反映电流变化的电流互感器输出电压信号Ui作为反馈信号加到“电流调节器”的输入端，与“给定”的电压Ui* 相比较，经放大后，得到移相控制电压Uc，控制整流桥的“触发电路”，改变“三相全控整流”的电压输出，从而构成了电流负反馈闭环系统。电机的最高转速也由电流调节器的输出限幅所决定。同样，电流调节器若采用P（比例）调节，对阶跃输入有稳态误差，要消除该误差
11、将调节器换成PI(比例积分)调节。当“给定”恒定时，闭环系统对电枢电流变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的电枢电流能稳定在一定的范围内变化，这就是电流反馈电路。3.1 电流调节器和反馈电路的设计电流环等效环节的输入量为U*i(s)，输出量为Id(s)。原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。这就表明，电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。电流环的动态结构图简化框图如图3.1所示。根据设计要求电流超调量i5，并保证稳态电流无静差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控
12、制对象是双惯性的，因此用PI 型电流调节器，其传递函数为： 式中Ki 为电流调节器的比例系数；ti为电流调节器的超前时间常数。图3.1 电流环的动态结构图简化框图3.2参数的计算三相桥式电路的平均失控时间Ts =0.0017s; 三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（12）T0i =3.3 ms, 因此取T0i =0.002s。按小时间常数近似处理，取Ti=Ts+T0i =0.0037s。电流调节器超前时间常数：= Tl =0.03s。设计要求i5，取KI Ti=0.5,因此 KI =0.5/0.0037=135.1s-1=wci。于是，ACR的比例系数为： 电流环截止频率： 晶闸管整流装置传递函数的近似条件: 1/3Ts=196s-1wci ，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： 满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件： 满足近似条件满足所有近似条件。PI型电流调节器如图3.2所示。按所用运算放大器取 R0 =40K，各电阻和电容值为： Ri =KiR0=40.52 KW （取40KW ） Ci =/ Ri =0.75 Coi=4Toi/ Ro =0.2图3.2 PI型电流调节器按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为： i =4.35满足设计要求。 校正后电流环的动态结构如图3.3所示。图3.3 校
