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1、第第 1 章设计任务说明书章设计任务说明书某晶闸管供电的转速电流双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据为：直流电动机：,，VUN750AIN780min375rnN，电枢电路总电阻 R=0.1,电枢电路总电感,电04. 0aRmHL0 . 3流允许过载倍数，折算到电动机轴的飞轮惯量5 . 1。224 .11094NmGD 晶闸管整流装置放大倍数，滞后时间常数75sKsTs0017. 0电流反馈系数 NIVAV5 . 11201. 0电压反馈系数 NnVrV12min032. 0滤波时间常数.02. 0,002. 0sTsTonoi；调节器输入电阻。VUUUcmimnm12KRO
2、40设计要求： 稳态指标：无静差动态指标：电流超调量；空载起动到额定转速时的转速005i超调量。0010n第第 2 章章调速系统总体设计为实现转速和电流两种负反馈分别作用，直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 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。两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。转速调节器 ASR 的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值；电流* imU调节器 ACR 的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输cmU出电压。dmU由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速
3、准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 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，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。如图 2-1 所示：给定电压速速度度调调节节器器电电流流调调节节器器三三相相集集成成触触发发器器三三相相全全控控桥桥直直流流电电动动机机电电流流检检测测转转速速检检测测Un*Un+-U nUi*Ui+- UcnUd图 2-1 直流双闭环调速系统为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用 PI 调节器。这样构成双闭环直流调速系统。其原理图如图 2-2 所示：图 2-2 直流双闭环调速系统原理图直流双闭环
4、调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，图中还表示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 Uim*决定后了电流给定电压的最大值，电流调节器 ACR 的输出限幅电压 Ucm 限制电压 Ucm 限制了电力电子变换器的最大输出电压 Udm。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。第第 3 章章 直流双闭环调速系统电路设计直流双闭环调速系统电路设计3.1 晶闸管晶闸管-电动机主电路的设计电动机主电路的设计3.1.1 主电路设计主电路
5、设计晶闸管-电动机调速系统（V-M 系统）主电路原理图如图 3-1所示：图 3-1 V-M 系统主电路原理图图中 VT 是晶闸管可控整流器，它由三相全控桥式整流电路组成，如图 3-2 所示：图 3-2 三相全控桥式整流电路通过调节触发装置 GT 的控制电压来移动脉冲的相位，即cU可改变平均整流电压，从而实现平滑调速。dU3.1.2 主电路参数计算主电路参数计算22.34cosdUU，取VUUNd7500oVVUUd13.3560 . 19 . 034. 27502 . 119 . 0cos34. 22其中系数 0.9 为电网波动系数，系数 1-1.2 为考虑各种因素的安 全系数，这里取 1.0
6、。电动势系数rV nIRUCNNaN emin9168. 137578004. 0750额定励磁下的电动机的转矩系数 emCC30电磁时间常数 sH RLTl03. 01 . 0 003. 0机电时间常数 s0843. 0309168. 19168. 13751 . 04 .11094 3752 memCCRGDT3.2 转速、电流调节器的设计转速、电流调节器的设计转速、电流双闭环调速系统的动态结构图如图 3-3 所示：图 3-3 直流双闭环调速系统动态结构图系统设计的一般原则是：先内环后外环。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。3.2
7、.1 电流调节器设计电流调节器设计电流环结构框图的化简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 E0）忽略反电动势对电流环作用的近似条件是13c mlT T 式中 c-电流环开环频率特性的截止频率。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。最后，由于 Ts 和 Toi 一般都比 Tl 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为Ti = Ts + Toi 查表 1 得，三相桥式电路的平均失控时间为，0.0017sTs电流滤波时间常数.三相桥式电路的每个波头的时间是oiT3
8、.3ms，为了基本滤平波头，应有（12）=3.33ms，因此取oiT=0.002soiT电流环小时间常数之和 Ti = Ts + Toi=0.0037s。简化的近似条件为 11 3ci soiTT 表 1 各种整流电路的失控时间（f=50HZ）2 电流调节器结构的选择根据设计要求：稳态无静差,超调量，可按典型 I 型系统5%i设计电路调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用 PI型电流调节器其传递函数为：(1)( )ii ACR iKsWss 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。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i=Tl电枢回路电磁时间常数 T
9、l=0.03s。检查对电源电压的抗扰性能：，参照典型 I11. 80037. 003. 0il TT型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表 2，可知各项指标都是 可以接受的。 电流调节器的参数 电流调节器超前时间常数：i=Tl=0.03s。电流环开环增益：要求时，按表 3 应取 =0.707，5%i，0.5IiK T因此sTKiI1 .1350037. 05 . 05 . 0ACR 的比例系数为5404. 001. 0751 . 003. 01 .135SiI iKRKK表 2 典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表 3 典型型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系检验近似条件电流环截至频
10、率： 11 .135sKwIci机电时间常数sTm0843. 0晶闸管整流装置传递函数的近似条件111196.133 0.0017ci ssTs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ci lmwTT65.590843. 003. 01313满足近似条件。 电流环小时间常数近似处理条件ci moiwsTT18 .1800017. 0002. 01 311 31满足近似条件。 计算调节器电阻和电容 含给定滤波与反馈滤波的 PI 型 电流调节器如图 3-8 所示：其中为电流给定电压，为电流* iUdI负反馈电压，为电力电子变换器的cU控制电压。 由图 3-4，按所用运算放大器取，04
11、0Rk各电阻和电容值为 图 3-4 PI 型电流调节器K，取 22K6 .21405404. 0oiiRKR，FRCii i364. 12200003. 0FFRTCooi oi2 . 040002. 044按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。000053 . 4i3.2.2 转速调节器设计转速调节器设计电流环的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。由图 3-7a 可知 211 1111Iid cli* IiiiII()( )( )( )/ ()K s T sIsWsKTUssss T sKK 忽略高次项，上式可降阶近
12、似为 1 11cliI( )Ws sK 近似条件可由式求出 11 3cmin(,)c ba 1 3I cn iK T 式中 cn - 转速环开环频率特性的截止频率。 接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U*i(s)，因此 电流环在转速环中应等效为 111dcli * iI( )( ) ( )IsWs UssK 转速调节器结构的选择 电流环的等效闭环传递函数为111dcli * iI( )( ) ( )IsWs UssK 其中电流环等效时间常数ssTKi I0074. 00037. 0221则转速环节小时间常数 0.0074+0.02=0.0274s on InTKT1按照设计要求，选用 P
13、I 调节器，其传递函数为 1nn ASR n()( )KsWss 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。 这样，调速系统的开环传递函数为nnnn n2 nemnnemn(1)(1)( )(1)(1)R KsKRsW ssC T s TsC T s Ts 令转速环开环增益为n N nemKRKC T 则 21 1Nn n n()( )()KsWss Ts 计算转速调节器参数 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取，则 ASR 的超前时5h 间常数为50.0274=0.137snnhT转速开环增益159.842 22220274. 0526 21sThhKnNASR 的
14、比例系数 057.110274. 01 . 0032. 0520843. 09168. 101. 06 21nme nRThTChK检验近似条件转速环截止频率1190.2184.159137. 0sKwKwNnN cn电流环传递函数简化条件为cn iIwsTK17 .630037. 01 .135 31 31满足简化条件。 转速环小时间常数近似处理条件为cn onIwTK4 .2702. 01 .135 31 31满足简化条件。 计算调节器电阻和电容 含给定滤波与反馈滤波的 PI 型转速调节器如图 3-5 所示：其中为转速给定电压，为转速负反馈电压，：调节器* nUn* iU的输出是电流调节器的给定电压。取，则 040RkK28.44240057.11onnRKR，取 443 K，FFRCnn n31. 0443000137. 0，取FRTCoon on242F。 校核转速超调量查表，当时，不能满足设计要求。应按 ASR5h 37.6%n退饱和的情况重新计算超调量。图 3-5 PI 型转速调节器按 ASR 退饱和重新计算超调量 过载倍数 =1.5，理想空载转速时，z=0 查表得，h=5 时，Cmax/Cb=81.2%，则00maxmax59. 82
