VM双闭环直流调速系统设计

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1、摘要21设计任务及要求2理论设计调速系统组成原理分析稳态结构图分析调节器作用转速调节器作用电流调节器作用V-M系统分析3调节器的设计电流调节器的设计确定时间常数选择电流调节器结构计算电流调节器参数校验近似条件计算调节器电阻和电容转速调节器的设计确定时间常数选择转速调节器结构计算转速调节器参数检验近似条件校核转速超调量计算调节器电阻和电容4系统主电路设计主电路原理图及说明主电路参数计算及选型平波电抗器的参数计算变压器参数的计算晶闸管整流元件参数的计算保护电路的选择5总结与体会参考文献摘要直流双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装 置之一。广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机

2、床等许多领域 的白动控制系统中。它通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供 电，从而控制电动机的转速，传统的控制系统采用模拟元件，如晶体管、 各种线性运算电路等，在一定程度上满足了生产要求。V-M双闭环直流调速系统是晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统)，系 统通过调节器触发装置GT的控制电压Uc來移动出发脉冲的相位，即控 制晶闸管可控整流器的输出改变平均整流电压Ud,从而实现平滑调速。 关键词：双闭环转速调节器电流调节器1设计任务及要求1. 技术数据及技术指标：直流电动机：Px=60KW , U、=220V , I308A , nx=1500r/min ,最大允许电流Ui=l. 5IX

3、,三相全控整流装置：K尸35 ,电枢回路总电阻R二Q ,电动势系数：Ce二系统主电路：Tf , Tl=滤波时间常数：Tei= , To=,其他参数：IV二8V , IV二8V , UC=8VoW5%, oWlO%2. 技术要求：(1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较 宽的调速范围(D210),系统在工作范围内能稳定工作(2) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续3. 设计内容：(1) 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调 速系统的组成，画出系统组成的原理框图(2) 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算(包括有变压器、电力 电子器件、平波

4、电抗器与保护电路等)(3) 动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调 节器与ACR调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定， 并满足动态性能指标的要求(4) 绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图(要求计算机 绘图)(5) 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书 2理论设计调速系统组成原理分析单闭环调速系统用PI调节器实现转速稳态无静差，消除负载转矩 扰动对稳态转速的影响，并用电流截止负反馈限制电枢电流的冲击，避 免出现过电流现象。单转速单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电 流的动态过程。由于主电路电感的作用，电流不可能突变，为了实现在 允

5、许条件下的最快起动，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，采用电流负反馈就能够得到近似的恒流过程。应该在起动 过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，在达到稳态转速后，又希望 只要转速负反馈，不再让电流负反馈作用。图1转速电流反馈控制直流调速系统原理图ASR-转速调节器ACR-电流调节器TG-测速发电机TA-一电流互感器 UPE一-电力电子变换器Un*-一转速给定电压Un-转速反馈电压Ui*-一电流给定电压U1-一电流反馈电压 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

6、流负反馈以调节转速和电流，二者之 间实行嵌套连接，如图2-1所示。把转速调节器的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，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成 了转速，电流反馈控制直流调速系统。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釆用PI调节器。稳态结构图分析双闭环直流调速系统稳态结构如图2-2-1所示，两个调节器均采用 带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定了电 流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子 变换器的最大输出电压Udm,图2双闭环直流调

7、速系统的稳态结构图a一转速反馈系数a二IV =B一一电流反馈系数0二=图中用带限幅的输出特性表示PI调节器的作用。当调节器饱和时，输出 达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调 节器退出饱和。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其 作用是输入偏差电压在稳态时为零。为了实现电流的实时控制和快速跟 随，希希望电流调节器不要进入饱和状态，因此，对于静特性来说，只 有转速调节器饱和不饱和两种情况。双闭环直流调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差, 这时，转速负反馈起主要作用。当负载电流达到Idm时对应于转速调节 器为饱和输出Uim*,这时，电流调节器起

8、主要作用，系统表现为电流无 静差，起到过电流的自动保护作用。电流内环图3双闭环直流调速系统原理图 调节器作用2. 3. 1转速调节器作用（1）转速调节器是调速系统的主导调速器，它使转速n很快地跟随 给定电压Un*变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可 实现无静差。（2）对负载变化起扰动作用。因为负载扰动作用在电流环之后，只 能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动作用o（3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。2. 3. 2电流调节器作用（1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使 电流紧紧跟随其给定电压Ui* （即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起

9、及时抗扰的作用。增设了电流内环，电压 波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后 才反馈回来，因而使抗扰性能得到改善。（3）在转速过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动 态过程。（4）当电动机过载其至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的 自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复过程。V-M系统分析图4晶闸管整流器-电动机调速系统原理图图2-3绘出了 V-M系统的原理图，图中VT是晶闸管整流器，通过调节触 发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，改变可控整流器平均 输出直流电压Ud,从而实现直流电动机的平滑调速。晶闸管可控整流器 的功率放大倍数在10。以

10、上，门极电流可以直接用电子控制：响应时间是 毫秒级，具有快速的控制作用；运行损耗小，效率高；使V-M系统获得 了优越的性能。3调节器的设计电流调节器的设计3. 1. 1确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数Ts。按下表3-1所示，三相桥式电路的平均 失控时间Ts二。表1晶闸管整流器的失控时间（f二50Hz）整流电路形式最大失控时间Tsmax（ms）平均失控时间7s （ms）单相半波2010单相桥式（全波）105三相半波三相桥式（2）电流滤波时间常数Toi。Toi=o（3）电流环小时间常数之和TLio按小时间常数近似处理，取 TLi=Ts+Toi=+=o3.1.2选择电流调节器结构根据课设任务要

11、求oi5%,并保证稳态电流无差，可以按典I型系 统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流 调节器，其传递函数为式中Ki是电流调节器的比例系数；n是电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能：各项指标都是可以接受的。TD3.1.3计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：n=Tl=o电流环开环增益：要求oi5%时，应取KITE i二，因此TXi于是，ACR的比例系数为KlriRKi 二Ksp 314校验近似条件电流环截止频率：6yci二KI二（1）校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件贡_3*00017炉1满足近似条件(2) 校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条

12、件帖5满足近似条件(3) 校验电流环小时间常数近似处理条件1满足近似条件3 V TsToi3.1.5计算调节器电阻和电容电流调节器原理如图3-2所示，按所用运算放大器取Ro=40KQ，各电阻和电容值计算如下：Ri 二 KiRo 二 *40二 C,取 17KQc，_ ri _0.0121_40 * 1000r . 4Toi 4 * 0.0025Coi=取Ro 40 * 1000 图5含给定滤波和反馈滤波的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 oi=%5%满足设计要求转速调节器的设计3.2.1确定时间常数 (1)电流环等效时间常数丄。已取KITE i二，则(2)转速滤波

13、时间常数Ton。Ton 二(3) 转速环小时间常数TLno按小时间常数近似处理，取T 工 n二+Ton 二+二KI3. 2. 2选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，传递函数为WASR (s).Kn 伽+ 1)tiiS式中Kn是转速调节器的比例系数;m是转速调节器的超前时间常数。3. 2. 3计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h二5,则ASR的超前时间常数为m=hTLn=5*=转速开环增益为T/XT h + 6KN 二r 二;二2h-T2 * 5- * 0. 0. 0234-ASR的比例系数为Kn 二(/z + V)pCeTni _6 * 0. 0173 * 0. 1

14、96 * 0. 122haRTn 一 2 * 5 * 0. 0053 * 0. 18 * 0. 02343. 2. 4检验近似条件转速环截止频率为空二KNzn*co(1)电流环传递函数简化条件3角二5满足简化条件(2)转速环小时间常数近似处理条件 丄二如满足近似条件3 Ton3.2.5校核转速超调量理想空载启动时设 z二0,已知数据：/l = 1.5,R二C,IN二308A,nN二 1500r/min,Ce=Zo当h二5时，由表3-3可知 竺怛赳那么Cb6】二2*%*(308*/1500*二10% 能满足设计要求表2典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系力345r789106max/ Oo/ Ttv / T%3.2.6计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如图3-4所示，取Ro=40KQ，则Rn二KnRo=*40二。，取 200KQ山严取Rn 200 * 103取8uFCon=47bn=10L015Ro 17 * 103图6含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器4系统主电路设计 主电路原理图及说明主电路采用转速、电流双闭环调速系统，转速闭环为外环而电流闭 环为控制系统的内环，以此来提高系统的动静态特性。两个调节器串级 连接，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，电流调节器的输出给 定了电力电子变化器