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1、V-M双闭环直流可逆调速系统设计1设计任务及要求1.1设计任务设计任务：设计V-M双闭环直流可逆调速系统（1）技术数据直流电动机：PN=3KW ,UN=220V, IN=17. 5A, nN=1500r/min ； Ra=l. 25 Q 堵转 电流Idbl=2IN,截止电流Idcr=1.5IN, GD2=3. 53N. m2。三相全控整流装置：Ks=40 , Rrec=l. 3。平波电抗器：RL=O. 3。电枢回路总电阻 42.85。，总电感 L=200mHo 电动势系数：（Ce=O. 132V. min/r） o 系统主电路:（Tm=O. 16s ,T1=O. 07s） 滤波时间常数：Toi
2、=0. 002s , Ton=0. 01so 其他参数：Unm*=10V , Uim*=10V , Ucm=10V , o iW5% , o nW 10。（2）技术指标稳态指标：无静差（静差率sWIO%,调速范围DN20 ）0动态指标：转速超 调量SnWIO%,电流超调量6iW5%,动态速降nW10%,调速系统的过渡过程时 间（调节时间）tsWO. 5s。（3）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。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、平波电抗器与保护电路等）。（4）动态设计计算：根据技术要求，对系统进
3、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。绘制V-M双闭环直流可逆调速系统的电气原理总图。1.2设计要求（1）该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽的调 速范围（DN20）,系统在工作范围内能稳定工作。系统静特性良好，无静差（静 差率s10%）o动态性能指标：转速超调量6 n10%,电流超调量6 i5%,动态 速降AnWlO%,调速系统的过渡过程时间（调节时间）tsW0.5s。（3）系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续。调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。1 Al3忆135.
4、13 V 0.0037=63.7s-满足近似条件(2)转速环小时间常数近似处理条件为满足近似条件计算调节器电阻和电容根据图9,取R0=40k。，则Rn = KR =10.95x400 = 4380 取4400；C 二二 0.087,一厂440x103F = 0.1977 /F取0.2必4。二 4x0.01R。一 40x103F = l/F取1F图9含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器校核转速超调量当h=5时，查询典型II型系统阶跃输入跟随性能指标的表格可以看出=37.6%,不能满足设计要求。实际上，上述表格是按照线性系统计算的，而突 加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按AS
5、R退饱和的情况重新 计算超调量。此时超调量为：b = 2(nax)(/l _ z) 牛 % =2x0.812x2x0132 x 00174 = 8.9% Chn Tm15(X)0.16能满足设计要求。5电流调节器设计5.1电流环结构框图的化简电流环结构图的简化分为忽略反电动势的动态影响、等效成单位负反馈系统、 小惯性环节的近似处理等环节。在一般情况下，系统的电磁时间常数远小于机电时间常数Tm,因此转速的 变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动， 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60。 这时，电流环如图1()所示。图10忽略反电动势动
6、态影响的电流环动态结构图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，如图11所示。图11等效成单位负反馈系统的电流环的动态结构图最后，由于7；和 兀一般都比7；小得多，可以当作小惯性群而近似地看作 是一个惯性环节，其时间常数为则电流环结构图最终简化成图8U*i(sU*i(s图8电流环的简化结构图5. 2电流环参数的计算5.2. 1确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数Tso按表1,三相桥式电路的平均失控时间Ts=0. 0017so（2）电流滤波时间常数本设计初始条件己给出，即T两二0.002s。电流环小时间常数之和Te
7、=Ts+ToI=0. 0037s表1各种整流装置的失控时间整流电路形式最大失控时间Tsmax（mS）平均失控时间Ts （ms）单相半波2010单相桥式（全波）105三相半波6.673.33三相桥式、六相半波3.331.67电流调节器结构的选择从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用I型系统就够了。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 次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型1型系统。电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI 型的电流调节
8、器，其传递函数可以写成式中Ki 电流调节器的比例系数;ri 一电流调节器的超前时间常数。 检查对电源电压的抗扰性能：参照典型【型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表格，可以看出各项指标 都是可以接受的。计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：rTO.OTso电流环开环增益：要求6 i5%时，应取KJelO. 5,因此匹=_2 = 35广 必 0.0037于是，ACR的比例系数为：40 x 0.2857, K.R 135.1x0.07 x 2.85 o ,.0_K ； L . 30 ojKR校验近似条件电流环截止频率：ci=KI=135.1s-lo 晶闸管整流装置传递函数的近似条件：1 - 13
9、7； 3x0.0017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TJt = N 0.16x0.07 = 283473满足近似条件电流环小时间常数近似处理条件0.0017x0.002 180,8满足近似条件计算调节器电阻和电容由图12,按所用运算放大器取Ro=4OkQ,各电阻和电容值为 鸣=KR = 2.3585 x 40AQ = 94.34取950互=0.07 = 0.7368 uF取0.75/jFR 95 x 103 Mx=务=4x0.捋尸=0.2/F取0.2“F“R 40 x IO，产按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为 i=4. 3%5%,满足设计要求。6设计心得通过
10、一个多星期的课程设计，我对这门课有了进一步的了解。学习过程中在 老师的耐心指导下，有意识的培养和建立了我的思维能力，使我真正建立数据及 信息流的概念，以便在控制应用中，能够使软件和硬件有机地结合。转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。 具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统 中得到了广泛的应用。常用的电机调速系统有转速闭环控制系统和电流闭环控制 系统，二者都可以在一定程度上克服开环系统造成的电动机静差率，但是不够理 想。实际设计中常采用转速、电流双闭环控制系统，一般使电流环（ACR）作为控制 系统的内环，转速环（ASR）作为控制系统
11、的外环，以此来提高系统的动态和静态性 能。本文是按照工程设计的方法来设计转速和电流调节器的。使电动机满足所要 求的静态和动态性能指标。电流环应以跟随性能为主，即应选用典型I型系统， 而转速环以抗扰性能为主，即应选用典型II型系统为主。参考文献陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社.20051 王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.2009邹伯敏.自动控制理论.机械工业出版社.20032 章燕申.控制系统的设计与实践.清华大学出版社.1992胡寿松.自动控制原理.科学出版社.20072双闭环调速系统的总体设计2. 1双闭环调速系统的设计原理改变电枢两端的电压能使电动机改变转向。尽管电枢反接
12、需要较大容量的晶 闸管装置，但是它反向过程快，由于晶闸管的单向导电性，需要可逆运行时经常 采用两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，电动机正转时，由正组晶闸管 装置VF供电；反转时，由反组晶闸管装置VR供电。如图1所示两组晶闸管分别 由两套触发装置控制，可以做到互不干扰，都能灵活地控制电动机的可逆运行， 所以本设计采用两组晶闸管反并联的方式。并且采用三相桥式整流。虽然两组晶闸管反并联的可逆V-M系统解决了电动机的正、反转运行的问题， 但是两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之 间流通的短路电流，称作环流，一般地说，这样的环流对负载无益，只会加重晶 闸管和变压器的负
13、担，消耗功率。环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。为了防止产生直 流平均环流，应该在正组处于整流状态、Udof为正时，强迫让反组处于逆变状态、 使Udor为负，且幅值与Udof相等，使逆变电压Udor把整流电压Udof顶住，则 直流平均环流为零。于是有：U 如=-udof又由于：Uw=UgCsafU如=如cos%其中，4和分别为VF和VR的控制角。由于两组晶闸管装置相同，两组 的最大输出电压Ubmax是一样的，因此，当直流平均环流为零时，应有cos6zr = coscr zU/ + cc r = 1 80如果反组的控制角用逆变角历表示，则ar = pr按照这样控制就可以消除环流
14、。系统设计的一般原则为：先内环后外环。即从内环开始，逐步向外扩展。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。图1两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路图2为转速、电流双闭环调速系统的原理图，图3为双闭环调速系统的结构 图。图中两个调节器ASR和ACR分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接， 即把电流调节器的输出作为转速调节器的输入，再用转速调节器的输出去控制电 力电子变换器UPEo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AL 决定了电流给定电压的最大值；转速调节器ASR的输出限幅电压S限制了电力电 子变换器的最大
15、输出电压Um。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。 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。图2双闭环调速系统电路原理图图3双闭环调速系统结构框图2. 2主电路的设计2.2. 1主电路电气原理图及其说明主电路采用转速、电流双闭环调速系统，使电流环（ACR）作为控制系统的内环, 转速环（ASR）作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。二者串级 连接，即把电流调节器的输出作为转速调节器的输入，再用转速调节器的输出去 控制电力电子变换器UPE。从而改变电机的转速。通过电流和转速反馈电路来实现 电动机无静差的运行。电疝检测，绐定电压t转述检测，直流电动机t图4系统电气原理框图平波电抗器参数的计算：Ud=2. 34U2cosa艮二Un=220V,取 a=0U2= % = = 94.017IV2.34cos0 2.34Tdoin=(5%-10%)L,这里取 10% 则n S 0.693 x 94.0171口L=0. 693
