1、 电力拖动与运动控制系统课程设计-转速电流双闭环直流调速系统的设计学 院： 年 级:班 级： 姓 名： 座 号： 学 号： 指导老师： 转速电流双闭环系统设计第 2 页共 15 页目录一 设计任务 2二 设计要求 3三设计的基本思路： 3四设计过程 41 确定转速、电流反馈系数 .42.电流环的设计 .43.转速环的设计 .6五硬件电路图设计 81 系统主电路图绘制 82 系统触发电路图 93 电流环电路 124.转速环电路： .144.控制电路总体电路图 .15六心得体会： 15七 参考资料 16转速电流双闭环系统设计第 3 页共 15 页一 设计任务设计一转速、电流双闭环直流调速系统，采用
2、他励直流电动机、晶闸管三相全控桥式整流电路，其数据如下：直流电动机：PN=60KW，UN=220V，IN=305A，Nn=1000r/min；晶闸管整流触发装置的放大系数 Ks=30电磁时间常数：T1=0.012S;机电时间常数：Tm=0.12s;反馈滤波时间常数：Toi=0.0025s,Ton=0.014s;额定转速时的给定电压：Unm=10V;调节器饱和输出电压：10V；系统调速范围：D=20；系统的静、动态性能指标：无静差，电流超调量 ，启动到额定转速时的5%i超调量 10%二 设计要求1确定转速、电流反馈系数；2设计电流调节器；3用 准则设计转速环，确定转速调节器的结构和参数；minr
3、M4计算最低速启动时的转速超调量；5绘制系统线路图（主电路、触发电路、控制电路） 。三设计的基本思路：转速，电流双闭环调速系统属于多环控制系统。对电流双闭环调速系统而言，先从内环（即电流环）出发，根据电流控制要求，确定把电流环校正为那种典型系统。按照调节对象选择调节器及其参数。设计完电流环环节之后，把它等转速电流双闭环系统设计第 4 页共 15 页效成一个小惯性环节，作为转速环的一个组成部分。然后用同样的方法进行转速环的设计，每个环的设计都是把该环校正为一个典型系统，以获得预期的性能指标。目前的 V-M 调速系统多为带电流内环的速度控制系统。双闭环调速系统的动态结构图如下：四设计过程根据双闭环
4、系统的结构图和题目的要求及相关的知识，我们可以进行有关的计算，具体如下：1 确定转速、电流反馈系数（1）电机的电枢回路电阻 Ra 0382.305621222NIPURa（2）电势常数 Ce min28.10. 1rVnICeNa（3）三相桥式晶闸管整流装置的滞后时间 TssmfTS 7.50621（4）电流反馈系数 设最大允许电流 ，则电流反馈系数为NdmI.1转速电流双闭环系统设计第 5 页共 15 页AVIUdmi /0219.35.1（5）转速反馈系数 min0.11rnN2.电流环的设计（1）电流环小时间常数sTsoii 042.17.025.（2）电流调节器结构的选择根据设计要求，
5、 ，且%i109.204.1iT因此可按典 I 系统设计，且选用 PI 调节器，其传递函数为sKsWiACR)(（3）确定电流调节器参数ACR 超前时间常数： sTi012.电流环开环放大系数 ：要求 时，应按二阶“最佳”系统设计，取IK%5i10.942.012sTKiI从而，ACR 的比例系数为 3.00219.)38(5.19SiIiR（4）校验近似条件电流环截止频率： 15.sKIci晶闸管装置传递函数近似条件转速电流双闭环系统设计第 6 页共 15 页SciT31ciSs1.9607.满足近似条件。小时间常数近似条件oisciT13ciois s169.025.7.满足近似条件。忽略
6、反电势对电流环影响的条件13Tmcicis11 06.792.0（5）计算调节器电阻电容按所运用运算放大器取 ，则kR0RKii 23.0由 有iiCFRii 2106.63由 得04oioiTCioi 5.012.303.转速环的设计（1）转速环小时间常数转速电流双闭环系统设计第 7 页共 15 页sTonin 024.1.042.2（2）选择转速调节器结构根据稳态、动态性能指标的要求，应按典 I 系统设计转速环，为此应选用PI 调节器，其传递函数为sKsWnACR1)(（3）选择转速调节器参数为了使转速环的跟随性能和抗扰性能都较好，应采用 准则选择参数，minMr且取 h=5，因此 ASR
7、 的超前时间常数为shTn12.04.5转速环开环放大系数为39024.521nNhK从而，转速调节器比例系数为1).0382.(01.24.59)1(2)1( RhTCRKnmemenNn （4）校验近似条件转速环截止频率11 7.261.0239sKnNcn电流环传递函数简化条件icnT5而 cni s162.470.1满足近似条件。小时间常数近似处理条件转速电流双闭环系统设计第 8 页共 15 页onicnT213cnoni s174.30.042.1满足近似条件。（5）计算转速调节器电阻和电容取输入电阻 ，则kR20Kn10FRCn 51.02.63Ton 8.2104.463(6)校
8、核转速超调量因为当 h=5 时%2.81maxbC而 min/2035208.1rICRInNeaNe 所以 mnsNLdmb TI2)(max%102.91.042305.1%.8 可见，所设计的系统能满足设计要求。必须注意：因为 ，对转速环来说，)7.6(6.79111 ssTcnm忽略反电势的条件并不成立，所以转速超调量将比上面的计算值更小，更能满足设计要求。转速电流双闭环系统设计第 9 页共 15 页五硬件电路图设计1 系统主电路图绘制系统采用三相桥式全控整流电路。如下图所示：图 系统主电路连接示意图说明： 该桥式全控整流电路有如下特点：（1）三相桥式全控整流电路必须有两只晶闸管同时导
9、通才能构成电流回路，其中一只在共阴组，另外一只在共阳组，而且这两只导通的管子不在同一相内。因此，负载电压是两相电压之差，即线电压，一个周期内有六次脉动，它为线电压的包络线。（2）晶闸管在一个周期内导通 120，关断 240，管子换流只在本组内进行，每隔 120换流一次。（3）出发脉冲需宽脉冲或双窄脉冲，共阴极组及共阳极组内各管脉冲相位差为120，接在同一相的不同管子脉冲相位差为 180。晶闸管按顺序轮流导通，相邻顺序管子脉冲相位差为 60，即每隔 60换流一次。（4）晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次侧线电压的电压峰值。2 系统触发电路图在中、大容量的变流器中广泛应用晶闸管组成的触发电路或集
10、成化的触发电路，下图所示为同步信号是锯齿波的触发电路，电路由脉冲形成及放大、锯转速电流双闭环系统设计第 10 页共 15 页齿波形成和脉冲移相、同步三个环节组成。同步信号为锯齿波的触发电路主电路图具体连接图如下：图 同步信号为锯齿波的触发电路主电路图转速电流双闭环系统设计第 11 页共 15 页说明：（1）脉冲形成及放大环节在上图中，晶闸管 V4、V5 形成脉冲，V7、V8 起放大作用。uk 为直流控制信号，当 uk0 时，V4 截止，V5 导通，使 V7、V8 截止，无脉冲输出。此时，电容 C3 充电（ER9C3V5V6VD10E） ，uc32E。当 uk 升高，使 V4 导通，V5 截止，
11、V7、V8 导通，经变压器 TP 输出脉冲电压。此期间 C3 先放电后反向充电，使 B 点电位升高，直到 uBE，V5 又导通，V7、V8 变为截止，脉冲消失。脉冲宽度由 C3 反向充电时间常数 R11C3 决定。（2）锯齿波形成和脉冲移相环节锯齿波的形成有自举式电路、恒流源电路等。在上图中由 V1、RP2 和R3、R4 等组成恒流源电路。电容 C2 的冲放电形成锯齿波，锯齿波通过 V3 组成的设计跟随器输出。锯齿波电压 ue3、直流控制电压 uk、直流便宜电压 up 经电阻 R6、R7、R8 与 V4 基极 b4 连接，着三个电压叠加决定 V4 的基极电位 ub4 的大小，即控制 V4 的工
12、作状态。Up 的作用是为了确定 uk0 时脉冲的初始相位。如感性伏在电流连续，三相全控桥（可逆系统）的脉冲初始相位应定在 ，可通过调节 up 与 ue390叠加来实现，锯齿波过零变正点，即为脉冲产生的时刻，对应于 ，此90时变流器输出 Ud0。Uk 与 ue3 叠加控制脉冲相位移动（up 固定在某值） ，当 uk0 时，过零点 N点向左移动， ，电路工作整流状态：当 uk0 时，N 点向右移动，9电路工作于逆变状态。该电路要求锯齿波宽度大于 180，如选 240。90（3） 同步环节 触发脉冲 uG 必须与主电路的电源同步。上图电路中，同步环节又由同步变压器 TS 和晶体管 V2 等组成。同步
13、电压 us 经 TS 降压产生二次电压 uTS 来控制V2 的导通与关断，从而控制 C2 的冲放电过程，V2 截止时 C2 充电，V2 导通是C2 放电，这样就形成了锯齿波。正弦波 uTS 的一个周期内 V2 截止与导通各一次，对应锯齿波是一个周期，与主回路电源频率一样，达到同步的目的。锯齿波的宽度由 C1 的充电时间常数转速电流双闭环系统设计第 12 页共 15 页R1C1 决定。（4）强触发环节晶闸管采用强触发可缩短开通时间，有利于改善串并联器件的动态均压和均流，增加触发的可靠性，强触发电路如图所示。强触发的电源，由单相桥式整流电路获得 50V 电压。在 V8 截止时，C6 充电，D 点电
14、位上升到 50V。当 V8 导通时，C6 迅速放电，D 点电位迅速下降，uD15V 时，VD15 导通，由 15V 电源供电，V8 截止后，C6 由充电到 uD50V，为下一次触发做准备。（5）双窄脉冲形成环节第一个脉冲由本相触发电路的 V4 由截止变为导通时使 V5 截止而 V7、V8 导通所产生；第二个脉冲由滞后 60相位的后一个相触发电路产生其一个脉冲时将信号引至本想触发电路 V6 的基极，使其截止，V7、V8 又导通而产生。这样每一个触发电路一个周期能输出两个相隔 60的窄脉冲。为防止脉冲互相干扰，加入 VD4 和 R17。三相桥式全控整流电路，晶闸管的导通顺序为：VT1VT2VT3V
15、T4VT5VT6VT1，彼此相隔 60。为能准确产生双窄脉冲，图中的 X 和 Y 断应按图 所示的顺序连接，即前相的触发电路的 Y 端接后相的 X 端。图 触发器的控制端的连接图3 电流环电路转速电流双闭环系统设计第 13 页共 15 页说明：由设计过程中的计算可以知道：电流环中相关的电阻，电容的取值为： 62iRK01341R633.2iiCF12 304.50.1oiiTR转速电流双闭环系统设计第 14 页共 15 页4.转速环电路：说明：由设计过程中的计算可以知道：转速调节器电阻和电容取输入电阻 ，则kR2078910.5K102nKk653.10.5nCFR664 304.2.82on
16、T转速电流双闭环系统设计第 15 页共 15 页4.控制电路总体电路图说明：转速调节器 ASR 调节转速，用电流调节器 ACR 调节电流。ASR 与ACR 之间实现串级连接，即以 ASR 的输出电压 Ui 作为电流调节器的电流给定信号，再用 ACR 的输出电压 Uc 作为晶闸管触发电路的移相控制电压。从闭环反馈的结构上看，转速环在外面为外环，电流环在里面为内环。为了获得良好的静。动态性能，转速和电流两个调节器都采用具有输入、输出限幅电路的 PI调节器，且转速与电流都采用负反馈闭环。六心得体会：这次的课程设计难度不是很大，所用到的知识基本上都是在电力电子技术和电力拖动与运动控制系统这两门课程中所
17、学过的基本知识点。而且在这次的设计中没有要求用 MATLAB 进行系统的仿真，这样也大大地减少了我们的工作量。这次的设计，其中最重要的一部分是参数的计算。由于课本中有相类似的例题作为参考，因此计算部分不难，只是算时，感觉有点繁琐而已，只要自己有耐心，就可以设计出合理的系统。做事情要有耐心，这是我在这次设计中所转速电流双闭环系统设计第 16 页共 15 页学习到的重要的一点。在进行硬件电路图的设计时，电流调节器和转速调节器都可以在课本上找到，而触发电路，主电路在电力电子课程中学习过，也不难画出他们的硬件连接图。总的来说这次的设计不难。这次设计难度虽然不难，但是在其中我也收获了不少。通过这次设计，加深了我对电流，转速双闭环系统这个典型的系统的认识。复习了以前学习过的基本知识，加深了印象。这对我们以后工作中会很有帮助的。七 参考资料1、 电力拖动与运动控制系统（第二版） ，罗飞 郗晓田 文小铃 许玉格编北京：化学工业出版社，2007.22电力电子技术基础 苏开才等编 华南理工大学出版社
