双闭环直流调速系统设计的计算.docx

1、题 目: 双闭环直流调速系统设计的计算 初始条件：采用晶闸管三相桥式整流,电机参数：额定功率29.92KW，电枢回路总电阻：R=1,， ，无静差。电流过载倍数为，转速反馈滤波时间常数：=0.005s，=0.005s。时间常数：机电时间常数=0.18s,电流超调量5%，空载起动到额定转速时的转速超调量10%。调速范围D=10要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1. 系统原理图设计；2. 对转速和电流两个调节器进行调节；3. 主电路，控制电路，保护电路设计；4. 系统稳态图，动态图绘制；5. 主电路选择计算，校验；6. 按规范格式撰写设计报告（参考文献

2、不少于5篇）打印时间安排：(10天)6月2日-6月3日查阅资料6月4日-6月8日方案设计6月9日-6月11日馔写程设计报告6月 12日提交报告，答辩指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘要I双闭环直流调速系统设计的计算11 设计任务与分析11.1 设计任务与要求11.2 设计任务分析11.3 系统结构框图12主电路设计32.1 三相桥式整流电路32.2 主电路参数计算43 双闭环控制电路73.1 电流调节器设计83.2 转速调节器设计114 驱动电路设计155 保护电路设计175.1 过电压保护175.2 过电流保护196 系统总体电路217 系统仿真227.1

3、 面向传递函数的系统仿真227.2 面向电气系统原理的系统仿真23收获与体会26参考文献27附录28本科生课程设计成绩评定表29摘要本设计报告首先根据设计要求确定调速方案和主电路的结构型式，主电路和闭环系统确定下来后，重在对电路各元件参数的计算和器件的选型，包括整流变压器、整流元件、平波电抗器、保护电路以及电流和转速调节器的参数计算。控制电路设计是核心部分，该系统中设置了电流检测环节和电流调节器构成了电流环，转速检测环节和转速调节器构成转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时，转速

4、外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。并通过simulink进行系统的数学建模和系统仿真，分析双闭环直流调速系统的特性。关键词：电流环、转速环、直流调速、simulinkI双闭环直流调速系统设计的计算1 设计任务与分析1.1 设计任务与要求某晶闸管供电的双闭环直流调速，整流装置采用晶闸管三相桥式整流，电机参数如下：额定功率PN=29.92KW ，电枢回路总电阻：R=1，允许过载倍数。时间常数如下：转速反馈滤波时间常

5、数：=0.005s，=0.005s，机电时间常数=0.18s。要求设计双闭环直流调速系统使得电流稳态无静差，电流超调量5%，空载起动到额定转速时的转速超调量10%。调速范围D=10。设计内容包括（1）系统原理图设计；（2）对转速和电流两个调节器进行调节；（3）主电路，控制电路，保护电路设计；（4）系统稳态图，动态图绘制；（5）主电路选择计算，校验。1.2 设计任务分析本设计采用三相全控桥整流电路，在直流侧串有平波电抗器，该电路能为电动机负载提供稳定可靠的电源，利用控制角的大小可有效的调节转速，并在直流交流侧安置了保护装置，保证各元器件能安全的工作，同时由于使用双闭环控制， 双闭环直流调速系统是

6、由速度和电流环构成，速度环是外环，使得转速n很快更随给定电压变化，电流环作为内环调节器快速更随电压环输出变化，并使得在转速动态变化中保证电机获得允许的最大电流从而加快启动过程。为了获得良好的静态和动态性能，速度和电流环均用PI调节器。1.3 系统结构框图系统的拓扑结构如图1-1所示，三相交流电经三相全控桥整流电路整成直流供给给直流电机，转速和电流反馈控制晶闸管的导通角进而控制转速和转矩。整个系统设有保护电路。35图 11 系统拓扑结构2 主电路设计本设计中直流电动机由三相桥式全控整流电路通过变压器与电网连接，经过变压器的耦合，晶闸管电路得到一个合适的输入电压。单独的可调整流装置供电，通过调节触

7、发延迟角的大小来控制输出电压Ud的大小，从而改变电动机的电源电压。稳态时，调速系统的静特特性为式2-1。 (2-1) 由静特性知，改变给定电压即可改变转速。2.1 三相桥式整流电路三相全控桥整流电路如图2-1所示，三相全控桥整流电路可实现对共阴极组和共阳极组同时进行控制，控制角都是。图21 三相桥式整流电路三相桥式整流电路用于直流电动机属于带反电动势阻感负载，和带阻感负载时分析类似，为了便于分析仅列出带阻感负载情况。当直流输出电压连续时，直流电压的平均值为： (2-2)2.2 主电路参数计算2.2.1变压器参数计算根据题设条件，电枢回路总电阻R=1知电枢回路电阻，平波电抗器电阻为RL=0.8

8、(2-3)式2-3中为整流装置输出理想空载电压。对于本设计 (2-4)式2-3中的为电动机的额定电压，由系统要求可知，整流变压器一、二次线电压分别为380V和220V，最大负载电流为，则变比为： (2-5)变压器一次和二次侧的相电流计算公式为： (2-6) (2-7)所以变压器的容量分别如下：变压器次级容量为（按线值）： (2-8)变压器初级容量为（按线值）： (2-9)变压器容量为： (2-10)变压器参数归纳如下：初级绕组三角形接法,次级绕组星形接法，；容量选择为60kVA。2.2.2晶闸管参数计算（1）晶闸管的额定电压晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值即 (2-11)考虑

9、裕量，则额定电压为： (2-12) (2) 晶闸管的额定电流晶闸管电流的有效值为： (2-13)考虑裕量，故晶闸管的额定电流为：() (2-14)故晶闸管额定电压取1000V，额定电流取150A。2.2.3平波电抗器参数计算平波电抗器用于整流以后的直流回路中。整流电路的脉波数总是有限的，在输出的整直电压中总是有纹波的。这种纹波往往是有害的，需要由平波电抗器加以抑制。直流供电的晶闸管电气传动中，平波电抗器也是不可少的，使输出的直流接近于理想直流。若要求变流器在某一最小输出电流dminI时仍能维持电流连续，则电抗器的电感可按下式计算： (2-15)要求连续的最小负载电流平均值(A),与整流主电路形

10、式有关的计算系数，取0.693。对于不同控制角，所需的电感量L最小为： (2-16)=本设计中的参数为：,临界值=0。将以上所述参数代入，可计算出本设计所需的临界电感参数值，取L=50mH。3 双闭环控制电路双闭环直流调速系统动态结构框图如图3-1所示，速度调节器根据转速给定电压 和速度反馈电压的偏差进行调节，其输出是电流的给定电压由于对于直流电动机来说，控制电枢电流就是控制电磁转矩，相应的可以调速。电流调节器根据电流给定电压和电流反馈电压的偏差进行调节，其输出是功率变换器件（三相整流装置）的控制信号。通过电压进而调节整流装置的输出，即电机的电枢电压，由于转速不能突变，电枢电压改变后，电枢电流

11、跟着发生变化，相应的电磁转矩也跟着变化，由转速公式可知： (2-17)只要Te与Tl不相等那么转速n会相应的变化。整个过程到电枢电流产生的转矩与负载转矩达到平衡后，转速达到稳定。图 31双闭环控制直流调速系统原理图考虑到实际系统在检测信号常常有谐波和扰动，为了抑制各种扰动对系统的影响，加入低通滤波。实际的双闭环调速系统控制框图见图32。图 32双闭环调速控制动态结构框图3.1 电流调节器设计3.1.1时间常数三相桥式整流电路平均失控时间为即整流装置的滞后时间常数为。电流滤波时间常数，所以电流环的小时间常数为 (2-18)电枢回路电磁时间常数为 (2-19)3.1.2调节器结构由于典型系统具有快

12、速跟随性，可按典型系统设计电流调节器。根据设计要求，稳态无静差，电流超调量5，而且电流调节器控制对象是双惯性的，可用PI电流调节器，其传递函数见3-4。 (2-20)检验其对电源电压的抗扰性能：，抗扰指标可以接受。对扰动输入，设W1(s)是电流环反馈通道的传递函数，W2(s)是前向通道的传递函数，则有 (2-21) (2-22) 系统的开环传递函数为 (2-23)，用调节器中的抵消了较大的时间常数的惯性环节从而成为了典型系统。3.1.3ACR参数计算电流调节器超前时间常数为： ，由于要求电流超调量5%，查询表典型系统动态跟随性能指标（见附录一）知当KT=0.5时，电流超调量=4.3%5%,符合

13、条件。所以有电流环开环放大系数为： (2-24)ACR的比例放大系数为： (2-25)3.1.4检验近似条件电流环的截止频率为： （1） 检验晶闸管整流装置传递函数的近似条件： (2-26)满足近似条件。（2） 检验忽略反电动势对电流环的影响的近似条件： (2-27)满足近似条件。（3） 检验电流小时间常数近似处理条件： (2-28)满足近似条件。3.1.5ACR电容和电阻计算电流调节器的原理图如图 33含有给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器图 33所示，根据放大器的电路原理，可得： (2-29) (2-30) (2-31)根据式3-13、3-14和3-15分别取图 33含有给定滤波和反馈滤

14、波的PI型电流调节器3.2 转速调节器设计3.2.1 时间常数(1) 电流环的等效时间常数由于，则 (2-32)（2）转速小时间常数 (2-33)3.2.2 转速调节器结构由图3-2知，为了实现转速无静差，在负载扰动之前必须有一个积分环节，它应该包括在转速调节器中，而负载扰动之后已经有一个积分环节，因此转速开环传递函数共有两个积分环节。应设计成典型系统以满足较好的动态抗扰性能。而为了克服典型系统带来的超调量大的问题，实际系统中的转速调节器的饱和非线性会使得超调量大大降低。因此ASR也应采用PI调节器。图 34校正成为典型系统的转速环结构图校正成为典型系统的转速环结构图如3-4所示。3.2.3

15、ASR参数计算调速系统的开环传递函数为 (2-34)令开环增益KN为： (2-35)则 (2-36)根据典型系统的参数关系有： (2-37) (2-38) (2-39)根据更随性和抗干扰性能都较好的原则，取h=5,则由式3-21式3-23可得（1） ASR超前时间常数为（2）转速环开环增益为（3）ASR比例系数为3.2.4 检验近似条件转速环的截止频率为： (2-40)（1）电流环传递函数简化条件： (2-41)满足近似条件。（2） 转速环小时间常数近似条件： (2-42)满足近似条件。3.2.5 ASR电阻和电容计算电流调节器的原理图如3-6所示，根据放大器的电路原理，可得 (2-43) (

16、2-44) (2-45)根据式3-27、3-28和3-29分别取图 35含有给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器3.2.6检验转速超调量当h=5时，查表典型系统动态跟随性能指标（见附录一），不满足设计要求。由于表的数据是按照线性系统来计算的，而突加给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提。故应按照ASR退饱和的情况进行计算，见式3-30。 (2-46)其中。查表可得，当h=5时，=81.2%，带入到式3-30得转速超调量的校验结果表明，上述设计符合要求。4 驱动电路设计晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制。根据晶闸管的这种特性，通过控制晶闸管的导通和关

17、断时刻，就能控制整流电路的触发角的大小。在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。在触发某个晶闸管的同时，给序号紧前的一个晶闸管补发脉冲。即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60，脉宽一般为2030，称为双脉冲触发。双脉冲电路较复杂，但要求的触发电路输出功率小。触发电路如图3-1所示图 41 触发电路如图3-1所示，只需用3个KJ004集成块和1个KJ041集成块,即可形成六路双脉冲,在由六个晶体管进行脉冲放大,即构成完整的三相全控桥触发电路。其中,KJ041内部实际是由12个二极管的6各或门,其作用是将6路单脉冲输入转换为6

18、路双脉冲输出。触发电压的形成用KJ004芯片完成。KJ004电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。锯齿波的斜率决定于外接电阻R6、RW1,流出的充电电流和积分电容C1的数值。对不同的移相控制电压VY,只有改变权电阻R1、R2的比例,调节相应的偏移电压VP。同时调整锯齿波斜率电位器RW1,可以使不同的移相控制电压获得整个移相范围。触发电路为正极性型,即移相电压增加,导通角增大，R7和C2形成微分电路,改变R7和C2的值可以获得不同的脉冲输出。5 保护电路设计5.1 过电压保护5.1.1 交流侧过电压设计采用RC过电压抑制电路如

19、图5-1所示，在变压器次级并联RC电路，以吸收变压器铁心的磁场释放的能量，并把它转换为电容器的电场能而存储起来，串联电阻是为了在能量转换过程中可以消耗一部分能量并且抑制LC回路可能产生的震荡。 图5-1 交流侧过电压设计本设计采用三相全控桥整流电路，变压器的绕组为Y联结，阻容保护装置采用三角形接法，故可按下式计算阻容保护元件的参数。电容的值： (5-1)电容C的耐压： (5-2)电阻的值： (5-3)电阻R的功率： (5-4)RC支路电流： (5-5) 式中：ST变压器每相平均计算容量（VA）U2变压器次级相电压有效值（V）励磁电流百分比，当ST几百伏安时=10，当ST1000kVA时=35U

20、K%变压器的短路电压百分比IC，UC当R正常工作时电流电压的有效值（A，V） 对于本设计，UK%=5，=5，ST=60/3=20kVA（1）电容器的计算 取7； 取800V；选择C=7F，耐压800V的金属化纸介电容。（2）电阻值的计算 取。RC支路电流IC近似为电阻R的功率为 5.1.2 直流侧的过电压保护整流器直流侧开断时，如直流侧快速开关断开或桥臂快熔熔断等情况，也会在A、B之间产生过电压，如图5-2所示本设计用非线性元气件抑制过电压，在A、B之间接入的是压敏电阻，这是由氧化锌、氧化铋等烧结制成的非线性电阻元件，它具有正反向相同的很陡的伏安特性，击穿前漏电流为微安数量级，损耗很小，过电压

21、时(击穿后)则能通过达数千安的浪涌电流， 所以抑制电流能力很强。图 52 直流侧过电压保护压敏电阻的额定电压U1mA的选取可按下式计算 (5-6) Ud0为晶闸管控制角=00时直流输出电压 对于本设计，可取1000V通常用于中小功率整流器操作过电压保护时，压敏电阻通流容量可选择（35）KA5.1.3晶闸管换相过电压保护 如图5-3，在晶闸管元件两端并联RC电路，起到晶闸管换相过电压的保护。串联电阻R的作用一是阻尼LTC回路的震荡，二是限制晶闸管开通瞬间的损耗且可减小电流上升率di/dt。R、C值可按经验数据选取，对于本设计晶闸管额定电流为136A，故C可取0.3,R可取20。5.2 过电流保护

22、 在电路中串接的器件是快速熔断器，这是一种最简单有效而应用最普遍的过电流保护元件，其断流时间一般小于10ms，按图5-4接法熔断器与每一个晶闸管元件相串联，可靠的保护每一个晶闸管元件。熔断器的额定电压、电流可按下式计算：（1） 额定电压URN：不小于线路正常工作电压的方均根值；（2） 额定电流：；其中： 电流裕度系数，取=1.11.5 环境温度系数，取=11.2 实际流过快熔的电流有效值对于本设计：因U2=170V，取URN=1000V； 取。 因而可选取RS3型1000V/250A的快熔。图 53 晶闸管过电压保护图 54 过电流保护6 系统总体电路根据图 11将主电路、控制电路、驱动电路、

23、保护电路等各电路模块连接起来构成系统总体电路，如图 61所示。其中用测速发动机作为转速测量机构。图 61 系统总体电路7 系统仿真前文对双闭环直流调速系统只进行了理论性设计,采用MATLAB中的simulink工具箱对系统在阶跃输入和负载扰动情况下的动态响应（主要为转速和电枢电流）进行仿真。仿真可采用面向传递函数的仿真方法或面向电气系统原理结构图的仿真方法。7.1 面向传递函数的系统仿真根据图 371在MATLAB的simulink搭建面向传递函数的仿真系统图7-1。图 71 面向传递函数的仿真系统图图 72面向传递函数的仿真系统仿真结果仿真结果如7-2所示，其中给定为10，在t=1s时加入负

24、载，负载电流为136A。01s内空载启动，在1s时加额定负载，在仿真结果如图7-2：由图7-2 可知，01s内空载启动，转速最高达到1630r/min,稳态为1460r/min，超调量为，基本满足要求;在1s时加额定负载电流136A，电流超调量为，电流超调量过大。从图7-2中知电流存在负值，而本系统为不可逆调速系统，仿真系统与实际系统有一定误差，所以加入电动机实际模型，进行面向电气系统原理的系统仿真7.2 面向电气系统原理的系统仿真将电动机代替图7-1的电动机数学模型，得到面向电气系统原理的系统仿真如图7-3所示。仿真结果如7-4所示，其中给定为10，额定负载电流为136A。01s内空载启动，

25、在1s时加额定负载。由图7-4知01s启动，转速最高达到1630r/min,稳态为1460r/min，超调量为，基本满足要求;在1s时加额定负载电流155A，电流超调量为，电流超调量较图7-2有明显改善。图 74 面向电气系统原理的系统仿真结果图7-3面向电气系统原理的仿真系统当给定为1，额定负载电流为136A。01s内空载启动，在1s时加额定负载，在仿真结果如图7-5所示。图 75调速范围检验由图7-5知01s启动，转速最高达到180r/min,稳态为146r/min；1s加额定负载转速稳态为146 r/min，电流稳态为136A。满足调速范围D=10的要求。收获与体会通过本次对一个双闭环不

26、可逆直流调速系统课程设计使我对电力电子技术电力拖动自动控制系统有了进一步的了解与认识。对所学内容有了更深刻的印象，并且进一步认识到工程设计时与实际相联系的重要性，比如在计算元件参数时计算出来的值往往与实际生产参数不符，这就需要根据实际情况对参数进行取舍。另外，做设计时信息十分重要，我运用文件检索工具查阅了大量的相关资料，这对设计大有益处。但是也有几个知识点不知如何处理。超调量怎么分析，调整时间Ts与振荡次数N的关系。该系统中调速系统采用比例积分调节器。可实现转速的无静差调速，有采用电流截止负反馈环节，限制了起（制）动时的最大电流。该系统具有许多特点：具有良好的静特性；具有较好的动态特性，启动时

27、间短，超调量也小；系统抗扰动能力强，电流环能较好的克服电网电压波动的影响，而速度环能抑制被它包围的各个环节扰动的影响，并最后消除转速偏差；由两个调节器分别进行设计，分别调整，调整方便。通过本次的课程设计，我学到了很多东西。我可以将我所学理论知识很好的运用到了实际当中，在具体的设计过程中，真正做到了学以致用，并使自己的实际操作能力得到了很大的提高。设计过程中运用了很多的知识，因此如何将知识系统化就成了关键。因此在设计过程中侧重了知识系统化能力的培养，为今后的工作和学习打下了很好的理论基础。此次设计过程中遇到了很多的困难，为了解决问题，激发了对获取知识的寻求，自学能力得到提高。本次课设应该感谢学院

28、的安排；让我们在学习课本知识的同时，能够有这样良好的机会实践,加深对所学理论知识的理解,掌握工程设计的方法。通过这次课程设计,我深深懂得要不断的把所学知识学以致用,还需通过自身不断的努力,不断提高自己分析问题,解决问题的能力，为我们以后就业打下良好基础。参考文献1王兆安.电力电子技术（第4版）.北京：机械工业出版社，2000.2张广溢等.电机学.重庆：重庆大学出版社，2002.3王军.自动控制原理.重庆：重庆大学出版社，2008.4胡寿松.自动控制原理（第4版）.北京：国防工业出版社.5周渊深.交直流调速系统与Matlab仿真.北京：中国电力出版社，2004.6陈伯时.电力拖动自动控制系统（第

29、2版）.北京：机械工业出版社.2005.7陈伯时.电力拖动自动控制系统（第3版）.北京：机械工业出版社，2004.附录表 1 典型系统动态跟随性能指标参数关系KT0.250.390.500.691.0阻尼比z 1.00.80.7070.60.5超调量s 0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间tp8.3T6.2T4.7T3.6T相角稳定裕度 g76.369.965.559.251.8截止频率wc0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T表2 典型型系统阶跃输入跟随性能指标h3 4567891052.6%43.6%37

30、.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%tr/T2.402.652.853.003.103.203.303.35ts/T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111本科生课程设计成绩评定表姓 名性 别专业、班级课程设计题目：双闭环直流调速系统设计的计算课程设计答辩或质疑记录：1.为什么该系统不可逆？答：因为V-M调速系统使用晶闸管整流成直流电压，而晶闸管具有单向导电性，不允许电流反向，若采用两组晶闸管可以实现可逆运行。2.转速调节器和电流调节器的作用答：转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速很快地跟随给定电压变化, 如果采

31、用PI调节器，则可实现无静差；对负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。电流调节器在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化；对电网电压的波动起及时抗扰的作用；在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流；当电动机过载甚至堵转时，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，系统立即自动恢复正常。3.空载启动时，为什么刚开始转速为0，过一会才有转速?刚开始启动时，电流没有达到额定电流，电机不能启动。成绩评定依据：序号评定项目评分成绩1选题合理、目的明确（10分）2设计方案正确，具有可行性、创新性（20分）3设计结果可信（例如：系统建模、求解，仿真结果）（25分）4态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分）5设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（10分）6答辩（20分）总分最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 周颖 年 月 日