双闭环直流电机调速系统设计
目录
一、设计任务与要求 (2)
1、设计题目及技术指标 (2)
1.1 设计题目 (2)
1.2 技术指标 (3)
2、系统总方案设计 (3)
2.1 逻辑无环流工作原理 (3)
2.2 系统设计分析 (4)
二、各个器件参数的设计 (5)
1、参数计算 (5)
1.1、变压器参数计算 (5)
1.2 平波电抗器参数计算 (5)
1.3可控晶闸管参数计算 (6)
2、双闭环调速系统 (6)
2.1、输出限幅 (6)
2.2、双闭环直流调速系统设计 (7)
2.3、电流调节器的设计 (10)
2.4转速调节器的设计 (11)
总结体会 (13)
参考文献 (14)
摘要
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。根据晶闸管的特性，通过调节控制角α大小来调节电压。基于设计题目，直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调速控制电路。在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。本文首先确定整个设计的方案和框图。然后确定主电路的结构形式和各元部件的设计，同时对其参数的计算，包括整流变压器、晶闸管、电抗器和保护电路的参数计算。接着驱动电路的设计包括触发电路和脉冲变压器的设计。最后，即本文的重点设计直流电动机调速控制器电路，本文采用转速、电流双闭环直流调速系统为对象来设计直流电动机调速控制器。为了实现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，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，二者之间实行嵌套联接。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称做外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。先确定其结构形式和设计各元部件，并对其参数的计算，包括给定电压、转速调节器、电流调节器、检测电路、触发电路和稳压电路的参数计算,最后画出了调速控制电路电气原理图。 关键词： 双闭环； 转速调节器；电流调节器
一、设计任务与要求
1、 设计题目及技术指标
1.1 设计题目
为某生产机械设计一个调速范围宽、起制动性能好的直流调速系统，且拟定该系统为晶闸管-电动机系统。已知系统中直流电动机主要数据如下： 额定功率kW P N 60=；额定电压V
U
N
220=；
额定电流A
I N 220=；额定转速
min
/1000r n N = ；
电枢电阻
Ω
=05.0a R ；转动惯量 2
2
80m
N GD
?=
电枢回路总电阻Ω=5.0R
电网供电电压为三相380V ；电网电压波动为+5% -- -10%；速度检测采用测速电机；控制系统电源电压为V 15± 测速发电机的选择
因为电动机的额定转速为1000，所以采用ZYS-100A 型测速发电机
1.2 技术指标
要求连续调速，可逆运行，回馈制动，过载倍数5.1=λ 要求调速比15≥D ,电流脉动%10≤i S ，静差率%1≤S 要求以转速、电流双闭环形式作为系统控制方案 要求系统为逻辑无环流可逆调速系统 主回路采用电枢可逆，磁场单独供电
2、系统总方案设计
2.1 逻辑无环流工作原理
逻辑无环流可逆直流调速系统原理框图如图1所示。其主电路采用反并连接电路。因为无环流，所以不需要设置限环流电抗器，控制电路仍是典型的转速、电流双闭环系统，只是电流环是分设的。1ACR 、2ACR 分别控制的是正组VF 、反组VR 的整流桥。正组VF 、反组VR 工作时有整流和逆变两种状态。当给定信号U*n 为正时，转速调节器ASR 输出Ui*为负值，逻辑切换装置DLC 给正组桥VF 发出触发脉冲，使其处于整流状态，电动机正想转动，当给定信号U*n 为0或负值，转速调节器ASR 输出Ui*为正值。由于电机电枢电流不为零，逻辑切换电路DLC 仍然向正组桥VF 提供脉冲，但却使VF 处于逆变状态，电流和转速变小。当电枢电流为0时，反组桥VR 处于整流状态，此时电机处于制动状态，快速停车或反向运行。
逻辑控制的无环流可逆调速系统原理图
2.2 系统设计分析
双闭环直流调速系统一般采用PI调节器，以获得良好的静、动态性能，其电路原理如图1所示。
图1 双闭环直流调速系统原理图
为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构框图，如图2所示。因为设计要求系统在负载和电网电压的扰动下稳态无静差，所以电流、转速调节器均使用PI调节器。
图2 双闭环调速系统稳态结构框图
应用工程方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器。按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展。在双闭环系统中，应该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。
二、各个器件参数的设计
1、参数计算
1.1、变压器参数计算
由于整流输出电压d u 的波形在一周期内脉动6次的波形相同，因此在计算时只需对一个脉冲进行计算。由此得整流输出平均电压
αcos 34.22U U d = （ 60≤α）
显然d d u U ≈=440V ，如果忽略晶闸管和电抗器的压降，则可以求得变压器副边输出电压2
/334.24402?
=
U =217.1V 取2U =220V (通常取导通角α为
30
)
副边输出有效电压为==22U 311.1V
副边输出有效电流220816.0816.02?==d I I =179.5A 考虑电机过载系数为
5.1=λ那么输出电流应可以达到270A
变压器容量为?==732.1322I U S N 311?270=145.43KVA
考虑到晶闸管和电抗器的压降，变压器本身的漏磁，并根据变压器应留有一定裕量的原则。应选择参数为额定容量为200KVA ，副边输出额定电流为250A 的变压器
1.2 平波电抗器参数计算
在V-M 系统中，脉动电流会增加电机的发热，同时也产生脉动转矩，对生产机械不利，为了避免或减轻这种影响，须设置平波电抗器。平波电抗器的电感量一般按低速轻载时保证电流连续的条件来选择。通常首先给定最小电流
in m I (以
A 为单位通常取电动机额定电流的5%-10%)，再利用它计算所需的总电感
量（以mH 为单位），减去电枢电感，即得平波电抗器应有的电感值。 对于三相桥式整流电路总电感量为：
L=0.693
min
2
d
I U =0.693?
%
7220310?=20.13mH
电枢电感m L 的计算公式为)(2103
mH I Pn U K L N
N N D m ?=
P —电动机磁极对数，D K —计算系数，对一般无补偿电机：D K =8~12 那么电枢电感220
10002210
310103
?????=
m L =3.52mH （取P=2,D K =10）
由于变压器的漏电感很小，可以忽略不计，那么平波电抗器电感值取为
L=20.13-3.52=16.61mH ，取其电感值为17mH,根据电感量大小取其电阻为0.3Ω 1.3可控晶闸管参数计算
通常取晶闸管的断态重复峰值电压DRM U 和反向重复峰值电压RRM U 中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作电压时晶闸管所承受峰值电压的2-3倍。本设计中峰值电压
=
=
26U U TM 759.3V
故晶闸管电压定额T U 为：=?-=TM T U U )32(1518V-2277.9V 取其电压定额为2000V
晶闸管的电流定额主要由其通态平均电流T I 来标称，规定为晶闸管在环境为C
40和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温是允许流过的最大工频
正弦半波电流的平均值。因此在使用时同样应按照实际波形的电流与通态平均电流所造成的发热效应相等，即有效值相等的原则来选取晶闸管的电流定额，并留有一定裕量。一般取其通态平均电流为此原则所得计算结果的1.5-2倍。可按下式计算：
)(AV T I =(1.5~2)fb K M A X I ， 式中计算系数
fb
K
=
f
K
/1.57
b
K 由整流电路型式而定，
f
K
为波形系数，b K
为
共阴极或共阳极电路的支路数。当00α=时，三相全控桥电路fb K
=0.368
故计算的晶闸管额定电流为
MAX
fb
AV T I K
I )25.1()(-==(1.5~2)
×0.368×(220×1.5)=182.16～242.88A ，取200A 。
2、双闭环调速系统
2.1、输出限幅
采用PI 调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。为了随心所欲的控制电流和转
速的动态过程，可以采用转速、电流双闭环调速系统.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。系统中引入转速和电流负反馈，两者之间实现嵌套连接。转速调节器是双闭环控制直流调速系统的主导调节器，它可以实现稳态无静差。电流调节器作为内环的调节器能够加快动态过程。
双闭环系统结构框图
给定*
U=-15--15V，转速调节器与电流调节器的输出限幅均为±10V
n
2.2、双闭环直流调速系统设计
图3.1 双闭环直流调速系统电路原理图在双闭环直流调速系统中，转速和电流调节器的结构选择与参数设计须从动态校正的需要来解决。如果采用单闭环中的伯德图设计串联校正装置的方法设计双闭环调速系统这样每次都需要先求出该闭环的原始系统开环对数频率特性，在根据性能指标确定校正后系统的预期特性，经过反复调试才能确定调节器的特性，从而选定其结构并计算参数但是这样计算会比较麻烦。所以本设计采用工程设计方法：先确定调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳定精度。再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。这样做，就把稳，准，快和抗干扰之间相互交叉的矛盾问题分成两步来解决，第一步先解决主要矛盾，即动态稳定性和稳定精度，然后再进一步满足其他动态性能指标。按照“先内环后外环”的一般系统设计原则，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，再设计转速调节器如图3.2所示为双闭环直流调速系统动态结构框图。
图3.2 双闭环直流调速系统动态结构框图
在双闭环调速系统在稳态工作中，当转速和电流两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系：
*
n n U U n n αα=== *
i i d d L
U U I I ββ===
在稳态工作点上，转速n 是由给定电压U n *决定的，ASR 的输出量U i *是有负载电流I dL 决定的，而控制电压U c 的大小则同时取决于n 和I d 。这些关系反映了PI 调节器不同于P 调节器的特点。P 调节器的输出量总是正比于其输入量，而PI 调节器则不然，其输出量在动态过程中决定于输入量的积分，达到稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI 调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。
双闭环调速系统的稳态参数计算和无静差系统的稳态计算相似，根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数
转速反馈系数 m
a x
*
m a x
n U n =
α
电流反馈系数 *
m
im
d U
I β=
本设计中电流调节器输出负限幅值为0V ，正限幅值为10V ；转速调节器输
出负限幅值为10V ，正限幅值为0V 。根据已知参数可求得 转速反馈系数α为：
r V r V n U nm min/01.0min
/100010max
*
?==
=
α
电流反馈系数β为：
A V A
V I U d
im /03.05.122010*
=?=
=
β
另外由 N
a
N N e n R I U C -=根据电机参数得r
V C e min/429.01000
05
.0220440?=?-=
2.3、电流调节器的设计
为了保证较好的跟随性能，可以把电流环校正成典I 型系统。
()()
1i i AC R i K s W s s
ττ+=
1) 电流调节器参数的计算
170.0340.5
l L T m s s R =
==
2
800.5
0.0630
3753750.4290.429
m e m
G D R T s s C C π
?=
=
=??
?，
0.034i l T s τ==，i S I i K K K R
β
τ=
，0.001670.0020.00367i s oi s s s ∑T =T +T =+=
0.5I i K ∑T = 0.50.0340.5
0.5 3.51220.003670.03
i
l s i
RT K K β∑?∴==?
=T ??
检验近似条件：
1
0.5136.240.00367ci I
K s
s
ω-==
=
晶闸管整流装置传递函数的近似条件：
1
11199.6330.00167ci s
s
T s
ω-==>?
忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：
1
1
96.02ci s
ω--==<
电流环小时间常数近似处理条件：
1
1
182.39ci s
ω--==>
均满足近似要求。
2)电流调节器的实现
i i 0
R K R =
i i
i R C τ= o i 0o
i
14
T R C = 取
020R k =Ω
，则
i i 028.7R K R k ==Ω
，取30k Ω
1.13i
i i
C F R τμ=
=，33
442100.42010
oi oi T C F F R μμ-??=
=
=?
()()
()
1103.230.0341i i AC R i K s s W s s
s
ττ++∴=
=
2.4转速调节器的设计
为了保证较好的抗干扰性能，可以把转速环校正成典Ⅱ型系统。
()()
1n n ASR n K s W s s
ττ+=
1) 转速调节器参数的计算
n n n n n 2
n e m n n e m n (1)
(1)
()(1)
(1)
R
K s K R s W s s
C T s T s C T s T s ατατβ
ττβ∑∑++=
?
=
++
n N n e m K R
K C T ατβ=
，N n n 2
n (1)()(1)
K s W s s T s τ∑+=
+，n n hT τ∑=
N 2
2
n
12h K h T ∑+=，e m n n
(1)2h C T K h RT βα∑+=
取10.00730.010.0173n on I
T T s s s K ∑=
+=+=
按跟随性能和抗扰动性能都较好的原则，取5h =，则
n n 50.01730.0865hT s s τ∑==?=
2
2
2
2
2
n
16
400.952250.0173
N h K s h T -∑+=
=
=??
e m n n
(1)60.030.4290.06 5.362250.010.50.0173
h C T K h RT βα∑+???=
=
=????
检验近似条件：
1
1
1
400.950.086534.68N
cn N n K K s
s ωτω--=
==?=
电流环传递函数简化条件
1
1
64.2cn s
ω--=
=>
转速环小时间常数近似处理条件
1
1
38.9cn s
ω--=
=>
均满足近似条件。 2) 转速调节器的实现
n n n R C τ=，on 0on 14
T R C =
，n 0
n R K R =
取0=20k R Ω
则 n n 0 5.3620107.2R K R k k ==?Ω=Ω
3
0.08650.807107.210
n
n n
C F F R τμ=
=
=?，取0.8F μ，0
440.01220on on T C F R k μ?=
=
=Ω
附录：
1 限幅电路的实现
总结体会
本次设计是针对双闭环直流电机调速系统的设计，主要工作是设计直流调速控制器的电路，设计的电路都是模拟电路，同时相应地介绍了器件的保护、电流调调节器、转速调节器以及晶闸管的触发电路的设计过程，通过借用图书馆的书籍以及通过网络上的搜索，查阅了许多关于本设计的书籍和资料对该电路的设计有了较为深入的研究，也进一步熟悉了双闭环直流调速系统的结构形式、工作原理及各个器件的作用和设计。同时，在指导老师的指导下，并与有共同设计内容的同学交流，分析、整理和研究课题，先确立了设计基本思路，遇到问题及时与指导老师沟通，在老师的指点和自己的努力，最后完成了整个设计。在设计过程中也学会运用了protel 绘制电气原理图及简单电路图 本设计在有限的条件下和本人有限的学识，做出的设计还是存在着一些不足。本设计采用PI 调节器，输出的转速存在这超调量比较大，而且快速性也相对受到影响。则今后可以采用PID 调节器可以全面的提高系统的控制性能，但是具体实现与调试要复杂，做的工作比现在就更多。设计研究是一个漫长的过程，要想让它真正的使用到现实中，还需要不断的改善。
参考文献
[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M] .北京：机械工业出版社，2003
[2]李发海.电机拖动基础.北京：清华大学出版社，2005
[3]杨荫福.电力电子装置及系统. 北京：清华大学出版社，2006
[4]杨兴姚.电动机调速的原理及系统.北京：水利电力出版社，2003
[5]张德丰.MATLAB控制系统设计与仿真.北京：电子工业出版社，2009