轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

1、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)摘 要：此設(shè)計(jì)利用晶閘管、二極管等器件設(shè)計(jì)了一個(gè)轉(zhuǎn)速、電流雙閉壞直流調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)中設(shè)置了電流檢測(cè)環(huán)節(jié)、電流調(diào)節(jié)器以及轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，構(gòu)成 了電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)，前者通過(guò)電流元件的反饋?zhàn)饔梅€(wěn)定電流，后者通過(guò)轉(zhuǎn)速檢測(cè)元件的 反饋?zhàn)饔帽３洲D(zhuǎn)速穩(wěn)定，最終消除轉(zhuǎn)速偏差，從而使系統(tǒng)達(dá)到調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速的目的。 該系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速外環(huán)飽和不起作用，電流內(nèi)環(huán)起主要作用，調(diào)節(jié)起動(dòng)電流保持最大 值，使轉(zhuǎn)速線性變化，迅速達(dá)到給定值；穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋外環(huán)起主要作用，使 轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速給定電壓的變化而變化，電流內(nèi)環(huán)跟隨轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)節(jié)電機(jī)的電樞電流以平衡 負(fù)載電流。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)，晶

2、閘管，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器第一章.直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)一. 直流調(diào)速系統(tǒng)控制方案的對(duì)比1 方案一：?jiǎn)伍]環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是指只有一個(gè)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在電動(dòng)機(jī)軸上 裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)，引岀與轉(zhuǎn)速成正比的電壓與給定電壓比較后，得偏差電壓，經(jīng) 放大器，產(chǎn)牛觸發(fā)裝置的控制電壓厶k，用以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，如圖下圖：給定電壓廠放大器a整流觸發(fā)裝置速度檢測(cè)v電動(dòng)機(jī)負(fù)載2方案二：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)該方案主要由給定環(huán)節(jié)、asr、acr、觸發(fā)器和整流裝置環(huán)節(jié)、速度檢測(cè)環(huán)節(jié)以及電 流檢測(cè)環(huán)節(jié)組成。為了使轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋分別起作用，系統(tǒng)設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器 acr和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr。

3、電流調(diào)節(jié)器acr和電流檢測(cè)反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 器asr和轉(zhuǎn)速檢測(cè)反饋冋路構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)，稱為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。因轉(zhuǎn)速換包圍電流環(huán)， 故稱電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。在電路中，asr和acr串聯(lián)，即把a(bǔ)sr的輸出當(dāng)做 acr的輸入，再由acr得輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)器。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài) 性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用具有輸入輸岀限幅功能的pi調(diào)節(jié)器，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負(fù)反饋閉環(huán)。該方案的原理框圖如圖下圖:3.方案論證方案一采用單閉環(huán)的速度反饋調(diào)節(jié)時(shí)整流電路的脈波數(shù)/二2 ,3 ,6 ,12 ,，其數(shù) 目總是有限的，比直流電機(jī)毎對(duì)極下?lián)Q向片的數(shù)目要少得多。因此，除非主電路電

4、感厶= a,否則晶閘管電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的電流脈動(dòng)總會(huì)帶來(lái)各種影響，主要有：（1）脈動(dòng)電流產(chǎn)生脈 動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械不利；（2）脈動(dòng)電流（斜波電流）流入電源，對(duì)電網(wǎng)不利，同時(shí)也増加 電機(jī)的發(fā)熱。并且晶閘管整流電路的輸出電壓中除了直流分量外，還含有交流分量。把 交流分量引到運(yùn)算放大器輸入端，不僅不起正常的調(diào)節(jié)作用，反而會(huì)產(chǎn)牛干擾，嚴(yán)重時(shí)會(huì) 造成放大器局部飽和，從而破壞系統(tǒng)的正常工作。方案二采用雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)方法，雖然相對(duì)成本較高，但保證了系統(tǒng)的可靠性 能，保證了對(duì)生產(chǎn)工藝的要求的滿足，既保證了穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定，同時(shí)也兼顧了啟動(dòng) 時(shí)啟動(dòng)電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程。在啟動(dòng)過(guò)程的主要階段，只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反

5、饋， 不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用，既能控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差調(diào)節(jié)，乂能控制電流使 系統(tǒng)在充分利用電機(jī)過(guò)載能力的條件下獲得最佳過(guò)渡過(guò)程，很好的滿足了生產(chǎn)需求。二、直流調(diào)速系統(tǒng)控制方案的確定1 .在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)屮用一個(gè)調(diào)節(jié)器綜合多種信號(hào)，各參數(shù)間相互影響，難于進(jìn)行 調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不夠好。2.系統(tǒng)中釆用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)來(lái)限制啟動(dòng)電流，不能充分利用電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能 力獲得最快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即最佳過(guò)渡過(guò)程。為了獲得近似理想的過(guò)度過(guò)程，并克服兒個(gè) 信號(hào)綜合于一個(gè)調(diào)節(jié)器輸入端的缺點(diǎn)，最好的方法就是將被調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量電流 分開(kāi)加以控制，用兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電

6、流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 所以本文選擇方案二作為設(shè)計(jì)的最終方案。三、直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式1 減弱勵(lì)磁磁通保持電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)為額定，改變電樞供電電壓，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)基速以下的轉(zhuǎn)速無(wú)級(jí)調(diào)節(jié), 屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。對(duì)于要求有一定范圍的無(wú)級(jí)平滑調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，此種方式最為常見(jiàn)。2.減弱勵(lì)磁磁通保持電動(dòng)機(jī)端電壓為額定，改變電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁磁通，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)基速以上的轉(zhuǎn)速無(wú) 級(jí)調(diào)速，即恒功率調(diào)速。此種方式雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往與調(diào)壓方 式配合使用，在基速以上作小范圍的升速。有些晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)，為了擴(kuò)大系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍，又能充分利用電動(dòng)機(jī)的 容量，就需要采用調(diào)壓和弱磁配合調(diào)速的方案，得到電動(dòng)機(jī)在基速上下兩個(gè)區(qū)域的轉(zhuǎn)

7、速 調(diào)節(jié)，如初軋機(jī)主傳動(dòng)、連軋機(jī)以及龍門(mén)刨床主拖動(dòng)系統(tǒng)，均可采用這種帶有弱磁控制 的直流調(diào)速系統(tǒng)。第二章.主電路參數(shù)計(jì)算和保護(hù)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)一、整流變壓器額定參數(shù)的計(jì)算單相晶閘管整流電路電壓脈動(dòng)大、脈動(dòng)頻率低。影響三相電網(wǎng)的平衡運(yùn)行，一般多 用于5kw以下的拖動(dòng)系統(tǒng)。由本課題要求電動(dòng)機(jī)容量是22kw,額定電壓是220v,額定電 流時(shí)116a,而三相全控橋的輸出電壓是220v440v,輸出電流是160a300a,所以選擇 三相全控橋。整流變壓器參數(shù)計(jì)算：查表得，a二2. 345 00.5二、主電路器件的計(jì)算與選擇正確合理地選擇晶閘管元件是保證主電路可靠運(yùn)行的重要條件之一。所謂正確合 理地選擇元件，是指

8、晶閘管元件額定電流(通態(tài)平均電流)和額定電壓一定要考慮合適 的電流和電壓裕量。從設(shè)計(jì)和使用的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，其安全系數(shù)應(yīng)適當(dāng)選大些，以保證系統(tǒng) 工作可靠，特別是對(duì)某些生產(chǎn)。1. 整流元件的額定電壓uttv5= (23 ) u tmutm二2. 45ue所以晶閘管額定電壓是1078-1617v2.同上可求得：itn=6485a三、主電路保護(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與計(jì)算由于晶閘管承受過(guò)電壓和過(guò)電流的能力較差，所以短時(shí)間的過(guò)壓或過(guò)流就會(huì)造成元 件損壞。因此在系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)中，對(duì)晶閘管裝置的各種保護(hù)措施及主要保護(hù)環(huán)節(jié)的設(shè) 計(jì)與計(jì)算，應(yīng)予以足夠的重視。為使系統(tǒng)能長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行，除了合理地選擇晶閘管外, 必須針對(duì)過(guò)電壓、過(guò)

9、電流和電壓、電流上升率的發(fā)生原因采取恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。1.晶閘管過(guò)電壓保護(hù)直流側(cè)與交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)方法相同，元件選擇原則也相同。實(shí)際中采用壓敏電阻 保護(hù)較為合理。為防止在換相過(guò)程中，被關(guān)斷的晶閘管岀現(xiàn)反向過(guò)壓，而導(dǎo)致反向擊 穿。通常在晶閘管元件兩端并聯(lián)rc阻容吸收電路。電容的耐壓一般選取晶閘管實(shí)際承受 最大電壓的1115倍。由于上述所選晶閘管額定屯流為85a,所以查表可知：o0.25ufr=20o2. 整流以及晶閘管保護(hù)電路如下:四、電抗器參數(shù)計(jì)算與選擇對(duì)晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)載電流較小，會(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù)的現(xiàn)象，使電動(dòng)機(jī)的機(jī) 械特性變軟，影響系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能。電動(dòng)機(jī)電樞電感一般較小，不能滿足電

10、流連續(xù) 的要求，故必須在晶閘管輸岀電路中吊入電抗器。對(duì)于三相全控橋平波電抗器的大小選擇為:lcr=o. 693 (u2/idmin)第三章.調(diào)速系統(tǒng)控制單元的確定和調(diào)整一、檢測(cè)環(huán)節(jié)根據(jù)反饋控制原理為了構(gòu)成閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，提高系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)，必須對(duì)系統(tǒng)控制對(duì)象的多種參量進(jìn)行檢測(cè)，其中最基本的是轉(zhuǎn)速、電流、電壓等反饋信號(hào)的檢測(cè)。精 確、快速地檢測(cè)這些信號(hào)是調(diào)速系統(tǒng)可靠工作的基本保證。1轉(zhuǎn)速的檢測(cè)常用的轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置是各種測(cè)速發(fā)電機(jī)和脈沖測(cè)速裝置。由于直流測(cè)速發(fā)電機(jī)無(wú)需 另設(shè)整流裝置，且無(wú)剩余電壓，故在直流調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)廣泛采用直流測(cè)速發(fā) 電機(jī)，將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓。檢測(cè)電路如下：2.電流的檢測(cè)電

11、流反饋環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)是主電路的電流量，經(jīng)變換后獲得輸岀為直流電壓的反饋 量ui,根據(jù)電流反饋環(huán)節(jié)的組成，常用的電流反饋方式和檢測(cè)元件有下面幾種：1利用 整流橋直流側(cè)的電阻作檢測(cè)元件2.以交流電流互感器作為檢測(cè)元件3.以直流電流互 感器作為檢測(cè)元件4.以霍爾效應(yīng)電流變換器作為檢測(cè)元件。對(duì)于本課題我的選擇了第一種，其簡(jiǎn)單電路圖如2vth二、調(diào)節(jié)器的選擇與調(diào)整1.電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無(wú)靜差，以得到理想堵轉(zhuǎn)特性，可見(jiàn)采用典型的i系統(tǒng) 就足夠了。再?gòu)膭?dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超 調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓的抗擾作用時(shí)次要的。為

12、此 電流環(huán)以跟隨特性為主，應(yīng)選用典型i系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求電流超調(diào)5%,并保證穩(wěn)態(tài)電 流無(wú)差，也應(yīng)選擇典型i系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)可以選擇pi型電流調(diào)節(jié)器，其傳 遞函數(shù)如下：wacr (s) =ki (tis+1) /(ti*s)(1) 確定時(shí)間常數(shù)1) 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)ts。查表可得三相全控橋電路平均失控時(shí)間ts二0. 0017so2) 電流濾波時(shí)間常數(shù)toi。由題的三相橋式電路toi=0. 00235s3) 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和tzi二toi+ts二0. 00405s(2) 電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)要求可知選擇pi調(diào)節(jié)器。(3) 流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器吋間常數(shù)ti二t1二0. 116s電

13、流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求超調(diào)5%時(shí)，查表應(yīng)取k1*t"二0. 5所以 kl=0. 5/tzi=0. 5/0. 00405=123. 5于是，acr的比例系數(shù)為：ki二kl*ti*r/(ks*b)二 3.6(b二 10/(1.5*ie)(4) 近似條件電流環(huán)截止頻率wei二k二123. 5 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件1/(3*t)二 196. 1>123. 5滿足近似條件 忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件有公式計(jì)算的22. 2<wci滿足近似條件 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件有公式計(jì)算的166.8>wci滿足近似條件(5) 調(diào)節(jié)器電容和電阻按所使用的運(yùn)算放大器取

14、r0二40k,個(gè)電阻和電容值為：ri 二 ki*ro 二 144k取 150kci二ti/ri二0. 8uf取1ufcoi二4*toi/r0二0.235uf取0.3uf按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)，滿足設(shè)計(jì)要求。2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr中?，F(xiàn)在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)傳函 應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以設(shè)計(jì)成典型ii型調(diào)節(jié)系統(tǒng)，這樣同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)性能要求。 至于其節(jié)約響應(yīng)超調(diào)量較大，那是線性系統(tǒng)的計(jì)算數(shù)據(jù)，實(shí)際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和 和非線性性質(zhì)會(huì)使超調(diào)大大降低。由以上可知a

15、sr也應(yīng)該采用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)如 下:wasr (s) =kn (tns+1) /tns轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖可簡(jiǎn)化成圖如下:1確定時(shí)間常數(shù) 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/klo由kl*tz二0.5得1/ki二2*1二0 0081 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)ton=0. 00235s 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和t”二1/kl+ton二0.01045s2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)要求可知選擇pi調(diào)節(jié)器。3計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和擾動(dòng)性能較好的原則，去h二5,貝msr的超前吋間常數(shù)為tn二h*tgn二0. 05由此可求得轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益為kn= (h+1) /(2*h*h*tzn*ten)二 1098. 9于是，acr的比例系數(shù)為：

16、kn二(h+1) *b*ce*tm/(2*h*a*r*tgn)二 32. 0(a二 10/1500二0. 007)4>校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率wcn=kn*tn=55. 0 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為由公式計(jì)算得58. 2>wcn滿足近似條件 轉(zhuǎn)速小時(shí)間常數(shù)處理?xiàng)l件有公式計(jì)算得76. 4<wcn滿足近似條件5>計(jì)算調(diào)節(jié)器電容和電阻由圖，按所使用的運(yùn)算放大器取r0二40k,個(gè)電阻和電容值為：rn=knr0=1280k取1300kcn=tn/rn=39. 06uf取40ufcon=4*ton/r0=0.005uf取0.005uf按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)，

17、滿足設(shè)計(jì)要求。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路圖如下：o- anrqro1jt2c丄roro231e2u“r“a3）調(diào)節(jié)器的限幅調(diào)速系統(tǒng)中，為了保護(hù)電氣設(shè)備和機(jī)械設(shè)備的安全，須限制電動(dòng)機(jī)的最大電流、最 大電壓以及晶閘管變流裝置的q麗和乩nin角等，一般都要求對(duì)調(diào)節(jié)器輸出限幅。調(diào)節(jié)器 輸出限幅值的計(jì)算與整定是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試工作中十分重要的環(huán)節(jié)。實(shí)現(xiàn)限幅的方法大 體有兩類，即外限幅和內(nèi)限幅。電路圖如下：綜上調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下圖:b）內(nèi)限幅電路三、系統(tǒng)的給定電源在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速總是緊緊地跟隨給定量而變化。因此給定電源的質(zhì)量是 保證系統(tǒng)正常工作的重要組成部分，高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須要有更高精度的給定穩(wěn)壓電 源作保證。所以，設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制方案、擬定控制電路時(shí)，必須十分注意對(duì)穩(wěn)壓電源的設(shè) 計(jì)與選擇。由三端集成穩(wěn)壓器件所組成的穩(wěn)壓電源，線路簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、工作可靠、 調(diào)整方便，已逐漸取代分立元件，在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。系統(tǒng)中應(yīng)盡量采用這 種集成穩(wěn)壓源，以保證系統(tǒng)的可靠工作。為防止大幅度電網(wǎng)電壓波動(dòng)給穩(wěn)壓電源工作帶來(lái)的困難，目前已普遍采用恒壓變壓器作為穩(wěn)壓電源的屯源變壓器。這些在設(shè)計(jì)時(shí)都需rp1o s1r10（轉(zhuǎn)速給定電路）15v引起注意。系統(tǒng)給定電源電路圖如下:第四章觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)晶閘管的觸發(fā)是保證整個(gè)肓流