雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

1、 HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING 實習(xí)報告題 目 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)生姓名 王 超 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 0941 學(xué) 號 201150794113 系 （部） 電子信息工程系 完成時間 2012年 05 月 6 日 至 18日 目 錄中文摘要2英文摘要2設(shè)計任務(wù)書31）系統(tǒng)主電路設(shè)計42） 硬件設(shè)計7 2.1變壓器的參數(shù)設(shè)計82.2 晶閘管參數(shù)的設(shè)計及選型83）調(diào)節(jié)器的設(shè)計 9 3.1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計9 3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計12 3.3觸發(fā)電路選擇與校驗153.4保護(hù)電路的設(shè)計164）基于MATLAB的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及仿真15 5）心

2、得體會176）參考文獻(xiàn)17 V-M雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)程輝老師中文摘要轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流晶閘管調(diào)速系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、設(shè)計和調(diào)試方便，是性能很好、應(yīng)用最廣泛的直流調(diào)速系統(tǒng)。設(shè)計中采用工程設(shè)計的方法對直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速兩個調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計，先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器、電流檢測環(huán)節(jié)構(gòu)成電流環(huán)，然后將整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，再來設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié)構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)，電流環(huán)通過電流元件的反饋作用穩(wěn)定電流，電壓換通過轉(zhuǎn)速檢測元件的反饋作用保持轉(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。設(shè)計遵從確定時間常數(shù)、選擇調(diào)

3、節(jié)器結(jié)構(gòu)、計算調(diào)節(jié)器參數(shù)、校驗近似條件的步驟一步一步的實現(xiàn)對調(diào)節(jié)器的具體體設(shè)計。之后，再對系統(tǒng)的起動過程進(jìn)行分析，以了解系統(tǒng)的動態(tài)性能。英文摘要Speed, current double closed loop dc thyristor speed control system has good steady and dynamic performance, simple structure, reliable operation, design and convenient debug, performance is good, is the most widely used dc spee

4、d control system. Applied to the design of engineering design method of a dc double closed loop speed regulation system of current and speed two regulator to carry on the design, design first current regulator, current regulator, electric current detection link form current loop, and then will the c

5、urrent loop as speed regulation system of a link, and then to design speed regulator, speed regulator, rev test link form speed loop, current loop through the current feedback effects of components of the stable current, voltage change through the rev test of components of the feedback effects keep

6、speed stability, eventually eliminate speed error, so that the system is to adjust current and speed of purpose. Compliance to determine the time of design constant, choose regulator structure, the calculation regulator parameters, calibration approximate conditions step of the realization of the sp

7、ecific body design of regulator. Later, again to the system starting process to analyze, to understand the system dynamic performance.關(guān)鍵詞：電流調(diào)節(jié)器；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；雙閉環(huán)；系統(tǒng)；設(shè)計任務(wù)書直流電動機(jī)：功率PN500kW，額定電壓UN=750V，額定電流IN=760A, nN=375r/min,電樞回路總電阻R0.14，觸發(fā)整流環(huán)的放大倍數(shù)Ks=75，電動勢系數(shù)Ce=1.82V.min/r,電磁時間常數(shù)TL=0.031s，機(jī)電時間常數(shù)Tm=0.112s，電流反饋

8、濾波時間常數(shù)Toi=0.002s，轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)Ton=0.02s，允許電流過載倍數(shù)1.5，設(shè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓Unm*=Uim*=Unm=10V,調(diào)節(jié)器輸入電阻R0=40k.設(shè)計指標(biāo)：2）主要指標(biāo)：調(diào)速范圍0375r/min電流載倍數(shù)=1.5，系統(tǒng)靜特性良好，無靜差（靜差率s2）動態(tài)性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10%，電流超調(diào)量i5%，動態(tài)速降n8-10%，調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時間（調(diào)節(jié)時間）ts1s 第一章1 系統(tǒng)主電路設(shè)計1.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實

9、行嵌套聯(lián)接，如圖11所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速換在外面，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖如圖12所示。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。通過仿真模型的輸出我們可以看到，本設(shè)計的過程和各項指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計的要求，結(jié)果很理想。1.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析分析靜特性的關(guān)鍵是

10、掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般使存在兩種狀況：飽和輸出達(dá)到限幅值，不飽和輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和，換句話說，飽和的 調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI的作用使輸入偏差電壓U在穩(wěn)態(tài)時總為零。實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此， 由第一個關(guān)系式可得： 從而得到圖1.3所示靜特性曲線的CA段。與此同時，由于ASR

11、不飽和，可知，這就是說，CA段特性從理想空載狀態(tài)的=0一直延續(xù)到。一般都是大于額定電流Idn的。這就是靜特性的運行段，它是一條水平的特性。（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時，ASR輸出達(dá)到限幅值Uim*，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時： 其中，最大電流取決于電動機(jī)的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度，由上式可得靜特性的AB段，它是一條垂直的特性。這樣是下垂特性只適合于的情況，因為如果,則,ASR將退出飽和狀態(tài)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm*時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差,這時,轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要的調(diào)節(jié)作用,但負(fù)載電流達(dá)到I

12、dm時,對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出Uim*,這時,電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用,系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差,得到過電流的自動保護(hù).這就是采用了兩個PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。然而，實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，因此，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，見圖2.2中虛線。圖1-3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 （3）限幅電路 圖1-2 二極管鉗位的外限幅電路1.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖首先要畫出雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-6所示，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和輸出達(dá)到限幅值；不飽和輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為

13、恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當(dāng)與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是為零。圖1-4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。（2） 限幅作用A.飽和輸出達(dá)到限幅值：當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。 B.不飽和輸出未達(dá)到限幅值：當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時， PI 作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是零。 1.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模

14、型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖1-5所示。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。U*n+a Uct-IdLnUd0Un+-b -UiUiWASR(s)WACR(s)Ks -_ Tss+1- 1/ RTs+1RTmsU*iId1/Ce+=d00dd 1/Ce圖1-5雙閉環(huán)直流系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：電流反饋系數(shù)：第二章2.1變壓器的參數(shù)設(shè)計U2是一個重要的參數(shù)，選擇過低就會無法保證輸出額定電壓。選擇過大又會造成延遲角加大，功率因數(shù)變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。一般可按下式計算，即： （2-1）式中A-理想情況下，=0°時整流電壓Ud0與二次電壓U2之

15、比，即A=Ud0/U2；B-延遲角為時輸出電壓Ud與Ud0之比，即B=Ud/Ud0；電網(wǎng)波動系數(shù)；11.2考慮各種因數(shù)的安全系數(shù)；根據(jù)設(shè)計要求，采用公式： 由表查得 A=2.34；取=0.9；角考慮10°裕量，則 B=cos=0.985取U2=120VU1/U2=380/120=3 取2.2 晶閘管參數(shù)的設(shè)計及選型2.21晶閘管實際承受的最大峰值電壓晶閘管實際承受的最大峰值電壓乘以（23）倍的安全裕量，參照標(biāo)準(zhǔn)電壓等級，即可確定晶閘管的額定電壓，即 =（23）整流電路形式為三相全控橋式整流電路，得=269V，則 取。2.22晶閘管的額定電流選擇晶閘管額定電流有效值,額定電流有效值大于

16、流過元件實際電流的最大有效值的（1.52）倍計算。 由此可以求出所以本設(shè)計選用晶閘管的型號為KP5A/700V。第三章3.1調(diào)節(jié)器的設(shè)計3.11 確定電流調(diào)節(jié)器的時間參數(shù)三相橋式電路的平均失控時間 Ts = 0.0017s。(查表得出)（2）電流濾波時間常數(shù)=0.002s：（3）電流環(huán)小時間常數(shù)：電樞回路總電感L=電動機(jī)的電動勢系數(shù)：V.min/r電動機(jī)額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)：V.min/r電力系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù)：3.12選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選用典型型系統(tǒng)，采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：檢查對電源電壓的抗擾性能： 采用典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標(biāo)都是可以接受的。3.13計算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)（

17、1）為了讓調(diào)節(jié)器的零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，則電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：（2）取最佳參數(shù)：，。因此，電流開環(huán)增益：電流反饋系數(shù)：電位器給定電壓=10V，則晶閘管整流放大系數(shù)：ACR的比例系數(shù)為：3.14校驗近似條件電流環(huán)截止頻率： （1）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 滿足近似條件2）忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 滿足近似條件3）電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 滿足近似條件3.15 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容采用含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器，其原理圖如圖1所示。圖中為電流給定電壓，為電流負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓。圖3-1 PI型電流調(diào)節(jié)器

18、所用運算放大器取，則各電阻和電容值為： 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計完成。3.16建立電流環(huán)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 電流環(huán)的仿真模型 3.2、速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)的一個環(huán)節(jié)，為此其閉環(huán)傳遞函數(shù)為：忽略高次項，可降階近似為：接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為：3.21確定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的時間常數(shù) 電流環(huán)等效時間常數(shù)：轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)：Ton=0.02s轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)：按小時間常數(shù)近似處理，?。恨D(zhuǎn)速反饋系數(shù)：3.22轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.221轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的選擇及參數(shù)的計算 為實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)有兩個積分，在負(fù)載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)包

19、含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中，使系統(tǒng)在階躍擾動時無穩(wěn)態(tài)誤差，并具有較好的抗擾性能，所以應(yīng)該選擇典型II型系統(tǒng)，這樣系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能好。ASR采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如下。圖3-2 PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器按跟隨性與抗擾性能較好的原則，取h=5，（查表得知）。當(dāng)h=5時調(diào)節(jié)時間最短，動態(tài)跟隨性能適中。則ASR的超前時間常數(shù)為：s轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益：ASR的比例系數(shù)為3.23校驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為：（1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為: 滿足簡化條件（2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為 滿足簡化條件3.24 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容所用運算放大器取，則 3.3觸發(fā)電路選擇與校驗觸發(fā)脈沖的放大和輸出環(huán)節(jié)中，晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：（1）觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通，三相全控橋式電路應(yīng)采用寬于60°或采用相隔60°的雙窄脈沖。（2）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應(yīng)增大為器件最大觸發(fā)電流35倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達(dá)12Aus。（3）所提供的觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極的伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。4）應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。理想的觸發(fā)脈沖電流波形和觸發(fā)電路如圖：觸發(fā)電流波形 觸發(fā)電路3.4保