雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)精

1、直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計1 1 設(shè)計任務(wù)說明書某晶閘管供電的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)為：直流電動機：UN=750V, ,|N=780A, ,nN=375*in,Ra=0.04,電樞電路總電阻 R=0.1R=0.1，電樞電 路 總 電 感L=3.0mH, , 電 流 允 許 過 載 倍 數(shù) 九=1.5,折 算 到 電 動 機 軸 的 飛 輪 慣 量GD2=11094.4Nm2。晶閘管整流裝置放大倍數(shù)Ks=75,滯后時間常數(shù)Ts=0.0017s電流反饋系數(shù)1=0.01VA1.5IN電壓反饋系數(shù)=0.032Vminr12VnN濾波時間常數(shù)Toi=0.002s,T0

2、n=0.02s.U*=U：=Ucm=12V；調(diào)節(jié)器輸入電阻RO=40KC。設(shè)計要求：穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差動態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量仃 jE5%jE5%；空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量1 1 設(shè)計任務(wù)與分析2 2 調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計3 3 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計3.13.1 晶閘管-電動機主電路的設(shè)計3.1.13.1.1 主電路設(shè)計3.1.23.1.2 主電路參數(shù)計算3.23.2 轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計3.2.13.2.1 電流調(diào)節(jié)器3.2.1.13.2.1.1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計3.2.1.23.2.1.2 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇3.2.23.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器3.2.2.13.2.2.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計3

3、.2.2.23.2.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇4 4 計算機仿真4.14.1 空載起動4.24.2 突力口負載4.34.3 突減負載5 5 設(shè)計小結(jié)與體會2 2 調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計為實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別作用， 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器,即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR),(ACR),分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。兩者之間實行嵌套連接，且都帶有輸出限幅電路。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASRASR 的輸出限幅電.*壓Uim決定了電流給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器 ACRACR 的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。由于調(diào)速系統(tǒng)的

4、主要被控量是轉(zhuǎn)速，故把轉(zhuǎn)速負反饋組成的環(huán)作為外環(huán)，以保證電動機的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確跟隨給定電壓，把由電流負反饋組成的環(huán)作為內(nèi)環(huán)，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 UPEUPE 這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。如圖 2-12-1 所示：轉(zhuǎn)速.檢測電流檢測三相集觸發(fā)三相Ud全控;水直流電動機電流U$調(diào)節(jié)器為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用這樣構(gòu)成雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。其原理圖如圖 2-22-2 所示:圖 2-22-2 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由給定電壓、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、三相集成觸發(fā)器、三相全控橋、直流電動機及

5、轉(zhuǎn)速、電流檢測裝置組成，圖中還表示了兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASRASR 的輸出限幅電壓 Uim*Uim*決定后了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器 ACRACR 的輸出限幅電壓 UcmUcm 限制電壓 UcmUcm 限制了電力電子變換器的最大出電壓 UdmUdm。其中主電路中串入平波電抗器，以抑制電流脈動，消除因脈動電流引起的電機發(fā)熱以及產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩對生產(chǎn)機械的不利影響。PIPI 調(diào)節(jié)器。3 3 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計3.13.1 晶閘管- -電動機主電路的設(shè)計3.1.13.1.1主電路設(shè)計晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（V-MV-M 系統(tǒng)）主電路原理圖如圖 3-13-1

6、所示:圖 3-1V-M3-1V-M 系統(tǒng)主電路原理圖3-23-2 所示:圖中 VTVT 是晶閘管可控整流器，它由三相全控橋式整流電路組成，如圖VTjVT*VTdVT4VT6VT2d2圖 3-23-2 三相全控橋式整流電路通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GTGT 的控制電壓Uc來移動脈沖的相位，即可改變平均整流電壓Ud,從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。3.1.23.1.2 主電路參數(shù)計算Ud=2.34U2cos：Ud=UN=750V,取a=0Ud750VU2=d1-1.2=1.0=356.13V2.34cos：0.92.340.9其中系數(shù) 0.90.9 為電網(wǎng)波動系數(shù)，系數(shù) 1-1.21-1.2 為考慮各種因素的安全系數(shù)，

7、這里取1.01.0。30-額定勵磁下的電動機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)Cm=CeJIL0.003H電動勢系數(shù)CeUN-RalNnN750-0.04780375=1.9168Vmin/電磁時間常數(shù)Ti=0.03sR0.1112_GDR11094.40.1375ceCm3751.91681.916830冗3.23.2 轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 3-33-3 所示:圖 3-33-3 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù)Toi按需要選定，以濾平電流檢測信號

8、為準(zhǔn)。然而，在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用Ton表示，根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時間常數(shù)為Ton的給定濾波環(huán)節(jié)。系統(tǒng)設(shè)計的一般原則是：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。在這里，首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把Tm-0.0843s s整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。3.2.13.2.1電流調(diào)節(jié)器1.1.電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，即 A AE E- -0 0。這時，

9、電流環(huán)如圖 3-43-4 所示。忽略反電動勢對電流環(huán)作用的近似條件是式中 3 3C C 電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成U*i(s)/U*i(s)/P P, ,則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)。在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時,圖 3-43-4 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡 (忽略反電動勢的動態(tài)影響)c二3圖 3-53-5 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡（等效成單位負反饋系統(tǒng)）最后，由于 TsTs 和 ToiToi 一般都比 TlTl 小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為TEi= =T Ts+ +T Toi查表

10、1 1 得，三相橋式電路的平均失控時間為Ts=0.0017s,電流濾波時間常數(shù)Toi. .三相橋式電路的每個波頭的時間是 3.3ms,3.3ms,為了基本濾平波頭，應(yīng)有（1 12 2）Toi=3.33ms=3.33ms, ,因此取Toi=0.002s=0.002s圖 3-63-6 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡（小慣性環(huán)節(jié)的近似處理）圖 2-23c電流環(huán)小時間常數(shù)之和簡化的近似條件為電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡化成圖TnTn= =T Ts+ +T Toi=0.0037s=0.0037s。3-63-6。U*i(s)+電樞回路電磁時間常數(shù)T Tl=0.03s=0.03s。2 2 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇根據(jù)設(shè)計要

11、求：穩(wěn)態(tài)無靜差，超調(diào)量卬W5%,可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電路調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用 PIPI 型電流調(diào)節(jié)器其傳遞函數(shù)為：WiK.1S式中 Ki-Ki-電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；i電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇=Ti則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖 3-73-7 所示的典型形式，其中圖 3-73-7 校正成典型 I I 型系統(tǒng)的電流環(huán)a a）動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 b b）開環(huán)對數(shù)幅頻特性檢查對電源電壓白抗擾性能：三=0.03=8.11,參照典型 I I 型系統(tǒng)動態(tài)抗KIKiKs一iRT、0.0037擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表 2,2,可知各項指標(biāo)都是

12、可以接受的。3 3 . .電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：T=TI=0.03S。電流環(huán)開環(huán)增益：要求叼W5%時，按表 3 3 應(yīng)取 E=0.707,E=0.707,K1Tx=0.5,0505因此K|=吧=-0二=135.1ST*0.0037KIiR135.10.030.1ACRACR 的比例系數(shù)為Ki=11=0.5404KS:750.014 4 . .檢驗近似條件電流環(huán)截至頻率：wciKI=135.1S,CiI機電時間常數(shù)Tm=0.0843s5 5 ）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件11/=196.1Sci3TS30.0017S滿足近似條件。2 2）忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條

13、件3J=3乂乂=59.65fWciTmTl0.030.0843滿足近似條件。3 3）電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件1-1180.8S4-Wci30.0020.0017滿足近似條件。5 5.計算調(diào)節(jié)器電阻和電容含給定濾波與反饋濾波的 PIPI 型電流調(diào)節(jié)器如圖 3-83-8 所示：*其中Ui為電流給定電壓，-PId為電流負反饋電壓，Uc為電力電子變換器的控制電壓。c由圖 3-83-8,按所用運算放大器取 R=40kGR=40kG, ,各電阻和電容值為R=KjRo=0.5404M40=21.6KQ,取 22KQ22KQ圖 3-8PI3-8PI 型電流調(diào)節(jié)器CiRi0.03=1.364F22000Co

14、iRo40.002=F=0.2F40按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為ai=4.3%W5%,滿足設(shè)計要求。3.2.2.23.2.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇1 1. .電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，為此，須求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)。由圖 3-7a3-7a 可知忽略高次項，上式可降階近似為近似條件可由式，min(式中cn-轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。等效為1Id(s)Wcii(s)FUi*(s)=:1s1KI2.2.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)為二Id(s)Wcii(s)”*=n&Ui(s) ):s1KI用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代電流

15、環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如圖 3-93-9 所示。KIWc”( (s)Id(s)U：(s)/s(TiS1)1Kis(KiS1)KIKI1WcH(s)：-s-1KI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U*i( (s),),因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)圖2-26轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡化圖 3-93-9 轉(zhuǎn)速換的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡（用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)）和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi),時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)。1_Ton=0.0074+0.02=0.0274s=0.0074+0.02=0.0274sKI則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖可簡化為圖圖 3-103-10 轉(zhuǎn)速換的動態(tài)結(jié)構(gòu)框

16、圖及其化簡（等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理）按照設(shè)計要求，選用 PIPI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為式中Kn-n-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。同時將給定信號改成Un（s）/ /a,a,再把時間常數(shù)為1/1/K和T0n的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個其中電流環(huán)等效時間常數(shù)KI二2T%=20.0037s=0.0074sWASR(s)=Kn(nS1)nS則轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)小時間常數(shù)3-103-10這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為一：_Kn：R(nS1)CeTmS(TnS1)-n：CeTmS2(TnS1)KN(nS1)-2S( (TnS1)不考慮負載繞動時，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

17、如圖 3-113-11U*n(S)初一03S+1)S)-S2(0S+1)圖 3-113-11 轉(zhuǎn)速換的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡(校正后成為典型 n n 型系統(tǒng))3 3 . .計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取 h=5,h=5,則 ASRASR 的超前時間常數(shù)為n=hT=5X0.0274=0.137S轉(zhuǎn)速開環(huán)增益KN=h21=廠62SSu u159.84159.842hT250.0274ASRASR 的比例系數(shù)K-1161.9168”0843ML2h：RTn250.0320.10.02744 4 . .檢驗近似條件令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為KNKn：Rn-CeTmKn(nS1)Wn(S)=n

18、SWn(S) )K轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率wcn=NuTnKNu0.137159.8421.90sWl1 1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為1KI1135.13T一310.0037滿足簡化條件。2 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。5 5 .計算調(diào)節(jié)器電阻和電容含給定濾波與反饋濾波的 PIPI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖 3-123-12 所示:*其中Un為轉(zhuǎn)速給定電壓，Y（n為轉(zhuǎn)速負反饋電壓，Ui：調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。取R0=40kC,則Rn=KnRo=11.05740=442.28KQ，取 443443KQKQCn=、=0.137F=0.31坪,Rn443000Con=皿=2F，取 2

19、 2 曠。Ro6 6 . .校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量查表，當(dāng)h=5時，n=37.6%,不能滿足設(shè)計要求。應(yīng)按 ASRASR 退飽和的情況重新計算超調(diào)量。=63.7sWcn1KI311135.130.02=27.4wcncn圖 3-12PI3-12PI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器7 7 . .按 ASR1ASR1 飽和重新計算超調(diào)量過載倍數(shù)入=1.5=1.5, ,理想空載轉(zhuǎn)速時，z=0z=0查表得，h=5h=5 時，Cmax/Cb=81.2%Cmax/Cb=81.2%, ,則仃。=士2mLj空=2竺吧九_z)NEn=8.59%an父10%能滿足設(shè)計CbJn*Cb)n*Tm要求。4 4 計算機仿真雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)

20、圖圖 4-14-1, ,增加了濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。圖 4-14-1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.14.1 空載起動雙閉環(huán)直流倜速系統(tǒng)差加給 7E7E 電壓Un由靜止?fàn)顟B(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程示于圖 4-24-2。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASRASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種-F F三一-+S-+S情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的 I I、IIII、IIIIII 三個階段。第 I I 階段（0ti）是電流上升階段。突加給定電壓Un后，Uc、Ud0、Id都上升，在Id沒有達到負載電流IdL以前，電機還不能轉(zhuǎn)動。當(dāng)Id之IdL后，電機開始起動，

21、由于機電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASRASR 的輸入偏差電壓Un=Un-Un的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值Uim,強迫電流1d迅速上升。.*.直到Id-Idm,Ui忠Uim,電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了Id的增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASRfASRf 艮快進入并保持上&和狀態(tài)，而 ACRACR飽和。第 IIII 階段（tit2）是恒流升速階段，ASRASR 飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，在恒值電流給定Uim下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。與此同時，電機的反電動勢 E E 也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E E 是一個線性漸增的擾動量，為了克服它的擾動，Ud0和Uc也必須基本上按線性增長，才能保持Id恒定。當(dāng) ACRACR用 PIPI 調(diào)節(jié)器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓AUj=