(2023-2023濟南大學)轉速、電流雙閉環直流調速自動控制系統設計電機參數1.電動機：額定數據2.2KW,220V,12.5A,1000r/min,電樞電阻Ra=0.2Ω,Rrec=1.5,ks=35飛輪轉矩:Kgm*m=3.1,過載倍數1.52.電動機：額定數據2.8KW,220V,94A,1000r/min,電樞電阻Ra=0.15Ω,Rrec=0.3,ks=35飛輪轉矩:Kgm*m=3.2,過載倍數1.53.電動機：額定數據3.7KW,220V,20A,1000r/min,電樞電阻Ra=0.5Ω,Rrec=0.8,ks=40飛輪轉矩:Kgm*m=3.5,過載倍數1.54.電動機：額定數據10KW,220V,55A,1000r/min,電樞電阻Ra=0.6Ω,Rrec=0.7,ks=44飛輪轉矩:Kgm*m=4.0,過載倍數1.55.電動機：額定數據18KW,220V,94A,1000r/min,電樞電阻Ra=0.7Ω,Rrec=0.5,ks=40飛輪轉矩:Kgm*m=4.8,過載倍數1.56.電動機：額定數據30KW,220V,159A,1000r/min,電樞電阻Ra=0.5Ω,Rrec=1.0,ks=35飛輪轉矩:Kgm*m=5.9,過載倍數1.57.電動機：額定數據40KW,220V,210A,1000r/min,電樞電阻Ra=0.5Ω,Rrec=0.8,ks=40飛輪轉矩:Kgm*m=7.0,過載倍數1.58.電動機：額定數據55KW,220V,286A,1000r/min,電樞電阻Ra=0.6Ω,Rrec=0.8,ks=35飛輪轉矩:Kgm*m=10.3,過載倍數1.59.電動機：額定數據60KW,220V,308A,1000r/min,電樞電阻Ra=0.5Ω,Rrec=0.9,ks=40飛輪轉矩:Kgm*m=10.8,過載倍數1.510.電動機：額定數據75KW,220V,385A,1000r/min,電樞電阻Ra=0.6Ω,Rrec=0.9,ks=35飛輪轉矩:Kgm*m=12.0,過載倍數1.5目錄1設計任務1.1技術數據………………..11.2要求完成的任務………..22直流電機雙閉環系統的組成…………………..2.1雙閉環系統總體原理結構方案設計…….2.2雙閉環系統各組成部分電路方案設計…………………2.2.1晶閘管整流電路及保護電路………….2.2.2觸發控制電路………2.2.3系統給定…………….2.2.4檢測電路…………….2.2.5調節器的選擇…………2.2.6電氣控制…………..3轉速、電流調節器的設計計算……………..3.1電流調節器的設計計算…………………3.2轉速調節器的設計計算………………..4參考文獻……………………….5附錄附錄1直流電機雙閉環系統設計圖紙附錄2直流電機轉速、電流雙閉環調速控制系統實驗附件一：設計說明書書格式要求：1設計任務：1.1技術數據（1）用線性集成電路運算放大器作為調節器的轉速、電流無靜差直流控制系統，主電路由晶閘管可控整流電路供電的V-M系統電動機：額定數據40KW,220V,210A,1000r/min,電樞電阻Ra=0.5Ω,Rrec=0.8,Ks=40飛輪轉矩:Kgm*m=7.0,過載倍數1.5晶閘管可控整流電路：三相橋式整流電路，整流變壓器Y/Y連接，二次測線電壓U2l=230VV-M系統電樞回路總電阻：R=1Ω測速發電機：永磁式，額定數據23.1W,110V,0.21A,1900r/min（2）穩態性能指標生產機械要求調速范圍:D=10；靜態率:s%≤5%（3）動態性能指標起動超調量:σn%≤15%σ%≤5%擾動產生的動態偏差:(n-n)/n*100%≤10%;恢復時間:t≤0.5s（4）對起動、停車的快速性無特別要求1.2要求完成的任務完成直流轉速、電流雙閉環系統整體設計按性能系統調節器的設計及相關計算在實驗室完成轉速、電流雙閉環系統的實驗呈交一份不少于5000字課程設計說明書,一套設計圖紙,一份實驗報告2直流電機雙閉環系統的組成2.1雙閉環系統總體原理結構方案設計…….直流電機雙閉環系統原理圖及其描述圖2-2直流電機雙閉環系統原理圖轉速電流雙閉環控制的直流調速系統是最典型的直流調速系統，其原理結構如圖2-1所示。雙閉環控制電流調速系統的特點是電機的轉速和電流分別由兩個獨立的調節器分別控制，且轉速調節器的輸出就是電流調節器的給定，因此電流環能夠隨轉速的偏差調節電機電樞的電流。當轉速低于給定轉速時，轉速調節器的積分作用使輸出增加，即電流給定上升，并通過電流環調節使電機電流增大，從而使電機獲得加速轉矩，電機轉速上升。當實際轉速高于給定轉速時，轉速調節器的輸出減小，即給定電流減小，并通過電流環調節使電機電流下降，電機將因為電磁轉矩減小而減速。在當轉速調節器飽和輸出達到限幅值時，電流環即以最大電流限制Idm實現電機的加速，使電機的啟動時間最短，在可逆調速系統中實現電機的快速制動。在不可逆調速系統中，由于晶閘管整流器不能通過反向電流，因此不能產生反向制動轉矩而使電機快速制動。2.2雙閉環系統各組成部分電路方案設計…………………2.2.1晶閘管整流電路及保護電路如下圖，為晶閘管整流電路原理圖，其中整流變壓器以Y/Y連接。三相橋式全控整流電路的特點：2管同時通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組各1，且不能為同1相器件。對觸發脈沖的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60。共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120，共陽極組VT4、VT6、VT2也依次差120。同一相的上下兩個橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相180。圖2-2三相橋式全控整流電路原理圖ud一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。需保證同時導通的2個晶閘管均有脈沖可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發一種是雙脈沖觸發（常用）晶閘管承受的電壓波形與三相半波時相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關系也相同。在電力電子電路中，除了電力電子器件參數選擇合適、驅動電路設計良好外，采用合適的過電壓保護、過電流保護、du/dt保護和di/dt保護也是必要的。保護電路：過電壓保護措施：圖2-3過電壓抑制措施及配置位置F避雷器D變壓器靜電屏蔽層C靜電感應過電壓抑制電容RC1閥側浪涌過電壓抑制用RC電路RC2閥側浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路RV壓敏電阻過電壓抑制器RC3閥器件換相過電壓抑制用RC電路RC4直流側RC抑制電路RCD閥器件關斷過電壓抑制用RCD電路電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種。其中RC3和RCD為抑制內因過電壓的措施，屬于緩沖電路范疇。過電流——過載和短路兩種情況保護措施:圖2-4過電流保護措施及配置位置同時采用幾種過電流保護措施，提高可靠性和合理性。電子電路作為第一保護措施，快熔僅作為短路時的部分區段的保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現保護，過電流繼電器整定在過載時動作。快熔對器件的保護方式：全保護和短路保護兩種全保護：過載、短路均由快熔進行保護，適用于小功率裝置或器件裕度較大的場合。短路保護：快熔只在短路電流較大的區域起保護作用。對重要的且易發生短路的晶閘管設備，或全控型器件，需采用電子電路進行過電流保護。常在全控型器件的驅動電路中設置過電流保護環節，響應最快。2.2.2觸發控制電路………1)晶閘管觸發在進行調速系統的分析和設計時，可以把晶閘管觸發和整流裝置當作系統中的一個環節來看待。應用線性控制理論進行直流調速系統分析或設計時，須事先求出這個環節的放大系數和傳遞函數。實際的觸發電路和整流電路都是非線性的，只能在一定的工作范圍內近似看成線性環節。如有可能，最好先用實驗方法測出該環節的輸入-輸出特性，即曲線，圖2-5是采用鋸齒波觸發器移相時的特性。設計時，希望整個調速范圍的工作點都落在特性的近似線性范圍之中，并有一定的調節余量。晶閘管觸發和整流裝置的放大系數可由工作范圍內的特性率決定，計算方法是:(2-1)圖2-5晶閘管觸發與整流裝置的輸入-輸出特性和的測定如果不可能實測特性，只好根據裝置的參數估算。例如：設觸發電路控制電壓的調節范圍為Uc=0~10V相對應的整流電壓的變化范圍是Ud=0~220V可取Ks=220/10=22在動態過程中，可把晶閘管觸發與整流裝置看成是一個純滯后環節，其滯后效應是由晶閘管的失控時間引起的。眾所周知，晶閘管一旦導通后，控制電壓的變化在該器件關斷以前就不再起作用，直到下一相觸發脈沖來到時才能使輸出整流電壓發生變化，這就造成整流電壓滯后于控制電壓的狀況。圖2-6晶閘管觸發與整流裝置的失控時間顯然，失控制時間是隨機的，它的大小隨發生變化的時刻而改變，最大可能的失控時間就是兩個相鄰自然換相點之間的時間，與交流電源頻率和整流電路形式有關，由下式確定(2-2)式中—交流電流頻—一周內整流電壓的脈沖波數。相對于整個系統的響應時間來說，Ts是不大的，在一般情況下，可取其統計平均值Ts=Tsmax/2，并認為是常數。也有人主張按最嚴重的情況考慮，取Ts=Tsmax。表2-1列出不同整流電路的失控時間。表2-1各種整流電路的失控時間(f=50Hz)用單位階躍函數表示滯后，則晶閘管觸發與整流裝置的輸入-輸出關系為(2-3)按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳遞函數為(2-4)由于式（2-4）中包含指數函數，它使系統成為非最小相位系統，分析和設計都比較麻煩。為了簡化，先將該指數函數按臺勞級數展開，則式（2-4）變成(2-5)考慮到Ts很小，可忽略高次項，則傳遞函數便近似成一階慣性環節。(2-6)圖2-7晶閘管觸發與整流裝置動態結構圖2)同步變壓器同步變壓器是用來為晶閘管提供同步信號來作為其控制電壓的。在晶閘管整流電路中，晶閘管需要一個觸發脈沖來控制其導通，而在什么時刻給可控硅發觸發脈沖是要有時間基準的，而這個時間基準通常便是晶閘管的陽極電壓。即要使觸發脈沖與陽極電壓同步，最直接的做法便是引陽極電壓來作為觸發脈沖。但是這其中出現一個問題：一般整流橋陽極電壓都比較高，不能直接引入控制裝置，因此需要利用一個變壓器來降壓，并同時起到一定的隔離作用，這個變壓器就是同步變壓器。簡言之：同步變壓器的功能是將晶閘管陽極電壓變壓來作為此晶閘管的控制信號，有此作用的變壓器就叫做同步變壓器。2.2.3系統給定…………….電位器給定方式電位器的選擇方法如下：為了使測速發電機的電樞壓降對轉速檢測信號的線性度沒有顯著影響，取測速發電機輸出最高電壓時，其電流約為額定值的20%。（+15V，-15V）穩壓電源各運算放大器的供電電壓為+15V和-15V，晶閘管觸發電壓調節范圍為-15V~+15V。2.2.4檢測電路……………電流檢測電路圖2-8電流檢測電路(TA-電流互感器)在大功率電路中實用的是電流互感器檢測，如圖2-8電流互感器檢測在保持良好波形的同時還具有較寬的帶寬，電流互感器還提供了電氣隔離，并且檢測電流小損耗也小，檢測電阻可選用稍大的值，如一二十歐的電阻。電流互感器將整個瞬態電流，包括直流分量耦合到副邊的檢測電阻上進行測量，但同時也要求電流脈沖每次過零時磁芯能正常復位，尤其在平均電流模式控制中，電流互感器檢測更加適用，因為平均電流模式控制中被檢測的脈沖電流在每個開關周期中都回零。為了使電流互感器完全地磁復位，就需要給磁芯提供大小相等方向相反的伏秒積。在多數控制電路拓撲中，電流過零時占空比接近100％，所以電流過零時磁復位時間在開關周期中只占很小的比例。要在很短的時間內復位磁芯，常需在電流互感器上加一個很大的反向偏壓，所以在設計電流互感器電路時應使用高耐壓的二極管耦合在電流互感器副邊和檢測電阻之間。轉速檢測電路如圖2-9示，采用霍爾件的轉速檢測電路，磁轉子M旋轉的同時，使霍爾元件H的磁極(N、S)產生變化，從而檢測轉子的轉速。從霍爾元件結構上看，輸出端包含共模電壓Uc，電壓Uc與霍爾電壓毫無關系，使用時此電壓必圖2-9采用霍爾元件的電流檢測電路須除去，一般采用差動輸入的運算放大器。該電路就是采用運算放大器除去共模電壓。霍爾元件的輸出端接到差動放大器的輸入端，因此c點電壓等于d點電壓時，運算放大器無輸出；c點電壓大于d點電壓或小于d點電壓時，有差動信號輸入，這時運算放大器輸出端有較大的輸出電壓。輸出為矩形波，電路中的反饋電阻Rf小時，也能獲得平穩的輸出波形。運算放大器有較大的放大作用，霍爾元件輸出很小也不會有問題，這時多采用輸出電壓小，溫度特性非常好的GaAs的霍爾元件。2.2.5調節器的選擇……… 本節將設計轉速、電流雙閉環調速系統的兩個調節器。 系統設計對象： 轉速、電流雙閉環調速系統。圖2-10雙閉環調速系統的動態結構圖上圖與前述的結構圖不同之處在于增加了濾波環節，包括電流濾波、轉速濾波和兩個給定信號的濾波環節。其中T0i—電流反饋濾波時間常數T0n—轉速反饋濾波時間常數系統設計原則：系統設計的一般原則：“先內環后外環”從內環開始，逐步向外擴展。在這里，首先設計電流調節器，然后把整個電流環看作是轉速調節系統中的一個環節，再設計轉速調節器。電流調節器的設計設計分為以下幾個步驟：.電流環結構圖的簡化簡化內容：忽略反電動勢的動態影響在按動態性能設計電流環時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態影響，即E≈0。這時，電流環如下圖所示。圖2-11(a)電流環的動態結構圖及其化簡等效成單位負反饋系統如果把給定濾波和反饋濾波兩個環節都等效地移到環內，同時把給定信號改成U*i(s)/，則電流環便等效成單位負反饋系統圖2-11(b)電流環的動態結構圖及其化簡小慣性環節近似處理最后，由于Ts和T0i一般都比Tl小得多，可以當作小慣性群而近似地看作是一個慣性環節，其時間常數為T∑i=Ts+Toi(2-7)簡化的近似條件為(2-8) 電流環結構圖最終簡化成圖2-11(c)圖2-11(c)電流環的動態結構圖及其化簡.電流調節器結構的選擇典型系統的選擇：從穩態要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉特性，由圖2-23c可以看出，采用I型系統就夠了。從動態要求上看，實際系統不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調，以保證電流在動態過程中不超過允許值，而對電網電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環應以跟隨性能為主，應選用典型I型系統。圖2-11(c)表明，電流環的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統，顯然應采用PI型的電流調節器，其傳遞函數可以寫成(2-9)式中Ki—電流調節器的比例系數；i—電流調節器的超前時間常數。 為了讓調節器零點與控制對象的大時間常數極點對消，選擇(2-10) 則電流環的動態結構圖便成為圖2-24a所示的典型形式，其中(2-11)校正后電流環的結構和特性圖2-12校正成典型I型系統的電流環.電流調節器的參數計算在一般情況下，希望電流超調量i<5%，由表2-2，可選=0.707，KITi=0.5，則(2-12)再利用式（2-10）和式（2-11）得到(2-13).電流調節器的實現模擬式電流調節器電路圖中U*i—為電流給定電壓；–Id—為電流負反饋電壓；Uc—電力電子變換器的控制電壓。圖2-13含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調節器 電流調節器電路參數的計算公式(2-14)(2-15)(2-16)2)轉速調節器設計及計算轉速環的動態結構用電流環的等效環節代替圖2-10中的電流環后，整個轉速控制系統的動態結構圖便如圖2-14a所示。圖2-14a轉速環的動態結構圖及其簡化和電流環中一樣，把轉速給定濾波和反饋濾波環節移到環內，同時將給定信號改成U*n(s)/，再把時間常數為1/KI和T0n的兩個小慣性環節合并起來，近似成一個時間常數為的慣性環節，其中(2-17)b)等效成單位負反饋系統和小慣性的近似處理為了實現轉速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環節，它應該包含在轉速調節器ASR中（見圖2-14b），現在在擾動作用點后面已經有了一個積分環節，因此轉速環開環傳遞函數應共有兩個積分環節，所以應該設計成典型Ⅱ型系統，這樣的系統同時也能滿足動態抗擾性能好的要求。由此可見，ASR也應該采用PI調節器，其傳遞函數為(2-18) 式中Kn—轉速調節器的比例系數；n—轉速調節器的超前時間常數。這樣，調速系統的開環傳遞函數為令轉速環開環增益為(2-19)則(2-20)c)校正后成為典型II型系統轉速調節器的參數包括Kn和n。按照典型Ⅱ型系統的參數關系，由式Τ=hT(2-21)得（2-22）又（2-23）因此（2-24）至于中頻寬h應選擇多少，要看動態性能的要求決定。無特殊要求時，一般可選擇h=5模擬式轉速調節器電路圖中U*n—為轉速給定電壓，-n—為轉速負反饋電壓，U*i—調節器的輸出是電流調節器的給定電壓。圖2-15含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節器（2-25）(2-26)(2-27)轉速環與電流環的關系：外環的響應比內環慢，這是按上述工程設計方法設計多環控制系統的特點。這樣做，雖然不利于快速性，但每個控制環本身都是穩定的，對系統的組成和調試工作非常有利。3.1電流調節器(1)已知參數如下：直流電動機：額定數據40KW,220V,210A,1000r/min,電樞電阻Ra=0.5Ω,Rrec=0.8,Ks=40，飛輪轉矩:Kgm*m=7.0,過載倍數1.5V-M系統電樞回路總電阻：R=1Ω測速發電機：永磁式，額定數據23.1W,110V,0.21A,1900r/min生產機械要求調速范圍:D=10；靜態率:s%≤5%時間常數Tl=0.03s，Tm=0.18s起動超調量:σn%≤15%σ%≤5%擾動產生的動態偏差:(n-n)/n*100%≤10%;恢復時間:t≤0.5s(2)確定時間常數1)整流裝置滯后時間常數Ts。按上表2-1，三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.0017s。2)電流濾波時間常數Toi。三相橋式電路每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應有(1-2)Toi=3.33ms，因此取Toi=2ms=0.002s。3)電流環小時間常數之和TΣi。按小時間常數近似處理，取TΣi=Ts+Toi=0.0037s。(3)選擇電流調節器結構由已知條件得