雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、河由n允擘次17henan institute of engineering實(shí)習(xí)報(bào)告題 目雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名 王超專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化班 級 0941學(xué)號學(xué)1150794113系（部）電子信息工程系完成時(shí)間 2012年05月6 日至18日中文摘要2-英文摘要2-設(shè)計(jì)任務(wù)書3-1）系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)42）硬件設(shè)計(jì)72.1 變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)8-2.2 晶閘管參數(shù)的設(shè)計(jì)及選型 83）調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)9-3.1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)93.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)123.3 觸發(fā)電路選擇與校驗(yàn) 153.4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)16-4）基于matlab勺雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及 仿真155）心得體會17 '6）

2、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)直流品閘管調(diào)速系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，結(jié)構(gòu)簡單、 工作可靠、設(shè)計(jì)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(jì)中 采用工程設(shè)計(jì)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(gè)調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計(jì)， 先設(shè)計(jì)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(gè)電流環(huán) 看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)， 再來設(shè)計(jì)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?zhàn)饔梅€(wěn)定電流， 電壓換通過轉(zhuǎn)速檢 測元件的反饋?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。設(shè)計(jì)遵從確定時(shí)間常數(shù)、

3、選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)、計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)、校 驗(yàn)近似條件的步驟一步一步的實(shí)現(xiàn)對調(diào)節(jié)器的具體體設(shè)計(jì)。之后，再對系統(tǒng)的起動(dòng)過程進(jìn)行分析，以了解系統(tǒng)的動(dòng)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

4、speed 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 t

5、he current 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 k

6、eep 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 th

7、e specific 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(jì)任務(wù)書直流電動(dòng)機(jī)：功率 pn= 500k皿額定電壓 u=750v,額定電流in=760a, n n=375r/min,電 樞回路總>電阻 r= 0.14 ，觸發(fā)整流環(huán)的放大倍數(shù)ks=75,電動(dòng)勢系數(shù)ce=1.82v.min/r,電磁時(shí)間常數(shù)tl=0.031s ,機(jī)電時(shí)

8、間常數(shù) tm=0.112s,電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)toi=0.002s ,轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù) ton=0.02s ,允許電流過載倍數(shù)入=1.5 ,設(shè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓unm*=uim*=unm=10v節(jié)器輸入電阻 r0=40kq .設(shè)計(jì)指標(biāo)：2）主要指標(biāo)：調(diào)速范圍0375r/min電流載倍數(shù) 入=1.5 ,系統(tǒng)靜特性良好， 無靜差（靜差率 sw2）3 ）動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)速超調(diào)量 8 nw 10%電流超調(diào)量 8 i w 5%動(dòng)態(tài)速降 a n<8-10%）, 調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間（調(diào)節(jié)時(shí)間）ts < 1s第一章1系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電

9、流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)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(shí)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)圖1-1asr轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 acr電流調(diào)節(jié)器tg刎速發(fā)電機(jī)ta電流互感器upe電力電子變換為了獲得良好的靜、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u：決定了電流給定電壓的最大值， 電流調(diào)節(jié)器acr的輸出

10、限幅電壓 ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓 u dm。過仿真模型的輸出我們可以看到，本設(shè)計(jì)的過程和各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)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：飽和一輸出達(dá)到限幅值，不飽和一輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，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(shí)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(shí)，pi的作用使輸入偏差電壓a u在穩(wěn)態(tài)時(shí)總為零。實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，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

11、， 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(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零，因此，un =un =1 n = ： n0ui -ui id由第一個(gè)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(shí)，由于 as林飽和，u：<uim*可知id <idm,這就是說，ca段特性從理想空載狀態(tài)的i d =0 一直延續(xù)到id m = id。一般都是大于額定電流idn的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是一條水平的特性。(2)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和、 1 、 , 、 . * . 、 - 一，、 ， .一，這時(shí)，asr輸出達(dá)到限幅值 um ,轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀

12、態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再廣生影 響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個(gè)電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí):uid =idm其中，最大電流1dm取決于電動(dòng)機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)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n < n0的情況，因?yàn)槿绻鹡no,則un >unasr將退出飽和狀態(tài)。、. 一 、一一一 、一一 一* 一 一 . 、 一 .一雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特t在負(fù)載電流小于i dm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí)，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 dm時(shí)，對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出um;這時(shí)，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

13、無靜差，得到過電流的自動(dòng)保護(hù).這就是采用了兩個(gè) pi 調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、 外兩個(gè)閉環(huán)的效果。 然而，實(shí)際上運(yùn)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(shí)際上都略有很小的靜差，見圖 2.2中虛線。uidn圖1-3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性(3)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：飽和一一輸出達(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(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當(dāng)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(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，

14、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.飽和一一輸出達(dá)到限幅值：當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，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(shí)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.不飽和一一輸出未達(dá)到限幅值：當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，pi作用使輸入偏差電壓 在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。1.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖1-5所示。圖中 wasr(s)和wacr(s)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)。圖1-5雙閉環(huán)直流系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖10375=

15、 0.0267v min/r，一ui轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：i'n max電流反饋系數(shù)：一：二um =100.0088v min/r in 1.5 760第二章2.1變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)此是一個(gè)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(jì)算，即：u2=(11.2)ud (2-1 )式中a-理想情況下，a =0°時(shí)整流電壓 ud0與二次電壓u2 a b之比，即 a=udo/u2； b-延遲角為a時(shí)輸出電壓 ud與 5之比，即b=u/ud0； £ 電網(wǎng)波動(dòng)系數(shù)；11.2 考慮各種因數(shù)的

16、安全系數(shù);根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用公式：u2 = 11.2 uda b由表查得 a=2.34 ;取£ =0.9 ; &角考慮10°裕量，則 b=cos & =0.985取u=120vu/u2=380/120=3u 2 =,1 1.2220=106 127 v2.340.90.985u2 =110v2.2晶閘管參數(shù)的設(shè)計(jì)及選型2.21 晶閘管實(shí)際承受的最大峰值電壓晶閘管實(shí)際承受的最大峰值電壓u tn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utn ,即utn =(23) um整流電路形式為三相全控橋式整流電路，得um = .,6u2 =26

17、9v,則utn =(232m =(23) 6u2 =(2 3) , 6 110 =538.8 808.2(v)取utn =700v。2.22 晶閘管的額定電流選擇晶閘管額定電流有效值i t(av),額定電流有效值大于流過元件實(shí)際電流的最大有效值的(1.52 )倍計(jì)算。idmax ='mn =1.5 760=1140a_ 1i vt = i d max3= 1140/ 3 =658a由此可以求出ivtit(av)= (1.5 2) =628.7 638 a1.57所以本設(shè)計(jì)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(jì)3.11 確定電流調(diào)節(jié)器的時(shí)間參數(shù)三相橋式電路的平均

18、失控時(shí)間ts = 0.0017s。(查表得出)(2)電流濾波時(shí)間常數(shù)toi =0.002s ：(3)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù) tv ： t=ts +toi =0.0037電樞回路總電感 l=tl r =0.031 0.14 =0.0434hce電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢系數(shù):u n - i n race -nn750-760 0.065375=1.82v.min/rcm 電動(dòng)機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù):-30 _30 cm =-ce = 1.82 = 17.39 v.min/r n n:tm電力系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)：tm = 0.112s3.12選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選用典型i型系統(tǒng)，采用 pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為:wac

19、r( s)ki(s 1)is檢查對電源電壓白抗擾性能：t = 0.031 -8.378t i 0.0037采用典型i型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。3.13計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)(1)為了讓調(diào)節(jié)器的零點(diǎn)與控制對象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對消，i =tl = 0.031s(2)取最佳參數(shù)：£=0.707, kit5=0.5, % =4.3%。因此，電流開環(huán)增益：ki =- = 0.5 =135.1s4t i 0.0037i_r則電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù):電流反饋系數(shù)：一：二 um =10=0.0088v min/r in 1.5 760電位器給定電壓 uc=10v, c則晶閘管整流放大

20、系數(shù):ks =75acr勺比例系數(shù)為:ki ir135.1 0.14 0.031ks：= 0.8875 0.00883.14校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：.ci =ki = 135.1sc(1)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件113ts -3 0.00171=199.6s滿足近似條件2)忽略反電動(dòng)勢變化對電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件1 "ci滿足近似條件3)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件113 tstoi1 13 - 0.0017 0.002=5.7s，滿足近似條件3.15 計(jì)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u1為電流給定電壓，-pi

21、d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 u圖3-1 pi型電流調(diào)節(jié)器所用運(yùn)算放大器取 r0 =40kc ,則各電阻和電容值為:ri =kir。=0.88 40 =35200ci =三=0h031 = 0 0000088f電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)完成。ri 352003.16 建立電流環(huán)的動(dòng)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(jì)電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)，為此其閉環(huán)傳遞函數(shù)為:wcli (s)_id(s)_u i (spkis(t-s 1)1ki - t7 211 i s2 s 1s(t-s 1) ki ki忽略高次項(xiàng)，wcli (s)可降階近似為:wcli

22、(s)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)為為：1kiu，(s),因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效1st1 s 1kiid(s)wcli (s)ui (s) -:3.21確定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的時(shí)間常數(shù)11電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)： =0.0074ski 135.1轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)：ton=0.02s轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)：按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取:1u = ton =0.0074 0.02 -0.0274s- ki，一一 u10轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：. =unm =0 =0.0267v min/rnn 3753.22轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.221轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的選擇及參數(shù)的計(jì)算為實(shí)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(gè)積分，

23、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)包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr中，使系統(tǒng)在階躍擾動(dòng)時(shí)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(dòng)態(tài)抗擾性能好。asr采用pi調(diào)節(jié)器,kj .6 1）.其傳遞函數(shù)為：wasr（s）=3） 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, 6n =37.6% （查表得知）。當(dāng)h=5時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間最短，動(dòng)態(tài)跟隨性能適中。則asr的超前時(shí)間常數(shù)為：. n = ht n = 5 0.0274 = 0.137sh 15 1-2轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益：kn 2七二22=159.84s2h t n 2 50.0274n

24、asr的比例系數(shù)為(h 1) - cetm =(5 1) 0.0088 1.82 0.112ik n -10.512h： rt n 2 5 0.0267 0.14 0.02743.23校驗(yàn)近似條件ki轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為：.cn =_n = kn .n =159.84 0.137 21.9s,i(1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為1 ki3ti1135.13 0.003763.7 =21.9cn滿足簡化條件(2)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為=27.4s，. cn =21.9滿足簡化條件1 ki 1 135.13 ton -3 0.023.24計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容所用運(yùn)算放大器取r0=40kc,則rn =knro =10.51 40=420.4kjp - n 0.137qoo l匚cn =三=0.326 5frn 420 103con4nrn0.0840 103=2用3.3觸發(fā)電路選擇與校驗(yàn)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)12a/us。(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