電流與轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

一、調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計雙閉環(huán)直流調(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）和電流調(diào)節(jié)器（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的輸出限幅電壓U^限制了電力電子變換器的最大輸出電壓U撮由于調(diào)速系統(tǒng)的主要被控量是轉(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UPE，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)。二、電流、轉(zhuǎn)速調(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2—1所示:圖2—1雙閉環(huán)直流調(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)7oi按需要選定，以濾平電流檢測信號為準(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T^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T^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。2.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計1.電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，即De20。這時，電流環(huán)如圖2—2所示。U*.(s)11U*.(s)11T0S+1■+*^ACRU.(s)K

s—Ts+1—s 1/RTs+1—i g&+13?>3圖2-2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3?>3T^T式中3C—-———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*1（s）/g，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)。圖2-3圖2-3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Ts和To1一般都比Tl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=Ts+Toi查表1得，三相橋式電路的平均失控時間為T=0.0017s，電流濾波時間常數(shù)本設(shè)計初始條件已給出，即孔=0.001s電流環(huán)小時間常數(shù)之和J=T+T=0.0027s

簡化的近似條件為簡化的近似條件為?<—,ci3\，TT

soici電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡化成圖2-4。U*(U*(s)圖2-4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2-23c2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇根據(jù)設(shè)計要求：穩(wěn)態(tài)無靜差，超調(diào)量a<5%，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電路調(diào)

i節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器其傳遞函數(shù)為:w(S)=華MD

ACR TS式中 Ki—電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；Ti—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，選擇則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖2-5所示的典型形式，其中a) b)圖2-5校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)a) 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖b)開環(huán)對數(shù)幅頻特性

電樞回路電磁時間常數(shù)T電樞回路電磁時間常數(shù)T「0.015s。檢查對電源電壓的抗擾性能:T二3°祟=5賓’參照典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗'Li擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表2,可知各項指標(biāo)都是可以接受的。電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算max電流反饋系數(shù):片U*mn/轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：a=U*mn/n=8/1500=0.005max電流反饋系數(shù):片U*mn/】dm=U*mn/2IN=8/2X4O-8=0-087電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù):T電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù):T.=T=0.015s。因此%=w 因此%=w 2t tSi Li0.50.5 =185.19s-1(135.1)0.0027sI￡i電流環(huán)開環(huán)增益：要求a■<5%時，按表3應(yīng)取E=0.707,KT=0.5,I￡iACR的比例系數(shù)為K=%2^=185.19x0.015x6.5=2.79(0.189999)iKP4.8x1.35檢驗近似條件電流環(huán)截至頻率：3,=K廣185.19s-1機電時間常數(shù)T=0.2s1）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件3t 300017=196.1s-1>3.****s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TTml=3x0.2*0.015TTml=3x0.2*0.015s=54.77s-1<oi****滿足近似條件。3）電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件1 1 1 =—x3MTT1 1 1 =—x3MTT300017 0001 =255.65s-1>3i****滿足近似條件。計算調(diào)節(jié)器電阻和電容含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器如圖2-6所示：其中U*滿足近似條件。計算調(diào)節(jié)器電阻和電容含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器如圖2-6所示：其中U*為電流給定電壓，-BId為電流負反饋電壓，U°為電力電子變換器的控制電壓。圖2—6含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器由圖2-6，按所用運算放大器取R0=40k。，各電阻和電容值為R=KR0=2.79x40kQ=111.6kQ，取111kOC=L=0'0015F=0.14uF，取0.14uFiR 111x103iC=E=4x0.001F=0.1uF，取0.1uF

oiR 40x1030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。1=4.3%<5%（見表3）,滿足設(shè)計要求。2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計電流環(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2—5a可知K

K

1

s(Ts+1)I?K1+i s(Ts+1)￡i1,1~~-s2+——s+1KI忽略高次項，上式可降階近似為W (s)a—cli 1 ?s+1KI近似條件可由式①V1min(]1f)求出<1K氣nV目式￡i式中氣口——轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。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Ul(s)，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為 ]I(s)=W(s)甘暢=丁'-1s+1i Ki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1I(s)=()虧U：(s)=T±s+11 Ki用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代電流環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如圖2-7所示。圖2-26轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡化圖2-7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)，同時將給定信號改成U*n(s)/a,再把時間常數(shù)為1/%和T0n的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)。其中電流環(huán)等效時間常數(shù)K=2T&=2x0.0027=0.0054s,(0.0074s)則轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)小時間常數(shù) T廣￡+：=0.0054+0.005=0.0104sQ0074+I0.01=0.0174S)則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖可簡化為圖2-8圖2-8轉(zhuǎn)速換的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡(等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理)按照設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為K0s+1)W(S)=—n n ASR TS式中Kn----轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；Tn 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。這樣,調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為W⑴-K(ts+1)P_KaR(ts+1)n(—nTnsCTs(Ts+1)—tPCTs2(Ts+1)n emZn nem Zn令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為0 KaRK=—kNTPCTW(s)=KN(TnS+1)s2(Ts+1)Zn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)框圖如圖2-9圖2-9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II型系統(tǒng))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，則ASR的超前時間常數(shù)為T=hj=5X0.0104s=0.052s(5*0.0174=0.087s)轉(zhuǎn)速開環(huán)增益KNh轉(zhuǎn)速開環(huán)增益KNh+12h2T2Sn5+12x52x0.01042s-2=1109.47s-2(396.4)ASR的比例系數(shù)為K=四U=(5+'X1.35X°」2X0.2=5.75(11.7)n 2haRT 2x5x0.05x6.5x0.0104Sn檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率①=K=Kt=1109.47x0.052s-1=57.69s-111）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為1185.193\1185.193\0.0027s-1=87.30s-1>0cn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185.19 s-185.19 s-10.005=64.15s-1>0c滿足簡化條件。計算調(diào)節(jié)器電阻和電容含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖2-10所示:RnCnRnCn一頃 工圖2-10含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器其中U*為轉(zhuǎn)速給定電壓，-an為轉(zhuǎn)速負反饋電壓，U;:調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。取R0=40kQ，則

R=KR0=5.75x40kQ=230kQ，取230kOC=二=0.052F=0.23uF,取0.23uF

nR 230x103nC=^Ln=4x0.005F=0.5uF，取0.5uFonR 40X10306.校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量查表4當(dāng)h=5時,q=37.6%，不能滿足設(shè)計要求。應(yīng)按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。7.按ASR退飽和重新計算超調(diào)量過載倍數(shù)入=2(1.5),理想空載轉(zhuǎn)速時,z=0查表4得山=5時，△Cmax/Cb=81.2%，貝3.7x6.5Q=2(Cmax)(X-Z)函N:n=2x81.2%x2x盅x^0^=16.92%<20%n Cb n*T 200 0.22*0.812*1.5*(15*1/0.0633/1500)*0.0174/0.5569=0.012能滿足設(shè)計要求。8.計算過渡過程時間tst?t?(丑)Wn* t2h+1U*-。I或￡”2x55.75x10 x x0.0104=0.0997s5+1 10-00.0.3393s過渡過程時間匕應(yīng)比匕略大，因此ts會略大約0.1s。由于實際系統(tǒng)設(shè)計時,一般都會留有一定的安全裕量，所以ts略大約0.1s也能滿足設(shè)計要求。三、總結(jié)通過本次課程設(shè)計，首先對直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有了更深的認識，加深了理解，是對課堂所學(xué)知識的一次很好的應(yīng)用。學(xué)會了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，并能熟練地掌握轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇和計算，在設(shè)計的基礎(chǔ)上更加

認識到直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用之廣泛。附錄表1各種整流電路的失控時間(f=50Hz)整流電路形式最大失控時間T (ms)平均失控時間T(ms)單相半波smax20 s 10單相橋式(全波)105三相半波6.673.33三相橋式、六相半波3.331.67表2典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系已選定的參數(shù)關(guān)系KT=O.5m=T1/T2=T/T21/51/101/201/30C —ma^X100%Cb55.5%33.2%18.5%12.9%2.83.43.84.0t/T v 14.721.728.730.4表3典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.50.691.0阻尼比。1.00.80.7070.60.5超調(diào)量b0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時間tr86.6T4.7T3.3T2.4T峰值時