晶闸管双闭环不可逆直流调速系统设计

1、 目 录第一章 绪论1第二章 主电路结构选择22.1 变压器参数计算3第三章 双闭环直流调速系统设计43.1电流调节器的设计63.2 转速调节器的设计9第四章 触发电路的选择与原理图13第五章 直流调速系统MATLAB仿真15第六章 总结17第七章 参考文献17第一章 绪论转速负反馈控制直流调速系统（简称单闭环调速系统）调节器的单闭环转速系统可以实现转速调节无静差，消除负载转矩扰动对稳态转速的影响，并用电流截止负反馈限制电枢电流的冲击，避免出现过电流现象。但转速单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流（或电磁转矩）的动态过程。 对于经常正、反转运行的调速系统，缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。这类理想启动过程示意下图1所示。图1 单闭环调速系统理想启动过程启动电流呈矩形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动（制动）过程。 下面我们引入了一种

2、双闭环系统来对控制系统进行优化。第二章 主电路结构选择目前具有多种整流电路，但从有效降低脉动电流保证电流连续和电动机额定参数的情况出发本设计选用三相桥式全控整流电路，其原理如图2-1所示，习惯将其中阴极连接在一起到3个晶闸管（）称为共阴极；阳极连接在一起的3个晶闸管（）称为共阳极，另外通常习惯晶闸管从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a,b,c三相电源相接的3个晶体管分别是,共阳极组中与a,b,c三相电源相接的3个晶闸管分别是。 图2-1 三相桥式全控整流电路原理图 其工作特点为：1）每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中1个晶闸管是共阴极组的，1个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。2)6个晶闸管的触发脉冲按的顺序相为、位依次相差；共阴极组的脉冲依次差，共阳极组也依次差;同一相的上下两个桥臂即与，与，与脉冲相差。3）整流输出电压一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样。4）在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为保证电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。2.1 变压器参数计算 由于整流输出电压的波形在一周期内脉动6次的波

3、形相同，因此在计算时只需对一个脉冲进行计算。由此得整流输出平均电压 （） 显然=440V，如果忽略晶闸管和电抗器的压降，则可以求得变压器副边输出定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温是允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。因此在使用时同样应按照实际波形的电流与通态平均电流所造成的发热效应相等，即有效值相等的原则来选取晶闸管的电流定额，并留有一定裕量。一般取其通态平均电流为此原则所得计算结果的1.5-2倍。可按下式计算： =(1.52)，式中计算系数=/1.57由整流电路型式而定，为波形系数，为共阴极或共阳极电路的支路数。当时，三相全控桥电路=0.368故计算的晶闸管额定电流为=(1.52) 0.368(2201.5)=182.16242.88A，取200A。第三章 双闭环直流调速系统设计 双闭环直流调速系统控制原理图如图3.1所示速度调节器根据转速给定电压和速度反馈电压的偏差进行调节，其输出是电流的给定电压（对于直流电动机来说，控制电枢电流就是控制电磁转矩，相应的可以调速）。电流调节器根据电流给定电压和电流反馈电压的偏差进行调节，其输出是功率变换器件（三相整流装置）的的控制信号。通过

4、电压进而调节镇流装置的输出，即电机的电枢电压，由于转速不能突变，电枢电压改变后，电枢电流跟着发生变化，相应的电磁转矩也跟着变化，由，只要与不相等那么转速n会相应的变化。整个过程到电枢电流产生的转矩与负载转矩达到平衡，n不变后，达到稳定。 图3.1 双闭环直流调速系统电路原理图 在双闭环直流调速系统中，转速和电流调节器的结构选择与参数设计须从动态校正的需要来解决。如果采用单闭环中的伯德图设计串联校正装置的方法设计双闭环调速系统这样每次都需要先求出该闭环的原始系统开环对数频率特性，在根据性能指标确定校正后系统的预期特性，经过反复调试才能确定调节器的特性，从而选定其结构并计算参数但是这样计算会比较麻烦。所以本设计采用工程设计方法：先确定调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳定精度。再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。这样做，就把稳，准，快和抗干扰之间相互交叉的矛盾问题分成两步来解决，第一步先解决主要矛盾，即动态稳定性和稳定精度，然后再进一步满足其他动态性能指标。 按照“先内环后外环” 的一般系统设计原则，从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环

5、看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器如图3.2所示为双闭环直流调速系统动态结构框图。 图3.2 双闭环直流调速系统动态结构框图 在双闭环调速系统在稳态工作中，当转速和电流两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系： 在稳态工作点上，转速n是由给定电压Un*决定的，ASR的输出量Ui*是有负载电流IdL决定的，而控制电压Uc的大小则同时取决于n和Id。这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。P调节器的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量在动态过程中决定于输入量的积分，达到稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。双闭环调速系统的稳态参数计算和无静差系统的稳态计算相似，根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数 转速反馈系数 电流反馈系数 本设计中电流调节器输出负限幅值为0V，正限幅值为10V；转速调节器输出负限幅值为10V，正限幅值为0V。根据已知参数可求得转速反馈系数为： 电流反馈系数为： 另外由 根据电机参数得3.1电流调节器的设计 在图3.2画线结

6、构框图中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际反电动势与转速成正比，系统的电磁时间常数远小于机电时间常数，因此转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即.这样在按动态性能设计电流环时，可以不考虑反电动势变化的影响。也就是说可以去掉反电动势的作用这样得到电流环的近似结构框图如图3.3所示电流环动态结构图可简化为： 图3.3 电流环动态结构框图1）确定时间常数根据已知数据得电磁时间常数 三相桥式晶闸管整流电路的平均后时间，取电流反馈滤波时间常数，可得电流环的小时间常数为+= 0.0017 s+0.002 s = 0.0037 s 2） 选择电流调节器结构根据设计要求电流超调量i5% 并且保证稳态电流无静差，可以按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此电流调节器选用PI调节器，其传递函数为 另检查电源电压的抗扰动性能：参照附表3-1的典型I型系统动态抗扰性能可采用PI调节器。 表3-1典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系KT0.250.390

7、.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间tp8.3T 6.2T 4.7T3.6T相对稳定裕度76.369.965.559.251.8截止频率c0.243/T0.367/T0.455/T 0.596/T 0.786/T 3）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：为满足%5%要求，应取，因此电流环开环增益为= = 135.14 于是电流调节器的比例系数为= =4）校验近似条件电流环截至频率= =135.14，晶闸管装置传递函数近似条件为 ,现 =196.1故该近似条件满足。 忽略反电动势影响的近似条件为 ，现=故该近似条件满足。电流环小时间常数近似处理条件为 ，现=180.8故该近似条件满足。5）取调节器的输入电阻=40k，则电流调节器的各参数为=1.13440=45.36，取45= ，取3=, 取0.47根据上述参数可以达到的动态指标为%=4.3%5%故能满足设计要求。3.2 转速调节器的设计 电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，这样用电流环等效环节代替电流环后整个

8、转速控制系统的动态结构图如下图3.4所示： 图3.4流环动态结构框图 1）确定时间常数电流环的等级时间常数为=2=0.0074s，(在电流环中已取因=0.5）。 取转速反馈滤波时间常数 =0.01s，那么转速环的时间常数为 =0.0074s+0.01s=0.0174s 2）选择转速调节器结构为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前必须有一个积分环节，它应包含在转速调节器当中。这样转速环开环传递函数共有两个积分环节，所以应该设计成典型II型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。因此转速调节器也应该采用PI调节器，其传递函数可表示为 3）选择转速调节器参数按跟随性能和抗扰性能较好的原则选择h=5，求出转速超调量%和过渡过程时间 。如果能够满足设计要求，则可根据所选的h值计算有关参数；否则要改变h值重新进行计算，直到满足设计要求为止。当h=5时，ASR退饱和超调量为 =式中，表示电动机允许的过载系数，按题意=1.5；z为负载系数，设为理想空载起动，则z=0; 为调速系统开环机械特性的额定稳态速降，=；是基准值为时的超调量相对值，而=。 参照表2当h=5时，=81.2%，故起动到额定转速，即= 时，退饱和超调量为 =2.66%满足设计要求。 表2典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系h345678

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