电流环的设计

中国农业大学课程设计（2010-2011学年春季学期）论文题目：基于双闭环的直流脉宽调速系统计算书课程名称：电力拖动自动控制系统任课教师：陈一飞班级：自动化081学号：0808140823姓名：李璐成绩基于双闭环的直流脉宽调速系统建模及调节器设计一、设计总体要求：要求设计双闭环直流脉宽调速系统，可完成以下任务：(1)该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作；(2)系统静特性良好，无静差（静差率s≤2）；(3)动态性能指标：转速超调量δn＜8%，电流超调量δi＜5%，动态速降Δn≤10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤1s；(4)系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续；(5)调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。电路设计及分析根据设计任务可知，要求系统在稳定的前提下实现无静差调速，并要求较好的动态性能，可选择PI控制的转速、电流双闭环直流调速系统，以完全达到系统需要。转速、电流双闭环直流调速系统框图如图1-1所示。图1-1转速、电流双闭环调速系统系统框图两个调节器的输出均带限幅作用的,转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子电换器的最大输出电压。双闭环直流调速系统原理框图如下图1-2所示：图1-2双闭环直流调速系统原理框图由此得到系统电气原理图见附图1。二、电流调节器设计电流调节器使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。对电网电压的波动起及时抗扰的作用。在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不影响调节器的输入，需加低通滤波。转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。它对负载变化起抗扰作用。其输出限幅值决定电机允许的最大电流。由于测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波。图1-2系统实际动态原理框图一、电流环的简化在图1-2虚线框内的电流环中，饭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。实际中，对电流环来说，饭电动势是一个变化比较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即ΔE0.其中忽略反电动势对电流环的近似条件是lmTT13ciω（1—3）式中ωci——电流环开环频率特性的截止频率。如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改为β)(*sUi，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图1—3b所示，从这里可以看出两个滤波时间常数取值相同的方便之处。最后，由于ST和oiT一般都比lT小得多，可以当作小惯性群而近似看作是一个惯性环节，其时间常数为oisTTTiΣ（1—4）则电流环结构框图最终简化成图1—3c所示。简化的近似条件为oisTT131ciω（1—5）(a)(b)(c)图1—3电流环的动态结构框图及其简化(a)忽略反电动势的动态影响(b)等效成单位负反馈(c)小惯性环节近似处理二、电流调节器参数计算电流反馈系数：dmmIU*iβ=10/λIN=101.5×760⁄=0.00881、确定时间常数：（1）、整流装置滞后时间常数Ts。查表可得，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s。（2）、电流滤波时间常数Toi,Toi=2ms=0.002s。（3）、电流小环节时间常数之和T∑i=Ts+Toi=0.0037s。2、选择电流调节器结构根据设计要求δi＜5%，并保证无静差，按典Ⅰ型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性的，因此可用PI型电流调节器。传递函数为WACR(s)=Ki(τis+1)τis检查对电源电压的抗扰性能：TlT∑i≈0.0310.0037≈8.38。参看书表3-2的典Ⅰ型系统动态抗性能，各项指标都可以接受。参考关系KT0.250.390.50.691.0阻尼比ξ1.00.80.7070.60.5超调量δ0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间rt6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间pt8.3T6.2T4.7T3.6T相角稳定裕度γ3.679.6965.5°2.958.15截止频率cω0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T3、计算电流调节器参数：电流调节器超前时间常数：lTiτ=0.031s电流开环增益：要求δi＜5%，5.0iΣTKI，因此i21ΣTKI=12×0.0037≈135.1s-1于是，ASR的比例系数为Ki=KIτiRKsβ=135.1×0.0031×0.1475×0.0088≈0.8914、校验近似条件电流环截止频率：ωci=KI=135.1s-1(1)、校验晶闸管整流装置传递函数的近似特殊条件sT31ciω=13×0.0017s-1≈196.1s-1满足近似条件（2）、校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件lmTT13ciω=3×√10.112×0.0031s-1≈50.91s-1满足近似条件（3）、校验忽略电流环小时间常数近似处理条件ToisciT131ω=13×√10.0017×0.002s-1≈180.8s-1满足近似条件5、计算调节器电阻和电容电流调节器原理如图所示，Ri=KiR0=0.891×40KΩ=35.64KΩ,取Ri=Ci=τiRi=0.031×103F≈μF,取Coi=4×ToiR0=4×0.00240×103F≈0.2μF,取0.2μF按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为δi=4.3%5%满足设计要求。三、转速调节器的设计：把电流环的等效环节接入转速环后，整个转速控制系统的动态结构框图如图1—6a所示。和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成α)(*nsU，再把时间常数为IK1和onT的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为nΣT的惯性环节，其中onn1TKTIΣ（1—21）一、转速环结构简化由于需要实现转速无静差，而且在后面已经有一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，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。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为ssKsWASRnnn)1()(ττ（1—22）式中nK——转速调节器的比例系数；nτ——转速调节器的超其时间常数。（a）（b）（c）图1—6转速环的动态结构框图及其简化（a）用等效环节代替电流环（b）等效成单位负反馈系统和小惯性系统的近似处理（c）校正后成为典型Ⅱ型系统这样，调速系统的开环传递函数为)1()1()(n2ennnsTsTCsRKsWmnΣβττα不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构框图如图1—6c所示。二、转速环参数计算dmmIU*iβ=10/λIN=101.5×760⁄=0.00877转速反馈系数：max*nUnmα=10375≈0.03V·min/r1、确定时间常数（1）、电流环等效时间常数1KΙ。1KΙ=2T∑i=0.0074s（2）、转速滤波时间常数Ton=0.02s（3）、转速环小时间常数T∑n。按小时间常数近似处理，取onn1TKTIΣ=0.0074s+0.02s=0.0274s2、选择转速调节器结构按设计要求，选用PI调节器，其传递函数为ssKsWASRnnn)1()(ττ3、计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=0.5，则ASR的超前时间常数为)1(onInTKh=5×0.0274s=0.137s开环增益为222228.1590274.052621sThhKnASR的比例系数为nmenRThTChK2)1(=6×8.77×10−3×1.82×0.1122×5×0.03×0.0274×0.014≈9.324、检验近似条件转速环截止频率为ωcn=KNω1=KNτn=159.8×0.137≈21.89s-1（1）、电流环传递函数简化条件13√KIT∑i=13√135.10.0037≈63.7s−1ωcn满足简化条件（2）、转速环小时间常数近似处理条件13√KITon=13√10.0017×0.002s−1≈180.8s−1ωcn满足近似条件5、计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如图所示Rn=KnR0=9.32×40kΩ=372.8kΩ取375KΩCn=τnRn=0.137375×103=0.4×10−6=0.4μF取0.4μFCon=4TonR0=4×0.0240×103=2μF取2μF6、校核转速超调量当h=5时，由课本表3-4查得，δn=37.6%，不能满足要求。实际上表3-4是按线性计算的，而突加给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应按ASR退饱和的情况重新计算。7、退饱和计算mnNbbbnTTnnzCCnnCC))((2)(maxmaxσn=2×81.2%×1.5×760×0.141.82375×0.02740.112≈9.3%8%不符和要求最后可以在仿真中调节使系统符合要求四、心得体会通过对双闭环的设计和计算，让我更清楚的了解了双闭环中两个调节器的设计方法和参数计算，知道了一些必要的注意。通过本次课程设计我知道了信息搜集与整合也是十分重要的，有时候信息量很大，单凭自己是没有能力处理这么大的信息量的。在学习的过程中学到了很多在课堂上学不到的东西，这对于我今后的学习、生活、工作都会有很大的帮助。总之，通过这次的课程设计，我获益匪浅。