V-M双闭环不可逆直流调速系统设计解析

目录摘要..........................................................................................................................III1调速方案的确定.....................................................................................................12主电路结构形式及组成.........................................................................................22.1反馈闭环的引入..........................................................................................22.2转速、电流双闭环的组成...........................................................................22.3双闭环调速系统的静特性分析....................................................................42.4双闭环调速系统的动态性能分析................................................................53主电路元部件确定及参数计算..............................................................................83.1可控直流源的设计......................................................................................83.1.1可控直流源的选定............................................................................83.1.2整流变压器的计算............................................................................93.1.3晶闸管的选择..................................................................................103.1.4平波电抗器的选择..........................................................................113.2关于触发电路............................................................................................113.3保护电路的设计........................................................................................123.3.1晶闸管的过流保护..........................................................................123.3.2晶闸管的过电压保护......................................................................124系统的动态设计...................................................................................................144.1电流调节器的设计....................................................................................154.1.1电流环动态结构的简化..................................................................154.1.2电流调节器的参数计算..................................................................164.1.3电流调节器的实现..........................................................................174.2转速调节器的设计....................................................................................174.2.1电流环的等效闭环传递函数...........................................................174.2.2转速调节器结构的选择..................................................................184.2.3转速调节器的参数计算..................................................................194.2.4转速调节器的实现..........................................................................204.2.5稳态指标的校核..............................................................................214.2.6转速超调的校核和抑制..................................................................21参考文献..................................................................................................................231V-M双闭环不可逆直流调速系统设计1调速方案的确定直流电动机有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中有广泛而重要的运用。直流电动机的调速方式有很多中，根据调速要求选定。直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系可表示为：KeIRUn(1-1)式中n——转速(r/min)；U——电枢电压(V)；I——电枢电流(A)；R——电枢回路总电阻(Ω)；——励磁磁通(Wb)；Ke——由电机结构决定的电动势常数。上式中，Ke是常数，电流I是由负载决定的，因此调节电动机的转速有三种方法：1)调节电枢供电电压U。2)减弱励磁磁通。3)改变电枢回路电阻R。对于要求在一定范围内无级平滑速度调节的系统，以调节电枢供电电压最为广泛。从机械特性的角度，后两种调速方式会使电机机械特性变软，影响带载能力，故调节电枢电压的方式最好。22主电路结构形式及组成由上述可知，所谓调速即是调电动机电枢电压，由此的调速系统是以电枢电压为控制对象的自动调节系统。2.1反馈闭环的引入设计对系统调速范围和带载特性有较高的要求。比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静特性，就能清楚地看到反馈闭环控制的优点：1)闭环系统静特性可以比开环系统机械特性强硬得多；2)闭环系统的静差率要比开环系统小得多；3)静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。由此，闭环系统能够通过自动调节作用减少稳态速降，提高系统性能。另外，反馈控制体统具有良好的抗干扰性能，它能有效地抑制一切被反馈环所包围的前向通道上的扰动，并且完全服从给定作用。所以，为满足设计要求的调速范围、静特性和动态特性等要求，必需引入反馈闭环控制。2.2转速、电流双闭环的组成设计对系统的动态性能要求较高，并且对转速和电枢电流两项参数同时约束动态指标。采用PI调节的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差，但是对于系统的动态性能要求高的场合下，如要求快速启动，快速制动，突加负载动态速降小等等，单闭环就很难满足要求。实际上，由于电动机是感性负载，加上主电路中电感的作用，电流不可能突变。这导致单闭环系统中，电机启动、制动以及堵转等情况下转速和电枢电流的动特性不能同时达到理想效果。按照反馈控制规律，采用某个物理量的反馈就可以保持该参量基本不变。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电枢电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套连接，把转速调节器(ASR)的输出当作电流调节器(ACR)的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器(UPE)，其中电力电子变换器就是上文所说的晶闸管整3流装置；TG为测速发电机，与变送器件构成速度反馈。这就组成了转速、电流双闭环调速系统，系统结构图如图2-1所示。图2-1转速、电流双闭环直流调速系统ASR—转速调节器ACR—电流调节器TG—测速发电机TA—电流互感器UPE—电力电子变换器Un*—转速给定电压Un—转速反馈电压Ui*—电流给定电压Ui—电流反馈电压为了获得良好的静、动态性能，满足设计静特性良好，无静差的要求，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图2-2所示。图中两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器的输出限幅电压Uim*决定了电流给定电压的最大值，电流调节器的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器件的最大输出电压Udm。图2-2双闭环直流调速系统的原理图42.3双闭环调速系统的静特性分析根据上述电路原理图，绘出系统稳态结构框图如图2-3所示：图2-3双闭环直流调速系统的稳态结构框图系统的静特性主要受调节器的决定，PI调节器的稳态特征一般存在饱和与不饱和两种状态。在系统正常运行时，电流调节器不会达到饱和状态。因此，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。双闭环直流调速系统的静特性如图2-4所示。图2-4双闭环直流调速系统的静特性图1)转速调节器不饱和此时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此0*UUnnnn(2-1)diiIUU*(2-2)5由式(2-1)可得0*nUnn(2-3)即是图2-4所示静特性的CA段。2)转速调节器饱和此时，ASR输出达到限幅值Uim*，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环控制系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时，dmimdIU*I(2-4)其中，最大电流Idm取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。式(2-4)所描述的静特性对应于图2-4中的AB段。由此可以看出，双闭环调速系统静特性在负载电流小于Idm时，表现为转速无静差，这时转速负反馈其主要调节作用；当电流达到Idm时，转速调节器饱和输出，这时电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。2.4双闭环调速系统的动态性能分析根据图2-2所示电路原理图建立双闭环直流调速系统的动态结构框图，如图2-5所示：图2-5双闭环直流调速系统的动态结构图正如前述，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得理想的启动、制动及堵转等特殊情形时的理想动态过程。因此，分析双闭环直流调速系统的动态性