VM转速、电流双闭环不可逆直流调速系统的设计.doc

V-M转速、电流双闭环不可逆直流调速系统的设计摘要 转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。根据晶闸管的特性，通过调节控制角大小来调节电动机电枢电压。基于设计题目，直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调速控制电路。在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。本文首先确定整个设计的方案和框图。然后确定主电路的结构形式和各元部件的设计，同时对其参数的计算，包括整流变压器、晶闸管、电抗器和保护电路的参数计算。接着驱动电路即晶闸管触发电路的设计。本文的重点设计为直流电动机调速控制器电路，本文采用转速、电流双闭环直流调速系统为对象来设计直流电动机调速控制器。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，二者之间实行嵌套联接。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称做外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。先确定其结构形式和设计各元部件，并计算其参数，包括直流稳压电源、给定电路、转速调节器、电流调节器、电流检测与反馈电路和触发电路参数计算，最后画出了调速控制电路电气原理图。关键词： 双闭环； 转速调节器；电流调节器 目录摘要0目录1第一章 设计要求41.1 设计内容41.2 设计要求41.3 设计参数4第二章 控制系统工作原理及其设计52.1 双闭环直流调速系统设计框图52.2 V-M直流调速系统简介62.3 转速电流双闭环不可逆直流调速系统组成62.4.1 稳态结构框图82.4.2 动态数学模型102.5 整流电路的选择11第三章 双闭环不可逆直流调速系统主回路设计123.1 电动机相关参数计算123.2 主回路参数计算及元器件选择133.2.1 整流变压器的容量计算和选择133.2.2 整流元件晶闸管的选型143.2.3 平波电抗器设计15 3.2.4 直流测速发电机的选型153.3 主回路保护电路设计163.3.1 过电压保护163.3.2 过电流保护183.4 晶闸管的触发回路设计213.5 励磁回路设计23第四章 双闭环直流调速系统控制回路设计244.1 电流调节器的设计244.1.1 确定时间常数244.2 转速调节器的设计264.3 反馈回路设计314.3.1 电流检测与反馈回路设计314.3.2 转速反馈环节设计31第五章 辅助回路设计325.1 直流稳压电源325.2 给定电路335.3 限幅电路335.4 操作回路34设计感想35参考文献36第一章 设计要求1.1 设计内容1、查阅有关资料，分析并确定控制方案，完成简装操作电路。2、调速系统主电路的设计、计算，并确定主要元器件（包括有变压器、晶闸管和必要的保护环节）。3、转速、电流双闭环直流调速系统调节器结构形式的确定，参数的设计、计算。4、直流稳压电源、励磁回路、接触器操作回路等的设计。5、 绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图。1.2 设计要求1、调速范围D=20，静差率S5%。在整个调速范文内要求转速无级,平滑可调。2、动态性能指标：电流环超调量； 空载启动到额定转速时的转速超调量n<10%。1.3 设计参数直流电机型号 Z2-32额定容量（KW） 2.2额定电压（V） 220额定电流（A） 12.5最大电流（A） 18.75额定转速（rpm） 1500额定励磁（A） 0.61() 0.105电动机电枢电阻Ra（） 1.3电动机电枢电感La（mH） 10整流侧内阻Rn（） 0.92整流变压器漏感(mH) 6 电抗器直流电阻（） 0.6电抗器电感（mH) 8.0第二章 控制系统工作原理及其设计2.1 双闭环直流调速系统设计框图 直流电机的供电需要三相直流电，在生活中可直接提供三相交流380V电源，因此要进行整流，本设计采用三相桥式整流电路得到三相直流电，然后把电源提供给直流电动机。如图2-1设计的总框架。三相交流电源三相桥式整流电路直流电动机整流供电双闭环直流调速机驱动电路保护电路图2-1 双闭环直流调速系统设计总框架 三相交流电路的交、直流侧及三相桥式整流电路保护有过电压、过电流保护。一般保护有快速熔断器、压敏电阻、阻容式保护。根据不同的器件和保护的不同要求采用不同的方法。根据选用的方法，分别计算保护电路的各个器件的参数。驱动电路是主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。驱动电路的基本任务，就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间、可以使其开通或关断的信号。本设计使用的是晶闸管，即半控型器件。驱动电路对半控型器件只需要提供开通控制信号。晶闸管的驱动电路叫作触发电路。所以对晶闸管的触发电路也是重点设计。 转速、电流双闭环直流调速系统，采用串级控制的方式。转速负反馈环为外环，其作用是保证系统的稳速精度。电流负反馈环为内环，其作用是实现电动机的转距控制，同时又能实现限流以及改善系统的动态性能。转速、电流双闭环直流调速系统在突加给定下的跟随性能、动态限流性能和抗扰动性能等，都比单闭环调速系统好。 2.2 V-M直流调速系统简介 交流电经晶闸管整流装置整流为直流电后给直流电动机供电的调速系统，称为晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统，又称为静止的Ward-leonard系统）。图2-2是V-M系统的简单原理图。图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，以改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。V-M系统具有调速范围大、精度高、动态性能好、效率高、易控制等优点。 晶闸管整流器也有他的缺点：（1）由于晶闸管的单向导电性，他不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难；（2）晶闸管对过电流、过电压和过高的du/dt与di/dt都十分敏感，因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件； 图2-2 晶闸管-电动机直流调速系统（V-M系统）（3） 当系统处于深调速状态，即在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使得系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流，引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，这就是所谓的电力公害。在这种情况下，必须添置无功补偿和谐波滤波装置。2.3 转速电流双闭环不可逆直流调速系统组成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，分别调节转速和电流。二者之间实行嵌套（或称串级）联接，如下图2-3所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外面，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，转速电流两个调节器一般都采用PI调节器。其电路原理图如下。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。两个调节器的输出都是带限幅作用的，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Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm. 2-3转速电流双闭环直流调速系统结构框图 双闭环直流调速系统电路原理图 2.4 稳态结构框图和动态数学模型2.4.1 稳态结构框图为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构框图，如下图2-4所示。 PI调节器的稳态特征，一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值。即饱和调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。不饱和输出未达到限幅值。即PI的作用使输入偏差电压在稳态时总为零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种状况：（1） 转速调节器不饱和：稳态时，他们的输入偏差电压都是零，因此，而得到下图2-5静特性的CA段。 （2）转速调节器饱和： ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时： 图2-4 双闭环直流调速系统的稳态结构框图a转速反馈系数; b 电流反馈系数 Ks a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R b ACR-UiUPE 从而得到下图2-5静特性的AB段。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点漂移而采用“准PI调节器”时，静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图2-5的虚线。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*是由负载电流决定的，而控制电压Uc的大小则同时取决于n和。这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点，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正限幅值为10V，负限幅值为0V；转速调节器输出正限幅值为10V，负限幅值为0V。 2-5 双闭环直流调速系统的静特性2.4.2 动态数学模型如下图2-6表示双闭环直流调速系统的动态框图，图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。在分析双闭环直流调速系统的动态性能时，着重分析电机的起动过程及抗扰动性能。在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，抗扰动性能包括抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。在起动过程有三个特点：随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态。当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环则表现为电流随动系统。这就是饱和非线性控制的特征。准时间最优控制即恒流升速阶段，电流保持恒定，一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电机的过载能力，使起动过程尽可能的最快。转速超调： 由于采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速调节器退出饱和状态。按照PI调节器的特性，只有使转速超调，ASR的输入偏差电压为负值，才能使ASR退出饱和。即采用PI调节器的双闭环调速系统的转速动态响应必然有超调。图2-6 双闭环调速系统动态结构框图2.5 整流电路的选择因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省，而且工作可靠、能耗小、效率高。并且要求直流电压脉动较小，考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥整流器供电方案。三相桥式全控整流电路的原理如图2-7所示，习惯将其中阴极连接在一起到3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）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VT1、VT3、VT5,共阳极组中与a，b，c三相电源相接的3个晶闸管分别是VT4、VT6、VT2。其工作特点如下： （1）每个时刻均需两个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。 （2）对触发脉冲的要求：六个晶闸管的脉冲按VT1VT2VT3VT4VT5VT6的顺序，相位依次相差；共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差；同一相的上下两个桥臂即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2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，故该电路为六脉波整流电路。 （4）在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的两个晶闸管均有触发脉冲。为此，可采用两种方法：一种是使脉冲宽度大于（一般取），称为宽脉冲触发；另一种方法是，在触发某个晶闸管的同时，给前一个晶闸管补发脉冲，即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差，脉宽一般为，称为双脉冲触发。双脉冲电路较复杂，但要求的触发电路输出功率小。宽脉冲触发电路虽可少输出一半脉冲，但为了不使脉冲变压器饱和，需将铁芯体积做得较大，绕组匝数较多，导致漏感增大，脉冲前沿不够陡，对于晶闸管串联使用不利。虽可用去磁绕组改善这种情况，但又触发电路复杂化。因此，常用的是双脉冲触发。图2-7 三相桥式全控整流电路原理图第三章 双闭环不可逆直流调速系统主回路设计3.1 电动机相关参数计算 由电机型号Z2-32及相关参数得：电枢回路总电阻电枢回路总电感 电动机电磁系数 电机开环速降3.2 主回路参数计算及元器件选择3.2.1 整流变压器的容量计算和选择 一般情况下，晶闸管变流装置所要求的交流供电电压与电网电压是不一致的，所以需要变流变压器，通过变压器进行电压变换，并使装置于电网隔离，减少电网于晶闸管变流装置的互相干扰。变压器为Y-联接，一次侧绕组采用联接，二次侧绕组采用Y联接，如图3-1所示。1、二次相电压为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后，晶闸管交流侧的电压只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器二次侧相电压。精确表达式为：=V三相全控整流桥计算系数：=2.34，=0.5，其他参数：,。 图3-1 变压器绕组连接图2、二次相电流 对于二次绕组按星连接，则式中： 二次相电流计算系数，=0.816； 整流器额定直流电流（A）。当整流器用作电枢供电时，一般取=。得=3、变压器容量的计算一次容量：二次容量：平均总容量：式中： -变压器一次二次绕组相数。对于三相全控桥； -一次相电流计算系数，=0.816； - 整流器空载电压，=2.34； -二次相电流计算系数，=0.816； -整流电压计算系数，=2.34 。设计时应留取一定的裕量,可以取容量为4KVA整流变压器。3.2.2 整流元件晶闸管的选型正确选择晶闸管能够使晶闸管装置在保证可靠运行的前提下降低成本。选择晶闸管元件主要是选择它的额定电压和额定电流。1、额定电压 晶闸管额定电压为电路中实际承受的最大电压，考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽23倍的安全系数，则计算公式： 本设计采用的是三相桥式整流电路，在阻感负载中晶闸管承受的最大电压， 。 故计算的晶闸管额定电压：取800V。2、晶闸管的额定电流额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。一般取按此原则所得计算结果的1.52倍。式中： 可以取额定电流13A。本设计选用晶闸管的型号为KP20。3.2.3 平波电抗器设计 直流侧串接一个只有空气隙的铁心平波电抗器，以限制电流的波动分量，维持电流连续,提高整流装置对负载供电的性能及运行的安全可靠性。直流侧电抗器的主要作用为了限制直流电流脉动；轻载或空载时维持电流连续；在有环流可逆系统中限制环流；限制直流侧短路电流上升率。由题目设计参数电抗器电感选择160-A自冷式平波电抗器。3.2.4 直流测速发电机的选型 图3-2 测速发电机原理图因为电动机的额定转速为1500，所以选择测速发电机的型号ZYS-3A，其电压110V，电流0.2A，功率22W，转速2000r/min。 3.3主回路保护电路设计电力半导体元件虽有许多突出的优点，但承受过电流和过电压的性能都比一般电气设备脆弱的多，短时间的过电流和过电压都会使元件损坏，从而导致变流装置的故障。因此除了在选择元件的容量外，还必须有完善的保护装置。3.3.1 过电压保护1、直流侧过电压保护整流器直流侧在快速开关断开或桥臂快速熔断等情况，也会在A、B之间产生过电压，可以用非线性元气件抑制过电压，本设计压敏电阻设计来解决过电压时(击穿后)，正常工作时漏电流小、损耗低，而泄放冲击电流能力强，抑制过电压能力强，除此之外，它对冲击电压反应快，体积又比较小，故应用广泛。其电路图如图3-3所示 。 图3-3直流侧过电压保护电路压敏电阻的额定电压的选取可按下式计算： 式中：为晶闸管控制角为时直流输出电压。对于本设计， 因此，压敏电阻额定电压取500V 型压敏电阻。2、 交流侧过电压保护采用RC过电压抑制电路如图3-4所示，在变压器次级并联RC电路，以吸收变压器铁心磁场释放的能量，并把它转换为电容器的电场能而存储起来，串联电阻是为了在能量转换过程中消耗一部分能量并抑制LC回路可能产生的震荡。本设计采用三相全 控桥整流电路，变压器的绕组为Y联结，阻容保护装置采用三角形接法，故可按下式计算阻容保护元件的参数： 图3-4交流侧过电压保护电路 电容C的耐压 ： 电阻R的功率： 式中 ST变压器每相平均计算容量（VA）U2变压器次级相电压有效值（V）励磁电流百分比，当ST几百伏安时=10，当 ST1000伏安时=35UK%变压器的短路电压百分比IC,UC当R正常工作时电流电压的有效值（A，V） 对于本设计，UK%=5， =5，ST=（1）电容器的计算，取1uF。，取450V。选择C=1uF，耐压450V的金属化纸介电容。(2) 电阻值的计算=，取R=100。RC支路电流近似为电阻R的功率为3、 晶闸管换相过电压保护 晶闸管换相过电压保护电路如图3-5所示 图3-5 换相过电压保护电路 如上图，在晶闸管元件两端并联RC电路，起到晶闸管换相过电压的保护。串联电阻R的作用一是抑制回路的震荡，二是限制晶闸管开通瞬间的损耗且可减小电流上升率di/dt。R、C值可按经验数据选取，对于本设计晶闸管额定电流为13A，故C可取0.15uF，R可取80。3.3.2过电流保护1、三相交流电路的一次侧过电流保护在本设计中，选用快速熔断器与电流互感器配合进行三相交流电路的一次侧过电流保护，保护原理图3-6如下：（1） 熔断器额定电压选择：其额定电压应大于或等于线路的正常工作电压有效值，即 ，熔断器额定电压可选择550V。 图3-6 一次侧过电流保护电路（2）熔断器额定电流选择：其额定电流应大于或等于电路的工作电流。本课题设计中变压器的一次侧的电流 熔断器额定电流 因此，如图3-6在三相交流电路变压器的一次侧的每一相上串上一个熔断器，按本课题的设计要求熔断器的额定电压可选550V，额定电流选5A。2、三相交流电路的二次侧过电流保护 在本设计中，选用快速熔断器进行三相交流电路的二次侧过电流保护，保护原理图3-7如下： 图3-7 二次侧过电流保护电路 同一次侧熔断器额定电压、额定电流的选择原则：，熔断器额定电压可选择220V。本课题设计中变压器二次侧的电流=10.32A，熔断器额定电流因此，如图3-5在三相交流电路变压器的二次侧的每一相上串上一个熔断器，按本课题的设计要求熔断器的额定电压可选220V，额定电流选16A。3、直流侧过电流保护 图3-8 直流侧过电流保护电路 在直流侧采用熔断器进行过电流保护。 熔断器其额定电压 熔断器额定电流熔断器的额定电压可选360V，额定电流选20A。4、晶闸管过电流保护设计 晶闸管不仅有过电压保护，还需要过电流保护。由于半导体器件体积小、热容量小，特别像晶闸管这类高电压、大电流的功率器件，结温必须受到严格的控制，否则将遭致彻底损坏。当晶闸管中流过大于额定值的电流时，热量来不及散发，使得结温迅速升高，最终将导致结层被烧坏。晶闸管过电流保护方法中最常用的是快速熔断器。根据快速熔断器的要求：熔断器的额定电压 熔断器熔体的额定电流应大于等于晶闸管的额定电流，即。 因此，按本课题的设计要求，用于晶闸管过电流保护的快速熔断器可选为额定电压300V，额定电流13A。 图3-9 晶闸管过电流保护电路3.4晶闸管的触发回路设计 晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在必要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路包括触发时刻进行控制相位控制电路、触发脉冲的放大和输出环节。触发脉冲的放大和输出环节中，晶闸管触发电路应满足下列要求： （1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，三相全控桥式电路应采用宽于60°或采用相隔60°的双窄脉冲。 （2）触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流35倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达12Aus。 （3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极的伏安特性的可靠触发区域之内。 （4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。 在本设计中最主要的是第1、2条。理想的触发脉冲电流波形如图3-9。 图3-9 理想的晶闸管触发脉冲电流波形 -脉冲前沿上升时间（） -强脉冲宽度 -强脉冲幅值（） -脉冲宽度 -脉冲平顶幅值（）本设计课题是三相全控桥整流电路中有六个晶闸管，触发顺序依次为：VT1VT2VT3VT4VT5VT6，晶闸管必须严格按编号轮流导通，6个触发脉冲相位依次相差，可以选用3个KJ004集成块和一个KJ041集成块，即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，就可以构成三相全控桥整流电路的集成触发电路如图3-10。 图3-10 三相全控桥整流电路的集成触发电路3.5励磁回路设计励磁电路由不可控整流桥供电，为了防止失磁而引起飞车事故，在励磁回路中串入欠电流继电器，只有励磁电流大于某数值时，KI才动作，常开触点闭合。当励磁电流小于一定数值时，欠电流继电器KI释放，系统的控制电路断开。励磁电路如图3-11。 由设计要求，电机为他励电动机，额定励磁电流为0.61A。负载电压。假定励磁绕组的电感很小，则需要电位器提供的电阻为。事实上，励磁绕组不可能为零，所以在励磁绕组的分压作用下，上面所求得的电阻值完全能满足要求。故取最大电阻为400的电位器。 图3-11 直流电动机励磁电路第四章 双闭环直流调速系统控制回路设计41 电流调节器的设计1. 确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数Ts。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。三相桥式电路的每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（12）Toi=3.3ms，因此取Toi=2ms=0.002s。（3）电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取。（4）电磁时间常数的确定。由前述已求出电枢回路总电感L=30mH。则电磁时间常数 （5）机电时间常数 图4-1 电流环动态结构框图2. 选择电流调节器的结构 根据设计要求，并保证稳态电流无静差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型调节器，其传递函数为 式中 -电流调节器的比例系数； -电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能：。参照典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型I型系统设计。3、计算电流调节器参数 电流调节器超前时间常数：。为满足要求，应取，因此电流环开环增益为于是电流调节器的比例系数4、校验近似条件1）电流环截至频率= =135.14，晶闸管装置传递函数近似条件为对于本设计=196.1>，满足近似条件。2） 忽略反电动势变化对电流环动态影响的近似条件为现有，不满足近似条件。3） 电流环小时间常数近似处理条件为 。现有=180.8>，满足近似条件。5. 计算调节器电阻和电容由图6.1，按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为，取15K。,取0.6uF。，取。按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。4.2 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转速控制系统的动态结构图如下图4-3所示。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）。 取转速反馈滤波时间常数 ，那么转速环的时间常数为=0.0074s+0.01s=0.0174s。 图4-2 含滤波环节的PI型电流调节器原理图 图4-3 转速环动态结构框图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.、计算转速调节器参数 跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5，则ASR的超前时间常数为 转速环开环增益可得ASR的比例系数为：式中转速反馈系数4、检验近似条件转速截止频率为（1） 电流环传递函数简化条件为，满足简化条件。（2） 转速环小时间常数近似处理条件为，满足近似条件。5、计算调节器电阻和电容 根据图4-4所示，取，则，取250。，取0.4uF。，取。6.校核转速超调量 当h=5时，由典型型系统阶跃输入跟随性能指标可知，不能满足设计要求。实际上，突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。 设理想空载起动时，负载系数，已知，。当时， 图4-4 含滤波环节的PI型转速调节器而调速系统转速超调量: 式中：1)由前面计算得调速系统开环机械特性的额定稳态速降 。 2) 为基准值，对应为额定转速。计算得，不能满足设计要求。7、 转速超调的抑制从计算得的退饱和超调量，可知不满足动态指标要求，因此需加转速微分负反馈。加入这个环节可以抑制甚至消灭转速超调，同时可以大大降低动态速降。在双闭环调速系统中，加入转速微分负反馈的转速调节器原理图如图4-5所示。和普通的转速调节器相比，在转速反馈环节上并联了微分电容Cdn和滤波电阻Rdn，即在转速负反馈的基础上再叠加一个带滤波的转速负反馈的基础上再叠加一个带滤波的转速微分负反馈信号。 图4-5 带转速微分负反馈的转速调节器含有转速微分负反馈的转速环动态结构框图如下图4-6所示： 图4-6 含有转速微分负反馈的转速环动态结构框图转速微分负反馈环节中待定的参数是和，其中转速微分时间常数，而且转速微分滤波时间常数已经选定为=0.01s，只要确定，就可以计算出和。 工程设计方法近似计算公式。 设理想空载起动时，负载系数，已知：，。设计要求动态最大超调，取转速超调量为，则： 则：微分电容 ，取； 滤波电阻 ，取。4.3 反馈回路设计4.3.1电流检测与反馈回路设计 此电路主要作用是获得与主电路电流成正比的电流信号，经过由电流互感器组成的滤波整流器，用在系统控制中。在主电路输出端即可获取与主电路电流成正比的电流信号，起到电气隔离的作用。其电路原理图如图4-6所示 图4-6 电流检测与反馈回路 4.3.2 转速反馈环节设计 将直流测速发电机与待测电动机同轴相连，则发电机输出的是与电动机转速成比例的直流电压，其极性反映转向，用取样电阻RP即可取得转速反馈信号Un。转速反馈电路原理图如图所示 转速反馈环节的反馈系数，其中为测速发电机的电动势系数，为其输出电位器的分压系数。由前所述，所选直流测速发电机的型号为ZYS-3A，由其相关参数可得转速反馈电压，由于本设计限定给定范围为,故取0.2不满足要求。取0.15，,因此取0.15。 电位器的电阻：,本式取测速发电机输出最高电压时电流值为额定电流的20%计算。此时消耗的功率:为了使电位器温度不致很高，实选瓦数应为所消耗功率的一倍以上。故选取电位器额定值为10W，2.8。 图4-7 转速反馈电路原理图第五章 辅助回路设计5.1 直流稳压电源在电力电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。小功率稳压电源的组成包括电源变压器，整流，滤波和稳压电路四部分组成。 本设计电源变压器采用单相变压器，整流电路采用单相桥式电路，滤波电路采用电容滤波电路，稳压电路采用可调式三端集成稳压器电路。电路图如图5-1所示。 变压器变压后45V电压经单相桥式整流后向给定电路提供电源。将变压器线圈分为两部分，中间接地，则正负电压同时输出。元器件型号及参数计算：选取变压器二次侧输入电流为40mA。(1) 变压器的选择 变压器的变比K=（2）二极管的选择 流经二极管的平均电流。 图5-1 直流稳压电源连接图 二极管承受的最大反向电压。 则可以选取50mA，100V的整流二极管。（3）的电容的选择 电容的作用是将整流后输出电流的两峰值拉平，使输出电流幅值基本恒定，所以电容值较大，在此选择1000uF。电容是为了防止稳压器输入端接线过长而产生的电感效应，感应电流一般较小，因此我们取电容值为0.5uF。电容是为了防止输出电压有较大的波动，在此处取为1uF。(4)稳压器的选择 稳压器w78系列输出的固定正电压有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V七个不同等级。W79系列输出固定负电压，其参数与W78系列基本相同。给定电路输出电压为,所以我们选择： 固定正电压输出稳压器W7815一只 固定负电压输出稳压器W7915一只5.2 给定电路电压给定电路由两个限流电阻，两个电位器及两个钮子开关组成。S2为正负极性切换开关，输出正负电压的大小由两个电位器来调节，其输出电压范围为。S1为输出控制开关，打到运行侧，允许电压输出，打到停止侧，其输出恒为零。其原理图如图5-2所示。5.3 限幅电路二极管VD1、VD2和电位器RP1、RP2组成正负限幅可调的限幅电路，。当<0时，A点电压为负值，负限幅使A点电位钳位在负限幅值处，当>0时，A点电压为正值，正限幅使A点电位钳位在正限幅值处。其电路原理图如图5-3所示。5.4 操作回路 按下按钮SB2，接触器KM线圈得电，主触点闭合，电机得电运行，同时其辅助常开触点闭合形成自锁。按下按钮SB1，KM线圈失电，主触点断开，电机失电，停止运行。当励磁回路电流小于限定值时，欠电流继电器常开触点断开，同样，电机失电，停止运行，以防止励磁电流过小，电机飞车。其连接图如图5-4所示。 图5-2 电压给定电路原理图 图5-3 限幅电路原理图 图5-4 操作回路连接图 SB1停止按钮 KM电源接触器 SB2启动按钮 KI失磁保护动