双闭环设计

双闭环直流电机调速系统设计

目录

一、设计任务与要求 (2)

1、设计题目及技术指标 (2)

1.1 设计题目 (2)

1.2 技术指标 (3)

2、系统总方案设计 (3)

2.1 逻辑无环流工作原理 (3)

2.2 系统设计分析 (4)

二、各个器件参数的设计 (5)

1、参数计算 (5)

1.1、变压器参数计算 (5)

1.2 平波电抗器参数计算 (5)

1.3可控晶闸管参数计算 (6)

2、双闭环调速系统 (6)

2.1、输出限幅 (6)

2.2、双闭环直流调速系统设计 (7)

2.3、电流调节器的设计 (10)

2.4转速调节器的设计 (11)

总结体会 (13)

参考文献 (14)

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α大小来调节电压。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。接着驱动电路的设计包括触发电路和脉冲变压器的设计。最后，即本文的重点设计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，可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，并对其参数的计算，包括给定电压、转速调节器、电流调节器、检测电路、触发电路和稳压电路的参数计算,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

一、设计任务与要求

1、 设计题目及技术指标

1.1 设计题目

为某生产机械设计一个调速范围宽、起制动性能好的直流调速系统，且拟定该系统为晶闸管-电动机系统。已知系统中直流电动机主要数据如下： 额定功率kW P N 60=；额定电压V

U

N

220=；

额定电流A

I N 220=；额定转速

min

/1000r n N = ；

电枢电阻

Ω

=05.0a R ；转动惯量 2

2

80m

N GD

∙=

电枢回路总电阻Ω=5.0R

电网供电电压为三相380V ；电网电压波动为+5% -- -10%；速度检测采用测速电机；控制系统电源电压为V 15± 测速发电机的选择

因为电动机的额定转速为1000，所以采用ZYS-100A 型测速发电机

1.2 技术指标

要求连续调速，可逆运行，回馈制动，过载倍数5.1=λ 要求调速比15≥D ,电流脉动%10≤i S ，静差率%1≤S 要求以转速、电流双闭环形式作为系统控制方案 要求系统为逻辑无环流可逆调速系统 主回路采用电枢可逆，磁场单独供电

2、系统总方案设计

2.1 逻辑无环流工作原理

逻辑无环流可逆直流调速系统原理框图如图1所示。其主电路采用反并连接电路。因为无环流，所以不需要设置限环流电抗器，控制电路仍是典型的转速、电流双闭环系统，只是电流环是分设的。1ACR 、2ACR 分别控制的是正组VF 、反组VR 的整流桥。正组VF 、反组VR 工作时有整流和逆变两种状态。当给定信号U*n 为正时，转速调节器ASR 输出Ui*为负值，逻辑切换装置DLC 给正组桥VF 发出触发脉冲，使其处于整流状态，电动机正想转动，当给定信号U*n 为0或负值，转速调节器ASR 输出Ui*为正值。由于电机电枢电流不为零，逻辑切换电路DLC 仍然向正组桥VF 提供脉冲，但却使VF 处于逆变状态，电流和转速变小。当电枢电流为0时，反组桥VR 处于整流状态，此时电机处于制动状态，快速停车或反向运行。

逻辑控制的无环流可逆调速系统原理图

2.2 系统设计分析

双闭环直流调速系统一般采用PI调节器，以获得良好的静、动态性能，其电路原理如图1所示。

图1 双闭环直流调速系统原理图

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，如图2所示。因为设计要求系统在负载和电网电压的扰动下稳态无静差，所以电流、转速调节器均使用PI调节器。

图2 双闭环调速系统稳态结构框图

应用工程方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器。按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展。在双闭环系统中，应该首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。

二、各个器件参数的设计

1、参数计算

1.1、变压器参数计算

由于整流输出电压d u 的波形在一周期内脉动6次的波形相同，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

αcos 34.22U U d = （ 60≤α）

显然d d u U ≈=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电压2

/334.24402⨯

=

U =217.1V 取2U =220V (通常取导通角α为

30

)

副边输出有效电压为==22U 311.1V

副边输出有效电流220816.0816.02⨯==d I I =179.5A 考虑电机过载系数为

5.1=λ那么输出电流应可以达到270A

变压器容量为⨯==732.1322I U S N 311⨯270=145.43KVA

考虑到晶闸管和电抗器的压降，变压器本身的漏磁，并根据变压器应留有一定裕量的原则。应选择参数为额定容量为200KVA ，副边输出额定电流为250A 的变压器

1.2 平波电抗器参数计算

在V-M 系统中，脉动电流会增加电机的发热，同时也产生脉动转矩，对生产机械不利，为了避免或减轻这种影响，须设置平波电抗器。平波电抗器的电感量一般按低速轻载时保证电流连续的条件来选择。通常首先给定最小电流

in m I (以

A 为单位通常取电动机额定电流的5%-10%)，再利用它计算所需的总电感

量（以mH 为单位），减去电枢电感，即得平波电抗器应有的电感值。 对于三相桥式整流电路总电感量为：

L=0.693

min

2

d

I U =0.693⨯

%

7220310⨯=20.13mH

电枢电感m L 的计算公式为)(2103

mH I Pn U K L N

N N D m ⨯=