运控系统设计讲义.docx

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运控系统设计讲义

摘要

双闭环直流调速系统是由电流和转速两个调节器进行综合调节，可获得良好的静、动态性能（两个调节器均采用PI调节器），由于调整系统的主要参量为转速，故将转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样可以抑制电网电压扰动对转速的影响。

本调速系统设计的主回路由正桥及反桥反向并联组成，并通过逻辑控制来控制正桥和反桥的工作与关闭，并保证在同一时刻只有一组处于整流状态,另一组桥路处于逆变状态，这样就有环流产生。

由于存在环流回路,主回路需要再设置平衡电抗器，但为了限制整流电压幅值的脉动和尽量使整流电流连续，仍然保留了平波电抗器。

利用Matlab软件对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。

在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。

对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。

关键词：

直流调速系统电流调节器转速调节器双闭环有环流可逆系统主电路

保护电路触发电路

目录

摘要1

1、系统设计思路3

2、转速调节器ASR和转速反馈电路的设计5

2.1转速调节器和反馈电路的设计5

2.2参数的计算6

3、电流调节器ACR和电流反馈电路的设计7

3.1电流调节器和反馈电路的设计7

3.2参数的计算8

4、闭环有环流可逆直流调速系统的控制9

4.1主电路及其保护电路的设计9

4.1.1主电路框图9

4.1.2保护电路设计9

4.2α=β配合控制的有环流可逆调速系统10

4.2.1实现α=β配合控制10

4.2.2α=β配合控制中的瞬时脉动环流及其抑制11

5、触发装置的设计12

6、闭环有环流可逆调速系统原理13

7、总结14

参考文献15

附录、总电路图16

1、系统设计思路

主电路两组三相桥式晶闸管装置反并联的可逆线路，控制电路采用典型的转速、电流双闭环，转速调节器ASR和电流调节器ACR都设置了双向输出限幅，以限制最大制动电流和最小控制角αmin与最小逆变角βmin。

根据可逆系统正反向运行的需要，给定电压Un，电流反馈电压Ui都应该能反映正和负的极性。

图1α＝β配合控制的直流双闭环有环流可逆调速系统原理框图

由于主电路电感的作用，电流不可能突变，为了实现在允许条件下的最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。

按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。

问题是，应该在启动过程只有电流负反馈，没有转速负反馈，在达到稳定转速后，又希望只要转速负反馈，不在让电流负反馈发挥作用。

为了使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。

分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节电流和转速，两者之间实行串级连接。

把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。

从闭环结构上看，电流环在里面，称做内环；转速环在外边，称做外环。

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。

由于晶闸管的单向导电性，对于需要电流反向的直流电动机可逆调速系统，必须使用两组晶闸管整流装置反并联线路来实现可逆调速。

两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能灵活的控制电动机的启动、制动和升、降速。

在可逆调速系统中，正转运行时可利用反组晶闸管实现回馈制动，反转运行时同样可以利用正组晶闸管实现回馈制动。

α＝β配合控制系统的移相时，如果一组晶闸管装置处于整流状态，另一组便处于逆变状态，这是指触发延迟角的工作状态而言。

实际上，这时逆变组除环流外并未流过负载电流，也就没有电能回馈电网，确切的说，它只是处于“待逆变状态”，表示该组晶闸管装置是在逆变角的控制下等待工作。

只是在制动时，当发出信号改变触发延迟角后，同时降低了Udof和Udor的幅值，一旦电动机反电动势E>|Udor|=|Udof|，整流组电流将被截止，逆变组才真正投入逆变工作，使电动机产生回馈制动，将电能通过逆变组回馈电网。

同样，当逆变组工作时，另一组也是在等待整流，可称做处于“待整流状态”。

所以，在α＝β配合控制下，负载电流可以迅速地从正向到反向（或从反向到正向）平滑过渡，在任何时候，实际上只有一组晶闸管装置在工作，另一组则处于等待工作的状态。

2、转速调节器ASR和转速反馈电路的设计

将反映转速变化的电压信号Un作为反馈信号，经“速度变换”后接到“速度调节器”的输入端，与“给定”的电压Un*相比较经放大后，得到电流给定电压Ui*，用作电流调节器ACR的给定电压。

这就构成了速度调节器ASR。

电机的转速随给定电压变化，电机最高转速由速度调节器的输出限幅所决定，速度调节器采用P（比例）调节对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则需将调节器换成PI（比例积分）调节。

这时当“给定”恒定时，速度调节器对速度变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的转速能稳定在一定的范围内变化，这就构成了转速反馈电路。

2.1转速调节器和反馈电路的设计

由自动控制基本理论推导可得，电流环不论是典型I型花或是典型II型化在一定的近似条件下都可以等效为一个惯性环节，写成通式为：

若典型I型化且ζ=0.707，

=0.5，则a=2。

若典型II型化h=5,m=0.1.则a=

。

由上式画出转速闭环的动态结构图，将它简化为单位负反馈形式并将两个小惯性合并为一个小惯性，即将转速给定及转速反馈的滤波时间常数

与电流环等效时间常数

，合并为转速环小惯性时间常数

。

若只考虑给定信号的作用则得到简化的转速环的动态结构图如图2.1所示，这里有：

图2.1转速调节闭环等效动态结构图

技术指标要求实现转速静态无静差，空载起动至额定转速时的转速超调量δn﹪

10﹪，则在ASR中必须含有积分环节，取ASR为PI调节器，因此转速环必然按典型II型系统设计。

其传递函数为：

式中Kn为转速调节器的比例系数；n为转速调节器的超前时间常数。

2.2参数的计算

根据测速发动机纹波情况，转速滤波时间常数

取为0.01s。

按小时间常数近似处理，转速环小时间常数为：

按跟随和抗扰性能都较好的原则，取

，则ASR的超前时间常数为：

=5s

转速开环增益为：

ASR的比例系数为：

校验近似条件：

cn=

=

396.4s-1

电流环传递函数简化条件为：

满足近似条件

转速环小时间常数近似处理条件为：

满足近似条件

PI型转速调节器如图2.2所示。

按所用运算放大器取R0=40K，则有：

Rn=KnR0=468K（取470K）

Cn=

/Rn=0.185

（取0.2

）

Con=4Ton/Ro=1

图2.2PI型转速调节器

空载起动至额定转速时的转速超调量为：

能满足设计要求。

3、电流调节器ACR和电流反馈电路的设计

将反映电流变化的电流互感器输出电压信号Ui作为反馈信号加到“电流调节器”的输入端，与“给定”的电压Ui*相比较，经放大后，得到移相控制电压Uc，控制整流桥的“触发电路”，改变“三相全控整流”的电压输出，从而构成了电流负反馈闭环系统。

电机的最高转速也由电流调节器的输出限幅所决定。

同样，电流调节器若采用P（比例）调节，对阶跃输入有稳态误差，要消除该误差将调节器换成PI（比例积分）调节。

当“给定”恒定时，闭环系统对电枢电流变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的电枢电流能稳定在一定的范围内变化，这就是电流反馈电路。

3.1电流调节器和反馈电路的设计

电流环等效环节的输入量为U*i（s），输出量为Id（s）。

原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。

这就表明，电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。

电流环的动态结构图简化框图如图3.1所示。

根据设计要求电流超调量δi﹪

5﹪，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的，因此用PI型电流调节器，其传递函数为：

式中Ki为电流调节器的比例系数；i为电流调节器的超前时间常数。

图3.1电流环的动态结构图简化框图

3.2参数的计算

三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s;三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（1～2）T0i=3.3ms,因此取T0i=0.002s。

按小时间常数近似处理，取T∑i=Ts+T0i=0.0037s。

电流调节器超前时间常数：

=Tl=0.03s。

设计要求δi

5﹪，取KIT∑i=0.5,因此KI=0.5/0.0037=135.1s-1=ci。

于是，ACR的比例系数为：

电流环截止频率：

晶闸管整流装置传递函数的近似条件:

1/3Ts=196s-1>ci，满足近似条件。

忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：

满足近似条件。

电流环小时间常数近似处理条件：

满足近似条件

满足所有近似条件。

PI型电流调节器如图3.2所示。

按所用运算放大器取R0=40K，各电阻和电容值为：

Ri=KiR0=40.52K（取40K）

Ci=

/Ri=0.75

Coi=4Toi/Ro=0.2

图3.2PI型电流调节器

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。

校正后电流环的动态结构如图3.3所示。

图3.3校正后电流环的动态结构

4、闭环有环流可逆直流调速系统的控制

4.1主电路及其保护电路的设计

4.1.1主电路框图

上图为闭环有环流可逆直流调速系统的主电路图。

主电路由两组三相桥式晶闸管整流器反并联组成，共用同一路三相电源。

采用α=β配合控制，在正反组整流器之间没有直流平均环流，但存在瞬时脉动环流，所以需要设置四个环流电抗器来限制环流。

4.1.2保护电路设计

由于过载、直流侧短路、逆变失败、环流和交流侧短路等原因会引起系统过流而损坏可控硅。

系统采用了三种过流保护措施：

①电流调节器限流，电流整定值为250A，②过流保护环节，整定值为350A，③快速熔断器；对直流回路和每个可控硅元件设快速熔断作最后一道过流保护。

它可以在冲击电流很大，冲击时间又很短的情况下保护设备不受损坏，从而使系统运行安全、可靠、操作方便。

图4.1.1过电流保护装置图4.1.2过电压保护装置

开关稳压器的过电压保护包括输入过电压保护和输出过电压保护。

开关稳压器所使用的未稳压直流电源诸如蓄电池和整流器的电压如果过高,使开关稳压器不能正常工作,甚至损坏内部器件,因此,有必要使用输入过电压保护电路。

4.2α=β配合控制的有环流可逆调速系统

4.2.1实现α=β配合控制

将两组晶闸管装置的触发脉冲零位都定在90°，即当控制电压Uc=0时，使

电机处于停止状态。

增大Uc时，使两组触发装置的控制电压大小相等符号相反。

正组VF整流，应接收正的Uc，所以αf减小而αr增大或βr减小，使正组整流而反组逆变，在控制过程中始终保持αf=βr。

反转时，应保持αr=βf。

图4.2.1α=β配合控制电路图4.2.2触发装置的移相控制特性

为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中逆变角太小而导致换流失败，出现“逆变颠覆”现象，必须在控制电路中进行限幅，形成最小逆变角βmin保护。

与此同时，对α角也实施αmin保护，以免出现α<β而产生直流平均环流。

通常取：

4.2.2α=β配合控制中的瞬时脉动环流及其抑制

采用α=β配合控制已经消除了直流平均环流，还称作“有环流”系统。

这是因为αf=βr能使Ud0f=-Udor，这只是就电压的平均值而言的，由于整流与逆变电压波形上的差异，仍会出现瞬时电压ud0f>-udor的情况，仍能产生瞬时的脉动环流。

这个瞬时脉动环流是自然存在的，因此α=β配合控制有环流可逆系统又称作自然环流系统。

为了抑制瞬时脉动环流，可在环流回路中串入电抗器，叫做环流电抗器，或称均衡电抗器。

5、触发装置的设计

晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

晶闸管具有下面的特性：

1）当晶闸管承受反向电压时，无论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。

2）晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。

3）晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何变化，晶闸管都保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。

4）晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。

3个KJ004（KC04）集成块和1个KJ041（KC41C）集成块，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可。

图5三相全控桥整流电路的集成触发电路

单结晶体管触发电路结构简单，调节方便，输出脉冲前沿陡，抗干扰能力强，对于控制精度要求不高的小功率系统，可采用单结晶体管触发电路来控制；对于大容量晶闸管一般采用晶体管或集成电路组成的触发电路。

计算机数字触发电路常用于控制精度要求较高的复杂系统中。

各类触发电路有其共同特点，一般由同步环节、移相环节、脉冲形成环节和功率放大输出环节组成。

6、闭环有环流可逆调速系统原理

电动机正常运行时，一组晶闸管装置处于整流状态，另一组晶闸管装置处于“待逆变状态”

电动机若需要制动，整流组晶闸管进入“待整流状态”，待逆变组晶闸管真正开始逆变，电动机回馈电能

配合控制时，只有一组晶闸管装置投入使用，另一组处于等待工作状态

图6直流双闭环有环流可逆调速系统电路图

7、总结

通过本次课程设计，我熟知了闭环直流调速系统、逻辑有环流可逆直流调速系统的组成及各主要单元部件的工作原理。

在转速调节器ASR及电流调节器ACR的设计过程中，通过研究相关调节器参数对系统动态特性的影响，我掌握了闭环反馈控制系统的基本特性，并成功地设计出了满足课程设计要求的转速反馈和电流反馈电路。

当然，我的设计成果也离不开同学们对我的帮助。

在整个电路设计以及仿真过程中，我请教了许多同学，他们也给了我一些很有用的建议。

通过自己的努力和同学的无私帮助，我最终做出了这份课程设计。

不过，经过这次实际的检验，我发现我对一些课本知识理解的不是很透彻，许多地方存在不足。

总之，这次课程设计使得我能够有一个机会运用学到的知识解决一些问题，对我的学习能力和解决实际问题能力都是一次很好的锻炼，我也从中获益良多。

参考文献

[1]阮毅，陈伯时．电力拖动自动控制系统—运动控制系统[M]．北京：

机械工业出版社，2010．

[2]李发海，王岩．电机与拖动基础[M]．北京：

清华大学出版社，1994．

[3]王兆安，刘进军．电力电子技术[M]．北京：

机械工业出版社，2010．

[4]王万良．自动控制原理[M]．北京：

高等教育出版社，2008．

[5]林忠岳．现代电力电子应用技术[M]．北京：

科学出版社，2007．

附录、总电路图