转速、电流双闭环直流调速系统设计（给定、反馈通道加同样滤波器）

摘要

本文所论述的是“转速、电流双闭环直流调速系统转述单闭环直流调速系统的主电路设计”。主电路设计是依据晶闸管-电动机（V—M）系统组成，其系统由整流变压器TR、晶闸管整流调速装置、平波电抗器L和电动机-发电机组等组成。整流变压器TR和晶闸管整流调速装置的功能是将输入的交流电整流后变成直流电；平波电抗器L的功能是使输出的直流电流更平滑；电动机-发电机组提供三相交流电源。

关键词：主电路

整流变压器 晶闸管整流调速装置

I

平波电抗器

Abstract

Discussed in this article is \current double closed loop DC system relaying a single closed loop DC system's main circuit design.\Main circuit design is based on thyristor - Motor (V-M) system, whose system is composed of rectifier transformer TR, thyristor rectifier speed device, smoothing reactor L and the motor - generator sets and other components. Thyristor rectifier and rectifier transformer TR features speed control device is rectified AC input into a DC; Smoothing Reactor L function is to smooth the output DC current; motor - phase AC power generators to provide。

Keywords：Main circuit； Rectifier Transformer； Thyristor Speed Control Device； Smoothing Reactor

II

目录

摘要………………………………………………………………2 一、调速系统总体设计………………………………………………5 二、电流、转速调节器的设计…………………………………………………..6 2.1电流调节器的计………………………………………………...6 2.1.1电流环结构框图的化简………………………………………………….6 2.1.2电流调节器结构的选择………………………………………………….8. 2.1.3.电流调节器的参数计算………………………………………………….9 2.1.4.检验近似条件…………………………………………………………….9 2.1.5计算调节器电阻和电容………………………………………………….10 2.2转速调节器的设计………………………………………………10 2.2.1.电流环的等效闭环传递函数…………………………………………….10 2.2.2.转速调节器结构的选择………………………………………………….11 2.2.3.计算转速调节器参数…………………………………………………….13 2.2.4.检验近似条件…………………………………………………………….13 2.2.5.计算调节器电阻和电容………………………………………………….13 2.2.6.校核转速超调量………………………………………………………….14 2.2.7.按ASR退饱和重新计算超调量…………………………………………14 2.2.8.计算过渡过程时间……………………………………………………….14 三、反号器………………………………………………………………………..15 四、总结…………………………………………………………………………. .16 五、附录…………………………………………………………………………. .17 六、参考文献……………………………………………………………………. .18

III

一、调速系统总体设计

双闭环直流调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 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。

两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。转速调节器ASR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。

由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 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UPE，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

电流检测Ui给定电压Un*+-ΔUnUn速度调节器Ui*-+电流调节器Uc三相集成触发器三相全控桥Ud直流电动机n转速检测

图1-1 双闭环调速系统框图

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。这样构成的双闭环直流调速系统。

- 4 -

二、电流、转速调节器的设计

转速、电流双闭环调速系统的动态结构图如图2-1所示：

图2-1 双闭环直流调速系统动态结构图

由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数Toi按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。由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，滤波时间常数用Ton表示，根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为Ton的给定滤波环节。

系统设计的一般原则是：先内环后外环。在这里，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。

2.1电流调节器的设计

2.1.1电流环结构框图的化简

在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即?E≈0。这时，电流环如图2-2所示。

- 5 -

U*i(s)1T0is+1+-Ui(s)ACRUc(s)KsUd0(s)1/RTl s+1Tss+1T0is+1Id(s)? 图2-2电流环的动态结构框图及其化简（忽略反电动势的动态影响） 忽略反电动势对电流环作用的近似条件是 ω?c?31 TmTl式中ωc-------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，同时把给定信号改成U*i(s) /? ，则电流环便等效成单位负反馈系统。

U*i(s)?+?-T0is+1ACRUc(s)Ks/R(Tss+1)(Tl s+1)Id(s) 图2-3电流环的动态结构框图及其化简（等效成单位负反馈系统）

最后，由于Ts 和 Toi 一般都比Tl 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为

T∑i = Ts + Toi

查表1得，三相桥式电路的平均失控时间为Ts?0.0017s，电流滤波时间常数本设计初始条件已给出，即Toi?0.001s。

电流环小时间常数之和T?i?Ts?Toi?0.0027s

- 6 -

简化的近似条件为

11 ?ci?3TsToi电流环结构图最终简化成图2-4。 U*i(s)?+-ACRUc(s)?Ks/R(Tls+1)(T?is+1)Id(s) 图2-4电流环的动态结构框图及其化简（小惯性环节的近似处理） 图2-23c2.1.2电流调节器结构的选择 根据设计要求：稳态无静差,超调量?i?5%，可按典型I型系统设计电路调

节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器其传递函数为：

WACR(s)?Ki(?is?1) ?is式中 Ki — 电流调节器的比例系数； ?i — 电流调节器的超前时间常数。

为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择τi=Tl

则电流环的动态结构图便成为图2-5所示的典型形式，其中

KiKs? KI??iR

U*i(s)?+K IId(s)L/dB-20dB/dec1-s(T?is+1)T∑i0?ci?/s-1-40dB/dec

a) b)

图2-5 校正成典型I型系统的电流环

a) 动态结构图 b) 开环对数幅频特性

- 7 -

电枢回路电磁时间常数 Tl=0.0015s 检查对电源电压的抗扰性能：

Tl0.015s??5.56 T?i0.0027s参照典型I型系统动态抗性能指标与参数的关系表2，可知各项指标都是可以接受的。

2.1.3.电流调节器的参数计算

*Unm10 ????0.05nmax200

**UimUim10?????1.35

Idm2IN2?3.7

电流调节器超前时间常数：?i?Tl?0.015s

电流环开环增益：要求?i?5%时，按表3应取ξ=0.707，KIT?i?0.5 因此:

KI=0.5/0.0037s=135.1s-1

于是，ACR的比例系数为

Ki=KIτiR/Ksβ=135.1×0.015×52.3/122.5×6.06＝0.143

2.1.4.检验近似条件

电流环截至频率：?ci?KI?185.19s?1 机电时间常数Tm?0.2s

1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件

11??196.1s?1??ci 3Ts3?0.0017s满足近似条件。

2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

3满足近似条件。

11?3??54.77s?1??ci TmTl0.2*0.015s3）电流环小时间常数近似处理条件

- 8 -

1111???255.65s?1??ci

3TsToi30.0017s?0.001s满足近似条件。 5.计算调节器电阻和电容

含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器如图2-6所示：

??Id为电其中Ui*为电流给定电压，

流负反馈电压，Uc为电力电子变换器的控制电压。

图2-6 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器

由图2-6，按所用运算放大器取R0?40k?，各电阻和电容值为

Ri?KiR0?2.79?40k??111.6k?，取111k?

Ci??iRi?0.0015F?0.14uF，取0.14uF

111?103Coi?4Toi4?0.001?F?0.1uF，取0.1uF 3R040?10按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为?i?4.3%?5%（见表3），满足设计要求。 2.1.5计算调节器电阻和电容

所用运算放大器取R0=40kΩ，各电阻和电容值为

Ri=KiR0=0.143×40＝5.72KΩ Ci=τi/Ri=0.015/5.72=2.62μF Coi=4Toi/R0=4×0.002/40=0.2μF

2.2转速调节器的设计

2.2.1.电流环的等效闭环传递函数

电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。由图2-5a可知

- 9 -

KI

s(T?is?1)Id(s)1Wcli(s)?*??KT?i21Ui(s)/?1?Is?s?1s(T?is?1)KIKI忽略高次项，上式可降阶近似为

Wcli(s)?11s?1KI

近似条件可由式

?c?min(131c求出 ,)ba?cn?1KI 3T?i式中 ?cn ----- 转速环开环频率特性的截止频率。

接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U*i(s)，因此电流环在转速环中应等效为

1Id(s)Wcli(s)???*1Ui(s)?s?1KI

2.2.2.转速调节器结构的选择 电流环的等效闭环传递函数为

1Id(s)Wcli(s)???*1Ui(s)?s?1KI

用电流环的等效环节代电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图2-7所示。

电流环U*n(s)1T0ns+1+IdL(s)Id(s)+-Un(s)ASRU*n(s)1?1s?1KI-RCeTmsn(s)T0ns+1? 图2-26 转速环的动态结构图及其简化图2-7转速换的动态结构框图及其化简（用等效环节代替电流环）

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

- 10 -

号改成 U*n(s)/?，再把时间常数为1/KI 和 T0n 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节。

其中电流环等效时间常数KI?2T?i?2?0.0027?0.0054s，

则转速环节小时间常数

T?n 1??Ton?0.0054?0.005?0.0104sKI则转速环结构框图可简化为图2-8

U*n(s)IdL(s)+?-ASRU*n(s)?/?T?ns+1Id(s)+-RCeTmsn(s)

图2-8转速换的动态结构框图及其化简 （等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理）

按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为

WASR(s)?Kn(?ns?1) ?ns式中 Kn ---- 转速调节器的比例系数； ? n ---- 转速调节器的超前时间常数。 这样，调速系统的开环传递函数为

Wn(s)?Kn(?ns?1)Kn?R(?ns?1)?? 2?nsCeTms(T?ns?1)?n?CeTms(T?ns?1)KN?Kn?R

?n?CeTmKN(?ns?1) s2(T?ns?1)?R?令转速环开环增益为

则

Wn(s)?不考虑负载绕动时，校正后的调速系统动态结构框图如图2-9

- 11 -

U*n(s)?+-KN(?ns?1)s2(T?ns?1)n(s)

图2-9转速换的动态结构框图及其化简

（校正后成为典型Ⅱ型系统）

2.2.3.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?5，则ASR的超前时间常数为

?n?hT?n?5?0.0104s?0.052s

转速开环增益KN?h?15?1?2?2?s?1109.47s 22222hT?n2?5?0.0104(h?1)?CeTm(5?1)?1.35?0.12?0.2??5.75

2h?RT?n2?5?0.05?6.5?0.0104ASR的比例系数为Kn?2.2.4.检验近似条件 转速环截止频率?cn?KN?1?KN?n?1109.47?0.052s?1?57.69s?1

1）电流环传递函数简化条件为

1KI1185.19?1?s?87.30s?1??cn 3T?i30.0027满足简化条件。

2）转速环小时间常数近似处理条件为

1KI1185.19?1?s?64.15s?1??cn 3Ton30.005满足简化条件。

2.2.5.计算调节器电阻和电容

含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器如图2-10所示：

- 12 -

图2-10 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器

*其中Un为转速给定电压，??n为转速负反馈电压，Ui*：调节器的输出是电

流调节器的给定电压。

取R0?40k?，则

Rn?KnR0?5.75?40k??230k?，取230k?

Cn??nRn?0.052F?0.23uF，取0.23uF 3230?10Con?4Ton4?0.005?F?0.5uF，取0.5uF R040?1032.2.6.校核转速超调量

查表4 当h?5时，?n?37.6%，不能满足设计要求。应按ASR退饱和的情况重新计算超调量。

2.2.7.按ASR退饱和重新计算超调量 过载倍数λ=2，理想空载转速时，z=0 查表4得，h=5时，△Cmax/Cb=81.2%，则

3.7?6.5Cmax?nNT?n0.0104?n?2()(??z)*?2?81.2%?2?0.12??16.92%?20?nTm2000.2能满足设计要求。 2.2.8.计算过渡过程时间ts

由转速调节器退饱和时转速超调量的计算可知

*KnUn2h2?55.75?10t2?()*T?n???0.0104?0.0997s

h?1Uim??Idl5?110?0 - 13 -

过渡过程时间ts应比t2略大，因此ts会略大约0.1s。由于实际系统设计时，一般都会留有一定的安全裕量，所以ts略大约0.1s也能满足设计要求。 三、反号器

图2-11 反号器电路图

反号器AR由运算放大器及有关电阻组成，如图2-3所示。用于调速系统中信号需要倒相的场合。反号器的输入信号由信号放大器的反相输入，故输出电压为： Uout =－(RP+R3) / R1

调解RP的可动触点，可改变RP的数值，使RP+R3=R1,则Uout=－Uin，输入与输出成倒相关系。

- 14 -

总结

通过本次课程设计，首先对直流双闭环调速系统有了更深的认识，加深了理解，是对课堂所学知识的一次很好的应用。学会了转速、电流双闭环直流调速系统的设计，并能熟练地掌握转速和电流调节器参数的选择和计算，在设计的基础上更加认识到直流双闭环调速系统的应用之广泛。

- 15 -

附录

表1各种整流电路的失控时间（f=50Hz）

整流电路形式 单相半波 单相桥式（全波） 三相半波 三相桥式、六相半波 最大失控时间 Tsmax（ms） 20 10 6.67 3.33 平均失控时间 Ts（ms） 10 5 3.33 1.67 表2典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系

已选定的参数关系KT=0.5 m=T1/T2=T/T2 1/5 55.5% 2.8 14.7 1/10 33.2% 3.4 21.7

1/20 18.5% 3.8 28.7 1/30 12.9% 4.0 30.4 Cmax?100% Cbtm/T tv/T 表3 典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系 参数关系KT 阻尼比? 超调量? 上升时间 tr 峰值时间 tp 相角稳定裕度 ? 截止频率?c 0.25 1.0 0 % ? ? 0.39 0.8 1.5% 6.6T 8.3T 0.5 0.707 4.3 % 4.7T 6.2T 0.69 0.6 9.5 % 3.3T 4.7T 1.0 0.5 16.3 % 2.4T 3.2T 51.8 ° 0.786/T 76.3° 69.9° 65.5° 59.2 ° 0.243/T 0.367/T 0.455/T 0.596/T 表4 典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系 h Cmax/Cb tm / T tv / T 3 72.2% 2.45 13.60 4 77.5% 2.70 10.45 5 81.2% 2.85 8.80 6 84.0% 3.00 12.95 7 86.3% 3.15 16.85 8 88.1% 3.25 19.80 9 89.6% 3.30 22.80 10 90.8% 3.40 25.85 - 16 -

参考文献

[1] 陈伯时主编．电力拖动自动控制系统—运动控制系统．第3版．机械工业出版社，2007

[2] 王兆安，黄俊主编．电力电子技术第4版．北京：机械工业出版社，2000 [3] 任彦硕主编．自动控制原理．机械工业出版社，2006

[4] 陈治明主编．电力电子器件 ． 北京：机械工业出版社，1992

- 17 -

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/j0jo.html