双闭环晶闸管直流调速系统课程设计

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3.5电源设计

该模块的主要功能是为转速给定电路提供电源,众所周知,电源是一切电路的心脏,其性能在很大程度上影响着整个电路的性能。为使系统很好的工作,本文特设计一款±15V的直流稳压电源供电,其电路图如图3.5所示。直流稳压电源主要由两部分组成:整流电路和滤波电路。整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导通作用,因此二极管是组成整流电路的关键元件。在小功率(1KW)整流电路中,常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。本设计采用桥式整流电路,其主要特点如下:输出电压高,纹波电压小,管子所承受的最大反向电压较低,电源变压器充分利用,效率高。

图3.5 ±15V电源电路原理图 滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波,一般由电抗元件组成,如在负载电阻两侧并联电容器;或在整流电路输出端与负载间串联电感L,以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。

3.6 控制电路设计

本控制系统采用转速、电流双闭环结构,其原理图如图3.6所示。

图3.6 双环调速系统原理图

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。图4.7中标出了两个调节器的输入输出的实际极性,他们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的,并考虑到运算放大器的倒相作用。图3.7为双闭环调速系统的稳态结构图。图3.8为双闭环调速系统的稳态结构图。ACR和ASR的输入、输出信号的极性,主要视触发电路对控制电压的要求而定。若触发器要求ACR的输出Uct为正极性,由于调节器一般为反向输入,则要求ACR的

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输入Ui*为负极性,所以,要求ASR输入的给定电压Un*为正极性。本文基于这种思想进行ASR和ACR设计。

图3.7 双闭环调速系统稳态结构图

图3.8 双闭环调速系统动态结构图 基本数据

直流电动机:33KW、400V、96.6A、900r/min、Ra=0.332Ω,La=7.7mH 晶闸管装置放大系数:Ks=40 电枢回路总电阻:R=2Ra=0.664

电流反馈系数:β=0.05V/A(≈10V/1.5IN) 转速反馈系数:α=0.00625Vmin/v(≈10V/nN) 设计要求

静态指标:无静差

动态指标:电流超调量σi%≤5%,空载启动到而定转速时的转速超调量σn%≤10% 参数计算

1.因为UN=230V,α的整定范围在30°~120°之间,由公式UD?2.34U2cos?知当α=30°时UD取得最大值,由此计算得U2=113.50V。 2.由

Ea?UN?IaRa?Cen有Ce=0.1290。

RGD2Tm??2CC?375有Tm=0.4825s。 eT3.由

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4.由L?0.693U2L有L=16.46mH。由Tl?有Tl=0.0091s。 IdminR系统设计

1.电流环的设计

(1)确定时间常数。错误!未找到引用源。整流装置滞后时间常数Ts,三相桥式整流电路的平均失控时间Ts=0.0017s。错误!未找到引用源。电流滤波时间常数Toi,三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms,为了基本滤平波头,应有(1~2)Toi=3.33ms,因此取Toi=2ms=0.002s。错误!未找到引用源。电流环小时间常数TΣi,按小时间常数近似处理,取TΣi=Ts+ Toi=0.0037s。 (2)确定电流环设计成何种典型系统。 根据设计要求σi%≤5%,而且Tl/TΣi=0.0091/0.0037=2.46<10.因此,电流环可按典型Ⅰ型系统设计。

(3)电流调节器的结构选择。电流调节器选择PI型,其传递函数为

WACR(s)?Ki?is?1?is

?i=Tl=0.0091s;电流开环增益:因要求?i?5%,故应取KIT?i?0.5,因此

(4)选择电流调节器参数。 ACR超前时间常数

KI?0.5?135.1s?1。于是,ACR的比例系数为 T?iKi?KI?iR0.0091?1.8?135.1??0.3966?Ks0.1395?40

(5)计算电流调节器的电路参数

电流调节器的原理图如图3.9所示。按所用运算放大器,取R0=40KΩ,各电阻和电容值计算如下:

Ri?KiR0?0.3966?40K?15.86K,取16K

Ci??i/Ri?(0.0091/16K)?106uF?0.57uFCoi?4Toi/R0?0.2uF

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图3.9 电流调节器原理图

??KI?135.1s?1ci(6)校验近似条件。电流环截止频率

1)校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足:?ci?1, 3Ts11??196.1s?13T3?0.0017因为s> ?ci,所以满足近似条件。

2)校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足:?ci?31, TmTl?ci?3现在

11?3?45.27s?1TmTl0.4825?0.0091

31,

TsToi 3)校验小时间常数的近似处理是否满足条件:??1ci1311?TsToi31?180.78s?10.0017?0.002现在>?ci,满足近似条件。

按照上述参数,电流环满足动态设计指标要求和近似条件。 2.转速环的设计

(1)确定时间常数。错误!未找到引用源。电流环等效时间常数为找到引用源。转速滤波时间常数引用源。转速环小时间常数

2T?i?0.0074sTon;错误!未

Ton,根据所用测速发动机纹波情况,取=0.01s;错误!未找到

T?on按小时间常数近似处理,取

T?on?2T?i?Ton?0.0174s (2)确定将转速环设计成何种典型系统。由于设计要求转速环无静差,转速调节器必须含有积分环节;又根据动态设计要求,应按典型Ⅱ型系统设计转速环。 (3)转速调节器的结构选择。转速调节器选用PI型,其传递函数为

WASR(s)?Kn?ns?1?ns

(4)选择转速调节器参数。按跟随和抗干扰性能都能较好的原则取h=5,则 ASR超前时间常数

?n?hT?n?5?0.0174?0.087s

KN?(h?1)6??396.4s?22222hT?n2?25?0.0174转速环开环增益为

Kn?于是,ASR的比例系数为

(h?1)?CeTm6?0.1395?0.1290?0.4825??24.112h?RT?n2?5?0.0069?1.8?0.0174

(5)计算转速调节器的电路参数。转速调节器原理图如图3.10所示,按所用运算放大器,取

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R0=40KΩ,各电阻和电容值计算如下:

Rn?KnR0?24.11?40K?964.4K,取1MCn??on/Rn?(0.087/1M)?106?0.087uFCon?4Ton/R0?1uF

图3.10 转速调节器原理图

?cn?(6)校验近似条件。转速环截止频率

KN?1?Kn/?n?34.5s?1

?cn? 1)校验电流环传递函数简化条件是否满足:

15T?i

现在

11??54.1s?15T?i5?0.0037>?cn,满足简化条件。

?cn?1312TonT?i2)校验小时间常数近似处理是否满足,

?cn?现在

1311?2TonT?i31?38.75s?12?0.01?0.0037>?cn,满足近似条件。

?Cmax?81.2%Ckb3)校验转速超调量。当h=5时,

?nN?INR/Ce?47.8?1.8/0.1290?667.0r/min,因此

?n%?(?Cmax?nT667.00.0174)?2(??Z)*N?n?81.2%?2?1.5???4.04%?10%CkbnTm14500.4825,

能满足设计要求。设计完成的控制系统如图3.11所示。

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