电流环的设计

中国农业大学 课程设计

（2010-2011学年春季学期）

论文题目：基于双闭环的直流

脉宽调速系统计算书

课程名称： 电力拖动自动控制系统 任课教师： *** 班 级： 自动化081 学 号： 0808140823 姓 名： 李璐

基于双闭环的直流脉宽调速系统建模及调节器设计

一、设计总体要求：

要求设计双闭环直流脉宽调速系统，可完成以下任务：

(1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽的

调速范围（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作 ； (2) 系统静特性良好，无静差（静差率s≤2）；

(3) 动态性能指标：转速超调量δn＜8%，电流超调量δi＜5%，动态速降Δn≤10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤1s ； (4) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续 ；

(5) 调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。

电路设计及分析

根据设计任务可知，要求系统在稳定的前提下实现无静差调速，并要求较好的动态性能，可选择PI控制的转速、电流双闭环直流调速系统，以完全达到系统需要。转速、电流双闭环直流调速系统框图如图1-1所示。

图1-1 转速、电流双闭环调速系统系统框图

两个调节器的输出均带限幅作用的,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的输出限幅电压限制了电力电子电换器的最大输出电压。双闭环直流调速系统原理框图如下图1-2所示：

图1-2 双闭环直流调速系统原理框图

由此得到系统电气原理图见附图1。

二、电流调节器设计

电流调节器使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。对电网电压的波动起及时抗扰的作用。在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不影响调节器的输入，需加低通滤波。

转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。它对负载变化起抗扰作用。其输出限幅值决定电机允许的最大电流。

由于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。

图1-2 系统实际动态原理框图

一、电流环的简化

在图1-2虚线框内的电流环中，饭电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际中，对电流环来说，饭电动势是一个变化比较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即ΔE0.其中忽略反电动势对电流环的近似条件是

3 ωci1 （1—3） TmTl式中 ωci——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，同时把给定信号改为Ui*(s)β，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图1—3b所示，从这里可以看出两个滤波时间常数取值相同的方便之处。

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看作是一个惯性环节，其时间常数为

TΣiTsToi （1—4）

则电流环结构框图最终简化成图1—3c所示。简化的近似条件为

 ωci11 （1—5）

3TsToi

(a)

(b)

(c)

图1—3电流环的动态结构框图及其简化 (a)忽略反电动势的动态影响 (b)等效成单位

负反馈(c)小惯性环节近似处理

二、电流调节器参数计算

电流反馈系数：

Ui*βm=10/λIN=10⁄1.5×760=0.0088

Idm1、 确定时间常数： （1）、整流装置滞后时间常数Ts 。查表可得，三相桥式电路的平均失控时间Ts =0.0017 s 。 （2）、电流滤波时间常数Toi, Toi=2ms=0.002s。 （3）、电流小环节时间常数之和T∑i= Ts+Toi=0.0037s。

2、选择电流调节器结构

根据设计要求δi＜5%，并保证无静差，按典Ⅰ型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性的，因此可用PI型电流调节器。传递函数为WACR(s)=

T

0.031

∑i

Ki(τis+1)

τis

检查对电源电压的抗扰性能：Tl≈0.0037≈8.38。参看书表3-2的典Ⅰ型系统动态抗性能，各项指标都可以接受。 参考关系KT 阻尼比ξ 超调量δ 上升时间tr 峰值时间tp 相角稳定裕度γ 截止频率ωc 3、

0.243/T 0.367/T 0.25 1.0 0%   0.39 0.8 1.5% 6.6T 8.3T 69.9 0.5 0.707 4.3% 4.7T 6.2T 65.5 0.455/T °0.69 0.6 9.5% 3.3T 4.7T 59.2 1.0 0.5 16.3% 2.4T 3.6T 51.8 76.3 0.596/T 0.786/T 计算电流调节器参数：

电流调节器超前时间常数：τiTl=0.031s 电流开环增益：要求δi＜5%，KITΣi0.5 ，因此 KI11

=2×0.0037≈135.1s-1 2TΣi于是，ASR的比例系数为

I

Ki=K

KτiR135.1×0.0031×0.14

sβ

=

75×0.0088

≈0.891

4、

校验近似条件

电流环截止频率：ωci=KI=135.1s-1

(1)、校验晶闸管整流装置传递函数的近似特殊条件

 ωci11

=3×0.0017s-1≈196.1s-1 满足近似条件 3Ts（2）、校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

3ωci

11

=3×√0.112×0.0031s-1≈50.91s-1 满足近似条件 TmTl（3）、校验忽略电流环小时间常数近似处理条件

1ωci31TTs=3×√0.0017×0.002s-1≈180.8s-1 满足近似条件

oi11

5、

计算调节器电阻和电容

电流调节器原理如图所示，

Ri=KiR0=0.891×40KΩ=35.64 KΩ, 取 Ri= Ci=Ri=×103F≈μF, 取

i

τ0.031

Coi=

4×Toi4×0.002R0

=40×103F≈0.2μF, 取0.2μF

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。

三、转速调节器的设计：

把电流环的等效环节接入转速环后，整个转速控制系统的动态结构框图如图1—6a所示。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

*(s)α，再把时间常数为1KI和Ton的两个小惯性环节合并起将给定信号改成Un来，近似成一个时间常数为TΣn的惯性环节，其中

TΣn1Ton （1—21） KI一、转速环结构简化

由于需要实现转速无静差，而且在后面已经有一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，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。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为

WASR(s)Kn(τns1) （1—22）

τns式中 Kn——转速调节器的比例系数； τn ——转速调节器的超其时间常数。

（a）

（b）

（c）

图1—6 转速环的动态结构框图及其简化

（a）用等效环节代替电流环 （b）等效成单位负反馈系统和 小惯性系统的近似处理 （c）校正后成为典型Ⅱ型系统

这样，调速系统的开环传递函数为

Wn(s)KnαR(τns1) 2τβCTs(Ts1)nemΣn不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构框图如图1—6c所示。

二、转速环参数计算

Ui*βm=10/λIN=10⁄1.5×760=0.00877

Idm 转速反馈系数：

*Unm10

=375≈0.03V·min/r αnmax1、 确定时间常数

（1）、电流环等效时间常数K 。

Ι

1

K=2T∑i=0.0074s

Ι

1

（2）、转速滤波时间常数Ton=0.02s （3）、转速环小时间常数T∑n。按小时间常数近似处理，取 TΣn2、

1Ton=0.0074s+0.02s=0.0274s KI选择转速调节器结构

按设计要求，选用PI调节器，其传递函数为WASR(s)Kn(τns1)

τns3、

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=0.5，则ASR的超前时间常数为

nh(1Ton)=5×0.0274s=0.137s KI开环增益为

Kh162159.8s 22222hTn250.0274ASR的比例系数为

(h1)CeTm6×8.77×10−3×1.82×0.112

Kn=2×5×0.03×0.0274×0.014≈9.32

2hRTn4、

检验近似条件 转速环截止频率为

ωcn=ωN=KNτn=159.8×0.137≈21.89s-1

1

K

（1）、电流环传递函数简化条件

3√TI=3√0.0037≈63.7s−1>ωcn 满足简化条件

∑i

1K1135.1

（2）、转速环小时间常数近似处理条件

√I=√s−1≈180.8s−1>ωcn 满足近似条件

3T30.0017×0.002

on

1K11

5、

计算调节器电阻和电容 转速调节器原理图如图所示

Rn=KnR0=9.32×40kΩ=372.8kΩ 取375KΩ Cn=Rn=375×103=0.4×10−6=0.4μF 取0.4μF

n

τ0.137

Con=6、

4TonR0

=40×103=2μF 取2μF

4×0.02

7、

校核转速超调量

当h=5时，由课本表3-4查得，δn=37.6%，不能满足要求。实际上表3-4是按线性计算的，而突加给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应按ASR退饱和的情况重新计算。 退饱和计算

n(CmaxnbCnT)2(max)(z)Nn CbCbnnTm760×0.14

1.82 σn=2×81.2%×1.5×

375

×

0.02740.112

≈9.3%>8%

不符和要求

最后可以在仿真中调节使系统符合要求

四、心得体会

通过对双闭环的设计和计算，让我更清楚的了解了双闭环中两个调节器的设计方法和参数计算，知道了一些必要的注意。通过本次课程设计我知道了信息搜集与整合也是十分重要的，有时候信息量很大，单凭自己是没有能力处理这么大的信息量的。在学习的过程中学到了很多在课堂上学不到的东西，这对于我今后的学习、生活、工作都会有很大的帮助。总之，通过这次的课程设计，我获益匪浅。