系统_调速系统总体设计
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系统_调速系统总体设计
直流双闭环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
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
限制了电力电子变换器的最大输出电压
。
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。
如图2-1所示：
1. 电源部分：
220v交流 单相全控整流 滤波电路 斩波电路 (可调电压)
2. 控制部分
电源电路 控制电路 保护电路 直流电机
电流反馈
图2-1 直流双闭环调速系统
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。
其原理图如图2-2所示：
图2-2 直流双闭环调速系统原理图
(注: ASR—转速调节器 ACR—电流调节器 TG—直流测速发电机
TA—电流互感器 UPE—电力电子装置 Un*—转速给定电压
Un—转速反馈电压 Ui*—电流给定电压 Ui —电流反馈电压)
直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、单相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。
3.直流双闭 环调速系统电路设计
3.1晶闸管-电动机主电路的设计
3.1.1主电路设计
晶闸管-电动机调速系统(V-M系统)主电路原理图如图3-1所示：
图3-1晶闸管可控整流器供电的直流调速系统(V-M系统)
图中VT是晶闸管可控整流器，它由单相全控桥式整流电路组成，如图3-2所示：
图3-2 单相全控桥式整流电路
其仿真图如下：
图3-3
3.1.2斩波电路的设计
图3-4升压斩波电路图
a) 通常用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源
b) 实际L值不可能为无穷大，因此有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态
c) 电机反电动势相当于图1.1中的电源，此时直流电源相当于图1.1中的负载。由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器。
? 电路分析
基于“分段线性”的思想进行解析
V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式
(5)
式中R为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。
设i1的初值为I10，解上式得
(6)
当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：
(7)
设i2的初值为I20，解上式得：
(8)
用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路波形：
图3-5用于直接电动机回馈能量的升压斩波电路图
图3-4用于直接电动机回馈能量的升压斩波电路图用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路波形：
图3-6电流连续升压斩波电路波形
图3-7电流断续升压斩波电路波形
当电流连续时，从图1.3的电流波形可看出，t=ton时刻i1=I20，t=toff时刻i2=I10，由此可得：
(10)
把上面两式用泰勒级数线性近似，得
该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值Io，即
(12)
对电流断续工作状态的进一步分析可得出：电流连续的条件为
(13)
根据此式可对电路的工作状态作出判断。
3.1.3主电路参数计算
，取
其中系数0.9为电网波动系数，系数1-1.2为考虑各种因素的安全系数，这里取1.1。
电动势系数
平波电抗器
其中
，这里取10%。
3.2电机驱动电路
图3-8电机驱动电路图
3.3基于霍尔传感器的测速模块
3.3.1霍尔传感器的工作原理
霍尔效应：在一块半导体薄片上，其长度为l，宽度为b，厚度为d,当它被置于磁感应强度为B的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流I，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势UH，即UH=KHIB，其中kH为霍尔元件的灵敏度。该电势称为霍尔电势，半导体薄片就是霍尔元件。
工作原理：霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度变化的霍尔电压UH放大后再经信号变换器、驱动器进行整形、放大后输出幅值相等、频率变化的方波信号。信号输出端每输出一个周期的方波，代表转过了一个齿。单位时间内输出的脉冲数N，因此可求出单位时间内的速度V=NT。
3.3.2霍尔传感器的电路原理图
图3- 9 霍尔传感器的测速电路
3.4转速、电流调节器的设计
转速、电流双闭环调速系统的动态结构图如图3-3所示：
图3-10 直流双闭环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
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
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
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。
3.4.1电流调节器设计
含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器如图3-4所示：
图3-11 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器
其中
为电流给定电压，
为电流负反馈电压，
为电力电子变换器的控制电压。
3.4.2电流调节器参数选择
1.确定时间常数
1)三相桥式电路的平均失控时间为
。
2)电流滤波时间常数本设计初始条件已给出，即
3)电流环小时间常数之和
。
2.选择电流调节器结构
根据设计要求：稳态无静差,超调量
，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：
电磁时间常数
。
检查对电源电压的抗扰性能：
，参照典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表格，可知各项指标都是可以接受的。
3.计算电流调节器参数
电流调节器超前时间常数：
。
电流环开环增益：要求
时，应取
，因此
ACR的比例系数为
4.检验近似条件
电流环截至频率：
机电时间常数
1) 晶闸管整流装置传递函数的近似条件
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
满足近似条件。
3) 电流环小时间常数近似处理条件
满足近似条件。
2)转速环小时间常数近似处理条件为
满足简化条件。
5.计算调节器电阻和电容
取
，则
，取
，取
，取
6.校核转速超调量
当
时，
，不能满足设计要求。应按ASR退饱和的情况重新计算超调量。
7. 按ASR退饱和重新计算超调量
过载倍数
能满足设计要求。
3.5转速检测电路设计
转速的检测可把
接到一个测速发电机上即可检测转速，如图3-7所示：
图3-12 转速检测电路
3.6电流检测电路设计
使用霍尔电流传感器可以检测电流，把
接到霍尔传感器上。霍尔效应传感器，可以测量任意波形的电流和电压。输出端能真实地反映输入端电流或电压的波形参数。如图3-8所示：
图3-13 电流检测电路
资料来源：中国电力电子产业网http://www.p-e-china.com 转载请说明来源
直流双闭环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
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
限制了电力电子变换器的最大输出电压
。
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。
如图2-1所示：
1. 电源部分：
220v交流 单相全控整流 滤波电路 斩波电路 (可调电压)
2. 控制部分
电源电路 控制电路 保护电路 直流电机
电流反馈
图2-1 直流双闭环调速系统
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。
其原理图如图2-2所示：
图2-2 直流双闭环调速系统原理图
(注: ASR—转速调节器 ACR—电流调节器 TG—直流测速发电机
TA—电流互感器 UPE—电力电子装置 Un*—转速给定电压
Un—转速反馈电压 Ui*—电流给定电压 Ui —电流反馈电压)
直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、单相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。
3.直流双闭 环调速系统电路设计
3.1晶闸管-电动机主电路的设计
3.1.1主电路设计
晶闸管-电动机调速系统(V-M系统)主电路原理图如图3-1所示：
图3-1晶闸管可控整流器供电的直流调速系统(V-M系统)
图中VT是晶闸管可控整流器，它由单相全控桥式整流电路组成，如图3-2所示：
图3-2 单相全控桥式整流电路
其仿真图如下：
图3-3
3.1.2斩波电路的设计
图3-4升压斩波电路图
a) 通常用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源
b) 实际L值不可能为无穷大，因此有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态
c) 电机反电动势相当于图1.1中的电源，此时直流电源相当于图1.1中的负载。由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器。
? 电路分析
基于“分段线性”的思想进行解析
V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式
(5)
式中R为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。
设i1的初值为I10，解上式得
(6)
当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：
(7)
设i2的初值为I20，解上式得：
(8)
用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路波形：
图3-5用于直接电动机回馈能量的升压斩波电路图
图3-4用于直接电动机回馈能量的升压斩波电路图用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路波形：
图3-6电流连续升压斩波电路波形
图3-7电流断续升压斩波电路波形
当电流连续时，从图1.3的电流波形可看出，t=ton时刻i1=I20，t=toff时刻i2=I10，由此可得：
(10)
把上面两式用泰勒级数线性近似，得
该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值Io，即
(12)
对电流断续工作状态的进一步分析可得出：电流连续的条件为
(13)
根据此式可对电路的工作状态作出判断。
3.1.3主电路参数计算
，取
其中系数0.9为电网波动系数，系数1-1.2为考虑各种因素的安全系数，这里取1.1。
电动势系数
平波电抗器
其中
，这里取10%。
3.2电机驱动电路
图3-8电机驱动电路图
3.3基于霍尔传感器的测速模块
3.3.1霍尔传感器的工作原理
霍尔效应：在一块半导体薄片上，其长度为l，宽度为b，厚度为d,当它被置于磁感应强度为B的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流I，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势UH，即UH=KHIB，其中kH为霍尔元件的灵敏度。该电势称为霍尔电势，半导体薄片就是霍尔元件。
工作原理：霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度变化的霍尔电压UH放大后再经信号变换器、驱动器进行整形、放大后输出幅值相等、频率变化的方波信号。信号输出端每输出一个周期的方波，代表转过了一个齿。单位时间内输出的脉冲数N，因此可求出单位时间内的速度V=NT。
3.3.2霍尔传感器的电路原理图
图3- 9 霍尔传感器的测速电路
3.4转速、电流调节器的设计
转速、电流双闭环调速系统的动态结构图如图3-3所示：
图3-10 直流双闭环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
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
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
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。
3.4.1电流调节器设计
含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器如图3-4所示：
图3-11 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器
其中
为电流给定电压，
为电流负反馈电压，
为电力电子变换器的控制电压。
3.4.2电流调节器参数选择
1.确定时间常数
1)三相桥式电路的平均失控时间为
。
2)电流滤波时间常数本设计初始条件已给出，即
3)电流环小时间常数之和
。
2.选择电流调节器结构
根据设计要求：稳态无静差,超调量
，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：
电磁时间常数
。
检查对电源电压的抗扰性能：
，参照典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表格，可知各项指标都是可以接受的。
3.计算电流调节器参数
电流调节器超前时间常数：
。
电流环开环增益：要求
时，应取
，因此
ACR的比例系数为
4.检验近似条件
电流环截至频率：
机电时间常数
1) 晶闸管整流装置传递函数的近似条件
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
满足近似条件。
3) 电流环小时间常数近似处理条件
满足近似条件。
2)转速环小时间常数近似处理条件为
满足简化条件。
5.计算调节器电阻和电容
取
，则
，取
，取
，取
6.校核转速超调量
当
时，
，不能满足设计要求。应按ASR退饱和的情况重新计算超调量。
7. 按ASR退饱和重新计算超调量
过载倍数
能满足设计要求。
3.5转速检测电路设计
转速的检测可把
接到一个测速发电机上即可检测转速，如图3-7所示：
图3-12 转速检测电路
3.6电流检测电路设计
使用霍尔电流传感器可以检测电流，把
接到霍尔传感器上。霍尔效应传感器，可以测量任意波形的电流和电压。输出端能真实地反映输入端电流或电压的波形参数。如图3-8所示：
图3-13 电流检测电路
资料来源：中国电力电子产业网http://www.p-e-china.com 转载请说明来源
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我咋没看见图呢?