双闭环直流调速系统的课程设计报告

1、 目录第1章 系统方案设计31.1 任务分析31.2设计目的、意义31.3 方案设计4第2章 三相全控整流桥5第3章 晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定63.1 电枢回路电阻R的测定63.2电枢回路电感L的测定63.3直流电动机发电机测速发电机组的飞轮惯量GD2的测定73.4主电路电磁时间常数的测定73.5电动机电势常数Ce和转矩常数CM的测定83.6系统机电时间常数TM的测定83.7测速电机特性UTG=f(n)的测定8第4章 双闭环调速系统调节器的设计94.1 电流调节器的设计94.2 转速调节器的设计10第五章系统特性测试125.1系统静态特性125.2动态特性145.2.2突加负载时

2、145.2.3突降负载时15第六章 设计体会15第1章 系统方案设计1.1 任务分析采用转速、电流双闭环晶闸管不可逆直流调速系统为对像来设计直流电动机调速控制电路，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设计两个调节器，电流调节器和速度调节器，为了实现电流和转速分别起作用，二者之间实行串级连接，即把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，在把电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR都采用PI调节器,以便能保证系统获得良好的静态和动态性能转速调节器在双闭环直流调速系统中的作用是减小转速误差，采用PI调节器可实现无静差；对负载变化起抗扰作用；

3、其输出限幅决定电动机允许的最大电流;电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用是使电流紧紧跟随其给定电压的变化；对电网的波动起及时抗干扰作用；加快动态过程；堵转或过载时起快速自动保护作用。1.2设计目的、意义采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统，既保证了动态稳定性，同时又能做到静态无静差，可以很好的解决系统中动态、静态之间的矛盾。然而，单闭环直流调速系统必须靠电流截止负反馈环节来解决系统起动中和堵转时电流过大的问题，但并不十分精确。主要问题是不能在充分利用电动机过载能力的条件下获得最快的动态响应，使得起动和加速过程拖长，其性能不能令人满意。如果对系统动态性能要求较高，单闭环调速系统就难以

4、满足需要。按照反馈控制的一般规律，要想维持某一物理量基本不变，就应引入该量的负反馈与恒值给定相比较，构成该变量的闭环控制系统。因此，在电流控制回路中设置电流调节器，采用电流负反馈就能够实现近似的恒流控制。这样在系统回路中设置两个调节器分别调节转速和电流，二者之间实行串极连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入电流调节器的输出作为晶闸管整流触发装置的控制电压，两种调节器互相配合，相辅相成。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。1.3 方案设计双闭环调速系统的实际动态结构图如图2-1所示，在它与图1-3的不同之处在于增加

5、了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。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，虚假低通滤波，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同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，根据电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。这样做的意义是，让给定信号与反馈信号经过相同的延时，是二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。其中 为电流反馈滤波时间常数为转速反馈滤波时间常数 图1-1 双闭环调速系统的实

6、际动态结构图系统设计的一般原则：“先内环后外环” ，从内环开始，逐步向外扩展。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。第2章 三相全控整流桥如图2接线接阻性负载，用示波器观察Ud 波形，如何通过观察Ud 波形来判断角为多少度？当出现波形断续的临界时角为60，继续调大角时，断续的时间占整个周期的几分之几乘以60加上60就可以的到角为多少。当角小于60，看有波形的纵坐标占总的几分之几就可以得角为多少，当为1/2时角为30，当为0.707时角为45.时 曲线 曲线时 曲线 曲线第3章 晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定3.1 电枢回路电阻R的

7、测定电枢回路的总电阻R包括电机的电枢电阻Ra，平波电抗器的直流电阻RL和整流装置的内阻Rn，即R=Ra+RL+Rn为测出晶闸管整流装置的电源内阻，可采用伏安比较法来测定电阻，其实验线路如图6-1所示。将变阻器RP（可采用两只900电阻并联）接入被测系统的主电路，并调节电阻负载至最大。测试时电动机不加励磁，并使电机堵转。MCL-18（或MCL-31，以下同）的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。调节偏移电压电位器RP2，使a=150。三相调压器逆时针调到底，合上主电路电源开关，调节主控制屏输出电压Uuv=220v。调节Ug使整流装置输出电压Ud=（3070）%Ued（可为110V），然后

8、调整RP使电枢电流为（8090）%Ied，读取电流表A和电压表V的数值 Udo=I1R+U1 （测得I1=0.9A，U1=81.8V） 调节RP，使电流表A的读数为40% Ied。在Ud不变的条件下读取A，V表数值，则 Udo=I2R+U2 （测得I2=0.44A，U2=101.4V）求解两式，可得电枢回路总电阻 R=(U2-U1)/(I1-I2) （计算的R=42.6）如把电机电枢两端短接，重复上述实验，可得RL+Rn=(U2-U1)/(I1-I2) （测得I1=0.9A,U1=100V，I2=0.44A,U2=111.4V） 计算可得通过RL+Rn=24.78 则电机的电枢电阻为 Ra=R

9、-（RL+Rn）=42.6-24.78=17.82 同样，短接电抗器两端，测得I1=0.9A,U1=108.2V，I2=0.44A,U2=93.1V Ra +Rn=(U2-U1)/(I1-I2)=32.83， RL = R -Ra Rn=42.6-32.83=9.77所以电抗器直流电阻RL=9.773.2电枢回路电感L的测定枢电路总电感包括电机的电枢电感La，平波电抗器电感LL和整流变压器漏感LB，由于LB数值很小，可忽略，故电枢回路的等效总电感为 L=La+LL电感的数值可用交流伏安法测定。电动机应加额定励磁，并使电机堵转，实验线路如图6-2所示。三相调压器逆时针调到底，合上主电路电源开关，

10、调节主控制屏输出电压。用电压表和电流表分别测出通入交流电压后电枢两端和电抗器上的电压值Ua和UL及电流I（可取0.5A），从而可得到交流阻抗Za和ZL，计算出电感值La和LL。通过测量得Ua=63.8V，Ia=0.71A, UL=162.4V,IL=0.71A Za=Ua/I=68.8/0.71=89.86 ZL=UL/I=162.4/0.71=228.73 可以得出La=280mH可以得出Ll=727mH3.3直流电动机发电机测速发电机组的飞轮惯量GD2的测定电力拖动系统的运动方程式为 式中 M电动机的电磁转矩，单位为N.m; ML 负载转矩，空载时即为空载转矩MK，单位为N.m; n 电机

11、转速，单位为r/min;电机空载自由停车时，运动方程式为 故 式中GD2的单位为Nm2.MK可由空载功率（单位为W）求出。 电机为1500r/min。Ud（v）IK（A）dn/dtPKMKGD22120.11920.24523.1040.1470.061电机为1000r/min。Ud（v）IK（A）dn/dtPKMKGD2144.50.1980.3924.27180.13630.0563.4主电路电磁时间常数的测定采用电流波形法测定电枢回路电磁时间常数Td，电枢回路突加给定电压时，电流id按指数规律上升 当t =Td时，有 由id=f(t)的波形图上测量出当电流上升至63.2%稳定值时的时间，

12、即为枢回路的电磁时间常数Td，测得Td=20 ms，通过理论计算Td=La/Ra=280/17.82=15.7ms,与实际测量相差不大，所以测量真实有效所以Td=20 ms3.5电动机电势常数Ce和转矩常数CM的测定将电动机加额定励磁，使之空载运行，改变电枢电压Ud，测得相应的n，即可由下式算出Ce Ce=KeF=(Ud2-Ud1)/(n2-n1) (Ud1=126.1V,n1=874r/min;Ud2=144.8V,n2=1007r/min)计算得Ce=0.1406V/(r/min) 转矩常数(额定磁通时)CM的单位为N.m/A，可由Ce求出 CM=9.55Ce=1.34273N.m/A3.

13、6系统机电时间常数TM的测定系统的机电时间常数可由下式计算 由于TmTd，也可以近似地把系统看成是一阶惯性环节，即 由过渡过程曲线，即可由此确定机电时间常数TM=30ms理论计算. =33.6ms与实际测量相差不大，测量值真实有效所以TM=30ms3.7测速电机特性UTG=f(n)的测定加额定励磁，逐渐增加触发电路的控制电压Uct，分别读取对应的UTG ,n的数值若干组，即可描绘出特性曲线UTG=f(n)n（r/min） 500 700 900 1100 1300UTG（V）3.334.48 5.63 6.77 7.91第4章 双闭环调速系统调节器的设计4.1 电流调节器的设计1）确定时间常数

14、已知，所以电流环小时间常数=0.0017+0.002=0.0037S。2） 选择电流调节器的结构因为电流超调量，并保证稳态电流无静差，可按典型系统设计电流调节器电流环控制对象是双惯性型的，故可用PI型电流调节器。3） 电流调节器参数计算： 电流调节器超前时间常数=0.0239s，又因为设计要求电流超调量，查得有=0.5，所以=，又由于，计算得Ks=60。由于，所以ACR的比例系数 =4） 校验近似条件电流环截止频率=135.1。晶闸管整流装置传递函数的近似条件：，满足条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响条件： ，满足条件。电流环小时间常数近似处理条件：，满足条件。5） 计算调节器的电阻和电容

15、取运算放大器的=20，有=0.36620=7.32，取8，取3，取0.4。故=，其结构图如下所示： 图4-1 电流调节器4.2 转速调节器的设计1）确定时间常数：有则，已知转速环滤波时间常数=0.01s，故转速环小时间常数。2）选择转速调节器结构：按设计要求，选用PI调节器3)计算转速调节器参数：因为转速超调量,则10%,由于实验要求=1.1，理想空载启动有z=0,而且,r/min,，A，ms,s代入上式，可得69.01%，由查表3-5,按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=3,则ASR的超前时间常数为： ，转速环开环增益 。又,则有ASR的比例系数为：。4)检验近似条件转速环截止频率为。电流环传

16、递函数简化条件为，满足条件。转速环小时间常数近似处理条件为：，满足近似条件。5)计算调节器电阻和电容：取=20，则，取180。，取0.29，取2。故。其结构图如下：图4-2 转速调节器6)校核转速超调量：由h=3，查得，不满足设计要求，应使ASR 退饱和重计算。设理想空载z=0，h=3时，查得=72.2%，所以=2（）（）=，满足设计要求.第五章系统特性测试5.1系统静态特性将ASR,ACR均接成PI调节器接入系统，形成双闭环不可逆系统，见图3-2。ASR的调试：（a）反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小； （b）“5”、“6”端接入MEL11电容器，预置57F； （c）调节RP1、R

17、P2使输出限幅为5V。（1）机械特性n=f（Id）的测定（a）调节转速给定电压Ug，使电机空载转速至1500 r/min，再调节发电机负载电阻Rg，在空载至额定负载范围内分别记录78点，可测出系统静特性曲线n=f（Id）n(r/min)150815021497149614861483I(A) 0.3 0.4 0.5 0.55 0.6 0.7 （2）闭环控制特性n=f(Ug)的测定调节Ug，记录Ug和n，即可测出闭环控制特性n=f(Ug)。n(r/min) 254 500 709 905 120114021506Ug(V) 0.72 1.47 205 2.61 3.474054.45.2动态特性

18、5.2.1突加给定时 图中蓝线为电流环特性曲线，黄线为转速环特性曲线。在t=0时，系统突加阶跃给定信号Un*，在ASR和ACR两个PI调节器的作用下， Id很快上升；当 Id IdL 后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，ASR输入偏差电压仍较大， ASR很快进入饱和状态，而ACR一般不饱和。直到Id = Idm ， 。电流闭环调节的扰动是电动机的反电动势，它是一个线性渐增的斜坡扰动量，系统做不到无静差，而是Id略低于Idm。n上升到了给定值n*，Un=0。因为IdIdm，电动机仍处于加速过程，使n超过了n* ，称之为起动过程的转速超调。转速的超调造成了Un0，ASR退出饱和状态，Ui和Id很快下降。 Id Idl，转速由加速变为减速，直到稳定。 5.2.2突加负载时5.2.3突降负载时第六章 设计体会通过这次对双闭环调速系统电流调节器和速度调节器的设计以及对设计过程中遇到的问题的思考，有效的提高了我对双闭环调速系统的认识和理解，切实的提高了我选择与设计调节器的能力，补全了我的不足。同时使我子技术电力拖动自动控制系统有了进一步的了解与认识。对所学内容有了更深刻的印象，并且进一步认识到工程设计时与实际相联系的重要性 不仅如此，通过这次课程设计，我们不仅掌握了双闭环