双闭环直流调速系统课程设计

1、SI 升制 TANG UNIVKRAtTY OF IKrUNOl.lKiV直流拖动限制系统课程设计报告题目：双闭环直流调速系统设计学院：沈阳工业大学工程学院专业：电气工程及其自动化班 级：1101班姓 名：孔令慧学 号： 120222724指导教师：佟维妍起止日期：2022年6月16日2022年6月22日设计概述2.第一章系统总体设计3.1.1 系统电路结构3.1.2 两个调节器的作用4.第二章整体电路分析 6.2.1 电流环设计6.2.2 转速环设计 6.2.3 典型I型系统介绍 7.2.4 典型II型系统介绍 8.2.5 转速调节器的实现9.2.6 电流调节器的实现9.2.7 校核转速超调

2、量 9.第三章参数计算103.1 相关参数1.03.2 主要参数计算 .103.2.1 电流环参数计算 103.2.2 转速环参数的计算12MATLAB 仿真15课程设计体会19设计概述双闭环直流调速系统是目前直流调速系统中的主流设备,具有调速范围宽、 平稳性好、稳速精度高等优点.在理论和实践方面都是比拟成熟的系统, 在电力 拖动领域中发挥着及其重要的作用.由于直流电机双闭环调速是各种电机调速系统的根底,本人就直流电机调速 进行了比拟系统的研究,从直流电机的根本特性到单闭环调速系统, 再进行双闭 环直流电机设计方案的研究,用实际系统进行工程设计,并用所学的 MATLA进 行仿真,分析了双闭环调

3、速系统的工程设计方法中由于忽略和简化造成的误差.在双闭环直流调速系统中,转速和电流调节器的结构选择与参数设计需从动 态校正的需要来解决,设计每个调节器是,都必须先求该闭环的原始系统开环对 数频率特性,再根据性能指标确定校正后系统的预期特性, 对于经常正反转运动 的系统,尽量缩短启、制动过程的时间是提升生产率的重要因素.为此,在电机 最大允许电流和转矩受到限制的条件下, 应该充分利用电机的过载水平,最好是 在过渡过程中始终保持电流为允许的最大值,是电力拖动系统以最大的加速度启 动,到达稳定转速时,立即让电流降下来,使转矩马上与负载相平衡,从而装入 稳态运行.在设计过程中,为了实现转速和电流两种负

4、反应分别起作用, 需要设置两个 调节器,分别调节转速和电流,二者之间实行审级连接,即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限制品闸管整流器的触发装置 从闭环结构上看,电流调节环在里面,叫内环；转速环在外面,叫外环.这样就 形成了转速、电流双闭环调速系统.第一章系统总体设计图1-1转速、电流双闭环直流调速系统结构ASR-转速调节器 ACR 电流调节器 TG测速发电机 TA 电流互感器 UPE一电力电子 变换器图中,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从闭环结构上看,电流环在里面,称作内环；转速环在 外边,称作外环.这就形

5、成了转速、电流双闭环调速系统.1.1 系统电路结构假设采用双闭环调速系统,那么可以近似在电机最大电流、转矩受限的条件下, 充分利用电机的允许过载水平,使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动, 到 达稳态转速后,又可以让电流迅速降低下来,使转矩马上与负载相平衡,从而转 入稳态运行,此时起动电流近似呈方形波,而转速近似是线性增长的,这是在最 大电流、转矩受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程.采用转速电流双闭环调速系统,在系统中设置了两个调节器,分别调节转速和电流,二者 之间实行审级联接,这样就可以实现在起动过程中只有电流负反应,而它和转速 负反应不同时加到一个调节器的输入端, 到达稳态

6、转速后,只靠转速负反应,不靠电流负反应发挥主要的作用,这样就能够获得良好的静、动态性能.所以选用 转速电流双闭环系统结构为了获得良好的静、动态性能,转速和电流两个调节器一般都采用 P I调 节器,这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于图 1-2.图中标出了两 个调节器输入输出电压的实际极性,它们是根据电力电子变换器的限制电压 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1-2双闭环直流调速速系统电路原理图1.2 两个调节器的作用电流调节器的选择:图1-2说明,电流环的限制对象是双惯性型的,要校正成典型I型系统,显然应采用PI型的电流调节器,其传递函数可以写成K ( s 1)W

7、acr(S)二 i(iS )iS 为了让调节器零点与限制对象的大时间常数极点对消,选择那么电流环的动态结构图便成为图Ki1-3所示的典型形式,其中二 KKiR图1-2小惯性环节近似处理K】图1-3动态结构图转速调节器的选择为了实现转速无静差,在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节, 它应该 包含在转速调节器ASR中,现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节,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n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Kn( ns 1) Wasr(S)nS第二章整体电路分析2.1电流环设计(

8、1)确定时间常数1)整流装置滞后时间常数Tso2)电流滤波时间常数Toi 03)电流环小时间常数之和TVi 0(2)选择电流调节机构根据设计要求H M5%并保证无静差,可按典型I型系统设计电流调节器(3)计算电流调节器参数(4)效验近似条件电流环截止频率：%=匕2.2转速环设计(1)确定时间常数1 )电流环等效时间常数工.Ki2 )转速环滤波时间常数Ton.3 )转速环小时间常数TTno(2)选择转速调节机构根据设计要求,选用PI调节器.(3)计算转速环调节器参数(4)校验近似条件Kz转速环截止频率0cn=KnM)电流环传递函数简化条件2 )转速环小时间常数1 a3 .Ton(5)计算电阻电容

9、Rn = KnRoCn =CRnon_4TonR0(6)校验转速超调量2.3 典型I型系统介绍典型I型系统的结构图如图2-1所示K -)-Is(Ts + 1)图2-1其传递函数为S(心+1)其中,时间常数T在实际系统中往往是限制对象本身固有的,能够由调节器改变的只有开环增益K,也就是说K是唯一的待定参数.设计时,需要根据性能 指标选择参数K的大小.典型的I型系统结构简单,其对数幅频特性的中频段以-20 dB/dec的斜率穿越0dB线,只要参数的选择能保证足够的中频带宽度,系统就一定是稳定 的,且有足够的稳定裕量.典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系如表 2-1 o典型I型系统跟随性能指标和

10、频域指标与参数的关系如表 2-2册 Tnt = 1 y110120130AC坦2x100%,55.5%33.2%18.5%12.9力2.83.43.84.04/T14.721.728.730.4表2-1典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系参数关系KT0,250390.50.691.0阻尼比彳L00.80.7070.60.5超调量仃0%1.5%4.3%9.5%163%上升时间及86.6T4.773.3T2.4T峰值时间t?CO8.3 丁6.274.7 丁3.2 7相角稳定裕度了76.M69.965.5i59.2 51.8 .截止频率0c0.2437T0367/70.455/T0.596/T0

11、.786/T表2-2典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系2.4 典型n型系统介绍典型II型系统的结构图如图2-2所示.K(疫十1) 户)s2(Ts + 1)图2-3典型n型系统的结构图其传递函数为在典型II型系统的开环传递函数式中.与典型I型系统相仿,时间常数T 也是限制对象固有的.所不同的是,待定的参数有两个 ：K和t ,这就增加了选 择参数工作的复杂性.为了分析方便起见,引入一个新的变量 ,令典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系如表2-3h34678910f 1/(1max b72.2%77.5%81.2(184.0%86.3%88.1%89.6%90.8%tJT2.452

12、.702.853.003.153.253.303.40tJT13.6010.458.8012.9516.8519,8022.802535表2-3典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系2.5 转速调节器的实现模拟式转速调节器电路如图2-4图2-4含给定滤波与反应滤波的PI型转速调节器2.6电流调节器的实现模拟式电流调节器电路下列图图2-5含给定滤波与反应滤波的 PI型电流调节器2.7 校核转速超调量当系统突加阶跃给定时,ASR不饱和,不符合线性系统的前提,应该按 ASR 退饱和的情况计算超调量.第三章参数计算3.1 相关参数知参数：直流电 动机：pn=10kW , Un = 44V , 1n

13、 = 365A, nN =950/min,Ce=0.228/r min,九=1.5 ；V-M系统主电路总电阻：R = 0.86G ;电枢回路电磁时间常数： 下=0.028 ；电枢电路总电阻：R = 0.08251 ；电枢电路总电感：L=3.0mH ；折算至电动机飞轮惯量：GD2=20NR ；系统运动局部飞轮转矩相应的机电时间常数：Tm =0.38字；系统测速反应系数二 二 0.015& min/r ；系统电流反应系数 一0.2747/A ；触发整流装置的放大系数：Ks=40 ；三项桥式平均时空时间： Ts =0.0017s ；电流环滤波时间常数：Toi = 0.002s ；转速环滤波时间常数：

14、T0n =0.001s.设计要求：稳态指标无静差；动态指标电流超调量.% = 5%;空载起动到额定转速时的超调量仃n% =10%.3.2 主要参数计算3.2.1 电流环参数计算1 .确定时间常数:1)整流装置滞后时间常数Ts=0.0017s2)电流滤波时间常数Toi =0.002s3)电流环小时间常数之和 Tei = Ts + Toi =0.00667s2 .选择电流调节器的结构根据设计要求a%=5%,并保证稳态电流无差,可以按典I型系统设计电流调节器.电流环限制对象是双惯性的,因此可用PI型电流调节器.其传递函数为:K ( s 1)Wacr 二-Lj一)isTi0.028检查对电源电压的抗扰

15、性能：t.0 00667动态抗扰性能,各项指标都是可以接受的.3.计算电流调节器参数=4 197 /,一、97参照典型I型系统电流调节器超前时间常数：t i=T =0.028s.电流环开环增益：要求d%=5%时,根据典型I型系统动态跟随性能指标和 频域指标与参数的关系,应取 KiTzi =0.5 ,因此：Ki0.50.5一 174.96s0.00667于是,ACR勺比例系数为Ki 二Ki iRKs74.96 0.028 0.863=2.1630 0.0284.校验近似条件电流环截止频率: ci=K=74.96 1/S(1)晶闸管整流装置传递函数的近似条件3Ts3 0.00167=199.6s“

16、 ci满足近似条件.(2)忽略反电动势变化对电流环动态影响条件3 -1- =3TmTl=28.97s-10.383 0.028 ci满足近似条件.(3)电流环小惯性时间常数近似处理条件=115.35s, d ci1 _1_113 ；TsToi3 0.00167 0.005满足近似条件.根据上述参数,电流环可以到达的动态跟随性能指标为dr%=4.3% 0 cn满足简化条件(2)转速环小时间常数近似处理条件为1 74.96140.8s cn3 1 0.005满足简化条件.5.计算调节电阻和电容取 R)=40KQ ,那么Rn = KnRo = 22.6 40k11 = 904klRn0.091790

17、0 103F = 10.19FCii4 0.0053 FR40 103=5 10 = 5lF2h2T2n - 2 25 0.018346.转速超调量ASR当系统突加阶跃给定时,ASM饱和,不符合线性系统的前提,应该按 退饱和的情况计算超调量.由典型I型系统动态抗扰性与参数的关系可得CmaJCb =81.2%,理想空载时Z=0,那么. Cmax_inb _ 2Cmax, _ z ._nb TnCb n Cb n Tm136 0.863 02280.01384=2 81.2% 1.2 0.2282.42% ：二 10%15000.383能满足设计要求.MATLA仿真电流环不带扰动012345678

18、910电流环带扰动012345678910转速环无扰动扰动下频域特性图num=76.786;den=0.00667 1 0;sys=tf(num,den);bode(sys) margin(sys)Etodc Lic即cmFre?queniCrynum=354.442*0.092 354.442;den=0.0184 1 0 0;sys=tf(num,den);bode(sys)margin(sys)Bode DiagramGm - Inf 汨(at Inf r&dfeec), Pm = 41,1 deg (at 30 3 radfeec)15000JI.50,oo51-Frequency (rad底ec)课程设计体会这次的电力拖动大作业可谓做的大费周章, 无数次翻开课本温习已经学习过 的知识,不断点击的鼠标查阅网上的资料,和同学诸多的交流学习,终于完成了 这次让我受益匪浅的作业.上课时听老师讲的时候感觉这次设计也就是简单的带入计算而已,没有理论上的难度,等到没有人辅导自己设计