双闭环直流调速系统的课程设计报告

1、- 16 -电力电子与电力拖动课程设计 专业 电气工程及其自动化 学号 201314240333 姓名 任树亮 班级 电气三班 老师 谢光奇 第1章 绪论3第2章 系统方案设计2.1 任务摘要.52.2 任务分析52.3设计目的、意义62.4 方案设计6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的测定83.2主电路电磁时间常数的测定83.3系统机电时间常数TM的测定93.4测速电机特性UTG=f(n)的测定93.5晶闸管触发及整流装置特性Ug=f（Ug）的测定9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104.2 转速调节器的设计11第5章 附录第一章

2、 绪论 许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态，动态性能。而直流调速系统调速范围广，静差率小，稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时间内几乎都采用直流电力拖动系统。双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。它具有动态响应快，抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗干扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动，突加负载动态速

3、率小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止至限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。随着社会化大生产的不断发展，电力传动装置在现代化工业生产中的得

4、到广泛应用，对其生产工艺，产品质量的要求不断提高，这就需要越来越多的生产机械能够实现制动调速，因此我们就要对这样的自动调速系统作一些深入的了解和研究。本次设计的课题是双闭环晶闸管不可逆直流调速系统，包括主电路和控制电路。主电路由晶闸管构成，控制电路主要由检测电路，驱动电路构成，检测电路又包括转速监测和电流检测等部分。按电机的类型不同，电气传动又分交流调速和直流调速。直流调速是指人为的或自动的改变直流电动机的转速，以满足工作机械的要求。从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化。

5、直流电动机具有良好的起，制动性能，宜于在广泛的范围内平滑调速，在轧钢机，矿井卷扬机，挖掘机，海洋钻机，金属切削机床，制造机，高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域 中得到了广泛的应用。 许多生产机械，由于加工和运行的要求，使电动机经常处于起动、制动、反转的过渡过程中，因此起动和制动过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产效率。为缩短这一部分时间，仅采用PI调节器的转速负反馈单闭环调速系统，其性能还不很令人满意。双闭环直流调速系统是由速度调节器和电流调节器进行综合调节，可获得良好的静、动态性能（两个调节器均采用PI调节器），由于调整系统的主要参量为转速，故将转速环作为主环放在外面，电流环作为副

6、环放在里面，这样可以抑制电网电压扰动对转速的影响。实验系统的原理框图组成如下： 启动时，加入给定电压Ug，“速度调节器”和“电流调节器”即以饱和限幅值输出，使电动机以限定的最大启动电流加速启动，直到电机转速达到给定转速(即Ug =Ufn)，并在出现超调后，“速度调节器”和“电流调节器”退出饱和，最后稳定在略低于给定转速值下运行。 系统工作时，要先给电动机加励磁，改变给定电压Ug的大小即可方便地改变电动机的转速。“速度调节器”、“电流调节器”均设有限幅环节，“速度调节器”的输出作为“电流调节器”的给定，利用“速度调节器”的输出限幅可达到限制启动电流的目的。“电流调节器”的输出作为“触发电路”的控

7、制电压Uct，利用“电流调节器”的输出限幅可达到限制max的目的。第2章 系统方案设计2.1 设计一个双闭环晶闸管不可逆调速系统 设计要求： 电流超调 i5% 转速超调 n10% 静态特性 无静差 给定参数： 电机 额定功率 185W 额定转速 1600r/min 额定励磁电流 <0.16A 额定电流 1.1A 额定电压 220V 额定励磁电压 220V 转速反馈系数 =0.004 V·min/r 电流反馈系数 =6V/A2.2 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

8、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；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。2.3 设计目的、意义 采用转速负反馈和P

9、I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

10、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。2.4 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，

11、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。系统主电路： 启动时，加入给定电压Ug,

12、速度调节器和电流调节器即以饱和限幅值输出，使电动机以限定的最大启动电流加速启动，知道电机转速达到给定转速，并在出现超调后，速度调节器和电流调节器退出饱和，最后稳定在略低于给定转速值下运行。 图1-2 双闭环不可逆直流调速系统原理图。G:给定器 DZS：零速封锁器 ASR：速度调节器 ACR：电流调节器GT：触发装置 FBS：速度变换器 FA：过流保护器 FBC：电流变换器第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

13、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=0.8A，U1=126.6V） 调节

14、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=0.4A，U2=134.5V） 求解两式，可得电枢回路总电阻 R=(U2-U1)/(I1-I2) （计算得 R=19.75） 3.2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，即为枢回路的电磁时间常数Td，测得Td=15ms。3.3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Tm>>Td，也可

15、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=275ms3.4测速电机特性UTG=f的测定 加额定励磁，逐渐增加触发电路的控制电压Ug，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（）350550600640700760Utg6.39.09.51112.112.83.5 晶闸管触发及整流装置特性Ud=f的测定加额定励磁，逐渐增加触发电路的控制电压Ug，分别读取对应的Ud，Ug的数值若干组，即可绘制出特性曲线Ud=fUg（V）5.95.45.04.64.23.63.2Ud（V）275255240215190145110第4章

16、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

17、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取运算放大器的=20，有=13K其结构图如下所示： 图4-1 电流调节器 有公式 ， 取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

18、)检验近似条件转速环截止频率为。电流环传递函数简化条件为，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，有，其结构图如下：图4-2 转速调节器 有公式 ， 取。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5章 附录 一个月的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作。同时，这次设计过程中，体现出自己综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。 这次课程设计也锻炼了我们的细心和