双闭环直流调速系统的课程设计报告教材

1、电力传动课程设计课题：双闭环直流调速系统班级：电气工程及其自动化 1004学号：3100501091姓名：贾斌彬指导老师：康梅、乔薇日期： 2014年1月9日目录第 1 章 系统方案设计1.1 任务摘要 31.2 任务分析 . 31.3 设计目的、意义 31.4 方案设计 . 4第 2 章 晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定2.1 电枢回路电阻 R 的测定 . 52.2 主电路电磁时间常数的测定 62.3 系统机电时间常数 TM的测定 72.4 测速电机特性 UTG=f(n) 的测定 . 72.5 晶闸管触发及整流装置特性 Ug=f( Ug)的测定 7第 3 章 双闭环调速系统调节器的设计

2、3.1 电流调节器的设计 . 73.2 转速调节器的设计 . 9第 4 章 系统特性测试4.1 系统突加给定 114.2 系统突撤给定 错误！未定义书签。4.2.2 突加负载时 124.2.3 突降负载时 12第 5 章 设计体会第 1 章 系统方案设计1.1 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 i 5%转速超调 n 10%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/A1

3、.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

4、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。1.3 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

5、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。1.4 方案设计双闭环调速系统的实际动态结构图如

6、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， 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

7、设计上的方便。其中: Toi 为电流反馈滤波时间常数Ton 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,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 ：

8、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 AP1：组脉冲放大器第 2 章 晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定2.1 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+R。n 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 M

9、CL-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 =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

10、.求解两式，可得电枢回路总电阻 R=（U2-U1）/（I1-I2） 计算得 R=19.75 ? .2.2 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 id Id（1 e t /Td ）当 t =Td 时，有 id Id（1 e 1） 0.632Id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。图见附录2.3 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Tm (GD2 R) / 375CeLM由于 Tm>>

11、;Td，也可以近似地把系统看成是一阶惯性环节，即n K /(1 TmS) Ud由过渡过程曲线，即可由此确定机电时间常数 TM=275ms 图见附录2.4 测速电机特性 UTG=fn 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（ r min ）350550600640700760Utg6.39.09.51112.112.82.5 晶闸管触发及整流装置特性 Ud=f Ug 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=f UgUg(V

12、)5.95.45.04.64.23.63.2Ud(V)275255240215190145110第 3 章 双闭环调速系统调节器的设计3.1 电流调节器的设计1) 确定时间常数已知 Ts 0.0017s ， Toi 0.002s ，所以电流环小时间常数T i Ts Toi =0.0017+0.002=0.0037S 。2) 选择电流调节器的结构因为电流超调量 i 5% ，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 i=Tl =0.0239s，又因为设计要求电流超调量0.5 0.5i

13、 5% ，查得有 K I T i =0.5 ，所以 KI =135.1S 1，又由于i T i 0.0037UdUim 5Ks ，计算得 Ks=60。由于Uim 5 7.14V / A ，所以 ACR的比例系数UcIdm 0.7K i KI R i i Ks135.1 0.0239 48.50.36660 6.674) 校验近似条件 电流环截止频率 Wci=KI =135.1 S 1 。 晶闸管整流装置传递函数的近似条件：13Ts13 0.0017196.1S 1 >Wci ，满足条件忽略反电动势变化对电流环动态影响条件：33TM TL92.3S 1 wci ，0.0442 0.0239

14、满足条件电流环小时间常数近似处理条件：113 Ts Toi113 0.0017 0.002180.8S 1 Wci ，满足条件5) 计算调节器的电阻和电容 取运算放大器的 R0 =20 k ，有 Ri =13K其结构图如下所示：有公式 Cii Ri ，图 4-1 电流调节器Ci15*10 3 S / 13* 1031.15 F取 Ci 1.2 F3.2 转速调节器的设计1）确定时间常数：1 有KI Ti 0.5,则2T i 2 0.0037s 0.0074 s ，已知转速环滤波时间常I i K I i1数Ton =0.01s ，故转速环小时间常数 T nTon 0.0074 0.01 0.01

15、74 s 。n KI on2）选择转速调节器结构 ：K s 1 按设计要求，选用 PI 调节器WASR sn nns3）计算转速调节器参数：因为转速超调量 i 10% , 则 nCmaxCbnbTnz n 10%,由于Tm实验要求 =1.1 ，理想空载启动有z=0, 而且IRnbdNbCCe,n1500r/min, Ce0.1406,dl ，I dNIdl 0.7A，TM 30 ms,T n 0.0174 s代入上式，可得 Cmax 69.01%，由查表 3-5, 按跟Cb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KNhTn3 0.0174 s 0.052

16、2s ，h12 h22T n22 32 0.0174 2s 2 733.99s 2 。0.003Vmin/ r , 则有 ASR的比例系数为：1500Knh 1 CeTM4 7.14 0.1406 0.032h RT n2 3 0.003 42.6 0.01749.034) 检验近似条件转速环截止频率为wcnKNw1KN n 733.99 0.0522 38.3s 1 。电流环传递函数简化条件为1 KI1 135.1 s 1 63.7s 1 wcn ，满足条件。3 0.0037转速环小时间常数近似处理条件为：条件。5) 计算调节器电阻和电容：取 R0=20k ，有 Ri 120k ，其结构图如

17、下：10图 4-2 转速调节器有公式 Cn n Rn ，Cn 275* 10 3S/120*1032.29 F取 Cn 2.3 F 。6）校核转速超调量：由 h=3，查得 n 52.6% ，不满足设计要求，应使 ASR 退饱和重计算 n 。设 理想空载 z=0，h=3时，查得 Cmax =72.2%，所以 n=2（ Cmax ）（z）CbCb0.64 42.6nN T n =2 72.2% 1.1 0.14060.0174 9.9% 10%，满足设计要求nTm 15000.036第四章 系统动态特性观察与测定4.1 突加给定时 （图见附录 ）图中蓝线为电流环特性曲线， 黄线为转速环特性曲线。

18、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 ，Ui Uim 。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*，11Un=0。因为 Id>Idm ，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 Un<

19、0，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。4.2 突撤给定时（ 图见附录）。4. 3 突加负载时（ 图见附录）。4. 4 突降负载时（ 图见附录）。第五章 设计体会一周的课程设计结束了，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