双闭环不可逆直流调速系统设计

V-M双闭环不可逆直流调速系统设计技术要求：1．该调速系统能进平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，较宽的调速范围（d≥10），系统工作范围内能稳定作2．系统静特性良好，无静差（静差率s≤2）3．动态性指标：转速超调量δn＜8%，电流超调量δi＜5%，动态速降δn≤8-10%，调速系统的过渡过程间（调节间）ts≤1s4．系统5%负载以变化的运行范围内电流连续5．调速系统设置有过电压、过电流等保护，并且制动措施三．设计内容：1．根据题目的技术求，分析论证并确定主电路的结构型式闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图2．调速系统电路元部件的确定及其参数计算（包括变压器、电力电子器件、平波电抗器保护电路等）3．驱动控制电路选型设计（模拟触电路、集成触电路、数字触器电路均）4．动态设计计算：根据技术求，对系统进行动态校正，确定asr调节器acr调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统作稳定，并满足动态性能指标的求5．绘制v-m双闭环直流可逆调速系统的电气原理总图（求计算机绘图）6．整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算明书四．技术数据：晶闸管整流装置：rrec=0.032ωω，ks=45-48。负载电机额数据：pn=90kw，un=440v，in=220a，nn=1800r/min，ra=0.088ω，λ=1.5。系统电路：r∑=0.12ω，tm=0.1s一.设计方案的选择速度和电流双环直流调速系统（双环），是由单闭环直流调速系统发展起来的，调速系统使用比例积分调节器，可以实现转速的无静差调速。又采用电流截止负载环节，限制了起（制）动时的最大电流。这对一般的要求不太高的调速系统，基本上已能满足要求。但是由于电流截止负反馈限制了最大电流，加上电动机反电势随着转速的上升而增加，使电流到达最大值后迅速降下来，这样，电动机的转距也减小了，使起动加速过程变慢，起动（调整时间ts）的时间就比较长。在这些系统中为了尽快缩短过渡时间，所以希望能够充分利用晶闸管元件和电动机所允许的过载能力，使起动的电流保护在最大允许值上，电动机输出最大转矩，从而转速可直线迅速上升，使过渡过程的时间大大缩短。另一方面，在一个调节器输出端综合几个信号，各个参数互相调节比较困难。为了克服这一缺点就应用转速，电流双环直流调速系统。转速.电流双闭环直流调速系统原理图如下:该系统有两个反馈回路,构成两个闭环回路(双闭环).其中一个是由电流调节器ACR和电流检测反馈环节构成电流环,另一个是由速度调节器ASR和转速检测反馈环节构成速度环.由于速度环包围电流环,因此称电流环为内环,速度环称外环.在电路中,ASR和ACR实行串级联接,即由ASR去”驱动”ACR.再由ACR去“控制”触发电路。上图中的速度调节器ASR和电流调节器ACR均为比例加积分（PI）调节器，它的输入与输出均设有限幅电路。ASR的输入电压为偏差电压△Un,△Un=Usn–Ufn=Usn-￡n(￡为转速反馈系数)，其输出电压为ACR的输出电压Usi,其限幅值为Usim.ACR输出电压为偏差电压△Ui,△Ui=Usi–Ufi=Usi-＆Id(＆为电流反馈系数)，其输出电压即为触发电路控制电压Uc,其限幅值为Ucm.ASR和ACR的输入，输出量的极性，主要把触发电路看做对电压Uc的要求而定的，这里假设触发器要求Uc为正极性，由于运放器为反相输入端输入！所以Usi应该为负极性。由于电流为负反馈。所以Ufi为正极性。同样，由于Usi要求为负极性，则Usn为正极性，又由于转速为负反馈，所以Ufn也为负极性。各量的记性如上图中的标注所示。在上框图中，为了简化，就将调节器看做正相端输入，而将极性标致放到具体的线路中去，这样调节器的传递函数的负号就没有了！分析起来也很容易！另外，ASR和ACR均有输入和输出的限幅电路，输入限幅是为了保护运放器。ASR的输出限制幅度值为Usim.它主要限制最大电流，ACR的输出限幅值为Ucm。它主要限制晶闸管整流装置的最大输出电压Udm.

二.单元电路分析:1.

给顶电位器

调节变阻器RP1可以改变输出电压Usn的大小，根据转速n适量调节RP1，得出所需的转速的电压的大小2.转速比较器

通过反馈转速与设定转速的比较，可以求得输出Uo的大小

Uo=R1n*+R1n若n〈n*，则Uo>0，反之则Uo<03.

速度调节器ASR

速度调节器ASR的调节作用：S速度环是由ASR和转速负反馈组成的闭环。它的主要作用是驳斥转速稳定，并最后消除转速静差。由于ASR属于PI调节器，因此在稳态的时候△Un=Usn-＆n=0所以在稳态的时候，n=Usn/＆它表示当Usn一定时，ASR的作用，转速n稳定在Usn/＆假设n＜Usn/＆从上面的分析可以卡出，当转速环要求电流迅速响应转速n的变化而变化的时候，而电流环则要维持电流不变，这种性能会不利于电流对转速变化的响应，有使静特性边软的趋势。但由于转速环是外环，电流环的作用只相当于转速环内部一种扰动。不起主导作用。只是转速环的开环放大倍数足够大，最后还是只靠ASR的积分作用，消除转速偏差。4.电路比较电路

工作原理与转速比较出相类似。5.电流调节器ACR电流调节器ACR的调节作用：电流环由ACR和电流负反馈组成的闭环。其主要作用是稳定电流。由于ACR为PI调节器。所以在问台的时候，它的输入电压△Ui必须为0。即△Ui=Usi-§Id=0所以在问台的时候Id=Usi/§此式的含义:当Usi一定的情况下，由于电流调节器ACR的调节作用，整流装置将保持在Usi/§的数值上。假设Id>Usi/§它的自动调节过程如下：它可以保持电流特性不便使得:自动限制最大电流,能有效抑制电网电压波动的影响.1.由于ASR有输出限幅,限幅值为Usim,这样电流的最大值为Im>Usim/§.当Id＞Im时.电流环将使电流下降.调节电位器RP3的电流反馈系数§或整定ASR限幅值Usim可以整定Im的数值.Im=2.0—2.5IN2.能够有效的抑制电网电压波动的影响。当电网电压波动引起的电流波动，通过电流调节器ACR的调节作用，使得电流很快的恢复原值。在双闭环调速系统中，电网电压波动对转速的影响很小，可以忽略。6.整流电路

三相全桥控制整流电路任一时刻必须有两只晶闸管同时导通，才能形成负载电流，其中一只在共阳极组，另一个在共阴极组。

整流输出电压Ud是由电源线电压Uuv,Uuw,Uvw,Uvu,Uwu,Uwv的轮流输出所组成的。晶闸管的导通顺序及输出关系如图：7.电动机固有特性他励直流电机原理如图：

电枢感应电动势

Ea=CeΦn

电磁转矩

T=CTΦn

电枢电路电压平衡方程U=Ea+RIa

电动机转速特性方程

n=(U-RIa)/CeΦ由电磁转矩方程可得到Ia=T/CTΦ，代入转速特性方程式中，就得到电动机机械特性方程式：

n=U/CeΦ-RT/CeCTΦ^2式中R=Ra+RΩ.在式中，若U，Φ，R均为常数，机械特性是一条向下倾斜的直线他励直流电动机的固有特性机械方程式为：

n=U/CeΦ-RT/CeCTΦ^2其固有机械特性具有的特点：1）.由于Ra很小，斜率β=Ra/CeCTΦN^2也很小，特性比较平，称为硬特性，当转矩变化时，转速变化较小。2）.当T=0时，n=n0=UN/CeΦN为理想空栽转速，此时Ia=0,Ea=UN.3）.当T=TN时，n=nN,转速ΔnN=no–nN=βTN称为额定转速降固有特性是电动机最重要的特性。8.测速发电机直流测速发电机就是微型直流发电机。电磁式直流发电机由他励方式励磁。其原理图如下：

直流测速发电机的重要特性是输出特性：当定子每极磁通Φ为常数时发电机的电枢电动势为Ea=CeΦn

其中Ce为电动势常数。当电枢回路电阻Ra，发电机接负载电阻RL时。输出电压为：

U=Ea-RaIa=Ea--(U/RL)RaU=Ea/(1+Ra/RL)=CeΦ/(1+Ra/RL)*n=βn

β=CeΦ/(1+Ra/RL)为常数三.参数分析图中速度调节器的传递函数为KnTs+1/Tns电流调速器的传递函数为KiTi+1/TisKn–速度调节器的增益。Kn=Rn/RoTn–速度调节时间常数。Tn=Rn/CnKi–电流调节器增益。Ki=Ri/RoTi–电流调节器时间常数。Ti=RiCiKs–晶闸管整流装置增益Rd–电动机电枢回路电阻Td–电动机电枢回路时间常数，Td=Ld/Rd,Ld为电枢回路电感KT–电动机电磁转矩恒量Ke–电动机电动势恒量∮--电动机工作磁通量JG—电动机，机械负载折合到电动机转轴上的机械转速惯量￠--转速反馈系数﹩--电流反馈系数Usn给定量N转速Tl—负载阻力转矩（扰动量）Ufn—转速反馈电压（反馈量）Ufi–电流反馈电压（反馈量）△Un和△Ui偏差电压Uc—控制电压Ud–整流电压Ua–电动机电枢电压Ia--电枢电流E—电动机电动势Te–电磁转矩在这个系统框图中有9个环节，其中反映了电磁惯性，机械惯量。除了电机内部的闭环外，它还有两个闭环，系统框图把图中9个环节功能框和它们之间相互联系很好的描述出来四.原理总图

五．若干问题的回答1.无静差是什么意思，在设计中是如何实现的。

当系统从一个稳态过程过度到一个新的稳态，或系统受扰动作用又重新达到平衡状态后，体统会出现偏差。这种偏差称为稳态误差ess,当ess=0时叫无静差。Ess越小，系统的稳态精度越高！要想实现无静差系统。可以在前后通道中适量的增加积分环节个数V和提高开环增益K。这样可以提高系统的稳定精度。2.为什么要有电流环如没有电流环只有速度环的话。那么在速度变化时，跟踪速度慢，抗干扰能力差六.设计总结

通过一段时间的努力，终于搞好自动控制课程设计，在设计期间，在图书馆里查了许多有关资料，并从中看到自己学的知识是按么微不足道。通过课程设计，以前一些不懂的知识点现在明白了。比如，电路可逆与不可逆的异同，闭环调速系统的电路原理与性能分析等。但是也有几个知识点不知如何处理。超调量怎么分析？调整时间Ts与振荡次数N的关系？

该系统中调速系