《电力拖动自动控制系统运动控制系统》课程设计直流双闭环有环流可逆调速系统设计.docx

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《电力拖动自动控制系统运动控制系统》课程设计直流双闭环有环流可逆调速系统设计

课程设计报告书

题目

直流双闭环有环流可逆调速系统设计

院系

信息工程系

专业

自动化

班级

姓名

学号

指导教师

2011

年

6

月

14

日

课程设计任务书

学生姓名：

专业班级：

自动化1081

指导教师：

工作单位：

信息工程系

题目:

直流双闭环有环流可逆调速系统设计

初始条件：

1.直流电动机额定参数为：

UN＝220V，IN＝136A，Ce＝0.132v.min/r，Ra＝0.5Ω

2.电机过载倍数λ＝1.5，Ks＝40，Tl＝0.03s，Tm＝0.18s，

调节α＝0.07v.min/r,β=0.05v/A

3.测速发电机参数：

23W，110V，0.21A，1900r/min，永磁式

4.主电路采用三相全控桥，反并联连接，进线交流电源：

三相380V

要求完成的主要任务:

（包括课程设计工作量及其技术要求，说明书撰写等具体要求）

1.转速调节器ASR及电流调节器ACR的设计

2.转速反馈和电流反馈电路设计

3.集成触发电路设计

4.主电路及其保护电路设计

课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。

满足如下要求：

1．采用α＝β配合控制，能够实现可逆运行，转速和电流稳态无差，电流超调量小于5％，转速超调量小于10％。

2.对系统设计方案的先进性、实用性和可行性进行论证，说明系统工作原理。

3.画出单元电路图，说明工作原理，给出系统参数计算过程。

4.画出整体电路原理图，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。

时间安排：

2011.6.13－2011.6.15收集课程设计相关资料

2011.6.16－2011.6.23系统设计

2011.6.24－2011.6.26撰写课程设计及答辩

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

摘要

直流调速[1]是指人为地或自动地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。

直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。

本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。

然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。

对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。

关键词直流电机直流调速系统速度调节器电流调节器双闭环系统仿真

第一章直流调速系统设计

1.1直流调速系统的调速原理

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广范围内平滑调速，所以由晶闸管—直流电动机（V—M）组成的直流调速系统是目前应用较普遍的一种电力传动自动化控制系统。

它在理论上实践上都比较成熟，而且从闭环控制的角度看，它又是交流调速系统的基础[1，6]。

从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统（伺服系统）、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此，调速系统是最基本的电力拖动控制系统。

直流电动机的转速和其它参量的关系和用式（2—1）表示

（2—1）

式中n——电动机转速；

U——电枢供电电压；

I——电枢电流；

R——电枢回路总电阻，单位为

——由电机机构决定的电势系数。

在上式中，

是常数，电流I是由负载决定的，因此，调节电动机的转速可以有三种方法：

（1）调节电枢供电电压U；

（2）减弱励磁磁通

；

（3）改变电枢回路电阻R。

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式最好。

改变电阻只能实现有级调速；减弱励磁磁通虽然能够平滑调速，但调速的范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上做小范围的弱磁升速。

因此，自动控制的直流调速系统往往以改变电压调速为主。

1.2电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析

1.2.1双闭环调速的工作过程和原理

双闭环调速系统的工作过程和原理:

电动机在启动阶段,电动机的实际转速（电压）低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号,经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器,此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值,电动机以最大电流恒流加速启动。

电动机的最大电流（堵转电流）可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。

在电动机转速上升到给定转速后,速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。

对负载引起的转速波动,速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压相应变化,从而校正和补偿电动机的转速偏差。

另外电流调节器的小时间常数,还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节,可以在电动机转速还未来得及发生改变时,迅速使电流恢复到原来值,从而使速度更好地稳定于某一转速下运行[1，5，，6，8]。

1.2.2双闭环直流调速系统的组成及其静特性

一、双闭环直流调速系统的组成

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。

两者之间实行嵌套连接，如图2—4所示。

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。

这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

图2—4转速、电流双闭环直流调速系统

其中：

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-电力电子变换器

-转速给定电压Un-转速反馈电压

-电流给定电压

-电流反馈电压

二、双闭环直流调速系统的静特性分析

图2—5双闭环直流调速系统的稳态结构框图

分析静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征，一般使存在两种状况：

饱和—输出达到限幅值，不饱和—输出未达到限幅值。

当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出的联系，相当于使该调节环开环。

当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压ΔU在稳态时总为零。

实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。

因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况[1，5，，6，8]。

1．转速调节器不饱和

这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此，

=

=

=

=

=

由第一个关系式可得：

n=

=

从而得到图2-5所示静特性曲线的CA段。

与此同时，由于ASR不饱和，

<

可知

<

，这就是说，CA段特性从理想空载状态的Id=0一直延续到

=

。

而

，一般都是大于额定电流

的。

这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。

2．转速调节器饱和

这时，ASR输出达到限幅值

，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。

双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。

稳态时：

=

=

其中，最大电流

取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度，由上式可得静特性的AB段，它是一条垂直的特性。

这样是下垂特性只适合于

的情况，因为如果

则

ASR将退出饱和状态.

双闭环调速系统的静特性在负载电流小于

时表现为转速无静差,这时,转速负反馈起主要的调节作用,但负载电流达到

时,对应于转速调节器的饱和输出

这时,电流调节器起主要调节作用,系统表现为电流无静差,得到过电流的自动保护.这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。

然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，因此，静特性的两段实际上都略有很小的静差。

三、　各变量的稳态工作点和稳态参数计算

由双闭环直流调速系统的稳态结构图可知，双闭环调速系统在稳态工作时，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有以下关系：

=

=

=

=

=

=

=

=

=

上述关系表明，在稳态工作点上，转速n是由给定电压

决定，ASR的输出量

是由负载电流

决定的，而控制电压

的大小则同时取决于n和

，或者说，同时取决于

和

。

PI调节器输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。

后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。

鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数。

转速反馈系数：

α=

/

;

电流反馈系数：

β=

/

;

两个给定电压的最大值

、

由设计者给定，受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制。

1.3双闭环直流调速系统的数学模型

双闭环直流调速系统数学模型的建立涉及到可控硅触发器和整流器的相关内容，这里仅作简单介绍，具体的内容将在第三章内加以说明。

全控式整流在稳态下，触发器控制电压Uct与整流输出电压Ua0的关系为：

其中：

A---整流器系数；

---整流器输入交流电压；

---整流器触发角；

---触发器移项控制电压；K---触发器移项控制斜率；

整流与触发关系为余弦，工程中近似用线性环节代替触发与放大环节，放大系数为：

K=

。

绘制双闭环直流调速系统的动态结构框图如下：

图2—7双闭环直流调速系统的动态结构框图

1.4调节器的工程设计方法

PI调节器的结构如下图所式[1，2，3]：

由图可得：

：

PI调节器比例部分的放大系数

：

PI调节器积分时间常数

PI调节器的传递函数为：

1.5电流环、速度环的设计

本设计为双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式全控整流电路基本数据如下：

1）晶闸管装置放大系数：

=40

2）电枢回路总电阻：

R=0.5Ω

3）时间常数：

电磁时间常数

=0.03s

机电时间常数

=0.18s

4）调节器输入电阻

=20

设计指标：

静态指标：

无静差；

动态指标：

电流超调量

%≤5%；空载起动到额定转速时的转速超调量

%≤15%。

计算反馈关键参数：

α＝0.07v.min/r,β=0.05v/A

一.　电流环的设计

（1）确定时间常数

a）整流装置滞后时间常数

；（见附录表一）

电流滤波时间常数

=0.002s（三相桥式电路每个波头是时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（1～2）

=3.33ms，因此取

=2ms=0.002s）

电流环小时间常数之和

按小时间常数近似处理

。

（

和

一般都比

小得多,可以当作小惯性群近似地看作是一个惯性环节）

（2）选择电流调节器结构

根据设计要求：

%≤5%，且

，可按典型Ⅰ型设计电流调节器。

电流环控制对