双闭环调速系统ASR和ACR综述.docx

1、双闭环调速系统ASR和ACR综述课程设计说明书学院： 机电工程学院专业： 电气工程及其自动化课程名称：电力拖动自动控制系统设计题目：双闭环调速系统 ASR 和 ACR构造及参数设计姓名：学号：指导教师：成绩：双闭环调速系统 ASR 和 ACR 构造及参数设计 (5)一设计目的：掌握用工程设计方法设计双闭环调速系统的转速调理器和电流调理器，加深对双闭环直流调速系统理解。二设计内容：有一个转速、 电流双闭环直流调速系统， 采纳三相桥式全控整流装置供电，已知电动机数据以下： 550kW，750V，780A，375r/min ，V min /r ，同意电流过载倍数 1.5 ，主回路总电阻， Ks =7

2、5，TL=0.03s,T m=0.084s, 电流反应滤波时间常数 Toi =0.002s, 转速反应滤波时间常数 Ton=0.02s, ASR最大最大给定值和输出限幅值为12V, ACR 最大输出限幅值为12V。设计要求：稳态无静差，动向指标：电流超调量 i 5%，电机空载起动到额定转速时的转速超调量 n 10%，ASR按典型 型系统设计，并取 . 。三时间安排：6.3 6.4 查阅有关资料；6.4 6.6 按要求设计有关内容，达成设计文本 查核辩论四参照书目：1.电力拖动自动控制系统（第 3 版）陈伯时主编 机械工业第一版社2.电力电子技术（第 4 版）王兆安 黄俊主编机械工业第一版社3.

3、自动控制理论刘丁主编机械工业第一版社4.电机及拖动基础（第 3 版）顾绳谷主编机械工业第一版社绪论 错 误!不决义书签。一 调理器的工程设计方法的基本思路 2二电流调理器的设计 32.1 电流环构造框图的化简 32.2 电流调理器构造的选择 42.3 电流调理器的参数计算 52.4 校验 62.5 计算调理器电阻和电容 7三转速调理器的设计 83.1 电流环的等效闭环传达函数 83.2 转速环构造的化简和转速调理器构造的选择 93.3 转速调理器的参数的计算 113.4 校验 113.5 计算调理器电阻和电容 123.6 校核转速超调量 12四转速调理器退饱和时转速超调量的计算 13五总结 1

4、6绪论在单闭环直流调速系统中， 电流截止负反应环节是特意用来控制电流的， 但它只好在超出临界电流值 Idcr 此后，靠激烈的负反应作用限制电流的冲击 ，其实不可以很理想地控制电流的动向波形。而采纳转速负反应和 PI 调理器的单闭环直流调速系统能够在保证系统稳固的前提下实现转速无静差。 可是，假如对系统的动向性能要求较高，比如：要求迅速起制动，突加负载动向速降小等等，单闭环系统就难以知足需要。为了实现转速和电流两种负反应分别起作用，可在系统中设置两个调理器，分别调理转速和电流， 即分别引入转速负反应和电流负反应。 两者之间推行嵌套（或称串级） 联接以下列图所示。 图中，把转速调理器的输出看作电流

5、调理器的输入，再用电流调理器的输出去控制电力电子变换器 UPE。从闭环构造上看，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。TLAUiV+U*nU-UcIdASRACRUdM+*i +UPEM-Un-nTG图 1-1 转速、电流双闭环直流调速系统构造图ASR转速调理器 ACR 电流调理器 TG 测速发电机TA 电流互感器 UPE电力电子变换器1U*n一 调理器的工程设计方法的基本思路应用工程设计方法来设计转速、 电流双闭环调速系统的两个调理器。 依照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则， 从内环开始， 逐渐向外扩展。 在双闭环系统中，应当第一设计电流调

6、理器， 而后把整个电流环看作是转速系统中的一个环节，再设计转速调理器。双闭环调速系统的实质动向构造图绘于图 1-2，它与前述的图 1-1 不一样之处在于增添了滤波环节，包含电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。电流内环-IdLn+Ks-1/IdR111ASRACRT0ns+1-T0is+1-Tss+1R+TmCUcUd0Tl s+1sE eUnU*iUiT0is+1T0ns+1图 1-2 双闭环调速系统的动向构造图T0i 电流反应滤波时间常数 T0n 转速反应滤波时间常数2二 电流调理器的设计2.1 电流环构造图的简化1）忽视反电动势的动向影响在按动向性能设计电流环时， 能够暂不考虑反电

7、动势变化的动向影响， 即 E0。这时，电流环以下列图所示。U*i(s)Uc (s)Ud0(s)Id (s)+Ks1/R1T0is+1ACRTss+1Tl s+1-Ui (s)T0is+1图 2-1a 电流环的动向构造图 及其化简2）等效成单位负反应系统假如把给定滤波和反应滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成U*i(s) / ，则电流环便等效成单位负反应系统（图2-1b）。U*i(s)Uc (s)Ks /RId (s)+ACR-T0is+1(Tss+1)(Tl s+1)图 2-1b33）小惯性环节近似办理最后，因为 Ts 和 T0i 一般都比 Tl 小得多，能够看作小惯性群而近似地看

8、作是一个惯性环节，其时间常数为T i = Ts + Toi（2-1）简化的近似条件为11ci3T s T oi电流环构造图最后简化成图2-1c。U*i(s)Uc (s)Ks /RId (s)+-ACR(Tls+1)(T is+1)图 2-1c2.2 电流调理器构造的选择从稳态要求上看，希望电流无静差，以获得理想的堵转特征，由图 2-23c 可以看出，采纳 I 型系统就够了。从动向要求上看，实质系统不一样意电枢电流在突加控制作用时有太大的超调， 以保证电流在动向过程中不超出同意值， 而对电网电压颠簸的实时抗扰作用不过次要的要素，为此，电流环应以跟从性能为主，应采纳典型 I 型系统。1）电流调理器

9、选择图 2-1c 表示，电流环的控制对象是双惯性型的，要校订成典型 I 型系统，明显应采纳 PI 型的电流调理器，其传达函数能够写成WACR(s) Ki ( is 1)（ 2-2）is为了让调理器零点与控制对象的大时间常数极点抵消，选择4iT l（2-3）则电流环的动向构造图便成为图 2-24a 所示的典型形式，此中KK i K s（2-4）Ii R式中Ki 电流调理器的比率系数；i 电流调理器的超前时间常数。校订后电流环的构造和特征a)动向构造图 :U i ( s)K I I d ( s)s(T i s 1)图2-2 校订成典型型系统电流环动向构造框图b)开环对数幅频特征 :L / dB20

10、dB / dec1OTici/ s 140dB / dec图2-3 校订成典型型系统电流环开环对数幅频特征2.3 电流调理器的参数计算表 2-1 典型 I 型系统跟从性能指标和频域指标与参数的关系5由式 2-2能够看出，电流调理器的参数是Ki和 i ，此中 i 已选定，待定的只有比率系数 Ki ，可依据所需的动向性能指标选用。 设计要求电流超调量i 5% ，由表2-1，KT=KI T i0.5 可选，且已知TsToi ，T i所以 电流环开环增益：K I135.14 s 1T i双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调理器都不饱和时。各变量之间的关系：U n U nn n0U iU iI dI d

11、m已知两个调理器的输入和输出最大值都是12V，额定转速 nN375r / min ，额定电流 I N 780A ，过载倍数1.5 ，则转速反应系数：U n12Vmin/rnN375电流反应系数：U i12V/AI N1.5 780由式（ 2-3）和（ 2-4），且已知 TL0.03s ， R， Ks75 ，则电流调理器的比率系数： K iKITl RK s752.4 校验）检核对电源电压的抗扰性能：TL，参照表 2-2的典型型系1T i统动向抗扰性能都是能够接受的。6表2-2 典型型系统动向抗扰性能指标与参数的关系T1T11115102030mT2T2Cmax 100%55.5%33.2%18

12、.5%12.9%Cbtm / Ttv / T电流截止频次：ciK I 135.14s 12）晶闸管整流装置传达函数的近似条件131196.1s 1ci知足近似条件。3Ts3）忽视反电动势变化对电流环动向影响的条件，已知Tm313159.76s 1ci知足近似条件。TmTL4）电流环小时间常数近似办理条件1111180.8s 1ci知足近似条件。3TsToi32.5 计算调理器电阻和电容含给定滤波和反应滤波的模拟式 PI型电流调理器原理图如图 2-4，图中 U i 为电流给定电压， I d 为电流反应电压，调理器的输出就是电力电子变换器的控制电压 Uc 。依据运算放大器的电路原理，且已知 R0

13、40 k ,能够简单地导出：K iRiRiK i R040，取 20 kR0iR CiCiiTl10 6FF ，取 FiRiRi20103Toi1R0 CoiCoi4Toi40.0022 107FF ，取F4R04010 37R iC iR0R 022U i-AU c+C oi+R 0R 022R balI dC oi图2-4 含给定滤波与反应滤波的 PI型电流调理器依照上述参数： Ri20k，Ci1.5 F ，Coi0.2 F ，电流环能够达到的动态跟从性能指标为 i4.3%5% （见表 2-1），知足以上要求。三转速调理器的设计3.1 电流环的等效闭环传达函数电流环经化简后可视作转速环中的

14、一个环节， 为此需要求出它的闭环传达函数 Wcli (s) ，由图 2-2可知：K II d ( s)s(T i s1)1（ 3-1）Wcli ( s)K IT i1U i ( s) /s2s 111)KIK Is(T i s忽视高此项， Wcli (s) 可降阶近似为：1Wcli (s) （ 3-2）1s 1K I接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为 U i (s) ，所以电流环在转速环中应等效为：1I d (s)Wcli (s)（3-3）U i (s)1s 1K I8这样，本来是双惯性环节的电流环控制对象， 经闭环控制后， 能够近似地等效成只有较小时间常数 1 K I 的一阶惯性环节。

15、这表示，电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟从作用。3.2 转速环构造的化简和转速调理器构造的选择用电流环的等效环节取代图 1-1中的电流环后，整个转速控制系统的动向构造框图如图 3-1所示。1I dL ( s)Un (s)1Ui (s)Id (s)Rn(s)Ton s 1ASR1 s 1CeTm sK ITon s 1图3-1 用等效环节取代电流环和电流环中同样，把转速给定滤波和反应滤波环节移到环内，同时将给定信号改成 U n (s) / ，再把时间常数 1/ K I 和 Ton 的两个小惯性环节归并起来，近似成一个时间常数为 T n 的惯性环节，此中 T n1，则转速环构造框图可化

16、简TonK I成图 3-2。*I dL (s)U n ( s)/I d (s)Rn(s)ASRT n s1CeTm s图 3-2 等效成单位负反应和小惯性的近似办理9为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前一定有一个积分环节，它应当包含在转速调理器中。 此刻扰动作用点后边已经有了一个积分环节， 所以转速环开环传达函数应共有两个积分环节， 所以应当设计成典型系统， 这样的系统同时也能知足动向抗扰性能好的要求。 至于其阶跃响应超调量较大， 那么线性系统的计算数据，实质系统中转速调理器的饱和非线性性质会使超调量大大降低。因而可知 ASR也应当采纳 PI调理器，其传达函数为：WASR ( s)K n (

17、 n s1)（ 3-4）n s式中 K n - 转速调理器的比率系数n - 转速调理器的超前时间常数这样，调速系统的开环传达函数为：Wn (s)K n ( n s 1)R /K n R( n s 1)n sCeTm s(T n s1)n CeTm s2 (T n s 1)K n R（3-5）令转速环开环增益 K N 为：K Nn C eTm则K N (n s1)（3-6）Wn (s)1)s2 (T n sU n ( s)K N ( n s1) n(s)s2 (T n s1)图3-3 校订后成为典型系统在典型系统的开环传达函数中，时间常数 T 是控制对象固定的，待定的参数有 K 和 。为 了剖析

18、方便，引入一个新的变量 h ，令hT2（ 3-7）110L / dBh40dB / decKgl20dB / dec0122OT11c/ s 1140dB / dec图 3-4 典型系统的开环对数幅频特征和中频宽3.3 转速调理器的参数的计算已知 KT= K I T i ， T i0.0037 s，则电流环等效时间常数：120.0074 s2T iK I已知 Ton 0.02s ，则小时间常数近似办理的时间常数为：1Ton0.02 0.0274 sT nK I按跟平和抗扰性能都较好的原则，取 h 5 ，则ASR 的超前时间常数为：nhT n5由式可知转速环开环增益为：K Nh 1251159.

19、84s 12h2T 2n520.0274 2由式可知ASR的比率系数为：(h 1)CeTm6K nRT n2 52h3.4 校验由式可知11转速环的截止频次为：1）电流环传达函数化简条件cnK NK N n 159.84 0.137 21.90s 111K I163.70s 1cn知足简化要求。3T i32）转速环小时间常数近似办理条件1K I127.4s 1cn知足近似条件。3Ton33.5 计算调理器电阻和电容依据图 3-5，已知 R0 40k ，则K nRnRnK n R011.04 40，取 Rn440kR0nRnCnCnn10 7F0.3114 FCnFRn440 103Ton1R0 ConC on4Ton4210 6F2 F ，取 Con2F4R040103R nC nR 0R 022U n-AU i+C on+R 0R 022R baln C on图3-5 含给定滤波与反应滤波的 PI型转速调理器