转速电流双闭环直流调速系统课程设计

课程设计任务书课程设计任务书 某晶闸管供电的双闭环直流调速系统， 整流装置采用三相桥式电 路，基本数据为： 直流电动机：U N=220V，IN=205A， =575r/min , R a=0.1 ，电枢电路 总电阻 R=0.2 ， 电枢电路总电感L=7.59mH， 电流允许过载倍数 折算到电动机轴的飞轮惯量 晶闸管整流装置放大倍数 电流反馈系数 转速反馈系数 滤波时间常数取 ( ( ， 。 ，滞后时间常数 ) 。 。 ， ；调节器输入电阻 R 0=40 设计要求： 稳态指标：无静差； 动态指标：电流超调量 量 ；空载起动到额定转速时的转速超调 。 编辑版 word 目录 课程设计任务书 . 1 第一章 直流双闭环调速系统原理. 3 1.1 系统的组成 3 1.2 系统的原理图 4 第二章 转速、电流双闭环直流调速器的设计 6 2.1 电流调节器的设计. 6 2.2 转速调节器的设计.13 第三章 系统仿真. 21 心得体会 . 26 参考文献 . 27 编辑版 word 第一章第一章 直流双闭环调速系统原理直流双闭环调速系统原理 1.11.1 系统的组成系统的组成 转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、 应用最广的直 流调速系统。采用 PI 调节的单个转速闭环调速系统可以在保证系统 稳定的前提下实现转速无静差。 但是对系统的动态性能要求较高的系 统，单闭环系统就难以满足需要了。 为了实现在允许条件下的最快启动， 关键是要获得一段使电流保 持为最大值的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的 负反馈就可以保持该量基本不变， 那么，采用电流负反馈应该能够得 到近似的恒流过程。所以， 我们希望达到的控制：启动过程只有电流 负反馈，没有转速负反馈； 达到稳态转速后只有转速负反馈，不让电 流负反馈发挥作用。故而采用转速和电流两个调节器来组成系统。 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用， 可以在系统中设置 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。二者之间实行嵌套（或称串级）联接，如图1-1 所示。把转速 调节器的输出当作电流调节器的输入， 再把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； 转速换在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 编辑版 word 图 1-1 转速、电流双闭环直流调速系统 1.21.2 系统的原理图系统的原理图 为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采 用 PI 调节器，这样组成的直流双闭环调速系统原理图如图1-2 所示。 图中 ASR 为转速调节器，ACR 为电流调节器，TG 表示测速发电机， TA 表示电流互感器，UPE 是电力电子变换器。图中标出了两个调节 器出入输出电压的实际极性， 它们是按照电力电子变换器的了控制电 压 UC为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图 中还标出了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR 的输出限幅电压 的输出限幅电压 决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR 限制了电力电子变换器的最大输出电压。 编辑版 word 图 1-2双闭环直流调速系统电路原理图 编辑版 word 第二章第二章 转速、电流双闭环直流调速器的设计转速、电流双闭环直流调速器的设计 2.12.1 电流调节器的设计电流调节器的设计 2.1.1 电流环结构框图的化简 在图 2-1 点画线框内的电流环中，反电动势与电流反馈的作用互 相交叉， 这将给设计工作带来麻烦。 实际上， 反电动势与转速成正比， 它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，系统的电磁时间常数 T L 远小于机电时间常数 T m，因此，转速的裱花往往比电流变化慢得 多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变 过程中，可以认为反电动势基本不变，即。这样，在按动态性 能设计电流环时， 可以暂不考虑反电动势变化的动态影响， 也就是说， 可以暂且把反电动势的作用去掉， 得到电流环的近似结构框图， 如图 2-1 所示。可以证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是 式中-----电流环开环频率特性的截止频率。 图 2-1忽略反电动势的动态影响时电流环的动态结构框图 编辑版 word 如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把 给定信号改成， 则电流环便等效成单位负反馈系统， 如图 2-2 所示，从这里可以看出两个滤波时间常数取值相同的方便之处。 图 2-2 等效成单位负反馈系统时电流环的动态结构框图 最后，由于 T S 和 T OI 一般都比 T L 小得多，可以当作小惯性群而 近似看作是一个惯性环节，其时间常数为 则电流环结构框图最终简化成图 2-3。简化的近似条件为 图 2-3小惯性环节近似处理时电流的动态结构框图 2.1.2 电流调节器结构的选择 从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由 图 2-3 可以看出，采用 型系统就够了。再从动态要求上看，实际系 编辑版 word 统不允许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 态过程中不超过允许值， 而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要 的因素。为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型 型系统。 图 2-3 表明，电流环的控制对象是双惯性的，要校正成典型 型 系统，显然应采用 PI 型的电流调节器，其传递函数可以写成 式中—— 电流调节器的比例系数； —— 电流调节器的超前时间常数。 为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择 则电流环的动态结构框图便成为图 2-4 所示的典型形式，其中 图 2-4 校正成典型 型系统的电流环动态结构框图 2.1.3 电流调节器的参数计算 1.确定时间常数 编辑版 word 1）整流装置滞后时间常数 。 2）电流滤波时间常数。取 。三相桥式电路的平均失控时间 。 。按小时间常数近似处理，取3）电流环小时间常数之和 。 4）电磁时间常数 、机电时间常数 电动势系数。； ； 2.选择电流调节器结构 根据设计要求，并保证稳态电流无静差，可按典型 型系 统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性的，因此可采用PI 型 电流调节器。传递函数为：WACR(s)= 检查对电源电压的抗扰性能：，参照表 2-1 的典型 型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。 编辑版 word 表 2-1 典型 型系统动态抗扰性能指标与参数的关系 3.计算电流调节器参数 电流反馈系数： 电流调节器超前时间常数： 电流环开环增益：要求 因此 。 时，按表 2-2，应取， 于是，ACR 的比例系数为 编辑版 word 表 2-2 典型 型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系 4.校验近似条件 电流环截止频率： （1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件。 （2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 满足近似条件。 （3）电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件。 5.计算调节电阻和调节电容 由图 2-5，按所用运算放大器取 编辑版 word ，各电阻和电容值为 ，取 58 取 0.65 取 0.1 按 照 上 述 参 数 ， 电 流 环 可