2022年双闭环直流调速系统.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 直流双闭环调速系统设计1 设计任务说明书某晶闸管供电的转速电流双闭环直流调速系统,整流装置采纳三相桥式电路,基 本数据为：直流电动机：U N750 V,I N780A,n N375 rmin,R as0.04,电枢电路总电阻 R=0.1,电枢电路总电感L3 0. mH,电流答应过载倍数1 5.,折算到电动机轴的飞轮惯量GD2110944.Nm2；晶闸管整流装置放大倍数Ks75,滞后时间常数Ts0.0017电流反馈系数0.01 VA12V15.IN电压反馈系数0. 032Vminr12VnN滤波时间常数T oi0.002s,Ton0.02s .U

2、nmUimUcm12 V；调剂器输入电阻RO40K；设计要求：稳态指标：无静差名师归纳总结 n动 态 指 标 ： 电 流 超 调 量i500； 空 载 起 动 到 额 定 转 速时 的 转 速 超 调 量1000；第 1 页,共 25 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 目 录1 设计任务与分析 .2 调速系统总体设计 .3 直流双闭环调速系统电路设计 3.1 晶闸管 - 电动机主电路的设计. .3.1.1 主电路设计 . .3.1.2 主电路参数运算 . .3.2 转速、电流调剂器的设计.3.2.1 电流调剂器 . .3.2.1.1 电流调剂器设计

3、. .3.2.1.2 电流调剂器参数挑选 .3.2.2 转速调剂器 . .3.2.2.1 转速调剂器设计 . .3.2.2.2 转速调剂器参数挑选 .4 运算机仿真 .4.1 空载起动 .4.2 突加负载 .4.3 突减负载5 设计小结与体会 . .6 参考文献 .名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2 调速系统总体设计为实现转速和电流两种负反馈分别作用,直流双闭环调速系统中设置了两个调剂器, 即转速调剂

4、器ASR和电流调剂器ACR, 分别调剂转速和电流, 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,且都带有输出限幅电路；转速调剂器 ASR的输出限幅电*压 U im 打算了电流给定电压的最大值；电流调剂器 ACR的输出限幅电压 U cm 限制了电力电子变换器的最大输出电压 U dm；由于调速系统的主要被控量是转速 , 故把转速负反馈组成的环作为外环 , 以保证电动机的转速精确跟随给定电压 , 把由电流负反馈组成的环作为内环 , 把转速调节器的输出当作电流调剂器的输入,再用电流调剂器的输出去掌握电力电子变换器UPE,这就形成了转速、电流双闭环调速系统；如图 2-1 所示：电流检测UiU

5、n* 给定电压U速度Ui*-+电流Uc三相集成三相Ud直流nnUn调剂器调剂器触发器全控桥电动机-转速检测图 2-1 直流双闭环调速系统名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 为了获得良好的静、动态性能,转速和电流两个调剂器一般都采纳 PI 调剂器；这样构成双闭环直流调速系统；其原理图如图 2-2 所示：图 2-2 直流双闭环调速系统原理图直流双闭环调速系统由给定电压、转速调剂器、电流调剂器、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成,图中仍表示了两个调剂器的输出都是带限幅作用的,转速调剂器 ASR

6、的输出限幅电压 Uim* 打算后了电流给定电压的最大值,电流调剂器 ACR 的输出限幅电压 Ucm 限制电压 Ucm 限制了电力电子变换器的最大输出电压 Udm；其中主电路中串入平波电抗器,以抑制电流脉动,排除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响；名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3 直流双闭环调速系统电路设计3.1 晶闸管 -电动机主电路的设计3.1.1 主电路设计晶闸管 - 电动机调速系统（V-M系统）主电路原理图如图 3-1 所示：图 3-1 V-M 系统主电路原理图名师归纳总结 图

7、中 VT 是晶闸管可控整流器,它由三相全控桥式整流电路组成,如图3-2 所示：第 6 页,共 25 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 图 3-2 三相全控桥式整流电路Ud通过调剂触发装置GT的掌握电压Uc来移动脉冲的相位,即可转变平均整流电压,从而实现平滑调速；3.1.2 主电路参数运算U2Ud2.34 U2cosUdUN750 V,取o 02 .34Ud0.9112.750 V.91 .0356.13 Vcos2 . 340其中系数0.9 为电网波动系数,系数1-1.2 为考虑各种因素的安全系数,这里取1.0 ；名师归纳总结 电动势系数C eUNR

8、 aINTl7500 . 04780.19168 Vminr第 7 页,共 25 页n N375额定励磁下的电动机的转矩系数Cm30Ce0.03sL0 .003H电磁时间常数R0.1- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 机电时间常数T mGD2R37511094.4.01.300.0843s 375 CeCm1 .9168191683.2 转速、电流调剂器的设计转速、电流双闭环调速系统的动态结构图如图 3-3 所示：图 3-3 直流双闭环调速系统动态结构图由于电流检测信号中常含有沟通重量,为了不使它影响到调剂器的输入,需加低通滤波； 这样的滤波传递函数可用

9、一阶惯性环节来表示,其滤波时间常数 T 按需要选定,以滤平电流检测信号为准；然而,在抑制沟通重量的同时,滤波环节也推迟了反馈信号的作用,为了平稳这个推迟作用,在给定信号通道上加入一个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,滤波时间常数用 T on 表示,依据和电流环一样的道理,在转速给定通道上也加入时间常数为 T on 的给定滤波环节；系统设计的一般原就是：先内环后外环；在这里,第一设计电流调剂器,然后把名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 整个电流环看作是转

10、速调剂系统中的一个环节,再设计转速调剂器；3.2.1 电流调剂器3.2.1.1 电流调剂器设计1. 电流环结构框图的化简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,1即E0；这时,电流环如图3-4 所示；I d sU*is1 T0is+ 1+ACR-Ui sUc sKsUd0s1 /RTss+1Tl s+T0is+1图 3-4 电流环的动态结构框图及其化简（忽视反电动势的动态影响）忽视反电动势对电流环作用的近似条件是c31lT T式中 c- 电流环开环频率特性的截止频率；假如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名师归纳总结 U* is /,就电流环

11、便等效成单位负反馈系统；第 9 页,共 25 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - U*is+-T0is+1ACRUc sK s/RId sTss+1Tl s+1图 3-5 电流环的动态结构框图及其化简（等效成单位负反馈系统）最终,由于Ts 和 Toi 一般都比Tl 小得多,可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节,其时间常数为Ti = Ts + Toi查表 1 得,三相桥式电路的平均失控时间为 T s 0.0017 s ,电流滤波时间常数 T oi .三相桥式电路的每个波头的时间是 3.3ms ,为了基本滤平波头,应有（1 2）T =3.33ms,因

12、此取 T =0.002s 电流环小时间常数之和Ti = Ts + Toi=0.0037s；简化的近似条件为11Ks/RI ds电流环结构图最终简化成图ci3T T oi3-6；U*is+ACRUc s-Tls+1T is+1图 3-6 电流环的动态结构框图及其化简（小惯性环节的近似处理）图2-23c名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2 电流调剂器结构的挑选依据设计要求：稳态无静差, 超调量i5%,可按典型I 型系统设计电路调剂器；电流环掌握对象是双惯性型的,因此可用PI 型电流调剂器其传递函数为：W ACR Ki

13、is1i=T lis式中Ki 电流调剂器的比例系数；i 电流调剂器的超前时间常数；为了让调剂器零点与掌握对象的大时间常数极点对消,挑选就电流环的动态结构图便成为图3-7 所示的典型形式,其中KIK KsiRU*is+-K II d sL /dB-20dB/decci1/s-10T isTis+ 1-40dB/dec（a b 图 3-7 校正成典型 I 型系统的电流环a 动态结构图 b 开环对数幅频特性电枢回路电磁时间常数 Tl=0.03s ；名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 检查对电源电压的抗扰性能：T li0

14、. 038 . 11,参照典型I 型系统动态抗T0 . 0037扰性能指标与参数的关系表 3. 电流调剂器的参数2,可知各项指标都是可以接受的；电流调剂器超前时间常数：i=T l=0.03s ；i0.5,电流环开环增益：要求i5%时,按表 3 应取 =0.707 ,K T因此KI05.00.5135.1 sTi. 0037ACR的比例系数为KiKISiR135.10. 030 .10 .5404K750.014. 检验近似条件电流环截至频率：wciKI1351. s1机电时间常数Tm0. 0843s1） 晶闸管整流装置传递函数的近似条件131s196.1 s1ci3 T s0.0017满意近似

15、条件；2） 忽视反电动势变化对电流环动态影响的条件313.003159 . 65w ciT m T l0 . 0843满意近似条件；3） 电流环小时间常数近似处理条件名师归纳总结 1110 . 0021180 .8 s1w ci第 12 页,共 25 页3T oiT m30 . 0017- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 满意近似条件；5. 运算调剂器电阻和电容 含给定滤波与反馈滤波的 PI 型电流调剂器 如图 3-8 所示：* 其中 U i 为电流给定电压,dI 为电流负反馈电压,U c 为电力电子变换器的掌握电压；由图 3-8 ,按所用运算放大器取

16、R 0 40 k,各电阻和电容值为R iKiRoi0.540440121.6K ,取 22K图 3-8 PI型电流调剂器Ci0.03. 364F,Ri22000Coi4 Toi40 .002F0.2Fi43.00500,满意R o40依据上述参数,电流环可以达到的动态跟随性能指标为设计要求；3.2.2.2 转速调剂器参数挑选1. 电流环的等效闭环传递函数 电流环经简化后可视作转速环中的一个环节,为此,须求出它的闭环传递函数；由图 3-7a 可知名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - K IW cli UId 1s T

17、s1 Ti2 s1s1* i /K I1s T s1 KIKI忽视高次项,上式可降阶近似为Wcli 111i s ,因此电流环在转速环中应sKI近似条件可由式c1min1,c求出3ba1KIcn3Ti式中cn - 转速环开环频率特性的截止频率；接入转速环内,电流环等效环节的输入量应为* U等效为1Id Wcli U* 1Is1iK 2. 转速调剂器结构的挑选电流环的等效闭环传递函数为1Id Wcli 3-9 所U* 1Is1i用电流环的等效环节代电流环后,K整个转速掌握系统的动态结构图便如图示；名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 25 页精选学习资料 - - - - -

18、- - - - 电流环 I dL sU*ns1+ASR-Un sU*ns11Ids+-Rn s1 s K IT0ns+1CeTmsT0ns+ 1图2-26 转速环的动态结构图及其简化 图 3-9 转速换的动态结构框图及其化简（用等效环节代替电流环）和电流环中一样,把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内,同时将给定信号改* 成 Un s/,再把时间常数为1/ KI 和 T0n 的两个小惯性环节合并起来,近似成一个时间常数为的惯性环节；其中电流环等效时间常数12 Ti20.0037s0. 0074sKI就转速环节小时间常数Tn1Ton0.0074+0.02=0.0274s KI就转速环结构框图可简化

19、为图3-10 I dL sU*nsU*ns/I ds-Rns+-ASRT ns+1+CeTms图 3-10 转速换的动态结构框图及其化简（等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理）依据设计要求,选用PI 调剂器,其传递函数为W ASR Knns1 名师归纳总结 式中Kn - 转速调剂器的比例系数；第 15 页,共 25 页转速调剂器的超前时间常数；n - - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 这样,调速系统的开环传递函数为 RW s Knns1C T s Tns1nKnRns11s2 C T s Tnsn令转速环开环增益为KNKnRC T mn就Wn KNn

20、s1 2 s Tns1 3-11n s不考虑负载绕动时,校正后的调速系统动态结构框图如图U*nsK Nns1+-s 2 Tns1图 3-11 转速换的动态结构框图及其化简（校正后成为典型型系统）3. 运算转速调剂器参数按跟随和抗扰性能都较好的原就,取h5,就 ASR的超前时间常数为11 . 057nhTn5 0.0274=0.137s 转速开环增益KN2h21n252602742s2159.84 hT20 .ASR的比例系数Knh1C eT m60 . 011 . 91680 . 08432 hRTn25.0032.010 . 02744. 检验近似条件名师归纳总结 - - - - - - -

21、第 16 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 转速环截止频率wcnKNnKN0. 137159.8421.90s1w 11）电流环传递函数简化条件为1KIi11351.637.s1wcn3T30.0037满意简化条件；2）转速环小时间常数近似处理条件为1KI1135 . 127 4.w cn3T on3.002满意简化条件；5. 运算调剂器电阻和电容含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速调剂器如图3-12 所示：其中U*为转速给定电压,n 为转速负反馈电压,Ui*：调剂器的输出是电流n调剂器的给定电压；R nKnR取R 040k,就.28Ko11. 05740442,

22、取 443 K Cnn0.137FF0. 31F,图 3-12 PI型转速调剂器Rn443000Con4 Ton2,取 2F；R o6. 校核转速超调量名师归纳总结 查表,当h5时,n37.6%,不能满意设计要求；应按ASR退饱和的情第 17 页,共 25 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 况重新运算超调量；7. 按 ASR退饱和重新运算超调量 过载倍数 =1.5,抱负空载转速时,z=0 查表得, h=5 时, Cmax/Cb=81.2% ,就nCmaxn b2Cmaxzn NTn8 . 5900n1000能满意设计CbnC bnT m要求；4 运算

23、机仿真双闭环调速系统的动态结构图图4-1 ,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；名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 4-1 双闭环直流调速系统结构图4.1 空载起动名师归纳总结 双闭环直流调速系统突加给定电压U*由静止状态起动时,转速和电流的动态过第 19 页,共 25 页n程示于图4-2 ；由于在起动过程中转速调剂器ASR经受了不饱和、饱和、退饱和三种- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 情形,整个动态过程就分成图中标明的I 、II 、III三

24、个阶段；第 I 阶段（0 t ）是电流上升阶段；突加给定电压 U n *后,U 、U d 0、I d 都上升,在 I d 没有达到负载电流 I dL 以前,电机仍不能转动；当 I d I dL 后,电机开头起动,由于机电惯性的作用,转速不会很快增长,因而转速调剂器 ASR的输入偏差电压* *U n U n U n 的数值仍较大,其输出电压保持限幅值 U im,强迫电流 I d 快速上升；*直到 I d I dm,U i U im,电流调剂器很快就压制了 dI 的增长,标志着这一阶段的终止；在这一阶段中,ASR很快进入并保持饱和状态,而 ACR不饱和；第 II 阶段（t 1 t 2）是恒流升速阶

25、段,ASR饱和,转速环相当于开环,在恒值电流给定 U im *下的电流调剂系统,基本上保持电流 I d 恒定,因而系统的加速度恒定,转速呈线性增长；与此同时,电机的反电动势E 也按线性增长,对电流调剂系统来说,E 是一个线性渐增的扰动量,为了克服它的扰动,U d 0 和 U 也必需基本上按线性增长,才能保持 I d 恒定；当 ACR采纳 PI 调剂器时,要使其输出量按线性增长,其输入偏差*电压 U i U im U i 必需维护肯定的恒值,也就是说,I d 应略低于 I dm；*第阶段（2t 以后）是转速调剂阶段；当转速上升到给定值 n n 0 时,转速调*节器 ASR的输入偏差减小到零,输出

26、维护在限幅值 U im,电机仍在加速, 使转速超调；转速超调后, ASR输入偏差电压变负,开头退出饱和状态,U i *和 dI 很快下降；但是,只要 dI 仍大于负载电流 I dL,转速就连续上升；直到 dI = I dL 时,转矩 T e T L,就dn/dt =0,转速 n 才到达峰值（t 3t 时）；此后,电动机开头在负载的阻力下减速,与此相应,在 t 3 t 4 时间内,dI I dL,直到稳固；假如调剂器参数整定得不够好,也会有一段振荡过程；在这最终的转速调剂阶段内,ASR和 ACR都不饱和, ASR起主名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页,共 25 页精选学习资料

27、- - - - - - - - - 导的转速调剂作用,而ACR就力图使dI尽快地跟随其给定值U*；i图 4-2 空载起动特性4.2 突加负载名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 4-3 突加负载启动4.3 突减负载名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 4-4 突然减载5 小结与体会通过本次课程设计, 第一我对直流双闭环调速系统有了更深的熟悉,加深了懂得,是对课堂所学学问的一次很好的应用；学会了转速、 电流双闭环直流调速系统的设计,并

28、能娴熟地把握转速和电流调剂器参数的挑选和运算,在设计的基础上更加熟悉到直流双闭环调速系统的应用之广泛；在这里,感谢张老师和王老师的辛勤指导,感谢！名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 24 页,共 25 页精选学习资料 - - - - - - - - - 6 参考文献1 陈伯时 . 电力拖动自动掌握系统运动掌握系统. 北京：机械工业出版社,2003.7 名师归纳总结 2 张爱玲,李岚,梅丽凤.电力拖动与掌握. 机械工业出版社,2003.5 第 25 页,共 25 页- - - - - - -