双闭环直流调速系统ACR设计.docx

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1、双闭环直流调速系统ACR设计（西门子最佳整定法）与系统实验计信学院 06自动化2班 张学锋 2006003948摘 要：本次课程设计主要研究的是双闭环直流调速系统电流调节器的设计。采用的直流双闭环调速系统的设计是从内环到外环，即先设计好电流环后将其等效成速度环中的一个环节，再对速度环进行设计。首先对调速系统的方案进行选择，再进行触发电路的选择和控制电路的设计，以及双闭环直流调速系统的动态设计。根据技术要求，采用西门子最佳整定法对系统进行动态校正，并确定ACR调节器的机构型式以及参数。根据设计结果，搭建双闭环直流调速系统，进行系统调试，使调速系统稳定工作，并满足动态性能指标的要求。关键词：参数测

2、定 ACR的设计 西门子整定 系统调试一、晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定1、实验目的（1）熟悉晶闸管直流调速系统的组成及其基本结构。（2）掌握晶闸管直流调速系统的参数及反馈环节测定方法。2、实验设备序号型号备注1HJK01 电源控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。2HJK02 晶闸管主电路3HJK02-1 三相晶闸管触发电路包含“触发电路”，“正桥功放”，“反桥功放”等几个模块。4HJK04 电机调速控制实验 包含“给定”，“电流调节器”，“速度变换”，“电流反馈与过流保护”等几个模块。5DD03-2 电机导轨、测速发电机及转速表“DD03-3电机导轨，光码盘测速系统及

3、数显转速表”。6DJ13-1 直流发电机7DJ15 直流并励电动机8D42 三相可调电阻9示波器10万用表表1 实验设备3、实验线路及其原理晶闸管直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机-发电机组等组成。在本实验中，要求系统的整流装置的主电路为三相桥式电路，控制电路可直接由给定电压，来改变的大小，这样就可改变控制角的大小，以获得可调的直流电压，满足实验要求。实验系统的组成原理图如图1所示。图1 实验系统原理图4、实验内容（1）晶闸管直流调速0系统主电路总电阻值R的测定。（2）晶闸管直流调带系统主电路电磁时间常数的测定。（3）直流电动机电势常数和转矩常数的测定。（4）晶闸

4、管触发直流调速系统机电时间常数的测定。（5）晶闸管触发及整流装置特性和测速发电机特性的测定。5、实验方法及其步骤为了对晶闸管-电动机系统进行研究，应首先了解电枢回路的总电阻R、总电感L，以及系统的电磁时间常数与机电时间常数，这些数据都需要通过实验来测定，具体方法如下：（1）电枢回路总电阻R的测定电枢回路的总电阻R包括电机的电枢电阻、平波电抗器的直流电阻及整流装置的内阻，即 （1-1）由于电阻值较小，这里不宜采用欧姆表和电桥进行测量，又因为是小电流检测，接触电阻影响很大，故用直流伏安法。为测出晶闸管整流装置的电源内阻，须测量整流装置的理想空载电压，而晶闸管整流电源是无法测量的，为此应用伏安比较法

5、，实验线路如图2所示。图2 伏安比较法实验线路图将变阻器、接入被测系统的主电路，测试时电动机不加励磁，并使电机堵转。合上、，调节给定使输出直流电压在30%70%范围内，然后调整使电枢电流在80%90%范围内，读取电流表A和电压表的数值为、，则此时整流装置的理想空载电压为： （1-2）调节使之与的电阻值相近，拉开开关，在的条件下读取电流表、电压表的数值、，则： （1-3）结合式（12）、（13），可求出电枢回路总电阻： （1-4）实验测得结果： 80V 0.85A 85V 0.70A由式（14）有： （2）主电路电磁时间常数的测定采用电流波形测定电枢回路电磁时间常数，电枢回路突加给定电压时，电流

6、按指数规律上升：其电流变化曲线如图3所示。当t时，有：图3 电流上升曲线 图4 测定的实验线路图实验线路如上图4所示。电机不加励磁，调节给定使电机电枢电流在50%90%的范围内。然后保持不变，将给定的置接地位置，然后拨动给定从接地到正电压阶跃信号，用数字存储示波器记录的波形，在波形图上测量出当电流上升到稳定值的63.2%时间，即为电枢回路的电磁时间常数。实验测得的结果如图5所示：图5 波形图由上图5，可以读出电磁时间常数。（3）直流电动机电势常数将电动机加额定励磁，使其空载运行，再改变电枢电压，测得相应的n即可由以下式子算出： 式中，的单位为V/（rpm）。转矩常数的单位为Nm/A。实验测得数

7、据为： 由公式可以求得：（4）晶闸管触发直流调速系统机电时间常数的测定。系统的机电时间常数的测定系统的机电时间常数可由下式计算：由于也可以近似地把系统看成是一阶惯性环节，即当电枢突加给定电压时，转速n将按指数规律上升，当n到达稳定值时的63.2%，所经过的时间即为拖动系统的机电时间常数。测试时电枢回路中附加电阻应全部切除，突然给电枢加电压，用数字存储示波器记录过渡过程曲线，即可由此确定机电时间常数。实验测得的结果，如下图6所示：图6 波形图由上图可以看出，系统的机电时间常数为：。（5）晶闸管触发及整流装置特性实验线路如图7所示，可不接示波器。电动机加额定励磁，逐渐增加触发电路的控制电压，分别读

8、取对应的、n的数值若干组，即可描绘出特性曲线和。图7实验线路图由曲线可求得晶闸管整流装置的放大倍数曲线：实验测得数据如下表2所示：（V）17（V）0.340.580.800.981.131.281.441.581.741.902.07（V）120170220（V）2.252.432.622.843.063.303.593.854.174.555.09表2 、为对应数据实验所得的结果，如下图图8所示：由以上数据，可以算得。二、双闭环直流调速系统电流调节器的设计1、电流调节器的作用（1）电流调节器是内环的调节器，在转速外环的调节过程中，他的作用是使电流紧紧跟随其给定电压变化。（2）对电网电压的波动

9、起及时干扰作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。（4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动回复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。2、电流调节器的设计思想图9双闭环调速系统的动态结构图（1） 电流环动态结构图的简化在上图9中点画线框内的电流环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉反馈，它代表转速输出量对电流环的影响。由于转速环尚未设计，要考虑它的影响是比较困难的。但是，在实际系统中，电枢回路的电磁时间常数比电力拖动系统的机电时间常数要小得多，因此电流的调节过程往往比转速的变化快得多，也就

10、是比电动机反电势E的变化快得多，反电动势对电流环来说只是一个缓慢变化的扰动作用，在电流的瞬时变化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，反电动势只有很小的变化，故可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，也就是说，可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10（a）所示。可以证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是 （2-1）式中-电流环开环频率特性的截至频率。（a）忽略反电动势的动态影响（b）等效成单位负反馈系统（c）小惯性环节近似处理图10电流环的动态结构框图及其化简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

11、成单位负反馈系统，如图10（b）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。最后，由于一般都比小得多，可以当作小惯性群而近似地看成是一个惯性环节，其时间常数为 （2-2）则电流环结构框图最终简化成图10（c）。简化的近似条件为 （2-3）（2）电流调节器结构的选择为了选择电流调节器，首先面临的问题是应把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图10（c）可以看出，采用型系统就够了。再从动态要求上看，实际系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

12、环应以跟随性能为主，即应选用典型型系统。图10（c）表明，电流环的控制对象是双惯性型的，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 （2-4）式中为了让调节器零点与控制对象的大事件常数极点对消，选择 （2-5）则电流环的动态结构框图便成为图10（a）所示的典型形式，其中 （2-6）图11（b）绘出了校正后的电流环的开环对数幅频特性。（a） 动态结构框（b）开环对数幅频特性图11校正成典型型系统的电流环上述结果是在一系列假定条件下得到的，现将用过的假定条件归纳如下，一边具体设计时校验。 电力电子变换器纯滞后的近似处理； 忽略反电动势变化对电流环的动态影响； 电流环小惯性

13、群的近似处理。（3）电流调节器的参数计算由式（2-4）可以看出，电流调节器的参数是和，其中已选定，见式（2-5），待定的只有比例系数，可根据所需要的动态性能指标选取。根据设计要求，希望电流超调量，可选，则 （2-7）再利用式（2-5）和式（2-6）得到 （2-8）如果实际系统要求的跟随性能指标不同，式（2-7）和式（2-8）当然应作为相应的改变。此外，如果对电流环的抗干扰性能也有具体的要求，还得再校验一下抗扰性能指标是否满足。（4）电流调节器的实现含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型调节器原理图如图12所示。图中为电流给定电压，为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。图12含

14、给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器根据运算放大器的电路原理，可以容易地导出 （2-9） （2-10） （2-11）以上3式可用于计算电流调节器的具体电路参数。3、ACR的设计以及参数计算直流电动机：220V， 1.2A， 1600r/min ， ，晶闸管装置放大系数电枢回路总阻时间常数，电流反馈系数解：（1）确定时间常数a.整流装置滞后时间常数。三相桥式电路的平均失控时间。b.电流滤波时间常数。三相桥式电路的平均失控时间是3.3ms,为了基本滤平波头，应有，因此取。c.电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，应取。(2)选择电流调节器结构 根据实际设计要求，并要保证系统的稳态电流无误差，

15、可按最佳二阶系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性的，因此可以用PI型电流调节器。 检查对电源电压的抗干扰性能：，经检验，各项指标都是可以接受的。(3)电流调节器参数的计算 电流调节器超前时间常数：。 电流环开环增益：要求时，根据要求，应取，故故有，ACR的比例系数为(4)校验近似条件 电流环截止频率：a.晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件。b.忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 说明：这里可能是由于的测量存在一定的误差，数值偏小，基本上满足条件。c.电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件。(5)计算调节器的电阻和电容 按照所用的运算放大器，取，得到各电阻和电容值为，取

16、，取，取按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。三、 双闭环不可逆直流调速系统的调试1、实验目的 (1)了解闭环不可逆直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理。(2)掌握双闭环不可逆直流调速系统的调试步骤、方法及参数的整定。(3)研究调节器参数对系统动态性能的影响。2、实验设备序号型 号备 注1DJK01 电源控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。2DJK02 晶闸管主电路 3DJK02-1三相晶闸管触发电路包含“触发电路”,“正桥功放”，“反桥功放” 等几个模块。4DJK04 电机调速控制实验 I包含“给定”，“电流调节器”，“速度变换”，“电流反

17、馈与过流保护”等几个模块。5DJK08可调电阻、电容箱6DJ13-1 直流发电机7DD03-2电机导轨测速发电机及转速表DD03-3电机导轨、光码盘测速系统及数显转速表8DJ15 直流并励电动机9D42三相可调电阻10示波器11万用表3、实验线路及原理现实生产中的很多生产机械，由于加工和运行的要求，使电动机经常处于起动、制动、反转的过渡过程中，因此起动和制动过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产效率。为了缩短这一部分时间，仅采用PI调节器的转速负反馈单闭环调速系统，是远远不能满足要求的。双闭环直流调速系统是由电流调节器和转速调节器来进行综合调节，可获得良好的静、动态性能，由于调整系统的主要

18、参量为转速，故可将转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样可以抑制电网电压扰动对转速的影响。实验系统的原理框图组成如下：图13 双闭环直流调速系统原理框图启动时，加给定电压Ug，“速度调节器”和“电流调节器”即以饱和限幅值输出，使电动机以限定的最大启动电流加速启动，直到电机转速达到给定转速(即Ug =Ufn)，并在出现超调后，“速度调节器”和“电流调节器”退出饱和，最后稳定在略低于给定转速值下运行。系统工作时，要先给电动机加励磁，改变给定电压Ug的大小即可方便地改变电动机的转速。“电流调节器”和“速度调节器”均设有限幅环节，“速度调节器”的输出作为“电流调节器”的给定，利用“速度调

19、节器”的输出限幅可达到限制启动电流的目的。“电流调节器”的输出作为“触发电路”的控制电压Uct，利用“电流调节器”的输出限幅可达到限制max的目的。4、实验调试(1)各控制单元调试。(2)电流反馈系数、转速反馈系数的整定。 (3)测定开环机械特性及高、低转速时系统闭环静态特性n=f(Id)。 (4)闭环控制特性n=f(Ug)的测定。 (5)观察、记录、分析系统动态波形。5、实验方法及步骤 (1)双闭环调速系统调试原则先单元、后系统，即先将单元的参数调好，然后才能组成系统。先开环、后闭环，即先使系统运行在开环状态，然后在确定电流和转速均为负反馈后，才可组成闭环系统。 先内环，后外环，即先调试电流

20、内环，然后调试转速外环。先调整稳态精度，后调整动态指标。(2)控制单元调试移相控制电压Uct调节范围的确定 直接将DJK04给定电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，“正桥三相全控整流”输出接电阻负载R，负载电阻放在最大值，输出给定调到零（对DZSZ-1，将输出电压调至最小位置，当启动后，再将输出线电压调到200V）。按下启动按钮，给定电压Ug由零调大，Ud将随给定电压的增大而增大，当Ug超过某一数值Ug时，Ud 的波形会出现缺相的现象，这时Ud反而随Ug的增大而减少。一般可确定移相控制电压的最大允许值Uctmax=0.9Ug，即Ug的允许调节范围为0Uctmax。如果我们把输

21、出限幅定为Uctmax的话，则“三相全控整流”输出范围就被限定，不会工作到极限值状态，保证六个晶闸管可靠工作。记录Ug于下表中：Ug6.4vUctmax=0.9Ug 5.76v将给定退到零，再按停止按钮切断电源，结束步骤。调节器的调零 将DJK04中“速度调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻120K接到“速度调节器”的“4”、“5”两端，用导线将“5”、“6”短接，使“电流调节器”成为P (比例)调节器。调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏档测量电流调节器“7”端的输出，使调节器的输出电压尽可能接近于零。将DJK04中“电流调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电

22、阻13K接到“速度调节器”的“8”、“9”两端，用导线将“9”、“10”短接，使“电流调节器”成为P（比例）调节器。调节面板上的调零电位器RP3，使调节器的输出电压尽可能接近零。调节器正、负限幅值的调整 把 “5”、“6”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“5”、“6”两端，使调节器成为PI (比例积分)调节器，然后将DJK04的给定输出端接到 “3”端，当加一定的正给定时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为-6V，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，使之输出电压为最小值即可。把 “8”、“9”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“8”、“9

23、”两端，使调节器成为PI（比例积分）调节器，然后将DJK04的给定输出端接到电流调节器的“4”端，当加正给定时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为最小值即可，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，使电流调节器的输出正限幅为Uctmax。电流反馈系数的整定 直接将“给定”电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，整流桥输出接电阻负载R，负载电阻放在最大值，输出给定调到零。按下启动按钮，从零增加给定，使输出电压升高，当Ud=220V时，减小负载的阻值，调节“电流反馈与过流保护”上的电流反馈电位器RP1，前面已经求出，电流反馈系数= 5.56V/A。转速反馈系数的整定直接

24、将“给定”电压Ug接DJK02-1上的移相控制电压Uct的输入端，“三相全控整流”电路接直流电动机负载，Ld用DJK02上的200mH，输出给定调到零。按下启动按钮，接通励磁电源，从零逐渐增加给定，使电机提速到 n =150Orpm时，调节“速度变换”上转速反馈电位器RP1，使得该转速时反馈电压Ufn=-6V，这时的转速反馈系数 =Ufn/n =0.004V/(rpm)。(3)开环外特性的测定DJK02-1控制电压Uct由DJK04上的给定输出Ug直接接入，“三相全控整流”电路接电动机，Ld用DJK02上的200mH，直流发电机接负载电阻R，负载电阻放在最大值，输出给定调到零。按下启动按钮，先

25、接通励磁电源，然后从零开始逐渐增加“给定”电压Ug，使电机启动升速，调节Ug和R使电动机电流Id=Ied，转速到达1200rpm。增大负载电阻R阻值（即减小负载），可测出该系统的开环外特性n =f（Id），记录于下表中：n（r/m）1199124012601280Id（A）0.860.800.760.740.710.680.63分析：由上图14的系统开环特性曲线可以看出，系统的开环特性呈良好的线性关系。将给定退到零，断开励磁电源，按下停止按钮，结束实验。(4)系统静特性测试按图10-1接线， DJK04的给定电压Ug输出为正给定，转速反馈电压为负电压，直流发电机接负载电阻R，Ld用DJK02上

26、的200mH，负载电阻放在最大值，给定的输出调到零。将速度调节器，电流调节器都接成P（比例）调节器后，接入系统，形成双闭环不可逆系统，按下启动按钮，接通励磁电源，增加给定，观察系统能否正常运行，确认整个系统的接线正确无误后，将“速度调节器”，“电流调节器”均恢复成PI（比例积分）调节器，构成实验系统。机械特性n =f(Id)的测定A、发电机先空载，从零开始逐渐调大给定电压Ug，使电动机转速接近n=l200rpm，然后接入发电机负载电阻R，逐渐改变负载电阻，直至Id=Ied，即可测出系统静态特性曲线n =f(Id)，并记录于下表中：n（r/m）122200Id（A）0.570.580.590.6

27、00.610.620.63分析：由上图图15可以看出，当转速n=1200r/m时，改变系统的负载电阻，转速基本上无变化，电流有微小的变化，呈线性关系，表明系统的静态性能良好。B、降低Ug，再测试n=800rpm时的静态特性曲线，并记录于下表中：n（r/m）8800800800Id（A）0.410.420.430.440.450.460.47分析：由上图图16可以看出，当n=800r/m时，转速基本上无变化，电流有微小的变化，呈线性关系，表明系统的静态性能良好。C、闭环控制系统n=f(Ug)的测定调节Ug及R，使Id=Ied、n= l200rpm，逐渐降低Ug，记录Ug和n，即可测出闭环控制特性

28、n = f(Ug)。 n（r/m）12Ug（V）3.783.483.182.872.552.291.99分析：由上图图17可以看出，调节电阻R，系统的转速n递减时，电压Ug 也相应地递减，呈线性关系。基本满足了输入跟随输出变化的稳定状态，说明系统的闭环特性良好。(6)系统动态特性的观察用慢扫描示波器观察动态波形。在不同的系统参数下(“速度调节器”的增益和积分电容、“电流调节器”的增益和积分电容、“速度变换”的滤波电容)，用示波器观察、记录下列动态波形: 突加给定Ug，电动机启动时的电枢电流Id(“电流反馈与过流保护”的“2”端)波形和转速n(“速度变换”的“3”端)波形。分析：由上图图18，图

29、19可以看出，系统具有良好快速性和跟随性能，符合设计的要求。突加额定负载(20%Ied100%Ied)时电动机电枢电流波形和转速波形。分析：由上图图20，图21可以看出，系统的恢复时间较短，说明系统具有良好的抗干扰性，稳定性好。突降负载(100%Ied20%Ied)时电动机的电枢电流波形和转速波形。分析：由上图可以看出，系统的恢复时间很短，具有很好的快速性，在一定时间后能够达到新的稳态，说明系统稳定性良好。四、设计心得体会这次电力拖动自动控制系统的课程设计终于结束了，两个星期，很短暂，也很漫长。但庆幸的是，我确实从中学到很多很多的的东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有

30、学到过的知识。 第一、这次课程设计让我对自己有了新的认识。在做这个课程设计之前，我一直以为自己的理论知识学的很好了。但是在完成这个设计的时候，我总是被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，我都还不知道。其实在计算设计的时候，基础是一个不可缺少的知识，但是往往一些核心的高层次的东西更是不可缺少。在计算的时候，一个参数的错误可能就会影响到整个系统的设计。 第二、团队精神的重要性。这次试验，我们每个人是用的不同的方法，但是在设计的过程中有很多相似的地方。比如，我是做的西门子最佳整定

31、，而我们就可以和他们用工程整定的方法做出来的结果进行比较。从而来比较两个方法的异同已经优越性。我们在做课程设计的工程中要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向，并且这样也是为了方便最后和在一起。讨论不仅是一些思想的问题，他还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的人处理问题要快一些。第三、我们在设计过程中，很多数据都是通过仪器测量得到的。但是在测量的过程中，我们碰到了很多问题，比如，在观测波形的时候，从示波器上看波形就感觉很模糊。而且，由于机器本身的原因，测量的数据存在很大的误差，这就给我们的设计带来一定的麻烦，特别是在精确度上，不是那么理

32、想。但是，我们通过不断的改进，最后还是很好地完成了任务。 通过本次课程设计，我进一步了解了怎么理论和实践的差异性，也进一步提高了自己用理论指导实践的能力。我想，从目前来说，对我明年的毕业设计的完成有很大的帮助，这次设计的很多方法可以很好地应用到毕业设计里面去，对我毕业设计的顺利完成起到了很大的作用。从长远来说，这次课程设计对我以后的工作起到了很好的奠基作用。其实工作的内容和我们做的设计没有本质的区别，只是工作上面对的系统更加庞大，问题更加复杂而已。课程设计刚好培养和提高了我们发现问题，分析问题，解决问题的能力，我觉得这是最重要的。参考文献1黄俊.电力电子变流技术.北京：机械工业出版社，2001.92陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社，1999.5 3刘竞成.交流调速系统.上海：上海交通大学出版社，1996.3 4李华德.交流调速控制系统.北京:电子工业出版社,2003.35杨耕、罗应立.电机与运动控制系统.北京:清华大学出版社,2006.3