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1、双闭环直流调速系统课程设计专业：应用由上技术班级：应用由千1班学号：32姓名：吴嘉鑫设计题目：双闭环看流调你系统2012年11月目录1 绪论-1 -2 双闭环直流调速系统 -2 -一 双闭环直流调速系统白组成结构与原理 -4 -二 采用转速双闭环的理由 -4 -三 双闭环直流调速系统的动态数学模型 错误！未定义书签。3 课程设计任务与要求 -4 -一课程设1f指标 错误！未定义书签。二课程设计基本要求 错误！未定义书签。4 控制系统的设计-4 -一电流调节器的设计 -5-二转速调节器的设计错误！未定义书签。5 心得体会-5 -参考文献-10 -2摘要本文主要针对交直流传动控制系统这门课程中关于
2、双闭环直流调速系统 的特点，结构和动态过程的分析，对该系统进一步了解与学习。在电气时代的今 大，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。 直流电机是最 常见的一种电机，在各领域中得到广泛应用。研究直流电机的控制和测量方法， 对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。电机调速问题一直是 自动化领域比较重要的问题之一。不同领域对于电机的调速性能有着不同的要 求，因此，不同的调速方法有着不同的应用场合。 电力拖动自动控制系统是把电 能转换成机械能的装置，它被广泛地应用于一般生产机械需要动力的场合， 也被 广泛应用于精密机械等需要高性能电气传动的设备中，用以控制位置、速度、加速
3、度、压力、张力和转矩等。关键字：直流调速 电机双闭环双闭环直流调速系统课程设计1绪论直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电 气传动装置之一。在工业生产中，需要高性能速度控制的电力拖动场合，直流调速 系统，特别是双闭环直流调速系统发挥着极为重要的作用。广泛地应用于轧钢机、 冶金、印刷、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中。它通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电， 从而控制电动机的转速，传统的控制系统采用 模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等，在一定程度上满足了生产要求。直流电动机和交流电动机相比，具制造工艺复杂，生产成本高.维修困难， 需备有直流电源才能使
4、用。但因直流电动机具有宽广的调速范围， 平滑的调速特 性，较高的过载能力和较大的起动、制动转矩，因此被广泛地应用于调速性能要 求较高的场合。在工业生产中，需要高性能速度控制的电力拖动场合， 直流调速 系统发挥着极为重要的作用，高精度金属切削机床，大型起重设备、轧钢机、矿 井卷扬、城市电车等领域都广泛采用直流电动机拖动。 特别是晶闸管一直流电动 机拖动系统，、具有自动化程度高、控制性能好、起动转矩大，易于实现无级调 速等优点而被广泛应用。双闭环调速系统是由单闭环自动调速系统发展而来的。 它通过转速和电流两个调节器分别引入转速负反馈和电流负反馈，并构成双闭环系统。从而有效的改善电机性能。该系统主要
5、由给定环节、ASR ACR触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。 为了使转速负反馈和电流 负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器 ACRffi转速调节器ASR电流调节器 ACRffi电流检测反馈回路构成了电流环； 转速调节器ASRJ口转速检测反馈回路构 成转速环，称为双闭环调速系统。-11 -2双闭环直流调速系统一，双闭环直流调速系统的组成结构与原理双闭环调速系统是建立在单闭环自动调速系统上的，实际的调速系统除要求对转速进行调整外，很多生产机械还提出了加快启动和制动过程的要求，这就需 要一个电流截止负反馈系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系 统中设置两个调节器，
6、分别调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接。即把转速 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品闸管整流 器的触发装置。从闭环结构上看，电流环在里面称内环；转速环在外面称外环。 这就构成了转速、电流双闭环调速系统。ASR转速调心瑞ACR电流调H瑞TG测速发电机 TA电流互感器 LEPE电力电厂变换附图1调速、电流双闭环直流调速系统为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用 PI调节 器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图 2所示。图中标出了两个 调节器输入输出电压的实际极性，它们电力电子变换器的控制电压 Uc为正压的 情况标出的，并考虑到运算放大器的
7、倒相作用。图2双闭环直流调速系统电路原理二，采用转速电流双闭环的理由在要求较高的调速系统中，一般有两个基本要求：一是能够快速启动制 动；二是能够快速克服负载、电网等干扰。通过分析发现，如果要求快速 起动，必须使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩，即 最大的恒定允许电枢电流，当电枢电流保持最大允许值时，电动机以恒加 速度升速至给定转速，然后电枢电流立即降至负载电流值。如果要求快速克 服电网的干扰，必须对电枢电流进行调节。以上两点都涉及电枢电流的控制， 所 以自然考虑到将电枢电流也作为被控量，组成转速、电流双闭环调速系统。而且 转速、电流双闭环直流调速系统在突加给定下的跟随性能、动态
8、限流性能和抗扰 动性能等，都比单闭环调速系统好。三，双闭环调速系统的动态数学模型在工程实践中，虽然交流电动机结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易。 但由于直流电动机双闭环调速系统在理论和实践上都比较成熟，具有极好的运行和控制性能，在工业生产中仍占有相当的比例，其双闭环调速系统结构如图 3所 示。由于在起动过程中转速调节器 ASM历了不饱和、饱和、退饱和三种情况， 整个动态过程就分成图中标明的I、II、出三个阶段。电流内环京门图3双闭环直流调速系统的动态结构框图3课程设计任务与要求一，课程设计指标某品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 如下：1,直流电动机：220V
9、, 136A, 1460r/min,Ce = 0.132V min/r ,允许过载倍数 =1.52,品闸管装置放大系数Ks=40;3,电枢回路总电阻 R=0.5Q;4,时间常数：电磁时间常数 Tl=0.03s;机电时间常数Tm=0.18s;5,电流反馈系数P=0.05V/A6,调节器输入电阻R0=20Q ;7,转速反馈系数a = 0.007V min/r二，课程设计基本要求1，根据题目的技术要求，分析并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成。2,动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR5M节器与ACR 调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指 标
10、的要求。3,绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图）。4,要求电流超调量a %5%,转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量3M10%。试按工程设计方法设计转速调节器，并校验转速超调量的要求 能否得到满足。5,整理设计数据资料，撰写设计计算说明书。4控制系统设计一，系统的设计按照“先内环后外环” 的设计原则，从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。（1）电流调节器的设计确定时间常数：整流装置滞后时间常数；Ts=0.0017s。电流滤波时间常数：Toi=0.002 s（三相桥式电路每个波
11、头是时间是3.3ms,为了基本滤平波头，应有 Toi=3.33ms,因此取Toi=2ms=0.002s）。按小时间常数近似处理。Ts =Ts +Toi =0.0037 （Ts和Toi 一般都比Tl小得多，可以当作小惯性群近似地看作是一个惯性环节 ）选择电流调节器结构：根据设计要求：/%5%可按典型I型设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，所以把电流调节器设计成PI型的.检查对电源电压的抗扰性能：工=工32=8.11Ti 0.0037 s计算电流调节器的参数：ACRE前时间常数G =1=0.03s；电流环开环时间增益：要求。i % M 5%时，应取K1Kli = 0.5 ,因此Ki0. 5
12、0. 5. c u /=1 3 5.s11Tt 0. 0 0 3s7所以，ACR勺比但J系数：Ki=R = 135.0.035=1.013 i Ks -40 0.05校验近似条件:电流环截止频率：ci =Ki 135.1s晶闸管装置传递函数近似条件:ci3Ts3Ts3 0.0017s= 196.1 135.1满足近似条件; 忽略反电动势对电流环影响的条件:ci -33=3TmTl二 40.82s0.18s 0.03s满足近似条件; 小时间常数近似处理条件:, ciJ 13 TsToi0.0017s 0.002s=180.8s/ ci满足近似条件;按所用运算放大器取Rc=40kC ,各电阻和电容
13、值为R =尺& =1. 0 13 140=胸，52 40kCG =0. 03 F 0.7-5 F,取0.75FR 4 0 10Coi二为二丝YE,.,取WER 4 0 10含滤波环节的PI型电流调节器按上述参数，电流环可以达到的动态指标为：%=4.3% 5%,也满足设计要求电流调节器的实现:含给定滤波和反馈滤波的模拟式 PI型电流调节器原理图如图4所示:号C图4模拟式PI型电流调节器原理图(2)转速环的设计确定时间常数：电流环等效时间常数= 0.0074s1=2 =2 0.0037K1i转速滤波时间常数Ton=0.01s转速环小时间常数近似处理.1.丁不=一 Ton =0.0074s 0.01
14、s = 0.0174s一 Ki选择转速调节器结构：按跟随和抗扰性能都能较好的原则，在负载扰动点后已经有了一个积分环 节，为了实现转速无静差，还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节，因此需 要R由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型R型系统一选用 设计PI调节器。选择调节器的参数：n=hTn=5 0.0174s=0.087s转速开环增益：K _ h 1N 2h2Tn2ASR勺比例系数:Knh 1 CTm2h RTn6 0.05 0.132 0.18=11.7 2 5 0.007 0.5 0.0174近似校验转速截止频率为:KN cn 一 11 1_1= KNn =396.4 0.087
15、s =34.5s电流环传递函数简化条件为1 1135.1 , 3 0.0037s“ r =63.7s 、:cncn满足简化条件62222 s - - 396.4sN 2 52 0.01742转速环小时间常数近似处理条件为满足近似条件计算调节器电阻和电容，根据图所示，取r =40kC ,则：Rn =Kn& =11.7M40kC =468kC取 470kCCn = 0.087 3 F =0.185m10F取0.2uFRn 470 103on&4_31R040 103取1F含滤波环节的PI型转速调节器检验转速超调量当h=5时，an =37.6%,不能满足要求.按ASR退饱和的情况计算超调量：ax%
16、=81.2%, Cb-nN Tn* 一nTm. ：C：=n max2(- -z)Cb136 0.5an =2M81.2%1.5M 0.132 父0.0174 = 8.31%10% ,满足设计要求。14600.18转速调节器的实现:含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器原理图如图5所示。* BsrZ7*. 2笺 L(sr/7图5含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器5心得体会转速负反馈环为外环，其作用是保证系统的稳速精度；电流负反馈环为内环， 其作用是实现电动机的转距控制，同时又能实现限流以及改善系统的动态性能。 转速、电流双闭环直流调速系统在突加给定下的跟随性能、动态限流性能和抗扰 动性能等，
17、都比单闭环调速系统好。双闭环能够快速启动制动，能够快速克 服负载、电网等干扰。就目前来看，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要 形式。电流转速双闭环调速电路，因其具有极高的调速范围、很好的动静态性能 及抗扰性能，在调速领域得到广泛的应用。而且双闭环直流调速系统因其具有动 态响应快、抗干扰能力强等优点，所以在现代化工业生产中得到越来越广泛的应 用，来实现生产的制动调速即提高工艺产品的质量。 目前，双闭环控制系统已经 普遍的应用到了各类仪器仪表，机械重工业以及轻工业的生产过程中。 随着全球 科技日新月异的发展，双闭环控制系统总的发展趋势也向着控制的数字化，智能化和网络化发展。而在我们国内，双闭环控制也已经经过了几十年的发展时期， 目前已经基本 发展成熟，但是目前的趋势仍是追赶着发达国家的脚步，向着数字化发展。参考文献1钱平，交直流传动控制系统.北京：高等教育出版社（第三版）,20092王兆安，黄俊.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，20063黄俊.电力电子变流技术.北京：机械工业出版社，20024赵明.直流调速系统.北京:机械工业出版社，1998