双闭环不可逆直流调速系统设计.doc

双闭环不可逆直流调速系统设计1设计题目直流他励电动机：功率Pe145KW，额定电压Ue=220V，额定电流Ie=6.5A,磁极对数P=1，ne=1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻Ra=3.7,主电路总电阻R7.4，Ks=27，电磁时间常数TL=0.033s，机电时间常数Tm=0.26s，滤波时间常数Toi=0.0031s，Ton=0.01s，过载倍数1.5，电流给定最大值，速度给定最大值，0.77V/A，0.007 Vminr。设计双闭环不可逆直流调速系统。2双闭环不可逆直流调速系统的概述21什么是双闭环直流调速系统采用PI调节的单闭环系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。因为单闭环系统中不能随心所欲的控制电流和转矩的动态过程。为了让电动机在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又只有转速负反馈，不在让电流负反馈发挥作用，既存在转速和电流两种负反馈又使他们分别在不同阶段起作用，可在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈。两者实现嵌套联接，电流环在里，转速环在外，就形成了双闭环调速系统。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。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。它具有动态响应快、抗干扰能力强优点。22转速、电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用转速调节器在双闭环直流调速系统中的作用：减小转速误差，采用PI调节器可实现无静差；对负载变化起抗扰作用；其输出限幅决定电动机允许的最大电流。电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用：使电流紧紧跟随其给定电压的变化；对电网的波动起及时抗干扰作用；加快动态过程；堵转或过载时起快速自动保护作用。3系统总体方案设计31双闭环调速系统工程设计的一般步骤：（1）先进行电流内环的设计，再进行速度外环的设计。（2）对已知系统的固有部分做合理的近似处理，以简化调节器的结构。（3）根据具体情况选定预期特性，即典型I型或典型II型系统，并确定串联调节 器的类型。（4）根据要求的性能指标，求出调节器的参数。32选择调节器结构为获得电动机的动静态性能好，抗扰性能佳。速度调节及抗负载和电网扰动，采用双PI调节器，可获得良好的动静态效果。电流调节器的选择：从稳态上看，要求电流无静差，可得到理想的堵转性。从动态上看，系统不应该有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因素。为此，电流环以跟随性为主。选用典型型系统，采用PI调节器，校正成典型I型系统。转速调节器的选择：ASR采用PI调节器。为实现转速无静差，转速环开环传递函数应有两个积分，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节包含在转速调节器ASR中，使系统在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能。所以应该选择典型II型系统，这样系统动态抗扰性能好。4参数计算和选型设计41整流装置选用三相零式晶闸管整流装置供电。三相零式电路每个波头时间为6.67ms。三相零式电路平均失控时间：42电流调节器的设计421确定时间参数（1）整流装置滞后时间。（2）电流滤波时间常数。三相零式电路每个波头时间为6.67ms，为基本滤平波头，应有（12）=6.67ms，与所给定的数据符合。（3）电流环小时间常数之和。422电流环框图及简化 图：电流环的动态结构框图及其简化423电流调节器的选择。从稳态上看，要求电流无静差，可得到理想的堵转性。从动态上看，系统不应该有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因素。为此，电流环以跟随性为主。选用典型型系统，采用PI调节器，其传递函数为：424计算电流调节器的参数（1）为了让调节器的零点与控制对象的大时间常数极点对消，则电流调节器超前时间常数：。（2）采用西门子“最佳整定”方法的“模最佳系统”，参数取：，。因此，电流开环增益：ACR的比例系数为：425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426计算调节器电阻和电容。含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器原理图如下。图：给定滤波和反馈滤波的PI电流调节器所用运算放大器取，则各电阻和电容值为：电流调节器设计完成。43转速调节器的设计431确定时间常数（1）电流环等效时间常数：（2）转速滤波时间常数：（3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取：432电流环框图及简化 图：转速环的动态结构框图及其简化433转速调节器的选择为实现转速无静差，转速环开环传递函数应有两个积分，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节包含在转速调节器ASR中。所以应该选择典型II型系统，这样系统动态抗扰性能好。ASR采用PI调节器，其传递函数为：434计算参数按跟随性与抗扰性能较好的原则，取，。当时调节时间最短，动态跟随性能适中。则ASR的超前时间常数为：电动机的电动势系数转速开环增益：ASR的比例系数为435校验近似条件转速环截止频率为：（1）电流环传递函数简化条件为 满足简化条件（2）转速环小时间常数近似处理条件为 满足简化条件436计算调节器电阻和电容含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器原理图如下。图：含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器所用运算放大器取，则转速调节器设计完成。至此，双闭环不可逆直流调速系统的理论设计初步完成，但还需实际调试和修正。5课程设计体会通过这次设计，我对双闭环不可逆调速系统有了进一步的理解和运用，加深了对电机调速应用。双闭环调速就是转速、电流两种负反馈在不同的阶段分别起做用。而在双闭环直流调速系统中，转速和电流调节器的结构选择与参数设计都要从动态校正的需要来解决。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。在设计双闭环调速系统的时候采用工程设计方法，在设计时，把实际系统校正或简化成典型系统，利用现成的公式或简明的图表来进行参数计算，这样设计过程就简单得多。设计过程第一步先解决动态稳定性和稳态精度，选择调节器的结构确保系统稳定且满足稳态精度。第二步在选择调节器参数，满足动态性能指标。这样的设计方法规范化、简单化。这种设计方法对以后工作中又很大的作用和帮助。参考文献1陈伯时，电力拖动及自动控制系统，机械工业出版社，2001。2 扬仲平，自动控制系统，煤炭工业出版社，1996。3徐银泉，交流调速系统及其应用，纺织工业出版社，1990。 4许建国，拖动与调速系统，武汉测绘科技大学出版社，1998。5佟纯厚，近代交流调速，冶金工业出版社, 1985。6倪忠远，直流调速系统，机械工业出版社, 1996。7孙树扑等，电力电子技术，中国矿业大学出版社，2000。8黄俊，王兆安，电力电子技术，机械工业出版社，2000。9刘祖润，胡均达，毕业设计指导，机械工业出版社，1996。- 8 -