单闭环直流调速系统课程设计

单闭环直流调速系统课程设计一 绪论转速单闭环调速系统的简要介绍及设计意义直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的 角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。为了提高直流调速系统 的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统（包括单闭环系统和多闭 环系统）。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速 指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈， 电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。在 对调速性能有较高要求的领域常利用直流电动机作动力 ,但直流电动 机开环系统稳态性能不能满足要求,可利用速度负反馈提高稳态精度, 而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的 ,为了消除系统的 静差,可用积分调节器代替比例调节器.反馈控制系统的规律是要想维持系统中的某个物理量基本不变， 就引用该量的负反馈信号去与恒值给定相比较，构成闭环系统。对调 速系统来说，若想提高静态指标，就得提高静特性硬度，也就是希望 转速在负载电流变化时或受到扰动时基本不变。要想维持转速这一物 理量不变，最直接和有效的方发就是采用转速负反馈构成转速闭环调 节系统闭环转速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而 在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代 价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。二 单闭环调速系统的相关数据及图示2.1 数据选择2.1.1电动机型号Z4-225T1：额定电压400V 额定转速900r/min 额定电流193A 电枢回路电阻0.1406 Q电枢回路电感4.9mH2.1.2测速电机选择型号: ZCF321额定电压：100v 额定转速：1500厂/ .额定电流0.4A/mm3）晶闸管整流触发装置：三相半波整流电路，整流变压器采用 A-Y连接。4）直流稳压电源+ 15V。2.2 单闭环直流调速系统的相关图示ftMAGTUPETG%+图1 带转速负反馈的单闭环直流调速系统原理框图三、反馈控制闭环直流调速系统的设计过程与参数计算3.1 系统静特性参数3.1.1 虽然采用 PI 调节，但实际上不可能完全无静差，其稳态速降不为零 但应该很小，3.1.2 电动机的电动式系数C二U二竹，代入数据算得：ennIRC = 0.414v-min/ r，开环额定速降An =-，则闭环系统的开环放大系数为: eop CeAnK =op -1。Ancl3.2 各部件相关参数选择3.2.1电源：采用正反电源供电，即一端输出15V,另一端输出-15V，中间处为零伏、接地。322 电位器RP1：选择T5V+15V输出，中间接地，即U*二15V。 n max323比例积分（PI）调节器：图3比例积分（PI）调节器线路图其中运算放大器选用PA741Y、管脚接线如下图4所示:3265图4 运算放大器K 运算放大器的放大系数K二一p a K / CseofhetN23 (IN+)1 offset324 限幅装置：为保证输出地线性关系，采用齐纳二极管反向击穿限幅，同时为保证能反向限幅，用两个齐纳二极管串联。限幅值为土 12V，即U= 12V。c max限幅电路图如下图 5：3.2.5 UPE 环节的原理图设计,该环节的时间常数和放大系数的计算UPE 环节的动态结构图如下图 6：图6整流电路：采用三相半波整流，为实现逆变，用两套三相半波，反向连接。采用幺=卩=兀/2配合控制的有环流可逆系统，此时需要串接电 抗器，限制环流值在额定直流输出电流的3%10%。当导通角a 30 时，电流连续 则U二1.17U cos a,由于Ud UN即小于电动机额 d2dN定 电压1.17U cos a U 贝U U 订.17 cos a及2N2 N 1U = U 117 二 341.88V 取U = 360v，则 U= 1.17U = 421.2v 贝U 电2 maxN，2dmax2力电子放大器的电压放大系数K二U U=421. Z2V二35Sdmax cmax/ 丄。I 二 10%I电抗器 L 二 1.46 U /I二 27.2mHdminN，2 d min三相半波失控时间T二3.33mss电枢回路电磁时间常数T = - = 27.2mH沁0.193si R 0.14060UPE 环节的传递函数近似成一阶惯性环节，即：35KW = s =s(s)1 + T s 1 + 3.33 x 10-3 ss在三相半波整流电路中，如果负载电动机按电感性负载处理，晶闸管 承受的最大正向和反向电压均为变压器二次侧线电压的峰值，即URM =迈x訂U2二2.45U2二882v ；如果按电阻性负载处理，则其最高正 压是二次侧相电压的峰值，即：Ufm二迈U2二509V。晶闸管的额定电 压选用时，额定电压为正常峰值电压的23 倍，作为允许的操作过电 压欲量。晶闸管的额定电压取：U = (2 - 3)U，因此可取U =1500VNFmn此处按电感性负载处理。由于加了平波电抗器，认为电感足够大o2T则变压器二次侧的相电流，亦即晶闸管的电流有效值为：籍I厂05T1I厂0.577 x193A二107.5A，因而，通太平均电流T(AV)= 157 = 68,5A。选择晶闸管参数如下：电压U=1500v,电流I=80A。3.3 电流截止负反馈电流截止负反馈环节如图7 所示当I U 时二极管导通；电流 com截止电流1ddcr堵转电流【dbl dbl联立上式 Idcr dcrIdbl=U /R，=U + U * Z Rcomn s=U /R (1.1 - 1. 2)Icom sN=(U+U*)/R= (1.5 - 2)Icomn SN. U * + U=ncomdbl Rs二 21 二 2x193A 二 386AN又截止电流 I 二 Ucom二 1.2* I = 1.2x 193A二 231.6Adcr R Ns由上面两个公式联立可得：比较电压U =22.5Vcom串入电枢回路中的小阻值电阻r =0.097 Q s3.4反馈系数稳态时，输入偏差为0,即：U：则反馈系数为：=U = 15Vnanmaxa = U * /n= 15/900V min/ r = 0.017 V min/ rn max由于a = a 2Ce tg，其中a 2为电位器分压系数、Ce tg测速发电机电动势系数，且有 Cetg 二 100 1500Vmin r 二 1/15Vmin/ r代入上式数值得a 2 =a/Cetg = 0.25取测速发电机输出最高电压时 其中电流约为额定值的1/5，则R u Cetgn 0.2I二 7500RP2n-Ntg此时的R的消耗功率为W二Cetgn *0.21二4.8WRP2RP2NNtg为了留有裕量查表取r功率为：10w 电阻为：1000 QRP23.5 静特性结构框图1C 二 0.414V min/ r二 2.42eCe综上所述可得静特性结构框图如图 8：图83.6 反馈控制闭环直流调速系统的动态框图与设计构成系统的主要环节是电力电子变换器和直流电动机。不同电力电子变换器 的传递函数，它们的表达式是相同的，都是KW (s)沁 ssTs +1s只是在不同场合下，参数Ks和Ts的数值不同而已。直流电动机的传递函数：假定主电路电流连续，则动态电压方程为：U = RI + LdId + E,d0 ddt如果，忽略粘性磨擦及弹性转矩，电机轴上的动力学方程为：T _ t - GD2 dne_ L_75Z7额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为：T二CI，E = Cne m deT 包括电机空载转矩在内的负载转矩，N-m；LGD 2 电力拖动系统折算到电机轴上的飞轮惯量，N-m2；30C = C 电机额定励磁下的转矩系数，N-m/A； m n eT =-电枢回路电磁时间常数，s；i R375C 电力拖动系统机电时间常数,em整理以上各式得：U - E = R(I + T 气)d0d l dti -1 = TmdEd dL R d t式中i =-为负载电流。dl Cm在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数为1仆s)=工 U (s) -E(s) Ts +1 d0l匕电力拖动自动控制系统课程设计 电流与电动势间的传递函数为：E (s)_ RI (s) I (s) 一 Tsd dL m整个直流电动机的动态的结构图 9 所示：图9直流闭环调速系统中的其他环节还有比例放大器和测速反馈环节，它们的响 应都可以认为是瞬时的，因此它们的传递函数就是它们的放大系数，即:放大器：W (s)二 Uc(s)二 K，测速反馈：W (s) = Un(s) =a ,a AU (s)pfnn(s)n知道了各环节的传递函数后，把它们按在系统中的相互关系组合起来，就可 以画出闭环直流调速系统的动态结构图，如下图所示。由图可见，将电力电子变 换器按一阶惯性环节处理后，带比例放大器的闭环直流调速系统可以看作是一个 三阶线性系统。反馈控制闭环调速系统的动态结构图 10所示：图 10由图可见，反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是W()_ (Ts + 1)(T Ts2 + T s +1)s m l m式中 K = KpKsa / Ce ,K K /Cp se(Ts + 1)(T Ts2 + T s +1)sm lmK K a / Cp seKK/Cp se(Ts + 1)(T Ts2 + T s +1) + K sm lm设/二0，从给定输入作用上看，闭环直流调速系统的闭环传递函数是: dlW (s)=cl1 + (Ts + 1)(T Ts2 + T s +1) sm lmKKpsC (1 + K)eT TTT (T + T)T + T11 + K1 + K1 + K由上式可知，反馈控制闭环直流调速系统的特征方程为T TTT (T + T)T + T 4m_ls 3 + m1s s 2 + ms s + 1 = 01 + K1 + K1 + K其稳定条件为：K T，称作系统的临界放大系数Ker,当K三Ker时，系统将不TT ls稳定。动态结构框图由上述设计中的计算结果可得T二0.193s，T二3.33ms ls可得动态结构框图如图11所示：注：框中数据有以上计算得知3.7静特性曲线的绘制图 13 为图 12图 13电流负反馈被截止时相当于下图 12 中的 CA 段，它就是闭环调速系统的静特 性，显然是比较硬的，电流负反馈起作用后，相当于图12中的AB段， 无静差的静特性曲线。电力拖动自动控制系统 主编电力电子技术 电子技术基础机械工业出版社机械工业出版社高等出版社四、参考文献1 陈伯时主编2 王兆安 黄俊3 康华光.