双闭环直流调速系统(精)

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，整流装置采用三相桥式电路,基本 数据为:直流电动机：U 二 750V,I 二 780A ,nAT = 375 rmin ,R 二 4，电枢电路NNN/mm a总电阻R= o .1。电枢电路总电感L二3.0mH，电流允许过载倍数九二1.5,折算到电动 机轴的飞轮惯量GD2 = 11094.4Nm2。晶闸管整流装置放大倍数K二75，滞后时间常数T二0.0017sss电流反馈系数0 = 0.01%卜12怀.5j N 丿电压反馈系数Qo.。32 v 哪 A vn滤波时间常数T = 0.002s, T = 0.02 s.oionU* = U* = U = 12V ；调节器输入电阻R = 40KG。nm im cmO设计要求：稳态指标：无静差动态指标：电流超调量b 5 0；空载起动到额定转速时的转速超调量 i0b +1E 题外环电流内坏ASHASH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交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数T按需要选 oi定,以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反 馈信号的作用,为了平衡这个延迟作用,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表示，根据和电流环一样的道理,在转速给定通道上 on也加入时间常数为T的给定滤波环节。on系统设计的一般原则是：先内环后外环。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。3.21 电流调节器3.2.1.1电流调节器设计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，即这时,电流环如图3-4 所示。U*)t, T s+10i图 3-4 电流环的动态结构框图及其化简(忽略反电动势的动态影响)忽略反电动势对电流环作用的近似条件是3 oc1 3m l式中3C- -电流环开环频率特性的截止频率。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U*i(s)/0，则电流环便等效成单位负反馈系统。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）最后，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个惯性环节，其时间常数为T = T + T.isOi查表1得，三相桥式电路的平均失控时间为T二0.0017s ,电流滤波时间常数T . soi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（12） T =3. 3oi3ms,因此取 Toi=O.O02s电流环小时间常数之和丁口Toi=0.0037s。oi简化的近似条件为ci电流环结构图最终简化成图3 -6。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 2-23c2 电流调节器结构的选择根据设计要求：稳态无静差，超调量.5%，可按典型I型系统设计电路调节i器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器其传递函数为：W ( s)ACRK (T s + 1)i 4Tsi式中 Ki 电流调节器的比例系数;Ti 电流调节器的超前时间常数。为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择尸乌则电流环的动态结构图便成为图3- 7所示的典型形式，其中K - KKPI T Rb)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T l=0.0 3soT 0.03检查对电源电压的抗扰性能：产=0-0037 = 8.11,参照典型I型系统动态抗扰 工i性能指标与参数的关系表2 ,可知各项指标都是可以接受的。3.电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：尸T/=0.03s。电流环开环增益：要求b 5%时，按表3应取2=0.70 7, KT = 0.5,iI心因此KI0.5 =0.5厂=0.0037为i“ K t R 135.1 x 0.03 x 0.1 门 十 ACR的比例系数为K = 0.5404i K P75 x 0.01S4检验近似条件电流环截至频率：w = K = 135.1s-1ciI机电时间常数T = 0.0843sm1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件13T3 x 0.0017 s = 196心 i ci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:丄T T* m lI1I0.03 x 0.0843= 59.65wci满足近似条件。3）电流环小时间常数近似处理条件3 ： T Toi m1 13 x( 0.002 x 0.0017=180.8s -iwci满足近似条件。5.计算调节器电阻和电容含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器如图3 8所示： 其中U *为电流给定电压，-0 1为电流负id反馈电压，U为电力电子变换器的控制电压。c由图3-8,按所用运算放大器取R二40k0,0各电阻和电容值为R 二 KR 二 0.5404 x 40 二 21.6 KQ,取 22KQ图 3-8PI 型电流i i ooi4Toi0.0322000二 1.364pF ,4x0.00240调节器按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为b二4.300 5 00,满足设i00计要求。3. 22 2转速调节器参数选择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Wcli( s)=稠I-s(T s +1)刀匚K = T1 +I4-s(T s +1) KiI11 s 2 +s + 1KI忽略高次项,上式可降阶近似为近似条件可由式皤1 mint.1启)W (s)-cli1“s + 1 KI1c )求出ao w3 0.0037cn满足简化条件。2）转速环小时间常数近似处理条件为1 K _ 1_4 27.4 w3 T 3 0.02cn1 on满足简化条件。5 .计算调节器电阻和电容含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器如图3- 1 2所示:其中U*为转速给定电压，n为转速负反馈电压，U* :调节器的输出是电流调 ni节器的给定电压。取 R 二 40k0,则0R 二 K R 二 11.057 x40 二 442.28 KQnn o，取 443 KQTC 二一nn Rn0 137二 443000 F 二Con4T=on = 2卩F，取 2 aFo Ro图3-12 PI型转速调节器6.校核转速超调量查表，当 h = 5 时，b = 37.6% ,不能满足设计要求。应按ASR退饱和的情况重新计算超调量。7按 ASR 退饱和重新计算超调量过载倍数入=1.5,理想空载转速时,z= 0查表得,h=5 时，Cmax/Cb=81.2%,则fAC AnfAC )G =maxb = 2maxnf C Jn*f Cbb要求。(X - zn * Tm=8.59o；b I后，电机开始起动， d dL d dL由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压AU二U* - U的数值仍较大，其输出电压保持限幅值U*，强迫电流I迅速上升。 n n n im d直到I沁I ，U沁U *，电流调节器很快就压制了 I的增长，标志着这一阶段的 d dm i im d结束。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（tt ）是恒流升速阶段，ASR饱和，转速环相当于开环，在恒值12电流给定U*下的电流调节系统，基本上保持电流I恒定，因而系统的加速度恒定， im d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，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量,为了克服它的扰动，U 和U也必须基本上按线性增长，d 0 c才能保持I恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差d电压AU二U* - U必须维持一定的恒值，也就是说，I应略低于I 。i im i d dm第皿阶段（t以后）是转速调节阶段。当转速上升到给定值n*二n时，转速调节20器ASR的输入偏差减小到零，输出维持在限幅值U*，电机仍在加速，使转速超调。im转速超调后,ASR输入偏差电压变负，开始退出饱和状态,U *和I很快下降。但是，id只要I仍大于负载电流I，转速就继续上升。直到I = I时，转矩T二T，则d dL d dL e Ldn/d t=0，转速n才到达峰值（t二t时）。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此3相应，在tt时间内，I I ，直到稳定。如果调节器参数整定得不够好，也会有3 4 d dL一段振荡过程。在这最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转 速调节作用，而ACR则力图使Id尽快地跟随其给定值U*。图4-2空载起动特性4 .2突加负载2DD2000500022.5344.551 000 卜-5000.51-53.5图 4-3 突加负载启动4.3 突减负载图4-4 突然减载5小结与体会通过本次课程设计,首先我对直流双闭环调速系统有了更深的认识,加深了理解， 是对课堂所学知识的一次很好的应用。学会了转速、电流双闭环直流调速系统的设计， 并能熟练地掌握转速和电流调节器参数的选择和计算，在设计的基础上更加认识到直 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，谢谢!6参考文献1 陈伯时.电力拖动自动控制系统一一运动控制系统北京：机械工业出版社，20 0 3.72 张爱玲，李岚，梅丽凤电力拖动与控制机械工业出版社,2003.5