双闭环直流调速系统ACR设计与系统实验

aEu E-枢叵各总电阻R包括Rn、平波电抗器的直流电阻Rl及整基于工程整定法的双闭环直流调速系统电流调节器设计摘要：（三）、调速系统参数测定1、实验线路及原理晶闸管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。在本设计中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Ug作为触发器的移相控制电压Uct,改变Ug的大小即可改 变控制角a,从而获得可调的直流电压，以满足实验要求。本系统的组成原理 如图所示。丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨|流装置的内阻Rn,即R=Rn+RL+Rn由于阻值较小，用欧姆表或电桥测量，接触电阻的影响很大，带来的误差 也大,所以在本次测量中采用直流伏安法测量电路总电阻。其测量线路如下图 所示。如上图所示将变阻器R1、R2接入系统主电路中，在我们实际测试时是将D42 三相可调电阻并联接入系统中。在测试中电动机不加励磁，让电机堵转。启动 电源调节给定使输出直流电压在 30%Ued-70%Ued 范围内，然后调整 R2 使电枢电 流在80%Ied-90%Ied范围内，读取电流表A和电压表V的数值为II、U1,然后 调节三相可调电阻，在Ud的条件下读取电流表、电压表的数值12、U2,利用公 式R= (U2-U1) /(I1-I2)即可得到电枢回路总电阻。实验所的数据U1U2I1I211441560.750.3421411490.800.45第一组数据计算电阻ri二寻二二293。第二组数据计算电阻R2二濃二鵲45二23总电阻R =R1+R2229.3+232 2304、主电路电磁时间常数Td的测定在本测定中采用电流波形测定电枢回路电磁时间常数Td,电枢回路突加给定电压，电流id将按指数上升id=Id(l-e-负)当t=Td时有id=Id(l-e-Q =0.632Id在如下实验线路所示， 电机不加励磁， 调节给定使电机电枢电流在 50%Ied-90%Ied范围内。保持Ug不变，将给定的S2接地，然后拔动给定S2从 接地到正电压信号，并用数字示波器记录波形，并利用波形在电流上升至稳定 的63.2%时的时间，即为电枢回路的电磁时间常数Td。实验接线图如下；通过波形图得出电磁时间常数 Td=0.015s5、电动机电常数Ce和转矩常数Cm的测定在测试过程中将电动机加额定励磁，并使其空载运行，改变电枢电压 Ud，测得相应的转速n即可算出Ce,并由Ce算出Cm。Ce二Ke=(U -U ) /(n -n ) d2 d1 2 1实验所得数据UdiUd2n1n21127213985.41500215320110221412由公式Ce二 Ke=(U -U)/(n -n )d2 d1 2 1计算得Cel =(U -U)d2 d1/(n -n )= 213 -127 = 0.166992 i 1500 985.4计算得Ce2 =(U -U)d2 d1/(n -n )= 201 -153 = 0.123082 11412-1022所以得总电势时间常数Ce=Ce1+ Ce22= 0.145转矩常数Cm的单位为N m/A,并且Cm = 9.55Ce -1.386、系统机电时间常数Tm测定系统的机电时间常数可由Tm = (GD2R)/(375CeCm2)公式求的。由于在系统TmTd,便可以近似的把系统看成一阶惯性坏节，n = KU / (1+TmS)即当电 d枢突加给定电压时，转速n将俺只是规律上升，当n达到稳态值的63.2%时， 所经历过的时间即为整个系统的机电时间常数。在本测试中电枢回路中的附加电阻全部切除，突然给电枢加电压，用数字7、晶闸管整流装置放大倍数的测定实验线路如下图所示，示波器可以不用接，电动机加额定励磁，逐渐增加 触发电路的控制电压Ug，分别读取对应的Ug、Utg、Ud、Nde数值若干组即可, 在本设计系统中我们即可读出Ug和Ud即可求出晶闸管整流装置的放大倍数曲 线。Ks=AUd/AUg实验所得数据UgUdUgUd10.106981.0614020.237891.1414630.63109101.2715640.71115111.4516850.78120121.6318060.86126131.8919670.92130142.21216由实验数据绘制出晶闸管整流装置放大倍数曲线Ks=f （Ug）四）、调节器设计2、电流调节器的作用（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧 紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过 程。（4）当电机过载甚至堵转时，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，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来 说是十分重要的。数据计算一下就可以。这样变使设计方法规范化，大大减少了设计的工作量。4、电路调节器的设计（1）调节器结构的选择 第一我们应该考虑把电流调节器校正成哪一类典型系统。从系统稳定要求 来看，希望电流无静差，并得到理想的堵转特性，如图所示：在实际系统中一般采用 I 型系统就可满足。再从动态特性上看，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，来保证电流在动态过程中不 超过允许值，然而对电网电压波动的及时抗扰作用成为次要因素。因此在电流 环应该以跟随性能为主，即如上所说的典型 I 型系统。上图表明电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成 I 型系统，应该采用 PI 调节器，其传递函数可以写成如下形式：W(s)=ACRKi(T +1)iTsi在式中Ki电流调节器的比例参数；T i 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T i = T则电流环的动态结构框图便成为下图所示的典型形式，其中K = KiK I T Ri现将上述假定条件归纳如下 ，以便设计时校验（1）电力电子变换纯滞后的近似处理ci13TS忽略反电动势对电流的动态影响叮* =需2F=.2uF0(3)电流环小惯性群的近似处理 1ci TT丫 S oi5、电流调节器参数计算由W (s) = K(Ti +1)式可以看出，电流调节器的参数是Ki和T i,其中T i ACRT Si已经选定，只有比例系数Ki,可根据所需要的动态性能指标选定，由于在设 计要求电流超调量b 5%所以可选0.707, K T二0.5则有下式iI E i=wci12fXifR R fL =()2 K卩f2 K卩fS XiSXi由上两式根据实际系统的跟随性能指标要求的不同，进行相应的改变，若对电流环的抗扰性能也有具体要求的，还得再校验抗扰性能指标是否满足。6、电流调节器的实现含给定滤波和反馈滤波的模拟式 PI 型电流调节器的电路原理图如下图所示，图中U*为电流给定电压，-0 Id为电流反馈电压，调节器的输出就是电力 i电子变换器的控制电压Uc。T =丄R C0i 4 0 0i根据放大电路原理图可以很容易的算出K = R t =RC i R i i i 0根据上三个式子计算出电流调节器的电路具体参数。7、电流调节器参数计算过程( 1)确定时间常数整流装置滞后时间常数Ts ,根据三相桥式电路的 平均失控时间Ts=0.0017s。 电流滤波时间常数T。三相桥式电路的每个波头的时间是3.3ms,为了 0i基本滤平波头有（1-2） T =333ms，在此取T =2ms=0002s0i 0i电流环小时间常数之和T。安小时间常数近似处理，T =Ts+Toi=0.0037s。系统的时间常数由上实验测得Tm= 同时系统的时间常数T也由上求得T =Td=LL电流反馈系数0（2）选择电流调节器的结构根据设计要求a 5%，并保证稳态电流无静差，可按典型I型系统设计电 i流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用 PI 型电流调节器。（ 3）参数计算电流调节器超前时间常数：e = T =0.01s iL电流环开环增益：并要求a 5%，取K T =0.5，因此iI Si-135.1s-10.50.51 i T 0.0037Si于是， ACR 的比例系数为“ Kt R 135.1X 0.015 x 26 八”K0.14i K 卩70 x 5.6S（ 4）校验近似条件电流环截止频率：O - K - 135.1S-1ci I晶闸管整流装置传递函数的近似条件13TS3x0.0017S - Vsci忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件3 T T -3气0.06sx0.015sM La 100s-i电流环小时间常数近似处理条件3二 3 x1沁 180s-ioTT0.0017 x 0.002sS 0i 计算电流调节器电阻和电容由调节器电路图得，按所使用运算放大器取Ro=40kQ，各电阻和电容为R 二KR 二0.14x40k0二5.6k0i i 0F = 2.7uF厂t 0.015C iR5.6x103ioi4TOi4 x 0.00240 x103F=0.2uF（五）、系统调试1、双闭环系统转速、电流双闭环直流调速系统结构图L內环AMu.TG外环旳TAUPEACRASR双闭环直流调速电路原理图双闭环直流调速系统稳态结构框图双闭环直流调速系统动态结构图2、系统调试原则（1）先部件，后系统。即将各个单元的特性调好，然后才组成系统。（2）先开环，后闭环。即使系统在开环在正常运行，然后在确定电流和转 速均为负反馈时组成闭环系统。（3）先内环，后外环。即先调试电流内环，然后调试转速外环。（4）先调整稳态精度，后调整动态指标。3、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，输出给定到零。 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 超过某一数值时Ug时，Ud的波形会出现缺相现象，这时Ud反而会随Ug的增 大而减少。实验过程中调节Ug、并观察Ud的变化，当Ud变化到最大值是并 下降时刻记录下 Ug 的值。如下表所示：Ug7.78Uct max=0.9Ug7.0024、调节器调零如下图所示，将电流调节器的所有输入接地，将R1电阻接13k阻值。电容 短路，使电流调节器成为比例调节器。调节面板上的调零电位器RP3，并用万 用表的豪伏档测量电流调节器的“11”端，使调节器的输出电压Uc尽可能为零。同理调节速度调节器。5、电流反馈系数与转数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， Ud=220V 时减小负载的阻 值，调节“电流反馈与过流保护”上的电流反馈点位器 RP1，使得负载电流 Id=1.3A时，测出“2 “端If的电流反馈电压Uri。反馈系数P二Uri/Id,实验 用万用表测的Uri=4.99，所以得P =4.99/1.30=3.78直接将给定电压Ug接入DJK02-1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，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，使电动机提速到1500rpm，调节速度变换上的RP1，使得该转速反馈电压Ufn=-6V，实际用万用 表测得通过调节 RP1 反馈电压 Ufn 最多可达到-5.26，所以得到转速反馈系数 a=5.26/1490=0.00356、系统开环特性测定（1）将DJK02-1控制电压Uct由Ug给定直接输入，“三相全控整流”电路 接电动机，Ld用DJK02上的300MH，直流发电机接负载电阻R,并且负载电阻 放在最大值，输出给定调到零。(2) 按下启动按钮，接通励磁电源，然后从零开始逐渐增加“给定”。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。(3) 增大负载电阻R,测开环外特性n=f (Id) 实验所测数据：n (rpm)1199118311511124117510411025Id(A)0.840.880.961.021.131.221.247、系统静特性测试(1)按照双闭环直流调速电路原理图接线， DJK04 的给定 Ug 输出为正电压， 转速反馈为负电压，直流发电机接负载电阻R，Ld接300mH，负载电阻放在最 大值，给定输出调零。将速度调节器，电流调节器都接成P (比例)调节器， 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后，将“速度调节器”“电流 调节器”恢复成 PI 调节器，构成实验系统。(3) 机械特性 n=f(Id)、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=1200rpm，然后接入发电机负载电阻R,逐渐改变负载，直至Id=Ied，测出系 统的静态特性曲线n=f(Id)，测量数据记录如下：n (rpm)11991W71195119611941W31190Id(A)0.320.390.410.530.630.710.75、降低Ug,再测试n=800rpm时的静态特性曲线，数据记录如下表n (rpm)802802800799798798795Id (A)0.250.320.340.380.450.530.64调节Ug及R，使Id=Ied、n=1200rpm,逐渐降低Ug，记录Ug和n，测出闭环控制特性 n=f（Ug）n (rpm)1199113810291002932875770Ug (V)3.99*3.283.583.323.082.892.548、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，并用示波器观察记录下动态波形：（1）突加给定电压Ug，电动机启动时的电枢电流Id波形和转速波形。2）突加额定负载时电动机电枢电流波形和转速波形3）突降负载时电动机的电枢电流波形和转速波形