雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)—課程設(shè)計(jì)

1、大 連 海 洋 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 紙學(xué)院: 專業(yè)班級(jí): 姓名: 學(xué)號(hào): 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求設(shè)計(jì)內(nèi)容：1. 根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)形式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖。2. 調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計(jì)算。3. 驅(qū)動(dòng)控制電路的選型設(shè)計(jì)。4動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)技術(shù)要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正，確定asr調(diào)節(jié)器與acr調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)形式及進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。5 繪制vm雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)電器原理圖，并研究參數(shù)變化時(shí)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)性能的影響。設(shè)計(jì)要求（假想?yún)?shù)）： 1. 該調(diào)速系統(tǒng)

2、能進(jìn)行平滑地速度調(diào)節(jié)，負(fù)載電機(jī)不可逆運(yùn)行，具有較寬地轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍（），系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作。2. 系統(tǒng)靜特性良好，無靜差（靜差率）。3. 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)速超調(diào)量，電流超調(diào)量，動(dòng)態(tài)最大轉(zhuǎn)速降，調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間（調(diào)節(jié)時(shí)間）。4. 系統(tǒng)在5%負(fù)載以上變化的運(yùn)行范圍內(nèi)電流連續(xù)。5. 調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置有過電壓、過電流保護(hù)，并且有制動(dòng)措施。6. 主電路采用三項(xiàng)全控橋。 大 連 海 洋 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 紙學(xué)院: 專業(yè)班級(jí): 姓名: 學(xué)號(hào): 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總設(shè)計(jì)框圖 在生活中，直接提供的是三相交流760v電源，而直流電機(jī)的供電需要三相直流電， 因此要進(jìn)行整流，本設(shè)計(jì)采用三相橋式

3、整流電路將三相交流電源變成三相直流電源，最后達(dá)到要求把電源提供給直流電動(dòng)機(jī)。如圖2-1設(shè)計(jì)的總框架。三相直流電源直流電機(jī)三相交流電源整流供電保護(hù)電路驅(qū)動(dòng)電路雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框架 三相交流電路的交、直流側(cè)及三相橋式整流電路中晶閘管中電路保護(hù)有電壓、電流保護(hù)。一般保護(hù)有快速熔斷器，壓敏電阻，阻容式。根據(jù)不同的器件和保護(hù)的不同要求采用不同的方法。 驅(qū)動(dòng)電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)， 它將信息電子電路傳來的信號(hào)按照其控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通 或關(guān)斷的信號(hào)。本設(shè)計(jì)使用的是晶閘管，即半控型器件。驅(qū)動(dòng)

4、電路對(duì)大 連 海 洋 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 紙學(xué)院: 專業(yè)班級(jí): 姓名: 學(xué)號(hào): 半控型只需要提供開通控制信號(hào)，對(duì)于晶閘管的驅(qū)動(dòng)電路叫作觸發(fā)電路。直流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍的方案是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，采用串級(jí)控制的方式。轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)為外環(huán)，其作用是保證系統(tǒng)的穩(wěn)速精度；電流負(fù)反饋環(huán)為內(nèi)環(huán)，其作用是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距控制，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)限流以及改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在突加給定下的跟隨性能、動(dòng)態(tài)限流性能和抗擾動(dòng)性能等，都比單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)好。 主電路的結(jié)構(gòu)形式 在直流調(diào)速系統(tǒng)中，我們采用的是晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱v-m系統(tǒng))的原理圖如圖2-2所示。它通過調(diào)節(jié)處罰裝

5、置gt的控制電壓來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。與旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動(dòng)變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯現(xiàn)出較大的優(yōu)越性。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，根據(jù)晶閘管的特性，可以通過調(diào)節(jié)控制角大小來調(diào)節(jié)電壓。當(dāng)整流負(fù)載容量較大或直流電壓脈動(dòng)較小時(shí)應(yīng)采用三相整流電路，其交流側(cè)由三相電源供電。三相整流電路中又分三相半波和全控橋整流電路，因?yàn)槿喟氩ㄕ麟娐吩谄渥儔浩?二次側(cè)含有直流分量，故本設(shè)計(jì)采用了三相全控橋整流電路來供電， 大 連 海 洋 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì)

6、報(bào) 告 紙學(xué)院: 專業(yè)班級(jí): 姓名: 學(xué)號(hào): 該電路是目前應(yīng)用最廣泛的整流電路，輸出電壓波動(dòng)小，適 合直流電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，并且該電路組成的調(diào)速裝置調(diào)節(jié)范圍廣，能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電動(dòng)機(jī)不可逆運(yùn)行等技術(shù)要求。主電路原理圖三相全控制整流電路由晶閘管vt1、vt3、vt5接成共陰極組，晶閘管vt4、vt6、vt2接成共陽(yáng)極組，在電路控制下，只有接在電路共陰極組中電位為最高又同時(shí)輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，以及接在電路共陽(yáng)極組中電位最低而同時(shí)輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，才構(gòu)成完整的整流電路。為了使元件免受在突發(fā)情況下超過其所承受的電壓電流的侵害，在三相交流電路的交、直流側(cè)及三相橋式整流電路

7、中晶閘管中電路保護(hù)有電壓、電流保護(hù)。一般保護(hù)有快速熔斷器，壓敏電阻，阻容式。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是建立在單閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)上的，啟動(dòng)電流的變化特性可知，在電機(jī)啟動(dòng)時(shí), 啟動(dòng)電流很快加大到允許過載能電流很快加大到允許過載能力值, 并且保持不變, 在這個(gè)條件下， 轉(zhuǎn)速得到線性增長(zhǎng), 當(dāng)開到需要的大小時(shí), 電機(jī)的電流急劇 下降到克服負(fù)載所需的電流值,對(duì)應(yīng)這種要求可控硅整流器的電壓 大 連 海 洋 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 紙學(xué)院: 專業(yè)班級(jí): 姓名: 學(xué)號(hào): 在啟動(dòng)一開始時(shí)應(yīng)為, 隨著轉(zhuǎn)速的上升, 也上升, 達(dá)到穩(wěn)轉(zhuǎn)速時(shí), 。這就要求在啟動(dòng)過程中把電動(dòng)機(jī)的電流當(dāng)作被調(diào)節(jié)量, 使之維持在電機(jī)允許的最大

8、值, 并保持不變。這就要求一個(gè)電流調(diào)節(jié) 帶截止負(fù)反饋系統(tǒng)啟動(dòng)電流波形器來完成這個(gè)任務(wù)。帶有速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)便是在這種要求下產(chǎn)生的。（注: asr轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 acr電流調(diào)節(jié)器 tg直流測(cè)速發(fā)電機(jī) ta電流互感器 upe電力電子裝置 un*轉(zhuǎn)速給定電壓 un轉(zhuǎn)速反饋電壓 ui*電流給定電壓 ui 電流反饋電壓）為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接，如圖2-5所示。這就是說把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，在 用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上 大 連 海 洋 大 學(xué) 課 程

9、設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 紙學(xué)院: 專業(yè)班級(jí): 姓名: 學(xué)號(hào): 看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)，這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1. 時(shí)間常數(shù)的確定（1） 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)，即三相橋式電路的平均失控時(shí)間 ts=0.0017s。（2）電流濾波時(shí)間常數(shù)。三相橋式電路的每個(gè)波頭的時(shí)間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（12）=3.3ms，因此取=2ms=0.002s。（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取。（4）電磁時(shí)間常數(shù)的確定。由前述已求出電樞回路總電感。 則電磁時(shí)間常數(shù) 2. 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流

10、無靜差，可按典型i型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用pi型調(diào)節(jié) 器，其傳遞函數(shù)為 大 連 海 洋 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 紙學(xué)院: 專業(yè)班級(jí): 姓名: 學(xué)號(hào): （3-1）式中 -電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；-電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：，參照表3-1的典型i型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的，因此基本確定電流調(diào)節(jié)器按典型i型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 表3-1 典型i型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系參數(shù)關(guān)系kt0.250.390.50.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調(diào)量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時(shí)間6.

11、6t4.7t3.3t2.4t峰值時(shí)間8.3t6.2t4.7t3.6t相角穩(wěn)定裕度截止頻率0.243/t0.367/t0.455/t0.596/t0.786/t3. 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)： =0.0182s，電流開環(huán)增益：要求時(shí)，取， 所以 大 連 海 洋 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 紙學(xué)院: 專業(yè)班級(jí): 姓名: 學(xué)號(hào): 于是，acr的比例系數(shù)為 =1.594式中，為電流反饋系數(shù)其值為；晶閘管裝置放大系數(shù)ks=36。4. 校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：1)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 近似條件2）忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件 滿足近似條件3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)

12、近似處理?xiàng)l件 滿足近似條件5. 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容由圖3-3，按所用運(yùn)算放大器取r0=40k，各電阻和電容值為照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為，滿足設(shè)計(jì)要求。 大 連 海 洋 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 紙學(xué)院: 專業(yè)班級(jí): 姓名: 學(xué)號(hào): 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1. 確定時(shí)間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/ki。由前述已知，則 （2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)，根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取.（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 2. 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)式為 3. 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，先取h=5，則asr的超

13、前時(shí)間常數(shù)為 則轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 k可得asr的比例系數(shù)為 大 連 海 洋 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 紙學(xué)院: 專業(yè)班級(jí): 姓名: 學(xué)號(hào): 式中 電動(dòng)勢(shì)常數(shù) 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 4.檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為 （1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為 滿足簡(jiǎn)化條件 （2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為 滿足近似條件 5計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容根據(jù)圖5-4 所示，取，則 取 取 取 大 連 海 洋 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 紙學(xué)院: 專業(yè)班級(jí): 姓名: 學(xué)號(hào): 6.校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，查表3-2典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)得，不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于表3-2是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定

14、時(shí)，asr飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按asr退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。 表3-2 典型ii型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)（按準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系）h34567891052.60%43.60%37.60%33.20%29.80%27.20%25.00%23.30%2.42.652.8533.13.23.33.3512.1511.659.5510.4511.312.2513.2514.2k32211111表3-3 典型ii型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系h34567891072.20%77.50%81.20%84.00%86.30%88.10%89.60%90.80%2.452.702.853.

15、003.153.253.303.4013.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85設(shè)理想空載起動(dòng)時(shí)，負(fù)載系數(shù)，已知，,，。 大 連 海 洋 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 紙學(xué)院: 專業(yè)班級(jí): 姓名: 學(xué)號(hào): 由表5-3查得，而調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降 式中 電機(jī)中總電阻 調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降 為基準(zhǔn)值，對(duì)應(yīng)為額定轉(zhuǎn)速根據(jù)式（6-24）計(jì)算得 能滿足設(shè)計(jì)要求7. 校核動(dòng)態(tài)最大速降 設(shè)計(jì)指標(biāo)要求動(dòng)態(tài)最大速降。在實(shí)際系統(tǒng)中，可定義為相對(duì)于額定轉(zhuǎn)速時(shí)的動(dòng)態(tài)速降。；查表可知，=81.2%，所以 ； 能滿足設(shè)計(jì)要求 大 連 海 洋 大 學(xué) 課 程

16、設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 紙學(xué)院: 專業(yè)班級(jí): 姓名: 學(xué)號(hào): 基于matlab/simulink的調(diào)速系統(tǒng)的仿真通過對(duì)整個(gè)控制電路的設(shè)計(jì)， 用matlab/simulink對(duì)整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真。首先建立雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，可以參考該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)形式，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1所示： 雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)框圖 大 連 海 洋 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 紙學(xué)院: 專業(yè)班級(jí): 姓名: 學(xué)號(hào): 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特性，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器的輸出端設(shè)置一個(gè)限幅值，限幅值的大小可以根據(jù)所選的運(yùn)算放大器的輸入電壓的大小來選定，本設(shè)計(jì)選取的限幅值為13v。 大 連 海 洋 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 紙學(xué)院: 專業(yè)班級(jí): 姓名: 學(xué)號(hào):