轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、標(biāo)準(zhǔn)文檔課程設(shè)計(jì)任務(wù)書某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)為：直流電動(dòng)機(jī)：U=220V, In=205A,=575r/min , R a=0.1 Q,電樞電路總電阻R=0.2Q，電樞電路總電感 L=7.59mH電流允許過載倍數(shù)入，折算到電動(dòng)機(jī)軸的飛輪慣量晶閘管整流裝置放大倍數(shù)滯后時(shí)間常數(shù)文案大全電流反饋系數(shù)B(轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)a()濾波時(shí)間常數(shù)取，。;調(diào)節(jié)器輸入電阻R>=40 Q設(shè)計(jì)要求：穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差;動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量c;空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)目錄課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 1第一章直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理 31.1系統(tǒng)的組成31.2系統(tǒng)的原理圖 4第二章

2、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速器的設(shè)計(jì) 62.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 62.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 13第三章系統(tǒng)仿真21心得體會(huì)25參考文獻(xiàn)26第一章直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理1.1系統(tǒng)的組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應(yīng)用最廣的直 流調(diào)速系統(tǒng)。采用PI調(diào)節(jié)的單個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng) 穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高的系 統(tǒng)，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要了。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保 持為最大值的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變， 那么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得 到近似的恒流過程。所以，我們希望

3、達(dá)到的控制：啟動(dòng)過程只有電流 負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電 流負(fù)反饋發(fā)揮作用。故而采用轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器來組成系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用， 可以在系統(tǒng)中設(shè)置 兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù) 反饋。二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級(jí)）聯(lián)接，如圖 1-1所示。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，再把電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制 電力電子變換器UPE從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)； 轉(zhuǎn)速換在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。+1.2系統(tǒng)的原理圖為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都米

4、用PI調(diào)節(jié)器，這樣組成的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖 1-2所示。 圖中ASF為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，ACF為電流調(diào)節(jié)器，TG表示測速發(fā)電機(jī)，TA 表示電流互感器，UPE是電力電子變換器。圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器出 入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照電力電子變換器的了控制電壓 UC為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。圖中還 標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的， 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出 限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器 ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。TAC:1>d JpE 多Jp V uG5LC;nnHT_7;色一 &r5Q圖1-2 雙閉

5、環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖第二章 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速器的設(shè)計(jì)2.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.1.1電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡在圖2-1點(diǎn)畫線框內(nèi)的電流環(huán)中，反電動(dòng)勢與電流反饋的作用互 相交叉，這將給設(shè)計(jì)工作帶來麻煩。實(shí)際上，反電動(dòng)勢與轉(zhuǎn)速成正比， 它代表轉(zhuǎn)速對(duì)電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù) Tl遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm,因此，轉(zhuǎn)速的裱花往往比電流變化慢得多， 對(duì)電流環(huán)來說，反電動(dòng)勢是一個(gè)變化較慢的擾動(dòng)， 在電流的瞬變過程 中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢基本不變，即。這樣，在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢變化的動(dòng)態(tài)影響，也就是說，可 以暫且把反電動(dòng)勢的作用去掉，得到電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)框圖

6、，如圖 2-1所示?？梢宰C明，忽略反電動(dòng)勢對(duì)電流環(huán)作用的近似條件是式中 3 -電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。圖2-1忽略反電動(dòng)勢的動(dòng)態(tài)影響時(shí)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成B,則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，如圖2-2所示，從這里可以看出兩個(gè)濾波時(shí)間常數(shù)取值相同的方便之處。圖2-2等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)時(shí)電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖最后，由于Ts和To 般都比Tl小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近 似看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為藝則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡化成圖2-3。簡化的近似條件為圖2-3小慣性環(huán)節(jié)近似處理時(shí)電流的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.1.2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)

7、的選擇從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖2-3可以看出，采用I型系統(tǒng)就夠了。再從動(dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過程中不超過允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次 要的因素。為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。圖2-3表明，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性的，要校正成典型I型 系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成式中電流調(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)。為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成為圖2-4所示的典型形式，其中人（$）圖2-4校正

8、成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.1.3電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算1. 確定時(shí)間常數(shù)1 ）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)三相橋式電路的平均失控時(shí)間O2） 電流濾波時(shí)間常數(shù)。取。3） 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和y。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取4）電磁時(shí)間常數(shù)、機(jī)電時(shí)間常數(shù)電動(dòng)勢系數(shù)。 一2. 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求。，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，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)象是雙慣性的，因此可采用PI型電流調(diào)節(jié)器。傳遞函數(shù)為:VAC©）二檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能： 一 ,參照表2-1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。T. T= 1110120130AC5533 2%18

9、5%12 9%h T2 83 84 02 T14 721 72S 7304表2-1典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系3. 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流反饋系數(shù)：B 電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：T。電流環(huán)開環(huán)增益：要求。時(shí)，按表2-2 ,應(yīng)取 藝,因此藝于是，ACF的比例系數(shù)為T標(biāo)準(zhǔn)文檔參數(shù)關(guān)系KT0. 250. 390. 500. 69L 0阻尼比g1. 00.80. 7070. 60. 5超調(diào)量b0%L 5%4” 3%9. 5%16+ 3%上升時(shí)間.QO6. 6T4. IT3. 3712, 4r峰值時(shí)間tp0O8, 3T6. 2 74. 7T3, 6T相角穩(wěn)定裕度尸76. 3°69.

10、9。65. 5°59. 2a51. 8a截止頻率岐0. 243/70. 367/r0. 455/r0. 569/f0. 786/7表2-2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4. 校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：3(1) 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 3滿足近似條件。(2) 忽略反電動(dòng)勢變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件 3滿足近似條件。(3) 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件_3滿足近似條件。5. 計(jì)算調(diào)節(jié)電阻和調(diào)節(jié)電容由圖2-5，按所用運(yùn)算放大器取Q,各電阻和電容值為文案大全標(biāo)準(zhǔn)文檔QQ, 取 58 Q0.65 卩0.1卩按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為c，滿足

11、設(shè)計(jì)要求。2.1.4電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖2-5所示。圖中為電流給定電壓，（3為電流負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓UC。根據(jù)運(yùn)算放大器的電路原理，可以容易地導(dǎo)出文案大全RoRqAoi心2bal圖2-5含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.2.1電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)等效后可視作轉(zhuǎn)速換中的一個(gè)環(huán)節(jié)，為此，需求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)。由圖2-4可知)藝忽略高次項(xiàng)，可降階近似為近似條件為(s),因此電流式中3轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。接入轉(zhuǎn)速換內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為B

12、 這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。222轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如圖2-6所示圖2-6用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改成Un(S)/再把時(shí)間常數(shù)為1 / K和Ton的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖可化簡成圖2-7圖2-7等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理后轉(zhuǎn)速換的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖a 七為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán) 節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)

13、速調(diào)節(jié)器 ASR中（見圖2-7），現(xiàn)在在擾動(dòng)作用 點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè) 積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型II型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿 足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見， ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器， 其傳遞函數(shù)為TT式中一一轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；T轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為a t B 則T藝不考慮負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-8所示心 G$+l)?爲(wèi)盧+1)圖2-8校正后成為典n型系統(tǒng)時(shí)轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖223轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算1. 確定時(shí)間常數(shù)1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/Ki :已取 藝

14、，則藝2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)根據(jù)所用測速發(fā)電機(jī)紋波情況， ?。┺D(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)為TT3. 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，取h=3,則ASR勺超前時(shí)間常數(shù)為T藝轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益藝ASR的比例系數(shù)為a藝4. 檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為3 T31）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件_ 3藝滿足簡化條件。2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為一 一 3滿足近似條件。5.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容根據(jù)圖2-9，取Q,貝卩QQ取 424 QT卩取0.11卩a取1卩。6.校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=3時(shí)，由表2-3查得，不能滿足設(shè)計(jì)

15、要求實(shí)際上，由于表2-3是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況下重新計(jì)算超調(diào)量。表2-3典型n型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)h345678910a52. 6%43. 6%37.6%33. 2%29.8%2L 2%25. 0%23.3%訂T2. 402. 65N 853. 03.13.23. 33. 35屮12. 1511. 65生5510. 45IL 3012. 2513. 2514. 20k322111117.按退飽和情況計(jì)算轉(zhuǎn)速超調(diào)量設(shè)理想空載起動(dòng)時(shí) z=0,由已知數(shù)據(jù)有：入，Q,，當(dāng)h=3時(shí)，由表2-4查得，代入式，可得(T能滿足設(shè)計(jì)

16、要求表2-4典型n型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系h34567891012. 2%77.謂8L2%&4H3%88. 1%89. 6K90. 8%2.452, 702. 853+ 003. 153. 253. 303+ 4013. 6010. 458. 8012. 9516. 8619. 8022. 8025.852.2.4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)含給定濾波和反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖2-9所示, 圖中 為轉(zhuǎn)速給定電壓， a為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出是 電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)與電阻、電容值的關(guān)系為UnRnCnA6-anIConArU：4圖2-9含給定濾波與反饋濾波的

17、+halPI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器第三章系統(tǒng)仿真本設(shè)計(jì)運(yùn)用Matlab的Simulink來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真。根據(jù)圖3-1以及上面計(jì)算出的系統(tǒng)參數(shù)，可以建立直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng) 態(tài)仿真模型，如圖3-2所示。系統(tǒng)運(yùn)行，空載及突加額定負(fù)載時(shí)得到 系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速仿真曲線，如圖 3-3、3-4。電流內(nèi)環(huán)圖3-1直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖n=L畫圖3-2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的模擬仿真圖圖3-3空載起動(dòng)轉(zhuǎn)速、電流仿真圖形圖3-4帶負(fù)載擾動(dòng)轉(zhuǎn)速、電流仿真圖形心得體會(huì)課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決 實(shí)際問題，鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體 訓(xùn)練和考察過程。隨著

18、科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新月異， 雙閉環(huán)直流調(diào)速已 經(jīng)成為當(dāng)今電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用中空前活躍的領(lǐng)域，在生活中可以說是無處不在。因此作為二一世紀(jì)的大學(xué)來說掌握雙閉環(huán)直流調(diào)速技 術(shù)是十分重要的。回顧起此次課程設(shè)計(jì)，至今我仍感慨頗多，從選題到定稿，從理 論到實(shí)踐，在將近兩星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以 學(xué)到很多的東西，不僅鞏固了以前所學(xué)過的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在 書本上所沒有學(xué)到過的知識(shí)。通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了只有理論 知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來， 從理 論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力 和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過程中遇到了很多問題，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了 自己的不足之處，意識(shí)到自己對(duì)以前所學(xué)過的知識(shí)理解得不夠深刻， 掌握得不夠牢固，了解到理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合的重要意義，學(xué)會(huì)了堅(jiān)持、耐心和努力，這也將為我今后的學(xué)習(xí)和