V-M雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

1、信息科學與工程學院課程設計二六 二七 學年第 二 學期 課程名稱： 雙閉環(huán)V-M調速系統(tǒng)的設計 一、 設計題目：雙閉環(huán)V-M調速系統(tǒng)中主電路，電流調節(jié)器及轉速調節(jié)器的設計。二、 已知條件及控制對象的基本參數(shù)：（1）已知電動機參數(shù)為：=3kW，=220V，=17.5A，=1500r/min，電樞繞組電阻=1.25，=3.53。采用三相全控橋式電路，整流裝置內阻=1.3。平波電抗器電阻=0.3。整流回路總電感L=200mH。（2）這里暫不考慮穩(wěn)定性問題，設ASR和ACR均采用PI調節(jié)器，ASR限幅輸出=8V，ACR限幅輸出=8V，最大給定=10V，調速范圍D=20，靜差率s=10%，堵轉電流 =2

2、.1，臨界截止電流 =2。（3）設計指標：電流超調量%5%，空載起動到額定轉速時的轉速超調量10%，空載起動到額定轉速的過渡過程時間 t0.5。三、 設計要求（1）分別用工程設計方法和西門子調節(jié)器最佳整定法進行設計，決定ASR和ACR結構并選擇參數(shù)。（2）對上述兩種設計方法進行分析比較。（3）設計過程中應畫出雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的電路原理圖及動態(tài)結構圖四、 設計方法及步驟： 用工程設計方法設計 （1）系統(tǒng)設計的一般原則：按照“先內環(huán)后外環(huán)” 的設計原則，從內環(huán)開始，逐步向外擴展。在這里，首先設計電流調節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉速調節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設計轉速調節(jié)器（2）電流環(huán)設計電流環(huán)動態(tài)結構

3、圖及簡化：1） 確定時間常數(shù)根據(jù)已知數(shù)據(jù)得 T=s = 0.162s三相橋式晶閘管整流電路的平均后時間，取電流反饋濾波時間常數(shù)，可得電流環(huán)的小時間常數(shù)為+= 0.0017 s+0.002 s = 0.0037 s2） 選擇電流調節(jié)器結構雖然 = 18.9 > 10 ，但由于對電流超調量有較嚴格要求，而抗擾指標卻沒有具體要求，因此電流環(huán)仍按典型I型系統(tǒng)設計。電流調節(jié)器選用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為3） 選擇電流調節(jié)器參數(shù)積分時間常數(shù) = = 0.07 s為滿足%5%要求，取電流環(huán)開環(huán)增益為= = 135.14 電流調節(jié)器比例系數(shù)為= =135.14取調節(jié)器的輸入電阻=20k，則電流調節(jié)器的各

4、參數(shù)為=3.2720k=60.54 k，取62 k= =1.13，取1=0.4，取0.47根據(jù)上述參數(shù)可以達到的動態(tài)指標為%=4.3%5%故能滿足設計要求。4） 校驗近似條件電流環(huán)截至頻率= =135.14，晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件為 ,現(xiàn)=196.1>故該近似條件滿足。 忽略反電動勢影響的近似條件為 ，現(xiàn)=28.2<故該近似條件滿足。 小時間常數(shù)近似處理條件為 ，現(xiàn)=180.8>故該近似條件滿足。（3）轉速環(huán)設計轉速環(huán)動態(tài)結構圖及簡化：1） 確定時間常數(shù)因 = ，故轉速反饋系數(shù)為=Vmin/r=0.0067 Vmin/r電流環(huán)的等級時間常數(shù)為 2=0.0074s。取轉速反

5、饋濾波時間常數(shù) =0.01s，轉速環(huán)的時間常數(shù)為=0.0074s+0.01s=0.0174s2） 選擇轉速調節(jié)器結構設計要求中雖然允許系統(tǒng)有靜差，轉速調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)很大，因此轉速調節(jié)器如采用比例調節(jié)器，將很難滿足穩(wěn)定性要求。為此，轉速調節(jié)器采用近似PI調節(jié)器，按典型II型系統(tǒng)進行設計?？勺C明，當近似PI調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)很大時，其傳遞函數(shù)可表示為3） 選擇轉速調節(jié)器參數(shù)按跟隨性能和抗擾性能較好的原則選擇h=5，求出轉速超調量%和過渡過程時間 。如果能夠滿足設計要求，則可根據(jù)所選的h值計算有關參數(shù)；否則要改變h值重新進行計算，直到滿足設計要求為止。當h=5時，ASR退飽和超調量為%=式中

6、，為電動機允許過載系數(shù)，按題意 =2.1；z為負載系數(shù)，設為理想空載起動，則z=0; 為調速系統(tǒng)開環(huán)機械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降，= ；是基準值為時的超調量相對值，而=。 當h=5時，=81.2%，故起動到額定轉速，即 = 時，退飽和超調量為=9.2%10%滿足設計要求?？蛰d起動到額定轉速的過渡過程中，由于在大部分時間內ASR飽和而不起調節(jié)作用，使過渡過程時間延長， 可表示為=+其中為恒流升速時間，是退飽和超調過渡過程時間。=s=0.31s退飽和超調過渡過程時間等于動態(tài)速升的回復時間。當h=5時=8.8=0.153s。但恢復時間是按誤差為5%計算的。這里=2TN= =170.4r/min，故 5%=

7、 8.5r/min。這就是說，轉速進入8.5r/min 的恢復時間為 0.153s。但這里的恢復時間應按轉速進入5%來計算，由于5% =75 r/min 8.5 r/min，顯然所需時間將遠小于0.153s，故可忽略不計，于是=0.31s?？梢?，能滿足設計要求。這樣，就可根據(jù)h=5選擇轉速調節(jié)器的參數(shù)。 ASR的時間常數(shù)為=h=50.0174s=0.087s 轉速環(huán)開環(huán)增益為= ASR比例系數(shù)為=8.4 如去調節(jié)器輸入電阻 =20k，則=8.420 k=168k，取160 k=0.54,取0.47=2，取24） 校驗近似條件轉速環(huán)截止頻率為=396.40.087 =34.5電流閉環(huán)傳遞函數(shù)簡化

8、條件為，現(xiàn)=54.1>故滿足該簡化條件。 小時間常數(shù)近似處理條件為 ，現(xiàn)=38.75>故滿足該簡化條件 5）易犯錯誤由例2-2知，此系統(tǒng)是有差系統(tǒng)，ASR似乎可用比例調節(jié)器并按典型I型系統(tǒng)進行設計。這時，轉速環(huán)的開環(huán)放大系數(shù)為=根據(jù)設計指標，轉速超調量要求10%，據(jù)此可選擇參數(shù)為=0.69于是=9.7上述設計過程的錯誤是：ASR采用比例調節(jié)器，當其放大系數(shù)為9.7時，雖可滿足動態(tài)指標的要求，但卻無法滿足穩(wěn)態(tài)指標要求。由前述計算可知，發(fā)展穩(wěn)態(tài)指標要求時KASR=76.3，即ASR采用比例調節(jié)器時無法解決動、穩(wěn)態(tài)之間的矛盾，只有當ASR采用PI調節(jié)器（或近似PI調節(jié)器）后，才能較好地解

9、決這個矛盾。為此，當系統(tǒng)對穩(wěn)態(tài)指標要求較高時，即使是有差系統(tǒng)，ASR仍應采用PI調節(jié)器，并按典型II型系統(tǒng)進行設計。另外，計算空載起動到額定轉速的過渡過程時間時，若查教材表2-6，當h=5時，得=9.55=9.550.174 s = 0.17 s是不對的，此錯誤在于：教材表2-6所列數(shù)據(jù)是系統(tǒng)處于線性狀態(tài)下得到的跟隨性指標，它只適用與線性系統(tǒng)。而實際系統(tǒng)在突加給定后，由于ASR飽和不再起調節(jié)作用，因此其過渡過程時間 將延長，其值主要由恒流升速的過程時間所決定。用西門子調節(jié)器最佳整定法設計（1）電流環(huán)的動態(tài)校正雙閉環(huán)系統(tǒng)中電流環(huán)的動態(tài)結構圖，如教材中圖2-27所示。對于這種調節(jié)對象由一個大慣性環(huán)

10、節(jié)和一個小慣性群所組成的系統(tǒng)，電流調節(jié)器可以采用PI調節(jié)器，即如果調節(jié)器按下列調節(jié)選擇參數(shù)，電流環(huán)即將被校正為二階最佳閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)所得調節(jié)器參數(shù)為=0.07= s = 0.021 s因=20k，故=1.05，取1，于是= =70 ，取68。這時電流環(huán)可達到的動態(tài)指標為：最大超調量%=4%，上升時間=4.7=4.7× 0.0037s=0.017。 （2）轉速環(huán)的動態(tài)校正 將電流環(huán)與上述的工程設計方法同樣處理，可畫出轉速環(huán)的動態(tài)機構圖如教材中圖2-33所示。對于這種調節(jié)對象由一個積分環(huán)節(jié)和一個小慣性群組成的系統(tǒng)，轉速調節(jié)器可以采用PI調節(jié)器，即如果調節(jié)器按下述條件選擇參數(shù)，系統(tǒng)即被校正為

11、三階最佳閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)=所得調節(jié)器參數(shù)為=4×0.0174s=0.0696s=7因=20k，故=7×20 k=140 k，取=130 k，則=0.54F，取=0.47F。給定濾波器的時間常數(shù)為=4=0.0696s 當轉速調節(jié)器采用上述參數(shù)，并在輸入端加給定濾波器后，系統(tǒng)可以達到的動態(tài)指標為：轉速最大超調量=8.1%，過渡過程時間=16.4=16.4×0.0174s=0.265s。兩種設計方法的分析比較（1）西門子設計方法中的二階最佳系統(tǒng)，與工程設計方法中的典型I型系統(tǒng)在結構上是一樣的。前者選擇參數(shù)的條件，相當于典型I型系統(tǒng)中選 的情況。（2）西門子設計方法中三階最佳

12、系統(tǒng)與工程設計方法中的典型II型系統(tǒng)在結構上是一樣的。前者選擇參數(shù)的條件，相當于典型II型系統(tǒng)中選中頻寬h=4的情況。（3）西門子設計方法的主要缺點是轉速超調量計算未考慮ASR飽和，因此給出的 過大；再采用較大時間常數(shù)的給定濾波，并不能減小，因此只要ASR飽和，此濾波環(huán)節(jié)對抑制超調就無作用。此外，西門子方法沒有給出參數(shù)變化時系統(tǒng)動態(tài)性能的變化趨勢，這就給現(xiàn)場調試帶來一定困難。五、 設計心得：這次電力拖動自動控制系統(tǒng)歷時一個星期，在整整一個星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。  &

13、#160;    1.學習是沒有止境的。在做這個課程設計之前，我一直以為自己的理論知識學的很好了。但是在完成這個設計的時候，我總是被一些小的，細的問題擋住前進的步伐，讓我總是為了解決一個小問題而花費很長的時間。最后還要查閱其他的書籍才能找出解決的辦法。并且我在做設計的過程中發(fā)現(xiàn)有很多東西，我都還不知道。其實在計算設計的時候，基礎是一個不可缺少的知識，但是往往一些核心的高層次的東西更是不可缺少。      2.多和同學討論。我們在做課程設計的工程中要不停的討論問題，這樣，我們可以盡可能的統(tǒng)一思想，這樣就不會使自己在做

14、的過程中沒有方向，并且這樣也是為了方便最后程序和在一起。討論不僅是一些思想的問題，他還可以深入的討論一些技術上的問題，這樣可以使自己的人處理問題要快一些。      3.多改變自己設計的方法。在設計的過程中最好要不停的改善自己解決問題的方法，這樣可以方便自己解決問題。六、 參考資料 ：1黃俊.電力電子變流技術.北京：機械工業(yè)出版社，2陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社，1999.5 2792833劉競成.交流調速系統(tǒng).上海：上海交通大學出版社，1996.3 61644交流調速系統(tǒng)實驗指導書5李華德.交流調速控制系統(tǒng).北

15、京:電子工業(yè)出版社,2003.3電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設計信息科學與工程學院課程設計二六 二七 學年第 二 學期課程名稱： 雙閉環(huán)V-M調速系統(tǒng)的設計 班 級： 自動化043班 學 號： 200404134069 姓 名： 黃 芳 指導教師： 潘 煉 二七 年 六 月一、 設計題目：雙閉環(huán)V-M調速系統(tǒng)中主電路，電流調節(jié)器及轉速調節(jié)器的設計。二、 已知條件及控制對象的基本參數(shù)：（1）已知電動機參數(shù)為： =3kW， =220V， =17.5A， =1500r/min，電樞繞組電阻 =1.25 ， =3.53 。采用三相全控橋式電路，整流裝置內阻 =1.3 。平波電抗器電阻 =0.3 。整流回路

16、總電感L=200mH。（2）這里暫不考慮穩(wěn)定性問題，設ASR和ACR均采用PI調節(jié)器，ASR限幅輸出 =8V，ACR限幅輸出 =8V，最大給定 =10V，調速范圍D=20，靜差率s=10%，堵轉電流 =2.1 ，臨界截止電流 =2 。（3）設計指標：電流超調量 % 5%，空載起動到額定轉速時的轉速超調量 10%，空載起動到額定轉速的過渡過程時間 t 0.5。三、 設計要求（1）分別用工程設計方法和西門子調節(jié)器最佳整定法進行設計，決定ASR和ACR結構并選擇參數(shù)。（2）對上述兩種設計方法進行分析比較。（3）設計過程中應畫出雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的電路原理圖及動態(tài)結構圖四、 設計方法及步驟： 用工程設計方

17、法設計 （1）系統(tǒng)設計的一般原則：按照“先內環(huán)后外環(huán)” 的設計原則，從內環(huán)開始，逐步向外擴展。在這里，首先設計電流調節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉速調節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設計轉速調節(jié)器（2）電流環(huán)設計電流環(huán)動態(tài)結構圖及簡化：確定時間常數(shù)根據(jù)已知數(shù)據(jù)得T = = s = 0.162s三相橋式晶閘管整流電路的平均后時間 ，取電流反饋濾波時間常數(shù) ，可得電流環(huán)的小時間常數(shù)為+ = 0.0017 s+0.002 s = 0.0037 s選擇電流調節(jié)器結構雖然 = = 18.9 > 10 ，但由于對電流超調量有較嚴格要求，而抗擾指標卻沒有具體要求，因此電流環(huán)仍按典型I型系統(tǒng)設計。電流調節(jié)器選用P

18、I調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為選擇電流調節(jié)器參數(shù)積分時間常數(shù) = = 0.07 s為滿足 % 5%要求，取電流環(huán)開環(huán)增益 為= = = 135.14 電流調節(jié)器比例系數(shù) 為= =135.14 取調節(jié)器的輸入電阻 =20k ，則電流調節(jié)器的各參數(shù)為= =3.27 20k =60.54 k ，取62 k = = =1.13 ，取1 = = =0.4 ，取0.47 根據(jù)上述參數(shù)可以達到的動態(tài)指標為 %=4.3% 5%故能滿足設計要求。校驗近似條件電流環(huán)截至頻率 = =135.14 ，晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件為 ,現(xiàn)=196.1 > 故該近似條件滿足。忽略反電動勢影響的近似條件為 ，現(xiàn)= =28.2

19、< 故該近似條件滿足。小時間常數(shù)近似處理條件為 ，現(xiàn)= =180.8 > 故該近似條件滿足。（3）轉速環(huán)設計轉速環(huán)動態(tài)結構圖及簡化：確定時間常數(shù)因 = ，故轉速反饋系數(shù) 為= = V min/r=0.0067 V min/r電流環(huán)的等級時間常數(shù)為 2 =0.0074s。取轉速反饋濾波時間常數(shù) =0.01s，轉速環(huán)的時間常數(shù)為=0.0074s+0.01s=0.0174s選擇轉速調節(jié)器結構設計要求中雖然允許系統(tǒng)有靜差，轉速調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)很大，因此轉速調節(jié)器如采用比例調節(jié)器，將很難滿足穩(wěn)定性要求。為此，轉速調節(jié)器直流調速系統(tǒng) 課程設計（論文） 轉速單閉環(huán)調速系統(tǒng)設計(第2份設計)第

20、一章 課程設計目的和要求1.1 課程設計目的本課程的課程設計實際是自動化專業(yè)學生學習完電力拖動自動控制系統(tǒng)課程后，進行的一次全面的綜合訓練，其目的在于加深對電力拖動自動控制系統(tǒng)理論知識的理解和對這些理論的實際應用能力，提高對實際問題的分析和解決能力，以達到理論學習的目的,b并培養(yǎng)學生應用計算機輔助設計和撰寫設計說明書的能力。1.2 課程設計的預備知識熟悉電力拖動自動控制系統(tǒng)基本知識及Matlab仿真軟件。1.3 課程設計要求按課程設計任務書提供的課題，應根據(jù)下一節(jié)給出的基本需求獨立完成設計調節(jié)器要求書寫詳細的設計說明書，有完整的計算過程，并應用Matlab仿真軟件對系統(tǒng)進行仿真，驗證設計的調節(jié)

21、器是否符合設計的要求。第二章 課程設計的內容2.1轉速負反饋閉環(huán)控制原理圖及參數(shù)計算2.1.1、轉速負反饋閉環(huán)控制有靜差直流調速系統(tǒng)原理圖：2.1.2、閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)結構圖：2.1.3、參數(shù)計算：額定負載時的穩(wěn)態(tài)速降： 電動機的電動勢系數(shù)： 開環(huán)系統(tǒng)額定速降： 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)為： 額定勵磁下電動機的轉矩系數(shù)： 電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)： 電動機空載轉矩在內的負載轉矩： 負載電流： 2.1.4、用比例調節(jié)器未校正前的伯特圖2.1.5、判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性：對于三相橋式整流電路，晶閘管裝置的滯后時間常數(shù)： =0.00167系統(tǒng)臨街放大系數(shù)：因為：K> 所以系統(tǒng)不穩(wěn)定，選擇PI調節(jié)器使系統(tǒng)

22、無靜差。2.2、調節(jié)器設計2.2.1選擇PI調節(jié)器1、比例參數(shù)KP的作用是加快系統(tǒng)的響應速度，提高系統(tǒng)的調節(jié)精度。隨著KP的增大系統(tǒng)的響應速度越快，系統(tǒng)的調節(jié)精度越高，但是系統(tǒng)易產生超調，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，甚至會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。KP取值過小，調節(jié)精度降低，響應速度變慢，調節(jié)時間加長，使系統(tǒng)的動靜態(tài)性能變壞.目錄第1章 課程設計目的與要求第2章 課程設計內容第3章 課程設計的總結參考文獻電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設計 V-M雙閉環(huán)不可逆直流調速系統(tǒng)設計來源：幸福校園論文網時間： 2006-10-29 標簽：論文 電子工程學 直流調速 晶閘管 雙閉環(huán) 摘要：資料介紹電力拖動自動控制系統(tǒng)是把電能轉換成

23、機械能的裝置，它被廣泛地應用于一般生產機械需要動力的場合，也被廣泛應用于精密機械等需要高性能電氣傳動的設備中，用以控制位置、速度、加速度、壓力、張力和轉矩等。直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，在許多需要調速或快速正反向的電力拖動領域中得到應用。晶閘管問世后，生產出成套的晶閘管整流裝置，組成晶閘管?電動機調速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)），和旋轉變流機組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。而轉速、電流雙閉環(huán)控制直流調速系統(tǒng)是性能很好、應用最廣的直流調速系統(tǒng)。 本設計報告首先根據(jù)設計要求確定調速方案和主電路

24、的結構型式，主電路和閉環(huán)系統(tǒng)確定下來后，重在對電路各元件參數(shù)的計算和器件的選型，包括整流變壓器、整流元件、平波電抗器、保護電路以及電流和轉速調節(jié)器的參數(shù)計算。最后給出參考資料和設計體會。目錄第1章 設計任務書第2章 主電路選型和閉環(huán)系統(tǒng)的組成第3章 調速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計算第4章 驅動控制電路的選型設計第5章 雙閉環(huán)系統(tǒng)調節(jié)器的動態(tài)設計原文一題目：V-M雙閉環(huán)不可逆直流調速系統(tǒng)設計 二技術要求：1該調速系統(tǒng)能進行平滑的速度調節(jié)，負載電機不可逆運行，具有較寬的調速范圍（D10），系統(tǒng)在工作范圍內能穩(wěn)定工作 2系統(tǒng)靜特性良好，無靜差（靜差率s2） 3動態(tài)性能指標：轉速超調量n8%，電

25、流超調量i5%，動態(tài)速降n8-10%，調速系統(tǒng)的過渡過程時間（調節(jié)時間）ts1s 4系統(tǒng)在5%負載以上變化的運行范圍內電流連續(xù)5調速系統(tǒng)中設置有過電壓、過電流等保護，并且有制動措施三設計內容： 1根據(jù)題目的技術要求，分析論證并確定主電路的結構型式和閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖 2調速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計算（包括有變壓器、電力電子器件、平波電抗器與保護電路等） 3驅動控制電路的選型設計（模擬觸發(fā)電路、集成觸發(fā)電路、數(shù)字觸發(fā)器電路 均可） 4動態(tài)設計計算：根據(jù)技術要求，對系統(tǒng)進行動態(tài)校正，確定ASR調節(jié)器與ACR調節(jié)器的結構型式及進行參數(shù)計算，使調速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標的要求 5繪制V-M雙閉環(huán)直流不可逆調速系統(tǒng)的電氣原理總圖（要求計算機繪圖） 6整理設計數(shù)據(jù)資料，課程設計總結，撰寫設計計算說明書四技術數(shù)據(jù)： 晶閘管整流裝置：Rrec=0.032，Ks=45-48。負載電機額定數(shù)據(jù)：PN=90KW，UN=440V，IN=220A，nN=1800r/min