双闭环交流调速系统课程设计(DOC)

皖西学院

课程设计任务书

系别：机电学院

专业：10电气

课程设计题目：双闭环串级交流调速控制系统设计学生姓名：张诚学号：2010010694起迄日期: 6 月17日~ 6 月28日课程设计地点:电机与拖动控制实验室

指导教师:刘世林

下达任务书日期: 6 月17日

摘要

本设计介绍了交流调速系统的基本概况及其研究意义，同时提出了本设计所要研究解决的问题，接着对系统各部分所需元器件进行比较选择并进行总体设计，最后采用工程设计方法对双闭环交流调速系统进行辅助设计，进行参数计算和近似校验。

在调节器选择方面，本设计选择的PI调节器，使得线路大为简化，且性能优良、调试方便、运行可靠、成本降低。触发电路则采用一种新型高性能集成移相触发器（MC787）设计的触发电路，它克服了分立元件缺点，抗干扰性优良，具有输入阻抗高、移相范围宽、装调简便、使用可靠、只需一片MC787就可以完成三相相移功能，使用效果较好。

目录

1 绪论 (3)

1.1研究交流调速系统的意义 (3)

1.2本设计所做的主要工作 (3)

2 交流调速系统 (3)

2.1交流电机常用的调速方案及其性能比较 (3)

2.2三相交流调压调速的工作原理 (4)

2.3双闭环控制的交流调速系统 (5)

2.3.1转速电流双闭环调速系统的组成 (6)

2.3.2 稳态结构图和静特性 (6)

3 电路参数计算 (9)

3.1系统主电路的参数计算 ................................................ .9 3.2根据系统方块图进行动态计算. (9)

3.3调节器的设计参数计算 ........................................... . (11)

3.3.1 电流调节器的参数计算......................................... .12

3.3.2 转速调节器的参数计算......................................... .14

4 控制系统硬件电路设计.............................................. .16 4.1调节器的选择和调整 .. (16)

4.2触发电路的设计 (16)

4.3串级调速系统设计 (18)

4. 4双闭环系统设计 ........................ (19)

5 仿真........................................ .. (21)

6设计体会 (22)

1 绪论

1.1 研究交流调速系统的意义

随着电力电子器件，大规模集成电路和计算机控制技术的迅速发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，为交流调速系统的开发研究进一步创造了有利的条件。诸如交流电动机的串级调速、各种类型的变频调速，特别是矢量控制技术的应用，使得交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。现在从数百瓦的伺服系统到数百千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，已几乎都可采用交流调速传动。交流调速系统具有下面几个主要优点：

1、交流电动机特别是鼠笼异步电动机的价格远低于直流电动机。

2、交流电动机不易出现故障，维修非常简单。

3、交流电动机的使用场合没有限制。

4、交流电动机的单机容量可远大于直流电动机。 1.2 本设计中我们所做的主要工作

通过本次课程设计，让学生巩固所学的电力拖动自动控制系统的相关

内容，加深对控制理论在电力拖动调速系统中应用的理解，并学会将所学的知识应用到实际中，达到在应用中掌握知识的目的。

2 交流调速系统

2.1 交流电机常用的调速方案及其性能比较

由电机学知，交流异步电动机的转速公式如下：

160(1)/n n f s p =- (2-1)

式中 n p ——电动机定子绕阻的磁极对数；

1f ——电动机定子电压供电频率；

s ——电动机的转差率。

从式（2-1）中可以看出，调节交流异步电动机的转速有三大类方案。

1.改变电动机的磁极对数

由异步电动机的同步转速

0160/n n f p = (2-2)

可知，在供电电源频率1f 不变的条件下，通过改接定子绕组的连接

方式来改变异步电动机定子绕组的磁极对数n p ，即可改变异步电动机的同步转速0n ，从而达到调速的目的。

2.变频调速

从式（2-1）中可以看出，当异步电动机的磁极对数n p 一定，转差率

s —定时，改变定子绕组的供电频率1f 可以达到调速目的，电动机转速n 基本上与电源的频率1f 成正比，因此，平滑地调节供电电源的频率，就能平滑，无级地调节异步电动机的转速。变频调速调速范围大，低速特性较硬，基频50Z f H =以下，属于恒转矩调速方式，在基频以上，属于恒功率调速方式，与直流电动机的降压和弱磁调速十分相似。且采用变频起动更能显著改善交流电动机的起动性能，大幅度降低电机的起动电流，增加起动转矩。

3.变转差率调速

在交流异步电动机中，从定子传入转子的电磁功率PM 可以分成两

部分：一部分2(1)M P S P =-是拖动负载的有效功率，另一部分是转差功率S M P sP =，与转差率s 成正比，它的去向是调速系统效率高低的标志。

2.2 三相交流调压调速的工作原理

异步电动机的调压调速是指改变定子电压调速。如图2.1画出了定

子电压为1U 、'1U 、"1U ('"111U U U >>)时的机械特性。其特点是：

1) 变定子电压时，0n 不变，m s 也不变。

2) 最大转矩n T 及启动转矩q T 与定子电压的平方成正比。因此当定子

电压降低时，n T 和q T 减小很小。

3) 定子电压越低，机械特性直线段的斜率越大，即特性越软。

图2-1画出了恒转矩负载特性和通风机特性。对于恒转矩特性，电

动机只能在机械特性直线段(0n ~m n 段和0~m s )稳定运行。在不同电压下的稳定工作点分别为a 、b 、c 。对于通风机负载，电动机在机械特性的全段范围（即转速0n ~0段或转差率0~1段）都能稳定运行。在不同电压下的稳定工作点分别是a ’、b ’、c ’。由图可见，当定子电压降低时，稳定运行时的转速将降低（c b a n n n <<,'''c b a n n n <<）,从而实现了转速的调节。

图2-1 异步电动机不同电压下的机械特性

2.3 双闭环控制的交流调速系统

2.3.1 转速电流双闭环调速系统的组成

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调

节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联结，这就是说，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从结构上来看，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都

采用PI 调节器，要注意的是，考虑到运算放大器的输出是带限幅的，转速调节器ASR 的输出限幅（饱和）电压是*

im U ，它决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器ACR 的输出限幅电压是ctm U ，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。

2.3.2稳态结构图和静特性

对于静特性来说，有转速调节器饱和与不饱和两种情况。

（1）转速调节器不饱和

这时，两个调节器都不饱和，稳定时，它们的输入偏差电压都是零。因此

n U U n n α==* （2-3）

d i i I U U β==* （2-4）

由式2-2第一个关系式可得 0*

n U n n ==α （2-5）

由上面的式子得到静特性图2-3的A n -0段。与此同时，由于 ASR

不饱和，**i im U U <，从上述第二个关系式可知：d dm I I <。这是说A n -0 段

静特性从0d I =（理想空载状态）一直延续到d dm I I =，而dm I 一般都是大于额定电流dnom I 的。这就是静特性的运行段。

（2）转速调节器饱和

这时，ASR 输出达到限幅值*

im U ，转速外环成开环状态，转速的变

化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环系统。稳态时 dm im d I U I ==*β （2-6）

式中，最大电流dm I 是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力

和拖动系统允许的最大加速度。式中所描述的静特性是图2-3中的A-B 段。这样的下垂特性只适合于0n n <的情况。因为如果0n n ≥，则*

≥n U U ，ASR 将退出饱和状态。

图2-2 双闭环调速系统稳态结构图

双闭环调速系统的静特性在负载电流小于dm I 时表现为转速无静差，

这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到dm I 后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI 调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大、特别是为了避免零点漂移而采用“准PI 调节器”时，静特性的两段实际上都略有很小的静差，如图2-3中虚线所示。

图2-3 双闭环系统的稳态特性

4.各变量的稳态工作点和稳态参数计算

双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之

间有下列关系

n n U U n n αα===*0 （2-7）

dL d i i I I U U ββ===*

（2-8）

s dL n e s d e s d ct K I U C K R I n C K U U +=+==*α0 （2-9） 上述关系表明，在稳态工作点上，转速ｎ是由给定电压*

n U 决定的，ASR 的输出量*i U 是由负载电流dL I 决定的，而控制电压ct U 的大小则同时取决于n 和d I ，或者说，同时取决于*n U 和dL I 。这些关系反映了PI 调节器不同于P 调节器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输入量，而 PI 调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI 调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。

3 电路参数计算

3.1 系统主电路的参数计算

已知系统控制电机(绕线式转子三相异步电动机)的参数为：

KW P N 40=,V U N 3801=,A I N 851=,min /1480r n N =,HZ

f N 50=,,1005.91=ηcos φ=0.87,E 2N =340V ，I 2N =81A ，Δ/Y 联结,

λm =3，J=2.367kg.m 2。

Y 接晶闸管未导通时，均承受本相相电压，导通时电流为0.55IN A =，流过晶闸管最大电流时，对应波形为全波，根据有效值I 公式为：

I = (3-1)

负载平均电流0.55d I A =，所对应的电流有效值'I 应小于额定电流所

对应的有效值电流，即 1.57IT fId K ,这里取1A 。

可选取KP1系列型号普通晶闸管作为主电路反并联调压器电路的导

通管，其参数如下：

通态平均电流 额定结温 门极触发电流/电压 门极不触发电流/电压 1A 100℃ 3mA~30mA / ≤2.5V 0.4mA/0.3V

3.2 根据系统方块图进行动态计算

图3-1中1M MA M K W T S

=+为三相异步电动机的近似传函，这里M K 为电动机的传递函数，jd T 为机电时间常数，它可以通过实验或者铭牌数据求取。

图3-1 调速系统结构框图

晶闸管交流调压器和触发装置GT-V 中可近似成一阶惯性环节，正如晶闸管触发与整流装置一样。传递函数可写成

()/1GT V S S W S K S τ-=+ （3-2）

式中 S K 为可控硅的传递函数；

τ为可控硅的时滞或惯性环节的时间常数。

反馈环节FBS 考虑到反馈滤波的作用，其传递函数为

()/1FBS ON W S T S α=+ （3-3）

因此，调节对象的总传递函数为

m d on m m (1s)(1s)(1s)(1s)(1s)

S K K K W T T T ατσ=≈+++++ （3-4） 式中s m K K K =为调节对象总传递函数；

on T στ=+为时间常数。

输入段加滤波器：in 11

1W S τ=+

用PI 调节器： p n p

p 1T S W K T S

+= （3-5） 调节器电路图如图3-2所示。

图3-2 PI 调节器

3.3 调节器的设计参数计算

（1）根据以上推导的异步电动机传递函数，首先计算它的参数

电动机的机电时间常数近似认为与机械特性斜率k M 成正比，即

22()375375M M GD GD n T k M

?==-? (3-6) 式中()n M ??为负值，可由试验测出：()n M

??≈2800/0.13 电动机与负载总飞轮惯性2GD 取0.01kgN·m 则

0.012800()0.583750.13M T s ?==?

(3-7) 由()22d m m T T K K K σσ

==得 3

0.58() 2.6252210m K -==??? (3-8) （2）求晶闸管交流调压器的时间常数

电路采用三相全波Y 型接法调压电路，根据经验数据s T 可取

3.3ms 。调压器输出电压为0V~220V,输出控制电压ct U 为0V~7V 变动，所以放大倍数s K =220/7≈30倍。

（3）求速度反馈系数

采用55CYD11系列永磁低速直流测速发电机，最大工作转速可达4950/min r ，当电动机额定转速运行时，

min /1480r n N =,即

141.3/nom rad s ω=得输出电压为5.4V ，则

5.4/141.30.039/(/)V rad s α== (3-9)

（4）求速度反馈滤波常数on T

由于反馈输出均由波纹，在低速时尤为严重，一般都需要滤波，负责无法应用。on T 太小，滤波效果不佳，但on T 太大，又将影响系统性能，通常取1~10ms ms 之间，这里取10on T ms =。

3.3.1 电流调节器的参数计算

电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态中不超过允许值，因而在突加控制作用时不希望由超调，或者超调量越小越好。从这个观点出发，应该把电流环校正成典型I 型系统。

确定时间常数

电流滤波器时间常数oi T

电流滤波器时间常数oi T 选取与速度调节器反馈时间常数相同10oi on T T ms ==。

电流环小时间常数I T ∑

按小时间常数近似处理，取0.010.00330.0133I oi S T T T ms ∑=+=+=

2）电流调节器选用PI 型，其传递函数为

1i ACR i i s W K s

ττ+= （3-10） 3）选择电流调节器参数

ACR 超前时间常数：10.58i T s τ==

电流环开环增益：要求5%δ≤时，应取0.5I I K T ∑=,

因此0.5/0.5/0.013337.61/I I K T s ∑===

于是，ACR 的比例系数为

37.610.58/7.170.039 2.630i I i S ma K K K K τ?===?? (3-11)

4）校验条件

电流截止频率37.6ci I K ω==。

小时间常数近似处理的条件

: ci ω≤现在

159.033ci ω==> 满足近似条件。

5）计算调节器电阻和电容

其原理图见图3.3所示，按所用运算放大器取010R K =Ω，各电阻和电容值计算如下：

07.171071.7i i R KR K ==?=Ω 取80K Ω （3-12） 630.58107.258010i i i C F F R τμμ=

=?=? （3-13） 630440.003310 1.321010

oi oi C F F R τμμ?==?=? （3-14） 按照以上参数，电流环可以达到的动态性能为：% 4.3%5%i δ=<，满足设计要求。

3.3.2 转速调节器的参数计算

1）确定时间常数

（1）电流环等效时间常数为220.01330.0266I T s ∑=?=。

（2）转速滤波时间常数on T 。

根据所用测速发电机纹波情况，取0.01on T s =。

（3）转速环小时间常数n T ∑。

按小时间常数近似处理，取20.02660.010.0366n I on T T T s ∑∑=+=+=

2）选择调节器参数

由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型Ⅱ型系统设计转速环。故ASR 选用PI 调节器，器传递函数为

1()n ASR n

n S W S K S ττ+=

（3-15） 3）选择转速调节器参数

按跟随性和抗扰性能都较好的原则，取5h =，则ASR 的超前时间常数为

50.03660.183n n hT s τ∑==?=

（3-16） 转速环开环增益

2

2221689.582225(0.0366)N n h K s h T -∑+===??

（3-17） 于是，ASR 的比例系数为

189.590.183

11.18

37.60.039N n

n K K K τα??===?

（3-18） 4)校验近似条件

转速环截止频率：289.580.18316.39cn N n K s ωτ-==?=

（1） 电流环传递函数简化条件：1

5cn I

T ω∑≤

现在 11

19.42550.0103

cn I T ω∑==>?

满足简化条件。

（2） 小时间常数近似条件

：cn ω≤

现在

120.433

cn ω==>

满足近似条件。

5）计算调节器电阻和电容

转速调节器原理图如图3-3