双闭环直流调速系统的课程设计报告

课 题：双闭环直流调速系统 班 级：电气工程及其自动化1004 学 号：3100501091 姓 名：贾斌彬 指导老师：康梅、乔薇 日 期：2014年1月9日

电 力 传 动 课 程 设 计

目录

第1章系统方案设计

1.1 任务摘要 (3)

1.2 任务分析 (3)

1.3设计目的、意义 (3)

1.4 方案设计 (4)

第2章晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定

2.1 电枢回路电阻R的测定 (5)

2.2主电路电磁时间常数的测定 (6)

2.3系统机电时间常数TM的测定 (7)

2.4测速电机特性UTG=f(n)的测定 (7)

2.5晶闸管触发及整流装置特性Ug=f（Ug）的测定 (7)

第3章双闭环调速系统调节器的设计

3.1 电流调节器的设计 (7)

3.2 转速调节器的设计 (9)

第4章系统特性测试

4.1系统突加给定 (11)

4.2系统突撤给定 (11)

4.2.2突加负载时 (11)

4.2.3突降负载时 (11)

第5章设计体会

第1章系统方案设计

1.1 设计一个双闭环晶闸管不可逆调速系统

设计要求：电流超调σi≤5%

转速超调σn≤10%

静态特性无静差

给定参数：电机

额定功率185W

额定转速1600r/min

额定励磁电流<0.16A

额定电流1.1A

额定电压220V

额定励磁电压220V

转速反馈系数ɑ=0.004 V·min/r

电流反馈系数β=6V/A

1.2 任务分析

采用转速、电流双闭环晶闸管不可逆直流调速系统为对像来设计直流电动机调速控制电路，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设计两个调节器，电流调节器和速度调节器，为了实现电流和转速分别起作用，二者之间实行串级连接，即把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，在把电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。该双闭环调速系统的两个调节器ASR

和ACR都采用PI调节器,以便能保证系统获得良好的静态和动态性能转速调节器在双闭环直流调速系统中的作用是减小转速误差，采用PI调节器可实现无静差；对负载变化起抗扰作用；其输出限幅决定电动机允许的最大电流;电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用是使电流紧紧跟随其给定电压的变化；对电网的波动起及时抗干扰作用；加快动态过程；堵转或过载时起快速自动保护作用。1.3 设计目的、意义

采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统，既保证了动态稳定性，同时又能做到静态无静差，可以很好的解决系统中动态、静态之间的矛盾。然而，单闭环直流调速系统必须靠电流截止负反馈环节来解决系统起动中和堵转时电流过大的问题，但并不十分精确。主要问题是不能在充分利用电动机过载能力的条件下获得最快的动态响应，使得起动和加速过程拖长，其性能不能令人满意。如果对系统动态性能要求较高，单闭环调速系统就难以满足需要。

按照反馈控制的一般规律，要想维持某一物理量基本不变，就应引入该量的负反馈与恒值给定相比较，构成该变量的闭环控制系统。因此，在电流控制回路中设置电流调节器，采用电流负反馈就能够实现近似的恒流控制。这样在系统回路中设置两个调节器分别调节转速和电流，二者之间实行串极连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入电流调节器的输出作为晶闸管整流触发装置的控制电压，两种调节器互相配合，相辅相成。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做环；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。

1.4 方案设计

双闭环调速系统的实际动态结构图如图2-1所示，在它与图1-3的不同之处

在于增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，虚假低通滤波，然而在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，根据电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。这样做的意义是，让给定信号与反馈信号经过相同的延时，是二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。

其中:oi T 为电流反馈滤波时间常数 on T 为转速反馈滤波时间常数

图1-1 双闭环调速系统的实际动态结构图

系统设计的一般原则：“先环后外环” ，从环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。

系统主电路：

启动时，加入给定电压Ug,速度调节器和电流调节器即以饱和限幅值输出，使电动机以限定的最大启动电流加速启动，知道电机转速达到给定转速，并在出

现超调后，速度调节器和电流调节器退出饱和，最后稳定在略低于给定转速值下运行。

图1-2 双闭环不可逆直流调速系统原理图。

G:给定器DZS：零速封锁器ASR：速度调节器ACR：电流调节器GT：触发装置FBS：速度变换器FA：过流保护器FBC：电流变换器

AP1：Ⅰ组脉冲放大器

第2章晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定

2.1 电枢回路电阻R的测定

电枢回路的总电阻R包括电机的电枢电阻Ra，平波电抗器的直流电阻RL和整流装置的阻Rn，即R=Ra+RL+Rn。

为测出晶闸管整流装置的电源阻，可采用伏安比较法来测定电阻，其实验线路如图6-1所示。

将变阻器RP（可采用两只900Ω电阻并联）接入被测系统的主电路，并调节电阻负载至最大。测试时电动机不加励磁，并使电机堵转。

MCL-18（或MCL-31，以下同）的给定电位器RP1逆时针调到底，使U ct =0。调节偏移电压电位器RP2，使α=150°。

三相调压器逆时针调到底，合上主电路电源开关，调节主控制屏输出电压U uv =220v 。

调节Ug 使整流装置输出电压Ud=（30~70）%Ued （可为110V ），然后调整RP 使电枢电流为（80~90）%Ied ，读取电流表A 和电压表V 的数值

Udo=I1R+U1 （测得I1=0.8A ，U1=126.6V ） 调节RP ，使电流表A 的读数为40% Ied 。在Ud 不变的条件下读取A ，V 表数值，则

Udo=I2R+U2 测得I2=0.4A ，U2=134.5V. 求解两式，可得电枢回路总电阻

R=(U2-U1)/(I1-I2) 计算得 R=19.75?.

2.2主电路电磁时间常数的测定

采用电流波形法测定电枢回路电磁时间常数Td ，电枢回路突加给定电压时，电流id 按指数规律上升 )1(/Td t d d e I i --=

当t =Td 时，有 d d d I e I i 632.0)1(1=-=-

由id=f(t)的波形图上测量出当电流上升至63.2%稳定值时的时间，即为 枢回路的电磁时间常数Td ，测得Td=15ms 。 图见附录

2.3系统机电时间常数TM 的测定

系统的机电时间常数可由下式计算 M CeL R GD Tm 375/)(2?=

由于Tm>>Td ，也可以近似地把系统看成是一阶惯性环节，即 Ud TmS K n ?+=)1/(

由过渡过程曲线，即可由此确定机电时间常数TM=275ms 图见附录

2.4测速电机特性UTG=f ()n 的测定

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UTG ,n 的数值若干组，即可描绘出特性曲线U TG =f(n)

2.5 晶闸管触发及整流装置特性Ud=f ()Ug 的测定

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Ud ，Ug 的数值若干组，即可绘制出特性曲线Ud=f ()Ug

第3章 双闭环调速系统调节器的设计

3.1 电流调节器的设计

1）确定时间常数

已知s T s 0017.0=，s T oi 002.0=，所以电流环小时间常数

oi s i T T T +=∑=0.0017+0.002=0.0037S 。

2） 选择电流调节器的结构

因为电流超调量%5≤i σ，并保证稳态电流无静差，可按典型系统设计电流调节器电流环控制对象是双惯性型的，故可用PI 型电流调节器。 3） 电流调节器参数计算：

电流调节器超前时间常数i τ=l T =0.0239s ，又因为设计要求电流超调量

%5≤i σ，查得有i I T K ∑?=0.5，所以I K =

i

T ∑5

.0=

10.5135.10.0037S -=，又由于Uc

Ud Ks ??=

，计算得Ks=60。由于A V I U dm

im /14.77

.05===β，所以ACR 的比例系数

I i i s K R K K τβ??=

?=366.067

.6605

.480239.01.135≈???

4） 校验近似条件

电流环截止频率ci W =I K =135.11-S 。 晶闸管整流装置传递函数的近似条件：

111

196.1330.0017

s S T -==?>ci W ，满足条件。 忽略反电动势变化对电流环动态影响条件：

ci L

M w S T T <-≈?

=??13.921

31

3

0239

.00442.0，满足条件。

电流环小时间常数近似处理条件：

=??oi

s T T 1

31111180.830.00170.002ci S W -=>?，满足条件。 5） 计算调节器的电阻和电容

取运算放大器的0R =20Ωk ，有i R =13K Ω其结构图如下所示：

图4-1 电流调节器 有公式 i i i R C τ= ，

F S C i μ15.110*13/10*1533=Ω=- 取F C i μ2.1=

3.2 转速调节器的设计

1）确定时间常数：

有0.5,I i K T ∑?=则

1

220.00370.0074i I

T s s K ∑==?=，已知转速环滤波时间常数on T =0.01s ，故转速环小时间常数1

0.00740.010.0174n on I

T T s K ∑=

+=+=。

2）选择转速调节器结构：

按设计要求，选用PI 调节器()()

s

s K s W n n n ASR ?+=

ττ1

3)计算转速调节器参数：

因为转速超调量%10≤i σ,则()m

n

b b n

T T z n n C C ∑*

?-?????

? ????=λσmax 2≤10%,由于

实验要求λ=1.1，理想空载启动有z=0,而且

e

C R dN I b n ?=

?,1500=*

n r/min,1406.0=e C ,dN

I

dl I

=λ，7.0=dl

I A ，

30=M T ms,0174.0=∑n

T s 代入上式，可得???

?

???b C C max ≤69.01%，由查表3-5,按跟随

和抗干扰性能较好原则，取h=3,则ASR 的超前时间常数为： s s n T h n 0522.00174.03=?=∑?=τ， 转速环开环增益 2

99.733220174.023242221-≈-??=∑??+=

s s n

T h h N

K

。 又r V n

i

U min/003.01500

5?==

*=

α,则有ASR 的比例系数为：

()03.90174

.06.42003.03203

.01406.014.7421≈???????=

∑+=

n

RT h M

T e C h n K αβ

4)检验近似条件

转速环截止频率为1

3.380522.099.7331-≈?===

s n N K w

N K

cn w τ。 电流环传递函数简化条件为cn w

s s i

T I K

>-≈-=∑17.6310037

.01.1353131

，

满足条件。

转速环小时间常数近似处理条件为：1

11135.1

38.7330.01

I cn on K s W T -==>，满足近似条件。

5)计算调节器电阻和电容：

取0R =20Ωk ，有Ω=k R i 120，其结构图如下：

图4-2 转速调节器

有公式 n n n R C τ=，

F S C n μ29.210*120/10*27533=Ω=- 取F C n μ3.2=。

6)校核转速超调量：

由h=3，查得%6.52=n σ，不满足设计要求，应使ASR 退饱和重计算n σ。设理想空载z=0，h=3时，查得

max b C C ?=72.2%，所以n σ=2（max b

C

C ?）（z -λ）m n

N T T n

n ∑*

??=%10%9.9036

.00174.01500

1406

.06.4264.01.1%2.722<≈?????，满足设计要求.

第四章系统动态特性观察与测定

4.1 突加给定时(图见附录)。

图中蓝线为电流环特性曲线，黄线为转速环特性曲线。在t=0时，系统突加阶跃给定信号Un*，在ASR和ACR两个PI调节器的作用下，Id很快上升；当Id ≥IdL 后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，ASR输入偏差电压仍较大，ASR很快进入饱和状态，而ACR一般不饱和。直到Id = Idm ，

*

U。电流闭环调节的扰动是电动机的反电动势，它是一个线性渐增的斜U

=im

i

坡扰动量，系统做不到无静差，而是Id略低于Idm。n上升到了给定值n*，ΔUn=0。因为Id>Idm，电动机仍处于加速过程，使n超过了n* ，称之为起动过程的转速超调。转速的超调造成了ΔUn<0，ASR退出饱和状态，Ui和Id很快下降。Id

4.2 突撤给定时（图见附录）。

4. 3 突加负载时（图见附录）。

4. 4 突降负载时（图见附录）。

第五章设计体会

一周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作。同时，这次设计过程中，体现出自己综合运用知识的能力，体会了学以

致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。

这次课程设计也锻炼了我们的细心和耐心，这尤其体现在我们课程设计报告的格式上，需要细心地对待。格式很重要，不然，美观切不说，报告看上去很混乱，不易于阅读。严格的格式要求也是在培养我们的做事态度。

我很感有课程设计这次机会，让我明白了这么多从前不知道的东西。这些对我日后的工作都是十分宝贵的。同时也让我看清了自己，明白了自己哪里欠缺。理论知识的不足在这次课程设计中给我带来了很多麻烦，这也算是提醒。今后，在学习中，我要端正自己的态度努力学习，只有这样我们才能真正的掌握好知识。最后，还要特别感指导老师们，是在老师们的细心帮助和指导下，才让我们最终完成了这次设计！