雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)課程設計方案

1、雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)課程設計專業(yè)：應用由上技術班級：應用由千1班學號：32姓名：吳嘉鑫設計題目：雙閉環(huán)看流調你系統(tǒng)2012年11月目錄1 緒論-1 -2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng) -2 -一 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)白組成結構與原理 -4 -二 采用轉速雙閉環(huán)的理由 -4 -三 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型 錯誤！未定義書簽。3 課程設計任務與要求 -4 -一課程設1f指標 錯誤！未定義書簽。二課程設計基本要求 錯誤！未定義書簽。4 控制系統(tǒng)的設計-4 -一電流調節(jié)器的設計 -5-二轉速調節(jié)器的設計錯誤！未定義書簽。5 心得體會-5 -參考文獻-10 -2摘要本文主要針對交直流傳動控制系統(tǒng)這門課程中關于

2、雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng) 的特點，結構和動態(tài)過程的分析，對該系統(tǒng)進一步了解與學習。在電氣時代的今 大，電動機在工農業(yè)生產、人們日常生活中起著十分重要的作用。 直流電機是最 常見的一種電機，在各領域中得到廣泛應用。研究直流電機的控制和測量方法， 對提高控制精度和響應速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。電機調速問題一直是 自動化領域比較重要的問題之一。不同領域對于電機的調速性能有著不同的要 求，因此，不同的調速方法有著不同的應用場合。 電力拖動自動控制系統(tǒng)是把電 能轉換成機械能的裝置，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

3、度、壓力、張力和轉矩等。關鍵字：直流調速 電機雙閉環(huán)雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)課程設計1緒論直流調速系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)是工業(yè)生產過程中應用最廣的電 氣傳動裝置之一。在工業(yè)生產中，需要高性能速度控制的電力拖動場合，直流調速 系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)發(fā)揮著極為重要的作用。廣泛地應用于軋鋼機、 冶金、印刷、金屬切削機床等許多領域的自動控制系統(tǒng)中。它通常采用三相全控橋式整流電路對電動機進行供電， 從而控制電動機的轉速，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用 模擬元件，如晶體管、各種線性運算電路等，在一定程度上滿足了生產要求。直流電動機和交流電動機相比，具制造工藝復雜，生產成本高.維修困難， 需備有直流電源才能使

4、用。但因直流電動機具有寬廣的調速范圍， 平滑的調速特 性，較高的過載能力和較大的起動、制動轉矩，因此被廣泛地應用于調速性能要 求較高的場合。在工業(yè)生產中，需要高性能速度控制的電力拖動場合， 直流調速 系統(tǒng)發(fā)揮著極為重要的作用，高精度金屬切削機床，大型起重設備、軋鋼機、礦 井卷揚、城市電車等領域都廣泛采用直流電動機拖動。 特別是晶閘管一直流電動 機拖動系統(tǒng)，、具有自動化程度高、控制性能好、起動轉矩大，易于實現(xiàn)無級調 速等優(yōu)點而被廣泛應用。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)是由單閉環(huán)自動調速系統(tǒng)發(fā)展而來的。 它通過轉速和電流兩個調節(jié)器分別引入轉速負反饋和電流負反饋，并構成雙閉環(huán)系統(tǒng)。從而有效的改善電機性能。該系統(tǒng)主要

5、由給定環(huán)節(jié)、asr acr觸發(fā)器和整流裝置環(huán)節(jié)、速度檢測環(huán)節(jié)以及電流檢測環(huán)節(jié)組成。 為了使轉速負反饋和電流 負反饋分別起作用，系統(tǒng)設置了電流調節(jié)器 acrffi轉速調節(jié)器asr電流調節(jié)器 acrffi電流檢測反饋回路構成了電流環(huán)； 轉速調節(jié)器asrj口轉速檢測反饋回路構 成轉速環(huán)，稱為雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。-11 -2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)一，雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成結構與原理雙閉環(huán)調速系統(tǒng)是建立在單閉環(huán)自動調速系統(tǒng)上的，實際的調速系統(tǒng)除要求對轉速進行調整外，很多生產機械還提出了加快啟動和制動過程的要求，這就需 要一個電流截止負反饋系統(tǒng)。為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系 統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，

6、分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行嵌套連接。即把轉速 調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制品閘管整流 器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面稱內環(huán)；轉速環(huán)在外面稱外環(huán)。 這就構成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。asr轉速調心瑞acr電流調h瑞tg測速發(fā)電機 ta電流互感器 lepe電力電廠變換附圖1調速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉速和電流兩個調節(jié)器一般都采用 pi調節(jié) 器，這樣構成的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的電路原理圖如圖 2所示。圖中標出了兩個 調節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們電力電子變換器的控制電壓 uc為正壓的 情況標出的，并考慮到運算放大器的

7、倒相作用。圖2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)電路原理二，采用轉速電流雙閉環(huán)的理由在要求較高的調速系統(tǒng)中，一般有兩個基本要求：一是能夠快速啟動制 動；二是能夠快速克服負載、電網等干擾。通過分析發(fā)現(xiàn)，如果要求快速 起動，必須使直流電動機在起動過程中輸出最大的恒定允許電磁轉矩，即 最大的恒定允許電樞電流，當電樞電流保持最大允許值時，電動機以恒加 速度升速至給定轉速，然后電樞電流立即降至負載電流值。如果要求快速克 服電網的干擾，必須對電樞電流進行調節(jié)。以上兩點都涉及電樞電流的控制， 所 以自然考慮到將電樞電流也作為被控量，組成轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。而且 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)在突加給定下的跟隨性能、動態(tài)

8、限流性能和抗擾 動性能等，都比單閉環(huán)調速系統(tǒng)好。三，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型在工程實踐中，雖然交流電動機結構簡單、價格便宜、制造方便、維護容易。 但由于直流電動機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟，具有極好的運行和控制性能，在工業(yè)生產中仍占有相當?shù)谋壤?，其雙閉環(huán)調速系統(tǒng)結構如圖 3所 示。由于在起動過程中轉速調節(jié)器 asm歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況， 整個動態(tài)過程就分成圖中標明的i、ii、出三個階段。電流內環(huán)京門圖3雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖3課程設計任務與要求一，課程設計指標某品閘管供電的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路基本數(shù)據(jù) 如下：1,直流電動機：220v

9、, 136a, 1460r/min,ce = 0.132v min/r ,允許過載倍數(shù) =1.52,品閘管裝置放大系數(shù)ks=40;3,電樞回路總電阻 r=0.5q;4,時間常數(shù)：電磁時間常數(shù) tl=0.03s;機電時間常數(shù)tm=0.18s;5,電流反饋系數(shù)p=0.05v/a6,調節(jié)器輸入電阻r0=20q ;7,轉速反饋系數(shù)a = 0.007v min/r二，課程設計基本要求1，根據(jù)題目的技術要求，分析并確定主電路的結構型式和閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成。2,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asr5m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

10、的要求。3,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）。4,要求電流超調量a %<5%,轉速無靜差，空載起動到額定轉速時的轉速超調量3m10%。試按工程設計方法設計轉速調節(jié)器，并校驗轉速超調量的要求 能否得到滿足。5,整理設計數(shù)據(jù)資料，撰寫設計計算說明書。4控制系統(tǒng)設計一，系統(tǒng)的設計按照“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。（1）電流調節(jié)器的設計確定時間常數(shù)：整流裝置滯后時間常數(shù)；ts=0.0017s。電流濾波時間常數(shù)：toi=0.002 s（三相橋式電

11、路每個波頭是時間是3.3ms,為了基本濾平波頭，應有 toi=3.33ms,因此取toi=2ms=0.002s）。按小時間常數(shù)近似處理。ts =ts +toi =0.0037 （ts和toi 一般都比tl小得多，可以當作小慣性群近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié) ）選擇電流調節(jié)器結構：根據(jù)設計要求：/%<5%可按典型i型設計電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，所以把電流調節(jié)器設計成pi型的.檢查對電源電壓的抗擾性能：工=工°32=8.11ti 0.0037 s計算電流調節(jié)器的參數(shù)：acre前時間常數(shù)g =1=0.03s；電流環(huán)開環(huán)時間增益：要求。i % m 5%時，應取k1kli =

12、 0.5 ,因此ki0. 50. 5. c u /=1 3 5.s11tt 0. 0 0 3s7所以，acr勺比但j系數(shù)：ki=r = 135."0.03"5=1.013 i ks -40 0.05校驗近似條件:電流環(huán)截止頻率：''ci =ki 135.1s晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件:"ci3ts3ts3 0.0017s= 196.1 135.1滿足近似條件; 忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件:ci -33=3tmtl二 40.82s0.18s 0.03s滿足近似條件; 小時間常數(shù)近似處理條件:, 'cij 13 tstoi0.0017s 0

13、.002s=180.8s/ ci滿足近似條件;按所用運算放大器取rc=40kc ,各電阻和電容值為r =尺& =1. 0 13 140=胸，52 40kcg =0. 03 f 0.7-5 f,取0.75fr 4 0 10coi二為二絲ye,.,取wer 4 0 10含濾波環(huán)節(jié)的pi型電流調節(jié)器按上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)指標為：%=4.3% <5%,也滿足設計要求電流調節(jié)器的實現(xiàn):含給定濾波和反饋濾波的模擬式 pi型電流調節(jié)器原理圖如圖4所示:號c圖4模擬式pi型電流調節(jié)器原理圖(2)轉速環(huán)的設計確定時間常數(shù)：電流環(huán)等效時間常數(shù)= 0.0074s1=2" =2 0.

14、0037k1i轉速濾波時間常數(shù)ton=0.01s轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理.1.丁不=一 ton =0.0074s 0.01s = 0.0174s一 ki選擇轉速調節(jié)器結構：按跟隨和抗擾性能都能較好的原則，在負載擾動點后已經有了一個積分環(huán) 節(jié)，為了實現(xiàn)轉速無靜差，還必須在擾動作用點以前設置一個積分環(huán)節(jié)，因此需 要r由設計要求，轉速調節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型r型系統(tǒng)一選用 設計pi調節(jié)器。選擇調節(jié)器的參數(shù)：n=htn=5 0.0174s=0.087s轉速開環(huán)增益：k _ h 1n 2h2tn2asr勺比例系數(shù):knh 1 ctm2h rtn6 0.05 0.132 0.18=11.7 2 5

15、 0.007 0.5 0.0174近似校驗轉速截止頻率為:kn 'cn 一 '11 1_1= knn =396.4 0.087s =34.5s電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為1 1135.1 , 3 0.0037s“ r =63.7s 、:cncn滿足簡化條件62222 s - - 396.4sn 2 52 0.01742轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為滿足近似條件計算調節(jié)器電阻和電容，根據(jù)圖所示，取r =40kc ,則：rn =kn& =11.7m40kc =468kc取 470kccn "= 0.087 3 f =0.185m10'f取0.2ufrn 470

16、 103on&4_31r040 103取1f含濾波環(huán)節(jié)的pi型轉速調節(jié)器檢驗轉速超調量當h=5時，an =37.6%,不能滿足要求.按asr退飽和的情況計算超調量：'ax% =81.2%, cb-nn tn* 一ntm. ：c：=n max2(- -z)cb136 0.5an =2m81.2%1.5m 0.132 父0.0174 = 8.31%<10% ,滿足設計要求。14600.18轉速調節(jié)器的實現(xiàn):含給定濾波和反饋濾波的pi型轉速調節(jié)器原理圖如圖5所示。* bsrz7*. 2箋 l(sr/7圖5含給定濾波與反饋濾波的pi型轉速調節(jié)器5心得體會轉速負反饋環(huán)為外環(huán)，其作用

17、是保證系統(tǒng)的穩(wěn)速精度；電流負反饋環(huán)為內環(huán)， 其作用是實現(xiàn)電動機的轉距控制，同時又能實現(xiàn)限流以及改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)在突加給定下的跟隨性能、動態(tài)限流性能和抗擾 動性能等，都比單閉環(huán)調速系統(tǒng)好。雙閉環(huán)能夠快速啟動制動，能夠快速克 服負載、電網等干擾。就目前來看，直流調速系統(tǒng)仍然是自動調速系統(tǒng)的主要 形式。電流轉速雙閉環(huán)調速電路，因其具有極高的調速范圍、很好的動靜態(tài)性能 及抗擾性能，在調速領域得到廣泛的應用。而且雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)因其具有動 態(tài)響應快、抗干擾能力強等優(yōu)點，所以在現(xiàn)代化工業(yè)生產中得到越來越廣泛的應 用，來實現(xiàn)生產的制動調速即提高工藝產品的質量。 目前，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)已經 普遍的