雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)

題目：雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計與仿真已知：直流電動機：PN=60KW，UN=220V，IN=305A，nN=1000r/min,λ=2，Ra=0.08,Rrec=0.1,Tm=0.097s,Tl=0.012s,Ts=0.0017s,電樞回路總電阻R=0.2Ω。設計要求：穩(wěn)態(tài)無靜差，σi≤5%,帶額定負載起動到額定轉速的轉速超調σn≤10%。(要求完成系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的原理圖設計和參數(shù)計算)。系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的原理圖設計和參數(shù)計算，包括主電路、調節(jié)器、電流轉速反饋電路和必要的保護等，并進行必要的計算。按課程設計的格式要求撰寫課程設計說明書。設計內容與要求：1、分析雙閉環(huán)系統(tǒng)的工作原理2、改變調節(jié)器參數(shù)，分析對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響3、建立仿真模型1．雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的原理及組成對于正反轉運行的調速系統(tǒng)，縮短起,制動過程的時間是提高生產率的重要因素。為此，在起動（或制動）過渡過程中，希望始終保持電流（電磁轉矩）為允許的最大值，是調速系統(tǒng)以最大的加（減）速度運行。當?shù)竭_穩(wěn)態(tài)轉速時，最好使電流立即降下來，使電磁轉矩與負載轉矩相平衡，從而迅速轉入穩(wěn)態(tài)運行。實際上，由于主電路電感的作用，電流不可能突變，為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值dmI的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，采用電流負反饋應該能夠得到近似的恒流過程。為了使轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別引入轉速負反饋和電流負反饋以調節(jié)轉速和電流，二者之間實行嵌套連接，如圖1所示。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)器的輸出去控制電力電子變換器。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，稱做內環(huán)；轉速環(huán)在外面，稱做外環(huán)。這就形成了轉速電流負反饋直流調速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜動態(tài)性能，轉速和電流兩個調節(jié)器一般采用PI調節(jié)器。2．雙閉環(huán)控制系統(tǒng)起動過程分析前面已經指出，設置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近于理想的起動過程，因此在分析雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要先探討它的起動過程。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)突加給定電壓*nU由靜止狀態(tài)起動時，轉速和電流的過渡過程如圖4所示。由于在起動過程中轉速調節(jié)器ASR經歷了不飽和、飽和、退飽和三在一個由三相零式晶閘管整流裝置供電的轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中，已知電動機的額定數(shù)據為：kW,V,A,r/min,電動勢系數(shù)=0.196V·min/r,主回路總電阻=0.18Ω,觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)=35。電磁時間常數(shù)=0.012s,機電時間常數(shù)=0.12s,電流反饋濾波時間常數(shù)=0.0025s,轉速反饋濾波時間常數(shù)=0.015s。額定轉速時的給定電壓(Un*)N=10V,調節(jié)器ASR，ACR飽和輸出電壓Uim*=8V,Ucm=6.5V。系統(tǒng)的靜、動態(tài)指標為:穩(wěn)態(tài)無靜差,調速范圍D=10,電流超調量≤5%,空載起動到額定轉速時的轉速超調量≤10%。試求：（1）確定電流反饋系數(shù)β(假設起動電流限制在以內)和轉速反饋系數(shù)α。（2）試設計電流調節(jié)器ACR,計算其參數(shù)Ri,、Ci、COi。畫出其電路圖,調節(jié)器輸入回路電阻R0=40。（3）設計轉速調節(jié)器ASR,計算其參數(shù)Rn、Cn、COn。(R0=40kΩ)（4）計算電動機帶40%額定負載起動到最低轉速時的轉速超調量σn。（5）計算空載起動到額定轉速的時間。解：（1）（2）電流調節(jié)器設計確定時間常數(shù)：電流調節(jié)器結構確定：因為，可按典型I型系統(tǒng)設計，選用PI調節(jié)器，,電流調節(jié)器參數(shù)確定:，。校驗等效條件：可見滿足近似等效條件，電流調節(jié)器的實現(xiàn)：選,則：, 取9K.由此（3）速度調節(jié)器設計確定時間常數(shù)：電流環(huán)等效時間常數(shù):因為則速度調節(jié)器結構確定：按照無靜差的要求，應選用PI調節(jié)器，,速度調節(jié)器參數(shù)確定：校驗等效條件：可見滿足近似等效條件。轉速超調量的校驗(空載Z=0）轉速超調量的校驗結果表明，上述設計不符合要求。因此需重新設計。查表，應取小一些的h，選h=3進行設計。按h=3，速度調節(jié)器參數(shù)確定如下：校驗等效條件：可見滿足近似等效條件。轉速超調量的校驗：轉速超調量的校驗結果表明，上述設計符合要求。速度調節(jié)器的實現(xiàn)：選,則,取310K。4)40%額定負載起動到最低轉速時:5)空載起動到額定轉速的時間是：(書上無此公式）僅考慮起動過程的第二階段。所以：分析：啟動過程的第一階段是電流上升階段，突加給定電壓，ASR的輸入很大，其輸出很快達到限幅值，電流也很快上升，接近其最大值。第二階段，ASR飽和，轉速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流給定作用下的電流調節(jié)系統(tǒng)，電流基本上保持不變，拖動系統(tǒng)恒加速，轉速線形增長。第三階段，當轉速達到給定值后。轉速調節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零，但是由于積分作用，其輸出還很大，所以出現(xiàn)超調。轉速超調后，ASR輸入端出現(xiàn)負偏差電