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1、南京化工职业技术学院 毕业论文设计题目： 双闭环直流调速系统 目 录摘 要I前 言第1章 绪论11. 设计目的及意义12. 设计说明书1第2章 直流调速系统的组成与原理21. 双闭环调速系统的动态数学模型22. 直流电机数学模型23. 整流装置的传递函数34. 调速系统总计35. 直流调速系统的组成5第3章 双闭环调速系统的组成与原理6第4章 晶闸管电动机主电路的设计81.1 主电路设计81.2 主电路参数计算82. 转速、电流调节器的设计92.1 电流调节器设计92.2 转速调节器参数选择123. 启动过程164. 电动机堵转过程175. 双闭环调速系统特点17第5章 双闭环直流调速系统仿真
2、19第6章 带转速、电流负反馈的双闭环直流调速装置调试步骤22附录24总结25参考文献26摘 要本文主要针对交直流调速系统这门课程中关于双闭环直流调速系统的特点，结构和动态过程的分析，对该系统进一步了解与学习。从直流电动机的工作原理入手，建立双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析系统的原理及其静态和动态性能，且利用Simulink对系统进行各种参数给定下的仿真。关键词：双闭环；直流调速系统；Simulink仿真前言在工业生产中,需要高性能速度控制的电力拖动场合,直流调速系统,特别是双闭环直流调速系统发挥着极为重要的作用。转速、电流双闭环调速系统是20世纪60年代在国外出现的一种新型调速系统。
3、70年代以来, 在我国的冶金、机械、制造以及印染工业等领域得到日益广泛的应用。双闭环调速系统是由单闭环自动调速系统发展而来的。它通过转速和电流两个调节器分别引入转速负反馈和电流负反馈，并构成双闭环系统。从而有效的改善电机性能。 本设计主要采用三相全控桥式整流电路对直流电机供电，并通过工程设计法对转速调节器和电流调节器相关参数进行计算以达到对转速电流双闭环支流调速系统的整体实现。该系统主要由给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了
4、电流环；转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭环调速系统。因转速换包围电流环，故称电流环为内环，转速环为外环。在电路中，ASR和ACR串联，即把ASR的输出当做ACR的输入，再由ACR得输出去控制晶闸管整流器的触发器。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用具有输入输出限幅功能的PI调节器，且转速和电流都采用负反馈闭环。南京化工职业技术学院毕业设计（论文）第一章.绪论1.设计目的及意义本设计从直流电动机的工作原理入手，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用Simulink对系统进行了各种参
5、数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统, 采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。应掌握转速、电流双闭环直流调速系统的基本组成及其静特性；从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的作用；应用工程设计方法解决双闭环调速系统中两个调节器的设计问题，等等。通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，
6、通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。2.设计说明书某晶闸管供电的转速电流双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据为：直流电动机：,，电枢电路总电阻R=0.1,电枢电路总电感,电流允许过载倍数，折算到电动机轴的飞轮惯量。 晶闸管整流装置放大倍数，滞后时间常数 电流反馈系数 电压反馈系数 滤波时间常数 ；调节器输入电阻。设计要求：稳态指标：无静差动态指标：电流超调量；空载起动到额定转速时的转速超调量。第二章直流调速系统的组成与原理1双闭环调速系统的动态数学模型在工程实践中,虽然交流电动机结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易。但
7、由于直流电动机双闭环调速系统在理论和实践上都比较成熟,具有极好的运行和控制性能,在工业生产中仍占有相当的比例,其双闭环调速系统结构如图1-1所示。ASR速度调节器ACR电流调节器TA交流变换器TG测速发电机U*n给定速度信号Un速度反馈信号U*i给定电流信号Ui电流反馈信号图1-1直流电动机双闭环调速系统结构系统中电流内环的作用是使电机电枢电流Id服从它的给定值U*i,当U*i不变时,它表现为恒流调节,否则表现为随动调节。速度外环的输出为U*i,不直接推动后面的放大器,而是作为电流环的给定值,二者共同构成串级控制系统,不仅能控制转速,而且能控制电流,可充分利用电机的过载能力,获得较快的动态响应
8、。2直流电机数学模型在电力拖动控制系统中,直流电机通常以电枢电压为输入量,以电机转速为输出量。假设电机补偿良好,忽略电枢反应、涡流效应和磁滞的影响,并设励磁电流恒定,得直流电机数学模型和运动方程分别为: 1-1式中: Ud电枢电压; L、id、R分别为电枢回路电感、电流和总电阻; E电机的反电动势,且有E=Cen; Te、TL分别为电机的电磁转矩和负载转矩,且有Te=Cmid; GD2电力拖动系统整个运动部分折算到电动机轴上的转动惯量。整理得电流与电压以及电动势与电流之间的传递函数分别为: 1-2式中: T1=L/R电枢回路的电磁时间常数(s); IdL=TL/Cm负载电流(A); Tm电力拖
9、动系统的机电时间常数(s)。考虑n=E /Ce,可得直流电机的动态结构图如图1-2所示。3整流装置的传递函数图1-2直流电动机的动态结构图由于晶闸管整流装置总离不开触发电路,因此在分析系统时往往把它们看成一个整体,当作一个环节处理。从图1-1上可以看出,这一环节的输入量是触发电路的控制电压Uct,输出量是电枢电压Ud。如果在一定的范围内将非线性特性线性化,就可以把它看成一个滞后时间较小的纯滞后环节,如式1-3。因传递函数中包含指数函数,使系统成为非最小相位系统,给分析和设计带来了麻烦,一般情况下,把它近似成一阶惯性环节。 1-3式中: Ts晶闸管整流装置的失控时间(s)。4.调速系统总体设计为
10、实现转速和电流两种负反馈分别作用，直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速和电流, 即分别引入转速负反馈和电流负反馈。两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 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电力电子变换器UPE，这就形成了转速、电流双闭环
11、调速系统。如图2-1所示：图2-1 直流双闭环调速系统为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。这样构成双闭环直流调速系统。其原理图如图2-2所示：图2-2 直流双闭环调速系统原理图直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定后了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制电压Ucm 限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的
12、电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。5.直流调速系统的组成如下图所示，为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置两个调 节器，分别 引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接。把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，在用电流调节器的输出去控制电力电子变换器。从闭环结构上看，电流环在里面，转速环在外边。形成了转速，电流反馈控制直流调速系统。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。第三章.双闭环直流调速系统的组成与原理图2.1 双闭环直流调速系统的原理图电动机在启动阶段,电动机的实际转速(电压)低于给定值,速度调节器的输入端存
13、在一个偏差信号,经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器, 此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值, 电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流(堵转电流)可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在电动机转速上升到给定转速后, 速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动,速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压相应变化,从而
14、校正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数, 还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节,可以在电动机转速还未来得及发生改变时,迅速使电流恢复到原来值,从而使速度更好地稳定于某一转速下运行。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接，如图一所示。图一这就是说，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。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速 调节环在外边，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，其原理图示于图二。图二在图上标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照触发装置GT的控制电压Ur,为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示出，两个调节器的输出都是带限幅的，转速调节器ASR的输出限幅(饱和)电压是U*im，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Uctm，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。第四章.晶闸管-电动机主电路的设计1.1主电路设计 晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）主电路原理图如图3-1所示：
