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1、转速电流双闭环直流调整系统摘要：本设计通过分析双闭环直流调速系统系统的组成，设计出系统的电路原理图。从电力拖动不 可逆直流调速系统主电路开始着手，设计整流电路，选择整流器件，计算整流变压器参数，设计保 护电路及控制电路。然后，采用工程设计的方法对双闭环直流调速系统的电流调节器和转速调节器 进行设计，先设计电流调节器，然后将整个电流环看作是转速调节系统的一个环节，再来设计转速 调节器。遵从确定时间常数 、选择调节器结构、计算调节器参数、效验近似条件的步骤一步一步的 实现对调节器的具体设计。最后用 AUTCAD 绘制出整个系统的电器原理图。关键词：整流电路、转速调节器、电流调节器、工程成设计方法。
2、目录第 1 章 系统原理 11.1 双闭环调速系统的工作原理 11.2 双闭环直流调速系统的数学模型 11.3 双闭环直流调速系统两个调节器的作用1第 2 章 调节器的具体设计 32.1 电流调节器的分析 32.2 转速调节器的分析 42.3 转速电流双闭环参数 42.4 电流环的设计 52.5 速度环的设计 6总结与体会 10参考文献 11第 1 章 系统原理许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。 而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术 领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。双闭环直流调速
3、系统是直流调速控制系统中 发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们 知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有 效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现 转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单 闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流 或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止至负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临 界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流的冲击
4、，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际 工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过 程中始终保持电流(转矩)为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定 转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成 方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。1.1 双闭环调速系统的工作原理闭环控制的目的是把受控的输出转速信号反馈回输入端,并且参与控制新一轮的输出。双闭环是 在单闭环的基础上引入了可以抑制电网电压扰动对转速产生影响的电流反馈,因此有良好的动、静
5、态 性能。双闭环直流调速系统的原理图如图1-1所示1.2 双闭环直流调速系统的数学模型双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构W ( s ) W ( s) 图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图1-2所示。图中 ASR 和 ACR 分别表示转速调节 器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中把电枢电流Id显露出 来。1.3 双闭环直流调速系统两个调节器的作用1) 转速调节器的作用图 1-2 双闭环直流调速系统的动态结构框图U*使转速n跟随给定电压um变化，当偏差电压为零时，实现稳态无静差；对负载变化起抗扰作用;其输出限幅值决定
6、允许的最大电流。（2） 电流调节器的作用U*在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压 i 变化；对电网电压波动起及时抗扰作用；起动时保证获得允许的最大电流，使系统获得最大加速度起动；当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起大快速的安全保护作用。当故障消失时，系统能够自动恢复正常。第2 章 调节器的具体设计2.1 电流调节器的分析根据设计要求启动时电流超调量 5%并保证稳态电流无静差。一般说来典型I型系统在动 态跟随性能上可以做到超调小,但抗忧性能差；而典型II型系统的超调量相对要大一些而抗扰性能却 比较好。在转速-电流双闭环调速系统中, 电流环的一个重要作用是保持电枢电流在动态过程中
7、不超 过允许值,即能否抑制超调是设计电流环首先要考虑的问题，所以一般电流环多设计为I型系统,电 流调节的设计应以此为限定条件。电流环控制对象是双惯性的，因此可用PI型电流调节器，器传递 函数见公式（2-1）。WACR2-1)K (T s + 1) i iTsiK电流调节器的比例系数;i电流调节器的超前时间常数电流环开环传递函数为：因为WopiK (T s +1)_PK /Ri isT s(Ts + 1)(T s +1)il乙iT，所以选择2-2)l ，用调节器零点消除控制对象中的时间常数极点以便校正成典型1型系统，因此W （s） Kiopis (T工 s +1)K 其中 I=KKPi sT R
8、，电流环的结构图如图2-1所示l有因为电流的超调量Q 5%，查表典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系故选g 二 0.707, KTy 二 0.5i乙iK r、 1，则K = r 二I ci2Tv图 2-1 电流环的动态结构图乙iKI ci2TV乙i12.2 转速调节器的分析和电流环一样，把转速给定滤波和反馈波同时等效地移到环内前向通道上，并将给定信号改成U *1，再把时间常数为=和T的两个惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为斤 惯性环节， aKon乙 nI其中斥二丄+ T乙 n K on为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前必须有一个积分环节，它应该包含转速调节器 ASR中，由
9、于在扰动作用点后面已经有了个积分环节，因此转速环开环传递函数应该共有两个积分环节， 所以应该设计成典型11型系统，这样就同时满足同台抗扰性能好的要求。所以ASR也应该采用PI 调节器，器传递函数为W ( s )ASRK (T s + 1)n nTs转速调节器的比例系数；转速调节器的超前时间常数。其中：=hT工2.3 转速电流双闭环参数直流电动机：U = 220V， I =12.35A， n =1500rpm， C = 1.63V-min/r，NNNmC = 1.63V -min/ r，晶闸管装置放大系数：K =40，允许过载倍数九=1.5 ；ms晶闸管装置放大系数：K =40 ；电枢回路总电阻
10、：R=5.3s时间常数：T = 0.001sT = 1. 8S3, R 二 40KQ ,卩=0.05l m 02.4电流环的设计1）整流装置滞后时间常数。按文献，单相桥式电路的平均失控之间T =0.005s。 s2）电流滤波时间常数T0i。单相桥式电路每个波头的时间是20ms,为了基本滤平波头应有乓=T + T = 0.0075sT =20ms,因此去T =0.0025s电流环小时间常数之和Ty 。乙 s oi oi oiy i3）选择电流调节器结构根据设计要求：& i %W5%，可按典型I型设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的所以把电流调节器设计成PI型的.T0.001s检查对电源电压
11、的抗扰性能：不0.13 10由附录表二，各项指标可接受.Ty0.0075s乙i4）选择电流调节器的参数TACR 超前时间常数 iTi =0001s；电流环开环时间增益K = 笄=-00- = 66.7s-i, ACRI Ty0.0075KTR的比例系数K = -i =i K卩s66.7 x O.OW 5.3 = 0.177。40 x 0.055）校验近似条件电流环截止频率Ki皿= 66.7s -1 ， ci1） 晶闸管装置传递函数近似条件：ci1 1 1 ，现为 =66.7 =3T3T3 x 0.005ssw ，满足近ci似条件；2）忽略反电动势对电流环影响的条件： ci- 3 TT现为3君二
12、3气丽而二53.5 w，满足近似条件。0.0017 x 0.0025ci4）计算调节器电阻和电容电流调节器原理图如图2-2所示,按所用运算放大器取A。= 40KQ，各电阻和电容值计算如下:R = KR = 0.177 x 4 xl04 Q = 7.08 x 103 Q i i 0T0.001C = = 0.141u Fi R7.08x103i4TC =oi =oi R04 X .0025 = 0.25 卩 F4 x104电流环可以达到的动态跟随性能指标为按照上述参数，bi 二4.3%5%（见文献口表-J）电流环可以达到的动态指标为：b %二43% e，满足条件;cn转速环时间常数的近似处理条件：1-3001 = 27.16 ，满足条件;cn4）近似校验KNn转速截止频率为：W =一n = K t = 192 x 0.125 = 24s-1（5）调节器的电阻和电容R = K R = 88.4x 4x104 = 3.536x106 n n 0tC = n =nRn岛花=035UFC = 4T = 4 x 0.01 = 1 FC = on = 1uFon R4 x 1040图 2-3 含给定滤波与反馈滤波 PI 型转速调节器转速调节器退饱和时转速超调量得计算如果转速调节
