双闭环直流调速课程设计报告.doc

转速、电流双闭环不可逆调速系统的设计与调试专业：自动化 学号：7021307005 学生姓名：谭伟 指导教师：胡熹平 摘要本设计是电枢可逆，转速、电流双闭环直流调压调速系统。磁场回路采用桥式整流电路，电枢回路采用可控硅三相桥在式整流调压系统，采用接触器电流切换以实现可逆运行。系统应用工程方法设计的转速、电流两个调节器均采用PI结构，以实现稳态无静差，同时在转速调节器上引入转速微分负反馈，从而达到了抑制转速超调的目的。最后用MATLAB/SIMULINK对系统进行了仿真分析与校正，为系统的参数进一步优化和现场调试奠定了基础。关键词：双闭环，晶闸管，电抗器，PI调节器目录第一章 设计课程简介- 3 -1.1 课程设计的目的和意义- 3 -第二章 设计任务书- 3 -2.1 技术要求- 3 -2.2 设计内容- 3 -第三章 设计系统原理图及系统工作原理- 5 -3.1 系统原理图及工作原理- 5 -第四章 系统主电路中整流电路元件、电抗器的参数计算-6 -4.1 整流电路元件计算- 6-4.2 晶闸管的选择与计算- 7-4.3 晶闸管的保护- 8 -4.4 平波电抗器的选择与计算- 8 -第五章 主电路有关参数测试电路、测试数据表、计算结果- 8 -5.1 主电路测试电路-8 -5.2 测试数据表-9 -第六章 电流环、转速环调节器的设计计算- 10 -6.1 电流环调节器的设计计算-10 -6.2 转速环调节器的设计计算- 12 -第七章 MATLAB仿真及结果报告-13 -7.1 双闭环调速系统的MATLAB仿真- 13 -7.2 仿真结果- 14 -第八章 双环组成步骤、系统动静特性测试线路和测试结果数据、特性图- 16 -8.1 双环组成的步骤- 16 -8.2 静态参数- 17 -8.3 转速、电流双闭环直流调速系统的静特性研究- 18 -8.4 转速、电流双闭环直流调速系统突加给定时的起动过渡过程- 19-8.5 转速、电流双闭环直流调速系统突加负载时的抗扰性研究- 19 -8.6 波特图- 20-第九章 总结- 20 -参考文献- 20 -第1章 设计课程简介1.1 课程设计的目的和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，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。第2章 设计任务书2.1 技术要求1. 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D=10），在工作范围内能稳定工作。2. 系统静态特性良好，无静差（静差率S=2）3. 动态性能指标：转速超调量8%,电流超调量5%,动态速降8%-10%，调速系统过渡过程时间（调节时间）Ts=1s4. 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续5. 调速系统中的设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施2.2 设计内容1. 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成。画出系统组原理图。2. 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算（电力电子器件、平波电抗器等）3. 驱动控制电路的选型4. 动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节器型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。5. 绘制V-M双闭环直流不可调调速系统的电气原理图（要求计算机绘图）。6. 整理设计数据资料，课程设计总结，写设计计算机说明书。7系统硬件设计主电路主电路模块的主要功能是通过PWM变换器得到可调的直流电压，为直流电动机供电；检测模块包括转速、电流和温度的检测，转速和电流检测为系统提供转速和电流负反馈的信号；温度检测的目的是为了保护PWM变换器和电机；键盘、显示与报警模块（由单片机控制）负责转速的给定和实时显示，以及故障的声光报警；通信模块负责DSP与PC之间的数据通信，实现系统的计算机监控；DSP系统是整个系统的核心，它负责整个系统的管理和控制电动机的电源控制电路采用桥式整流电路对三相电源进行整流，整流后通过IGBT对电机的电压进行控制。为了使电路中的电流变得更加平缓，故在主电路当中加入了平波电抗器。控制电路图2-1系统主电路图图2.2转速调节器PI环节电路按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值计算如下： (2.1) （2.2） （2.3）第3章 设计系统原理图及系统工作原理3.1 系统原理图及工作原理 附图（一） 电阻参数的测定 附图（二） 电感参数的测定 附图（三） 测定Tl 的实验线路图21 转速、电流双闭环直流调速系统组成电动机在启动阶段,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。第4章 系统主电路中整流电路元件、电抗器的参数计算4.1 整流电路元件计算采用三相桥式整流电路，如下图： 图4-1 三相桥式全控整流电路原理图4.2 晶闸管的选择与计算正确选择晶闸管能够使晶闸管装置在保证可靠运行的前提下降低成本。选择晶闸管元件主要是选择它的额定电压 和额定电流首先确定晶闸管额定电压，晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压，考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽23倍的安全系数，则计算公式： （4-7）对于本设计采用的是三相桥式整流电路，晶闸管按1至6的顺序导通，在阻感负载中晶闸管承受的最大电压， 故计算的晶闸管额定电压为 （4-8）取。再确定晶闸管额定电流，额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。一般取按此原则所得计算结果的1.52倍。 （4-9） （4-10）由此可求出晶闸管的额定电流，其公式为： （4-11）可以取额定电流为50A。本设计选用晶闸管的型号为KP（3CT）-50A额定电压： VDRM 800V 额定电流： IT(AV) 50A门极触发电压：VGT 3.5 V 门极触发电流：IGT 300 mA 4.3 晶闸管的保护 晶闸管的保护电路，大致可以分为两种情况：一种是在适当的地方安装保护器件，例如，R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。 晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类:一类是由于整流电路内部原因；另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，另外，如整流变压器中心点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对地短路。 1.对于第一类过流，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地时，可以采用第一种保护措施，最常见的就是接入快速熔短器的方式。2、 对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。 晶闸管设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。 1.过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。2.过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。4.4 平波电抗器的选择与计算 平波电抗器用于整流以后的直流回路中。整流电路的脉波数总是有限的，在输出的整直电压中总是有纹波的。这种纹波往往是有害的，需要由平波电抗器加以抑制。平波电抗器的电感量一般按低速轻载时保证电流连续的条件来选择。对于三相桥式整流电路：L=0.693U2/Idmin又因为一般Idmin为电动机额定电流的5%10%，这里去10%。In=1.1A因此：L=0.693U2/0.11Ud=Cen+IdR=0.1551600+1.152.5=305.75VU2=Ud/2.34=305.75/2.34=123.93V所以：L=0.693*123.93/0.11=780.76mh第5章 主电路有关参数测试电路、测试数据表、计算结果5.1 主电路测试电路1、 电枢回路电阻R、Ra、Rl、Rn的测定 图5.1 电阻参数的测定电枢回路总电阻R包括电动机的电枢电阻R a、电抗器的直流电阻R L 、整流装置的内阻R n以及电枢回路的附加电阻、线路电阻（合计为R c，无附加电阻时常取R c = 0）等，于是电枢回路总电阻 R = R a + R L + R n + R c。2、 电感L、La、Ll的测定电枢回路总电感L包括电机的电枢电感L a、电抗器电感L L 和整流变压器漏感L n。通常整流变压器漏感L n很小，可忽略，即L = L a + L L 。 图5.2 电感参数的测定3、 时间常数Tl、Tm的测定电动机电枢回路的电磁时间常数T l 可通过实验测定，在已知或已测定电枢回路总电阻R、总电感L的情况下，也可根据其定义直接计算求得。根据定义，电枢回路的电磁时间常数T l LR 图5.3 测定Tl 的实验线路确定机组机电时间常数T m ，需要先知道包括拖动电动机、负载发电机、测速发电机等同轴联接的各类机电设备在内的整个电力拖动系统运动部分的总飞轮转矩GD 2 ，拖动电动机的电势常数C e 和转矩常数C M。 图5.4 GD2的实验测定 5.2 测试数据表 电枢回路电阻R、Ra、Rl、Rn的测定Ug1.241.52R1R2R3R1R2R3R1R2R3U155555568.06566.087.587.587.4UR51.550.04463.559.956.082.081.577.5I0.190.260.530.220.290.520.280.350.48短接MU1*54.956.05563.065.065.08887.587.4UR*54.95554.866.065.865.086.58786I*0.190.280.630.230.320.590.300.370.53短接LU1*54.956.055.064.966.066.088.087.687.3UR*51.651.045.061.561.057.083.081.978.0I*0.180.260.540.220.300.530.290.350.48 R=22 Rn=1.7 Rl=4.3 Ra=16 电感L、La、Ll的测定R1R2R3Ua6.59.512.5UL14.119.625.7Ia0.160.220.30La=0.12 Ll=0.28 L=0.40时间常数Tl、Tm的测定Tl=0.018 Tm=14.9 GD2=37.7第6章 电流环、转速环调节器的设计计算6.1 电流环调节器的设计计算本设计为双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式全控整流电路基本数据如下：1)晶闸管装置放大系数Ks=44.5;2)电枢回路总电阻R=22;3)时间常数：电磁时间常数T1=0.018s;4)机电时间常数Tm=14.3s;设计指标：1)静态指标：无静差；2)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。计算反馈关键参数： (6-1) (6-2) （1）确定时间常数整流装置滞后时间常数；Ts=0.0022s。电流滤波时间常数: Toi=0.002 s（三相桥式电路每个波头是时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有Toi=3.33ms，因此取Toi=2ms=0.002s）。按小时间常数近似处理。(Ts和Toi一般都比Tl小得多,可以当作小惯性群近似地看作是一个惯性环节)（2）选择电流调节器结构根据设计要求：%5%，且可按典型型设计电流调节器。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.检查对电源电压的抗扰性能: （3）选择电流调节器的参数ACR超前时间常数；电流环开环时间增益: (6-3) ACR的比例系数: (6-4) （4）校验近似条件电流环截止频率:=Ki=135.1S-11）晶闸管装置传递函数近似条件： (65) 即 (6-6)满足近似条件；2) 忽略反电动势对电流环影响的条件： (6-7) 即 (6-8) 满足近似条件；3) 小时间常数近似处理条件：， (6-9) 即= (6-10) 电流环可以达到的动态指标为：，也满足设计要求。6.2 转速环调节器的设计计算1）确定时间常数（1）电流环等效时间常数 (6-11) （2）转速滤波时间常数Ton=0.01s(3)转速环小时间常数近似处理 （6-12） 2）选择转速调节器结构按跟随和抗扰性能都能较好的原则,在负载扰动点后已经有了一个积分环节,为了实现转速无静差,还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节,因此需要由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型型系统选用设计PI调节器。典型型系统阶跃输入跟随性能指标见附录表三。3）选择调节器的参数 (6-13) 转速开环增益： (6-14) ASR的比例系数： (6-15) （4）近似校验转速截止频率为： (6-16) 电流环传递函数简化条件： (6-17)（5）检验转速超调量当h=5时，,不能满足要求.按ASR退饱和的情况计算超调量:，满足设计要求。第7章 MATLAB仿真及结果报告7.1 双闭环调速系统的MATLAB仿真7.2 仿真结果实际测得结果如下：图白线为电机转速曲线，红线为电机电流曲线。加电流启动时电流环将电机速度提高，并且保持为最大电流，而此时速度环则不起作用，使转速随时间线性变化，上升到饱和状态。进入稳态运行后，转速换起主要作用，保持转速的稳定。电机紧急刹车转速图图5.1 速度曲线 dn/dt电机负载高速启动（1000转）电流和转速波形图 图5.2 红色为电流曲线 黄色为转速曲线电机空载高速启动(1000转)电流、转速波形图 图5.3黄色为电流曲线 红色为转速曲线 第8章 双环组成步骤、系统动静特性测试线路和测试结果数据、特性图8.1 双环组成的步骤1） 实验路的连接与检查。2） 静态参数的整定3） 转速、电流双闭环直流调速系统的静特性研究4） 转速、电流双闭环直流调速系统突加给定时的起动过渡过程5） 转速、电流双闭环直流调速系统突加负载时的抗扰性研究6)调试与组成双闭环的步骤1.调节ACR的输出限幅：将给定直接连接到电流环；调节给定电压Ug，将Rn的阻值设置成80，电容C短路。用万用表测量ACR的输出电压，观察到输出电压为Ug的两倍。此时调节下限幅旋钮，使得万用表的示数为所需限幅值即可，同理调节上限幅。2.调节ASR的输出限幅：调节方法如上所述一致；3.电流反馈与转速反馈的极性判断：将电机主回路接入电路中，在给定电压达到一定值时，转速也上升到一定，此时用万用表分别测试DD02的Un和Un，需保持DD02中Un的极性和DA01中的一致；同理用万用表测试DD06的Ui1+，Ui1，以及Ui-口的极性，并记录下。4按照“转速，电流双闭环直流调速系统接线图接线后，开始对参数的调整8.2 静态参数8.2.1 主要单元环节的检查、调整及其参数整定1）闭合控制电路（电源控制与故障指示（CTD）控制电路按钮ON），主电路保持分断，将给定单元的阶跃开关S2拨向上方；依次使正、负给定U *n0.5、2V，测量ASR、ACR的输入、输出，检查比例特性；取U *n2V， Cn Ci 2F，用万用表分别测量ASR、ACR的输出并整定其限幅。2）检查并调整“触发器单元GT1”和“直流调速系统主电路”，整定触发零位：用双踪示波器检查“双路晶闸管移相触发器”斜率、相位、双窄脉冲输出；检查主电路接线，确认触发电路和主电路正常后，整定系统零位，即微调“DT04”单元的偏置电位器，使U *n0时，触发角90。8.2.2 电流内环静态参数整定1） 给定及给定积分器（DG01）单元的阶跃输出端U*n1由引向转速调节器的U*n端改为直接直接引向电流调节器的U*I输入端，（即暂且去掉ASR，注意！U*n1端不得与ASR的U*n端和ACR的U*i端同时相接）；电流调节器ACR接成PI调节器（取 Ri = R040k、Ci 2F）。检查无误后闭合主电路。2）负载给定为0，给定单元的极性开关S1拨向下方，缓慢增大给定直至U*nU*im；（U*im为转速调节器ASR的下限幅）待系统稳定运行后，同时调节电流反馈和负载转矩直至 Id Idm1.5Idnom（设电流过载倍数 1.5 ，若 不同，系数应随之变更），整定电流反馈系数U*imIdm，并锁定之。系统重新稳定运行后，减小给定U*n至0，电机停止后切除主电路。8.2.3 转速外环静态参数整定1）闭合控制电路，将励磁电流整定至额定值，恢复“转速、电流双闭环直流调速系统”（即恢复ASR的给定输入引自给定单元的阶跃输出端U*n1，ACR的输入U*i引自ASR的输出），将ASR接成 PI 调节器（取 R n = R040k、C n2F）。经检查无误后闭合主电路。2）给定单元的极性开关S1拨向上方，逐步增加给定使U*n=U*nm=+8V，电机升速至某值稳定后。调节（减小）转速反馈直至nnnom，以完成转速反馈系数U*nmnnom的整定，并锁定之。3）减小给定U*n至0，电机停止后切除主电路。负载给定为零。8.3 转速、电流双闭环直流调速系统的静特性研究1）按实验前设计、计算之阻、容（Rn、Cn、Ri、Ci），设定DA01、DA03两个单元的参数，检查无误后闭合主电路。2）增大给定并恒定至U*n=U*nm=+8V、nnnom；稳定后，调节负载给定，电枢电流在0 Idm 之间分别读取电流 Id 和转速 n 五组数据录于表21；表21 转速、电流双闭环系统静特性实验数据1000转500转Id（A）00.130.480.630.8600.140.280.690.80n（rmin）0100099999330004985025142003）减小给定电压 U *n 至 0，电机停止后，切除主电路。4）根据表21 数据分别绘制高、低速两条静特性n = f（Id）于图22。图22 转速、电流双闭环直流调速系统的静特性高速 低速5）分析双闭环系统静特性的特点，并与实验一“带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统”及其实验结果进行比较，得出相应结论。8.4 转速、电流双闭环直流调速系统突加给定时的起动过渡过程1）先置给定U*n=U*nm=+8V，再置阶跃开关S2于下方（端）。保持 ASR、ACR 为 PI 调节器，参数同前。负载给定为零，使机组接近空载。检查无误后闭合主电路。2）由阶跃开关S2进行高速、空载、突加给定时的过渡过程实验，通过双踪示波器观察电