双闭环直流调速系统的设计

信息科学与工程学院 课程设计 2010 20112010 2011 学年第学年第 二二 学期学期 课程名称课程名称 双闭环直流调速系统的设计双闭环直流调速系统的设计 班班 级级 学学 号号 姓姓 名名 指导教师指导教师 2011 年年 6 月月 双闭环直流调速系统的组成结构与原理双闭环直流调速系统的组成结构与原理 双闭环调速系统是建立在单闭环自动调速系统上的 实际的调速系统除要求 对转速进行调整外 很多生产机械还提出了加快启动和制动过程的要求 这就 需要一个电流截止负反馈系统 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用 在系统中设置两个调节器 分别调节转速和电流 二者之间实行嵌套连接 即 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 电流环在里面称内环 转速环在外 面称外环 这就构成了转速 电流双闭环调速系统 原理 电动机在启动阶段 突加给定电压 随着上升 当后电机开始转动 n U d I ddl II 转速调节器的输入端存在偏差信号 经放大后输出的电压保持 nnn UUU 为限幅值 使迅速上升到 转速调节器工作在开环状态 im U d I ddmiim IIUU 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 整定转速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 转速调节器输入端的偏差信号减 0 nn 小到近于零 但其输出由于积分作用 是转速超调 转速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 转速调节器输入端产生的偏差信 号将随时通过转速调节器 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 采用转速电流双闭环的理由 在要求较高的调速系统中 一般有两个基本要求 一是能够快速启动 制动 二是能够快速克服负载 电网等干扰 通过分析发现 如果要求快 速起动 必须使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩 即最大的恒定允许电枢电流 当电枢电流保持最大允许值时 电动机以恒 加速度升速至给定转速 然后电枢电流立即降至负载电流值 如果要求 快速克服电网的干扰 必须对电枢电流进行调节 以上两点都涉及电枢电流 的控制 所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量 组成转速 电流双闭环 调速系统 而且转速 电流双闭环直流调速系统在突加给定下的跟随性能 动态限流性能和抗扰动性能等 都比单闭环调速系统好 工程设计方法工程设计方法 先选择调节器的结构 以确保系统稳定 同时满足所需的稳态精度 在选择调节器的参数 以满足动态性能的要求 在选择调节器的结构时 只采用少量的典型系统 调节器的具体设计调节器的具体设计 某晶闸管供电的双闭环直流调速系统 整流装置采用三相桥式电路 电路基本数据如下 1 直流电动机 220V 136A 1460r min 允许过载倍0 132min e CVr 数1 5 2 晶闸管装置放大系数 Ks 40 3 电枢回路总电阻 R 0 5 4 时间常数 电磁时间常数 Tl 0 03s 机电时间常数 Tm 0 18s 5 电流反馈系数0 05V A 6 调节器输入电阻 R0 20 7 转速反馈系数0 007minVr 设计要求 设计电流调节器 要求电流超调量 转速无静差 空 5 i 载起动到额定转速时的转速超调量 试按工程设计方法设计转速10 n 调节器 并校验转速超调量的要求能否得到满足 电流环的设计 1 确定时间常数 整流装置滞后时间常数 Ts 0 0017s 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 isoi 0 0037TTT 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 可按典型 型设计电流调节器 电流环控制 i 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 0 03 8 11 0 0037 l i Ts Ts 3 计算电流调节器的参数 ACR 超前时间常数 ii 0 03sT 电流环开环时间增益 要求时 应取 因此 5 i 0 5 Ii K K 1 0 50 5 135 1 0 0037 I i Ks Ts 所以 ACR 的比例系数 135 1 0 03 0 5 1 013 40 0 05 Ii i s KR K K 4 校验近似条件 电流环截止频率 1 135 1 I ciKs 晶闸管装置传递函数近似条件 s T3 1 ic 即 满足近似条件 1 135 1 196 0017 0 3 1 3 1 sTs 忽略反电动势对电流环影响的条件 1 3 lm ci TT 即 满足近似条件 1 11 3340 82 0 180 03 ci ml s T Tss 小时间常数近似处理条件 ois ci TT 1 3 1 即 满足近似条件 1 11 180 8 30 00170 002 ci s ss 按所用运算放大器取 40 各电阻和电容值为 0 Rk 取 40 0 1 013 4040 52 ii RK Rkk k 取 3 0 03 0 75 40 10 i i i CFF R 0 75 F 取 3 0 44 0 002 0 2 40 10 oi oi T CFF R 0 2 F 含滤波环节的 PI 型电流调节器 按上述参数 电流环可以达到的动态指标为 也满足设计4 3 5 i 要求 转速环的设计 1 确定时间常数 电流环等效时间常数 s0074 0 0037 0 22 1 i 1 T K 转速滤波时间常数 Ton 0 01s 转速环小时间常数近似处理 1 0 00740 010 0174 non I TTsss K 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 3 选择调节器的参数 h 5 0 0174s 0 087s nn T 转速开环增益 K 22 2222 16 396 4 22 50 0174 N n h ss h T ASR 的比例系数 16 0 05 0 132 0 18 11 7 22 5 0 007 0 5 0 0174 em n n hC T K h R T 4 近似校验 转速截止频率为 11 1 396 4 0 08734 5 N cnNn K Kss 电流环传递函数简化条件为 满足简化条件 11 11135 1 63 7 330 0037 I cn i K ss T 转速环小时间常数近似处理条件为 满足近似条件 11 11135 1 38 7 330 01 I cn on K ss T 5 计算调节器电阻和电容 根据图所示 取 则 0 40Rk 取 0 11 7 40468 nn RK Rkk 470k 取 6 3 0 087 0 185 10 470 10 n n n CFF R uF2 0 取 3 0 44 0 01 1 40 10 on on T CFF R 1 F 含滤波环节的 PI 型转速调节器 6 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 6 37 n 量 2 81 max b C C max 2 Nn n bm Cn T z CnT 满足设计要 136 0 5 0 0174 0 132 2 81 2 1 58 31 10 14600 18 n 求 小结 小结 转速负反馈环为外环 其作用是保证系统的稳速精度 电流负反馈环为内 环 其作用是实现电动机的转距控制 同时又能实现限流以及改善系统的动态 性能 转速 电流双闭环直流调速系统在突加给定下的跟随性能 动态限流性 能和抗扰动性能等 都比单闭环调速系统好 双闭环能够快速启动制动 能够 快速克服负载 电网等干扰 如果对系统的动态性能要求较高 如果要求快 速起制动 突加负载动态速降小等 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要求来控制动态过程的电流或转矩 另外 在单闭环调速系统中 电网电压扰动的作用点离被调量较远 调节作用受到多个环 节的延滞 因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些单闭环调速系统的 动态抗干扰性较差 当电网电压波动时 必须待转速发生变化后 调节作用 才能产生 因此动态误差较大 就目前来看 直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式 电流转速双 闭环调速电路 因其具有极高的调速范围 很好的动静态性能及抗扰性能 在 调速领域得到广泛的应用 如直流调速和直流电机的软起动 它还应用到造纸 挤塑 印染及其他直流调速领域 而且双闭环直流调速系统因其具有动态响应 快 抗干扰能力强等优点 所以在现代化工业生产中得到越来越广泛的应用 来实现生产的制动调速即提高工艺产品的质量 在我国许多工业部门 如轧钢 矿山采掘 海洋钻探 金属加工 纺织 造纸以及高层建筑等需要高性能可控 电力拖动