电力拖动控制系统课程设计方案

中国工程物理研究院职工工学院课程设计报告书
一、设计题目
在一个由晶闸管整流装置供电的转速、电流双闭环调速系统中，已知电动机的
额定数据为：＝60KW，＝220V，＝308A，=1000 r/min，电动势系数
=0.196V.min/r，主回路电阻＝0.18，触发整流环节的放大倍数＝35，等效
惯性时间常数s。

电磁时间常数＝0.012s，机电时间常数＝0.12s，
电流反馈滤波时间常数＝0.0025s，转速反馈滤波时间常数＝0.015s。

额定
转速时的给定电压，调节器ASR，ACR饱和输出电压，。

系统的静、动态指标为：稳态无静差，调速范围=10，电流超调量，空载启动到额定转速时的转速超调量σ≤15%.
二、设计任务
1、用工程设计方法，设计双闭环调速系统的电流和转速调节器，相应的调节
器放大电路，并进行频率校验。

三、设计要求
按如下步骤，完成双闭环调速系统的电流和转速调节器的设计。

<1）多环控制系统
<2）转速、电流双闭环直流调速系统的组成
<3）转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性
<4）系统设计原则
<5）确定电流反馈系数<假设启动电流在339A以内）和转速反馈系数；
<6）设计电流调节器ACR，计算其参数、和，已知调节器的输入回路电阻；
<7）设计转速调节器ASR，计算其参数、和，已知调节器的输入回路电阻；
<8）进行频率校验；
<9）计算电动机带40％额定负载启动到最低转速时的转速超调量。

<10）总结本次课程设计的收获体会。

四、设计内容
1.多环控制系统
是指由外环套内环的嵌套结构组成的具有两个或两个以上的闭环的控制系统相当于过程控制的串级控制系统。

2．转速、电流双闭环直流调速系统的组成
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如<图a）所示。

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，称作内环；转速调节环在外边，称作外环。

这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

图a
3.转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性
转速环调节器采用ASR，电流环调节器采用ACR。

为了获得良好的静、动态性能，转速、电流双闭环调速系统的两个调节一般都采用调节器。

(图2>为双闭环直流调速系统的电路原理图，图中标记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UCT为电压的情况标注的。

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作用的。

转速调节器ASR的输出限幅电压是U*im，它决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压是Uctm，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。

图b
4. 系统设计原则
按照“先内环后外环” 的设计原则，从内环电流环开始，到外环转速环，逐步向外扩展。

图1<双
闭环调速系统的动态结构框图）
5. 确定电流反馈系数<假设启动电流在339A以内）和转速反馈系数
；
电流反馈系数：=10/308
=0.02
转速反馈系数：=Un*/n
=10/1000
=0.01
6. 设计电流调节器ACR，计算其参数、和，已知调节器的输入回路
电阻；
图2<电流环的动态结构图）
1）确定时间常数
由题目可知，整流装置滞后时间常数Ts = 0.00333s
电流滤波时间常数 Toi = 0.0025s
电流环小时间常数之和TΣi= Ts + Toi = 0.00583s 2）选择电流调节器结构
根据设计要求,并保证稳态无静差，可按典型I型系统设计电流调节器，电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数形式为：
WACR(S>= Ki(τiS+1/τiS>
3）计算电流调节器参数
电流调节器超前时间常数：τi=Tl
电流环开环增益：要求时，按照表2-2，应取:KI=ωci≤3√(1/TmTl>=78于是，ACR的比例系数为：KI=KiτiR/KSβ=0.016
4）计算调节器电阻和电容
因为调节器的输入电阻，则电流调节器的各参数为
,取7.5
,取1.5
,取0.22
按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为,满足设计要求。

7. 设计转速调节器ASR，计算其参数、和，已知调节器的输入回路电阻；
图3<转速环的动态结构图）
1）确定时间常数
电流环等效时间常数：，已取,
转速滤波时间常数：由题意，
转速环小时间常数：TΣn=2TΣi+Ton=0.0266
2）选择转速调节器结构
转速调节器采用近似PI调节器，按典型II型系统进行设计。

可证明，当近似PI调节器的稳态放大系数很大时，其传递函数可表示为
WASR(S>=Kn[(τnS+1>/ τnS]
3）计算转速调节器参数
按跟随性能和抗扰性能较好的原则选择h=3，求出转速超调量δ%和过渡过程时间。

如果能够满足设计要求，则可根据所选的h值计算有关参数；否则要改变h值重新进行计算，直到满足设计要求为止。

ASR的超前时间常数：TΣi=0.006
TΣn= Ton+2TΣi=0.027
中频宽度h选择为5
τn=h TΣn=0.135
转速开环增益：KN=(h+1>/2(h>^2( TΣn>^2=164s^-2
ASR的比例系数：Kn= (h+1>βCeTm）/2hαRTΣn=29
4）计算调节器电阻和电容
因为调节器的输入电阻，则电流转速调节器的各参数为,取390
,取0.22
,取1.5
8. 进行频率校验；
检验电流调节器的近似条件：
电流环截止频率：要求时，应取KI TΣi=0.5
ωci=KI=0.5/TΣi=0.5/0.006=83S^-1
①晶闸管整流装置传递函数的近似条件：ωci≤1/3Ts 1/3Ts=1/(3x0.00333>=100.1S^-1>ωci
满足近似条件。

②忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：
ωci≥3√(1/TmTl>=78s^-1<ωci
满足近似条件。

③电流环小时间常数近似处理条件：
ωci≤1/3√(1/TsToi>=113.4S^-1>ωci
满足近似条件。

检验转速调节器的近似条件：
转速环截止频率：ωcn=KN/ω1=KNτn=22.14S^-1
①电流环传递函数简化条件：ωcn≤1/(5TΣi>
1/(5TΣi>= 34.3S^-1>ωcn
满足近似条件。

②转速环小时间常数近似处理条件：
ωcn≤1/3√(1/2TΣiTon>=22.7>ωcn
满足近似条件。

综上说述，电流调节器ACR和转速调节器ASR均满足近似条件。

对于电流环的超调,满足设计要求，现在验证转速环的超调:
当h=5时，由表2-6查得，,显然不能满足系统设计要求。

实际上，由于表2-6是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。

由表2-7查得，由h=5得，
为电动机允许过载系数,由题意得：
允许过载系数λ=1.5，Z为负载系数,理想空载时，z取0。

转速超调量
△nN=IdNR\Ce=283r/min
当h=5时，(△Cmax/Cb>x100%=81.2%
σn=[(△Cmax/Cb>x100%].2(λ-z>△nN/n*.( TΣn/Tm>=13%<15%
满足条件！
9. 计算电动机带40％额定负载启动到最低转速时的转速超调量。

带40%额定负载启动时，负载系数z=0.4,代入公式：
转速超调量
σn =40%*2<1.5-0.4）△nN/n*.( TΣn/Tm>=5%<15%
六、收获与体会
由于课程设计的题目之前当作作业做过，所以在进行ASR和ACR的相关参数设计的时候就显得游刃有余了。

首先我将给定改为了10V，去掉了反转的功能，经过了两个调节的调节，进入一个已经封装好的三相交流和整流桥为一体的功能模块，输出的电枢电流流进电机的A+端口，而励磁采用的220v直流他励。

负载TL用阶跃响应来替代，相当于恒转矩负载。

其输出端m经过一个多路开关mux分别输出转速n和电枢电流Ia交给示波器观察，另外，两个反馈环采用了惯性环节进行滤波，是按照工程设计方案设计的参数。