双闭环直流调速系统

题目：双闭环直流调速系统的设计与仿真

已知：直流电动机：P N=60KW，U N=220V，I N=305A，n N=1000r/min,λ=2，R a=0.08, R rec=0.1, T m=0.097s, T l=0.012s, T s=0.0017s, 电枢回路总电阻R=0.2Ω。设计要求：稳态无静差，σ

≤5%,带额定负载起动到额定转速的转速超调σn≤10%。(要求完

i

成系统各环节的原理图设计和参数计算)。

系统各环节的原理图设计和参数计算，包括主电路、调节器、电流转速反馈电路和必要的保护等，并进行必要的计算。按课程设计的格式要求撰写课程设计说明书。

设计内容与要求：1、分析双闭环系统的工作原理

2、改变调节器参数，分析对系统动态性能的影响

3、建立仿真模型

1．双闭环直流调速系统的原理及组成

对于正反转运行的调速系统，缩短起,制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，是调速系统以最大的加（减）速度运行。当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突变，为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使

电流保持为最大值dmI的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。

为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可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，如图1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电力电子变换器。从闭环结构上看，电流环在里面，称做内环；转速环在外面，称做外环。这就形成了转速电流负反馈直流调速系统。为了获得良好的静动态性能，转速和电流两个调节器一般采用PI调节器。

2．双闭环控制系统起动过程分析

前面已经指出，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要先探讨它的起动过程。双闭环调速系统突加给定电压*nU由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图4所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三

在一个由三相零式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：60=N P kW , 220=N U V , 308=N I A , 1000=N n r/min , 电动势系数e C =0.196 V·min/r , 主回路总电阻R =0.18Ω,触发整流环节的放大倍数s K =35。电磁时间常数l T =0.012s,机电时间常数m T =0.12s,电流反馈滤波时间常数i T 0=0.0025s,转速反馈滤波时间常数n T 0=0.015s 。额定转速时的给定电压(U n *

)N =10V,调节器ASR ，ACR 饱和输出电压U im *=8V,U cm =6.5V 。

系统的静、动态指标为:稳态无静差,调速范围D=10,电流超调量i σ≤5% ,空载起动到额定转速时的转速超调量n σ≤10%。试求：

（1）确定电流反馈系数β(假设起动电流限制在1.1N I 以内)和转速反馈系数α。

（2）试设计电流调节器ACR,计算其参数R i, 、C i 、C Oi 。画出其电路图,调节器输入回路电阻R 0=40Ωk 。

（3）设计转速调节器ASR,计算其参数R n 、C n 、C On 。(R 0=40k Ω)

（4）计算电动机带40%额定负载起动到最低转速时的转速超调量σn 。

（5）计算空载起动到额定转速的时间。

解：（1）*/8/(1.1*)8/3390.0236/im dm N U I V I V A V A β==== 10/10000.01min/V r α==

（2）电流调节器设计

确定时间常数：)0.00333s a T s =

)0.0025oi b T s =

0)0.00250.003330.00583i i s c T T T s ∑=+=+=

电流调节器结构确定：

因为5%i σ≤，可按典型I 型系统设计，选用PI 调节器，(1)()i i ACR i K S W S S

ττ+=, 电流调节器参数确定: 10.012,0.5,0.5/85.76i l I i I i T s K T K T s τ-∑∑=====选，85.760.0120.180.224350.0173

I i i s K R K K τβ⨯⨯===⨯。 校验等效条件：185.76ci I K s ω-==

11011)1101.01330.00333

11)3379.060.120.0121111)115.52330.003330.0025

ci S ci m l ci s i a T b S T T c s T T ωωω--==>⨯==<⨯===>⨯电力电子装置传递函数的近似条件：忽略反电势的影响的近似条件： 电流环小时间常数的近似条件：

可见满足近似等效条件，电流调节器的实现：选040R K =,则：

00.224408.96i i R K R K K ==⨯=, 取9K.

由此33000/0.012/(910) 1.334/40.0025/40100.25i i i i i C R F

C T R F τμμ==⨯===⨯⨯=

（3）速度调节器设计

确定时间常数：

a) 电流环等效时间常数1/I K :因为0.5I i K T ∑=

则 1/220.005830.01

I i K T s ∑==⨯= b) 0.015on T s =

c) 1/0.011660.0150.02666n I on T K T s ∑=+=+=

速度调节器结构确定：

按照无静差的要求，应选用PI 调节器，

(1)

()n n ASR n K s W s s

ττ+=, 速度调节器参数确定：

,5,0.1333n n n n hT h hT s ττ∑∑====取

2

22221

6168.822250.02666(1)60.02360.1960.12 6.94

2250.010.180.02666

N n e m n n h K s h T h C T K h RT βα-∑∑+===⨯⨯+⨯⨯⨯===⨯⨯⨯⨯校验等

效条件：

11/168.820.133322.5cn N N n K K s ωωτ-===⨯=

11

01185.76)40.43330.00583

1185.76)25.2330.015I

cn

i I cn

n K a s T K b s T ωω-∑-==>==>电流环近似条件：转速环小时间常数近似：