自-双闭环直流调速系统ASR设计(工程整定法)

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1.设计已知条件 (1)
2.设计任务要求 (1)
3.设计方法及过程 (2)
3.1晶闸管-电动机主电路概述 (2)
3.1.1主电路设计 (2)
3.1.2主电路参数测量及计算 (4)
3.2转速调节器的设计 (9)
3.2.2转速调节器 (9)
3.2.2.1转速调节器设计 (9)
3.2.2.2转速调节器工程设计 (10)
3.3双闭环系统调试 (11)
3.3.1试验线路及原理11
3.3.2控制单元电压 (12)
3.3.3电流反馈系数的整定 (13)
3.3.4转速反馈系数的整定 (13)
3.3.5系统静特性的测试 (14)
4.小结与体会 (17)
摘 要
直流双闭环调速系统的性能很好，具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统中得到了广泛的应用。

直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速和电流。

本文着重对直流双闭环调速系统转速还的设计进行了分析，介绍了其主电路、检测电路的设计，详细介绍了电流调节器和转速调节器的设计以及一些参数的选择和计算，使其满足工程设计参数指标。

关键词：直流双闭环 调速系统 转速调节器 工程设计
1.设计已知条件
已有电力电子综合实验台及所需挂件、电机机组（直流电动机－测速发电机）、示波器、万用表、可变电阻器和开关导线等实验设备。

直流电动机数据如下：额定转速1600r/min 、额定电压220V 、额定电流1.2A 、额定功率185w 、允许过载倍数=1.5。

已知参数004.0=α，5.4=β。

2.设计任务要求
1、要求调试好后的系统能进行平滑速度调节，系统在工作范围内能稳定工作；
2、系统静特性良好，静差小（静差率s ≤5%）；
3、动态性能：转速超调量δn＜15%。

其他要求：
1．参数测量：与同组同学一起实验测量调速系统主电路参数和环节特性，主要包括：主电路总电阻、主电路电磁时间常数、主电路机电时间常数、电势常数、晶闸管装置放大系数。

2．调节器设计：根据技术要求，采用工程整定法对系统进行动态校正，确定ASR 的结构型式及进行参数计算。

3．系统调试：根据设计结果，与同组同学一起搭建双闭环直流调速系统，进行系统
调试，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。

4．整理数据资料，独立撰写综合实验、设计说明书。

要求：
给出各参量测量方法、线路图、概要过程、实验数据及计算；要求确定调节器结构、调节器详细设计计算过程；给出系统组成的原理框图、工作原理；给出系统调试（包括控制单元调试、系统静特性测定、调节器参数调试、动态特性观察）概要过程、实验数据、特性曲线、电枢电流和转速动态波形；对综合实验及设计过程进行总结。

3.设计方法及过程
3.1晶闸管-电动机主电路概述
3.1.1主电路设计
直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速和电流, 即分别引入转速负反馈和电流负反馈。

两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。

转速调节器ASR的输出限幅电压*
U
im 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
U限制了电力电子变换
cm
器的最大输出电压
U。

dm
由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 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UPE，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

如下图所示：
给定电压
速度
调节器
电流
调节器
三相集成
触发器
三相
全控桥
直流
电动机
电流
检测
转速
检测
Un*
Un
+
-
ΔU
n
Ui*
Ui
+
-
Uc
n
Ud
直流双闭环调速系统
为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。

这样构成的双闭环直流调速系统。

其原理图如图2-2所示：
直流双闭环调速系统原理图
直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。

晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）主电路原理图如图3-1所示：
V-M 系统主电路原理图
图中VT 是晶闸管可控整流器，它由三相全控桥式整流电路组成，如图3-2所示：
3.1.2主电路参数测量及计算 3.1.2.1电枢回路总电阻
电枢回路的总电阻R 包括电机的电枢电阻Ra 、平波电抗器的直流电阻L R 及整流装置的内阻R ，即 n L a R R R R ++=
由于阻值较小，不宜用欧姆表或电桥测量，因是小电流检测，接触电阻影响很大，故常用直流伏安法。

为测出晶闸管整流装置的电源内阻须测量整流装置的理想空载电压0d U ，而晶闸管整流电源是无法测量的，为此应用伏安比较法，实验线路如图所示
伏安比较法实验线路图
将变阻器1R 、2R 接入被测系统的主电路，测试时电动机不加励磁，并使电机堵转。

合上S1、S2，调节给定使输出直流电压U 在30%ed U ~70%ed U 范围内，然后调整2R 使电枢电流在80%ed I ~90%ed I 范围内，读取电流表A 和电压表2V 的数值1I 、1U ，则此时整流装置的理想空载电压为
110U R I U d +=
调节1R 使之与2R 的电阻值相近，拉开开关S2,在d U 的条件下读取电流表、电压表的数值2I 、2U ,则
220U R I U d +=
求解以上两式，可得电枢回路总电阻：
)()(2121I I U U R --=
如把电机电枢两端短接，重复上述实验，可得
)''()''(1212I I U U R R n L --=+
则电机的电枢电阻为
)(n L a R R R R +-=
同样，短接电抗器两端，也可测得电抗器直流电阻L R 。

由上上述数据可得：
Ω=--=--=
3.3302
8.0174
1942112I I U U R
3.1.2.2电磁时间常数d T 的测定
采用电流波形法测定电枢回路电磁时间常数d T ，电枢回路突加给定电压时，电流d
i 按指数规律上升：
)1(d
T t d d e
I i --=
其电流变化曲线如图2.5所示。

当d T t =时，有
d d d I
e I i 632.0)1(1=-=-
电机不加励磁，调节给定使电机电枢电流在50%ed I ~90%ed I 范压跃阶信号，用数字存储示波器记录)(t f i d =的波形，在波形图上测量初当电流上升至稳定值的63.2%时的时间，即为电枢回路的电磁时间常数d T 。

根据测得图形得（500mv/50ms 档）
s T l 01.0=
3.1.2.3 电动机电势常数e C 的测定
原理如图
测定GD2时的实验线路图
一
一
将电动机加额定励磁，使其空载运行，改变电枢电压d U ，测得相应的n 即可由下式算出e C ：
)/()(1212n n U U K C d d e e --=Φ=
2d U 1d U 2n 1n
178
144
1240 1000
式中，e C 的单位为V/(rpm)。

转矩常数M C （额定磁通）的单位为N ·m/A 。

M C 可由e C 求出：
e M C C 55.9= 由上述数据可得：
rpm V n n U U C d d e 142.01000
1240144
1781212=--=--=
3.1.2.4 机电时间常数的测定
)375/()(22Φ=M e C C R GD T
由于d M T T >>，也可以近似地把系统看成是一阶惯性环节，即
)1/(S T KU n M d +=
当电枢突加给定电压时，转速n 将按指数规律上升，当n 达到稳定值的63.2%时，所
经过的时间即为拖动系统的机电时间常数。

测试时电枢回路中附加电阻应全部切除，突然给电枢加电压，用数字存储示波器记录过滤过程曲线)(t f n =，即可由此确定机电时间常数。

根据测得图形得（1v/100ms 档）机电时间常数：
s T m 05.0=
3.1.2.5. 闸管装置放大系数的测定
晶闸管触发及整流装置特性)(g d U f U =和测速发电机特性)(n f U TG =的测定
试验线路如图5-4所示，可以不接示波器。

电动机加额定励磁，逐渐增加触发电路的控制电压g U ，分别读取对应的g U 、TG U 、d U 、n 的数值若干组，即可描绘出特性曲线)(g d U f U =和)(n f U TG =
由)(g d U f U =曲线可求得晶闸管整流装置的放大倍数曲线)(s s U K =：
g d s U U K ∆∆=/
根据数据画出曲线图：
由)(g d U f U =表格的直线部分得： 晶闸管整流装置的放大倍数：
64)
8.29.3()
177247(≈--≈∆∆=
g
d
s U U K
3.2转速调节器的设计
转速、电流双闭环调速系统的动态结构图如图3-3所示：
图3-3 直流双闭环调速系统动态结构图
系统设计的一般原则是：先内环后外环。

而本实验只设计电压调节器。

3.2.1转速调节器
3.2.1.1转速调节器
含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速调节器如图3-5所示：
图3-5 含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速调节器
其中*
n U 为转速给定电压，n α-为转速负反馈电压，*i U ：调节器的输出是电流调节器
的给定电压。

3.2.1.2转速调节器工程设计 1.确定时间常数
电流环等效时间常数
I K 1：由电流环设计已知，5.01=∑i I
T K ，且i T ∑=0.0037s 故
I
K 1
=2i T ∑=0.0074s 转速滤波时间常数on T ：根据测速发电机纹波情况，可选
on T =0.01s
转速环小时间常数和n T ，按小时间常数近似处理
s T K T on I
i 0174.01
=+=
∑ 2.选择电压调节器的结构
根据设计要求，可按典型II 系统设计电压调节器。

采用PI 型电流调节器，其传函为：
s
s K W n n i ASR ττ)
1(+=
3.计算电压调节器参数
按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR 的超前时间常数为
s hT i n 087.0==∑τ,
转速开环增益
1
2
24.39621-∑=+=
s T h h K n
N ASR 的比例系数为
27.80174
.30.33004.01005
.0142.062)1(=⨯⨯⨯⨯=+=
∑n m e n RT h T C h K α
4.检验近似条件
转速环截止频率
15.34087.04.396-=⨯==s K c n n n τω
1）电流环传递函数简化条件为
cn i
I
s T K ω>≈-∑17.6331
满足简化条件。

2）转速环小时间常数近似处理条件为
cn on I s s T K ω>≈=--11
7.3801
.01.1353131
满足简化条件。

5.计算调节电容和电阻
Ω=Ω⨯==k k R K R n n 4.1652027.80 ，取Ωk 165 F F R C n
n
n μτ3.1165000
087
.0≈=
=
，取F μ3.1
F F T T C on on on μμ5.020000
01
.044=⨯==
, 取F μ5.0 6.按退饱和超调量校验转速超调
理想空载时动时z=0，由已知及计算得，转速超调
%9.1405
.00174
.01600142.03
.332.15.1%2.812)(2
max ≈⨯⨯⨯⨯⨯=*∆-∆=∑m
n
N b n T T
n n z C C λσ
满足设计要求
3.3系统调试
3.3.1 实验线路及原理
许多生产机械，由于加工运行的要求，使电动机经常处于起动、制动、反转的过渡过程中，因此起动和制动过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产机械的生产效率。

为缩短这一部分的时间，仅采用PI 调节器的转速负反馈单闭环调速系统，其性能还很不令人满意。

双闭环直流调速系统是由电流和转速两个调节器进行综合调节，可获得良好的静、动态性能（两个调节器均采用PI 调节器），由于调整系统的主要参数为转速，故将转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样可以抑制电网电压扰动对转速影响。

实验系统的原理图如下：
给定
速度调节器
速度变换
电流调节器电流反馈与过流保护
三相电源输出
触发电路
正桥功放
三相全控整流
励磁电源
一
一
一
双闭环调速系统原理框图
启动时，加入给定电压Ug ，速度调节器和的电流调节器，即以饱和限幅值输出，使电动机以限定的最大启动电流加速启动，直到电机转速达到给定转速，并在出现超调后，速度调节器和电流调节器退出饱和，最后稳定在略低于给定转速值下运行。

系统工作时，要先给电动机加励磁，改变给定电压Ug 的大小即可方便地改变电动机转速。

电流调节器和速度调节器均没有限幅环节，速度调节器的输出作为电流调节器的给定，利用速度调节器的输出限幅值可达到限制启动电流的目的，电流调节器的输出作为触发电路的控制电压Ug 。

利用电流调节器的输出幅值可达到限制Umax 的目的
3.3.2控制单元调节
移相控制电压ct U 调节范围的确定
直接将DJK04给定电压g U 接入DJK02-1移相控制电压ct U 的输入端，“正桥三项全控整流”输出接电阻负载R ，负载电阻放在最大值，输出给定调到零。

按下启动按钮，给定电压g U 由零调大，d U 将随给定电压的增大而增大，当g U 超过某一数值'g U 时，d U 的波形会出现缺相的现象，这是d U 反而随g U 的增大而减少。

一般可确定移相控制电压的最大允许值'9.0max g ct U U =，即g U 的允许调节范围为0~max ct U 。

如果我们把输出限幅定为max ct U 的话，则“三项全控整流”输出范围就被限定，不会工作到极限值状态，保证六个晶闸管可靠工作。

记录'g U 于下表中：
3.3.3电流反馈系数的整定
将“给定”电压g U 接入DJK02-1移相控制电压ct U 的输入端，整流桥输出接电阻负载
R ，负载电阻放在最大值，输出给定调到零。

按下启动按钮，从零增加给定，使输出电压升高，当V U d 220=，减小负载的阻值，调节“电流反馈与过流保护”上的电流反馈电位器RP1，使得负载电流V I d 3.1=时，“2”端r I 的电流反馈电压V U ri 6=，这时的电流反馈系数A V I U d ri 5.4==β。

3.3.4转速反馈系数的整定
将“给定”电压g U 接DJK02-1上的移相控制电压ct U 的输入端，“三相全控整流”电路接直流电动机负载，d L 用DJK02上的200mH ，输出给定调到零。

按下启动按钮，接通励磁电源，从零逐渐增加给定，使电机提速到rpm n 1500
=时，调节“速度变换”上转速反馈电位器RP1，使得该转速时反馈电压V U fn 6-=，这时的转速反馈系数rpm V n U fn 004.0==α。

3.3.5系统静特性测试
经过试验调节的到可以使系统稳定运行时各个参数分别为：
Ω=K R i 3 Ω=K R n 135 F C i μ3= F C n μ5.0=
DJK04的给定电压g U 输出为正给定，转速反馈电压为负电压，直流发电机接负载电阻R,d L 用DJK02上的200mH ，负载电阻放在最大值，给定的输出调节到零。

将速度调节器，电流调节器都接成P （比例）调节器后，接入系统，形成双闭环不可逆系统，按下启动按钮，接通励磁电源，增加给定，观察系统能否正常运行，确认整个系统的接线
无误后，将速度调节器，电流调节器均恢复成PI （比例积分）调节器，构成实验系统。

3.3.5.1系统特性的测定
A 、发电机先空载，从零开始逐渐调大到给定电压g U ，使电动机转速接近rpm n 1270
=，然后接入发电机负载电阻R ，逐渐改变负载电阻，直至ed d I I =，即可测出系统静态特性曲线)(d I f n =，并记录于下表中：
B 、降低g U ，在测试rpm n 800=时的静态曲线，并记录于下表中：
C 、调节Ug 及R 使Id=Ied ，n=1200pm ，逐渐降低Ug ，记录Ug 和n ，即可测出闭环控制特性)(g U f n =
n(rpm) 1410 1390 1180 1085 1037 904 842 Ug(v) 5058 5042 4.57 4.2 4 3.48 3.23
3.3.5.2系统静特性的观察
1）突加给定电压Ug，电动机启动时的电枢电流Id波形和转速波形分别如下：
电流波形
转速波形
2）突加额定负载时电动机电枢电流波形和转速波形如下：
电流波形
转速波形
3）突降负载时电动机的电枢电流波形和转速波形如下：
电流波形
转速波形
4.小结与体会
本次课程设计，我主要负责设计双闭环直流调速系统转速环（工程整定法）的设计工作，在实验过程中，遇到了一些困难，最后都在老师的帮助及组员相互配合下，完成了实验内容，并从中学到了不少东西
通过本次课程设计，我对直流双闭环调速系统有了更深的认识，加深了对其的理解。

此次设计是对课堂所学知识的一次很好的应用，我从中学会了转速、电流双闭环直流调速系统的设计即调试方法，并能熟练地掌握转速和电流调节器参数的选择和计算，在设计的基础上更加认识到直流双闭环调速系统的应用之广泛。