转速电流双闭环直流调速系统

课程设计说明书

课程名称：电力拖动自动控制系统

设计题目：转速电流双闭环直流调速系统

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2010年12 月30 日

转速电流双闭环直流调速控制系统

摘要：此设计利用晶闸管、二极管等器件设计了一个转速、电流双闭环直流调速系统。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。

关键词：双闭环，晶闸管，转速调节器，电流调节器

目录

第一章.直流拖动控制系统总体设计 (1)

一、直流调速系统拖动方案的对比 (1)

二、直流调速系统控制方案的确定 (2)

三、直流电动机的调速方式 (2)

第二章.主电路参数计算和保护环节设计 (3)

一、整流变压器额定参数的计算 (3)

二、主电路器件的计算与选择 (3)

三、主电路保护环节的设计与计算 (3)

四、电抗器参数计算与选择 (4)

第三章.调速系统控制单元的确定和调整 (4)

一、检测环节 (4)

二、调节器的选择与调整 (5)

三、系统的给定电源 (11)

第四章．触发电路的设计 (12)

第五章.调速系统动态参数的工程计 (12)

心得体会 (12)

参考文献 (13)

附件.课程设计要求 (13)

第一章．直流拖动控制系统总体设计

一．直流调速系统控制方案的对比

1.方案一：单闭环直流调速系统

单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。在电动机轴上装一台测速发电机,引出与转速成正比的电压与给定电压比较后,得偏差电压ΔU ,经放

大器,产生触发装置的控制电压U k ,用以控制电动机的转速,如图下图：

2.方案二：双闭环直流调速系统

该方案主要由给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环；转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭环调速系统。因转速换包围电流环，故称电流环为内环，转速环为外环。在电路中，ASR和ACR串联，即把ASR的输出当做ACR的输入，再由ACR得输出去控制晶闸管整流器的触发器。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具有输入输出限幅功能的PI调节器，且转速和电流都采用负反馈闭环。该方案的原理框图如图下图：

3.方案论证

方案一采用单闭环的速度反馈调节时整流电路的脉波数m = 2 ,3 ,6 ,12 , ⋯,其数目总是有限的,比直流电机每对极下换向片的数目要少得多。因此,除非主电路电感L = ∞,否则晶闸管电动机系统的电流脉动总会带来各种影响,主要有:(1) 脉动电流产生脉动转矩,对生产机械不利; (2)脉动电流(斜波电流) 流入电源,对电网不利,同时也增加电机的发热。并且晶闸管整流电路的输出电压中除了直流分量外,还含有交流分量。把交流分量引到运算放大器输入端,不仅不起正常的调节作用,反而会产生干扰,严重时会造成放大器局部饱和,从而破坏系统的正常工作。

方案二采用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求。

二、直流调速系统控制方案的确定

1.在单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，系统的动态性能不够好。

2.系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应，即最佳过渡过程。为了获得近似理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流

分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。所以本文选择方案二作为设计的最终方案。

三、直流电动机的调速方式

1.减弱励磁磁通Φ

保持电动机磁场为额定，改变电枢供电电压，实现电动机基速以下的转速无级调节，属恒转矩调速。对于要求有一定范围的无级平滑调速系统来说，此种方式最为常见。

2.减弱励磁磁通Φ

保持电动机端电压为额定，改变电动机励磁磁通Φ，实现电动机基速以上的转速无级调速，即恒功率调速。此种方式虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往与调压方式配合使用，在基速以上作小范围的升速。

有些晶闸管直流调速系统，为了扩大系统的转速调节范围，又能充分利用电动机的容量，就需要采用调压和弱磁配合调速的方案，得到电动机在基速上下两个区域的转速调节，如初轧机主传动、连轧机以及龙门刨床主拖动系统，均可采用这种带有弱磁控制的直流调速系统。

第二章．主电路参数计算和保护环节设计

一、整流变压器额定参数的计算

单相晶闸管整流电路电压脉动大、脉动频率低。影响三相电网的平衡运行，一般多用于5KW以下的拖动系统。由本课题要求电动机容量是22KW，额定电压是220V，额定电流时116A，而三相全控桥的输出电压是220V—440V，输出电流是160A—300A，所以选择三相全控桥。

整流变压器参数计算：