双闭环不可逆直流调速系统设计

双闭环不可逆直流调速系统设计

1．设计题目

直流他励电动机：功率P e ＝145KW ，额定电压U e =220V ，额定电流I e =6.5A,磁极对数P=1，n e =1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻R a =3.7Ω,主电路总电阻R ＝7.4Ω，K s =27，电磁时间常数T L =0.033s ，机电时间常数T m =0.26s ，滤波时间常数T oi =0.0031s ，T on =0.01s ，过载

倍数λ＝1.5，电流给定最大值 8V U im =*，速度给定最大值 10V U n =*，β＝0.77V/A ，α

＝0.007 Vmin ／r 。设计双闭环不可逆直流调速系统。

2．双闭环不可逆直流调速系统的概述

2．1什么是双闭环直流调速系统

采用PI 调节的单闭环系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。因为单闭环系统中不能随心所欲的控制电流和转矩的动态过程。

为了让电动机在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又只有转速负反馈，不在让电流负反馈发挥作用，既存在转速和电流两种负反馈又使他们分别在不同阶段起作用，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。两者实现嵌套联接，电流环在里，转速环在外，就形成了双闭环调速系统。

我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强优点。

2．2转速、电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用

转速调节器在双闭环直流调速系统中的作用：减小转速误差，采用PI 调节器可实现无静差；对负载变化起抗扰作用；其输出限幅决定电动机允许的最大电流。

电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用：使电流紧紧跟随其给定电压的变化；对电网的波动起及时抗干扰作用；加快动态过程；堵转或过载时起快速自动保护作用。

3．系统总体方案设计

3．1双闭环调速系统工程设计的一般步骤：

（1）先进行电流内环的设计，再进行速度外环的设计。

（2）对已知系统的固有部分做合理的近似处理，以简化调节器的结构。

（3）根据具体情况选定预期特性，即典型I 型或典型II 型系统，并确定串联调节 器的类

型。

（4）根据要求的性能指标，求出调节器的参数。

3．2选择调节器结构

为获得电动机的动静态性能好，抗扰性能佳。速度调节及抗负载和电网扰动，采用双PI 调节器，可获得良好的动静态效果。

电流调节器的选择：从稳态上看，要求电流无静差，可得到理想的堵转性。从动态上看，系统不应该有电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值。而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要因素。为此，电流环以跟随性为主。选用典型I 型系统，采用PI 调节器，校正成典型I 型系统。

转速调节器的选择：ASR 采用PI 调节器。为实现转速无静差，转速环开环传递函数应有两个积分，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节包含在转速调节器ASR 中，使系统在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能。所以应该选择典型II 型系统，这样系统动态抗扰性能好。

4．参数计算和选型设计

4．1整流装置

选用三相零式晶闸管整流装置供电。

三相零式电路每个波头时间为6.67ms 。

三相零式电路平均失控时间：0.00333s T S =

4．2电流调节器的设计

4．21确定时间参数

（1）整流装置滞后时间s T 。

（2）电流滤波时间常数oi T 。

三相零式电路每个波头时间为 6.67ms ，为基本滤平波头，应有（1~2）oi T =6.67ms ，与所给定的数据0.0031oi T S =符合。

（3）电流环小时间常数之和i T ∑。

4．22电流环框图及简化

图：电流环的动态结构框图及其简化

4．23电流调节器的选择。

从稳态上看，要求电流无静差，可得到理想的堵转性。从动态上看，系统不应该有电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值。而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要因素。为此，电流环以跟随性为主。选用典型I 型系统，采用PI 调节器，其传递函数为：

4．24计算电流调节器的参数

（1）为了让调节器的零点与控制对象的大时间常数极点对消，则电流调节器超前时间常数：0.033i l T S τ==。

（2）采用西门子“最佳整定”方法的“模最佳系统”，参数取：0.707ξ=，0.5I i K T ∑=，4.3%i σ=。 因此，电流开环增益：10.50.577.760.00643

I i K S T -∑=== ACR 的比例系数为：77.760.0337.40.913270.77I i i s K R K K τβ⨯⨯=

==⨯ 4．25校验近似条件。

电流环截止频率：177.76I ci K S ω-==

（1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件

111100.1330.00333

s ci S T ω-==>⨯ 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

132.39ci S ω-==< 满足近似条件 3）电流环小时间常数近似处理条件

1103.75ci S ω-==> 满足近似条件 4．26计算调节器电阻和电容。

含给定滤波和反馈滤波的PI 型电流调节器原理图如下。

图：给定滤波和反馈滤波的PI 电流调节器

所用运算放大器取040R k =Ω，则各电阻和电容值为：

电流调节器设计完成。