最终版自动控制系统课程设计

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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。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。常用的电机调速系统有转速闭环控制系统和电流闭环控制系统，二者都可以在一定程度上克服开环系统造成的电动机静差率，但是不够理想。实际设计中常采用转速、电流双闭环控制系统，一般使电流环(ACR)作为控制系统的内环，转速环(ASR)作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。本文是按照工程设计的方法来设计转速和电流调节器的。使电动机满足所要求的静态和动态性能指标。电流环应以跟随性能为主，即应选用典型Ⅰ型系统，而转速环以抗扰性能为主，即应选用典型Ⅱ型系统为主。

关键词：直流双闭环调速系统电流调节器转速调节器

1设计任务及要求

1.1设计任务

设计V-M双闭环直流可逆调速系统

1)技术数据：

直流电动机：PN=145KW , UN=220V , IN=733A , nN=430r/min , Ra=0.0015Ω 三相全控整流装置：Ks=41.5

电枢回路总电阻R=0.036Ω

电动势系数：(Ce= 0.132V.min/r)

系统主电路：(Tm=0.0926s ，Tl=0.0734s)

滤波时间常数：Toi=0.01s , Ton=0.01s,

其他参数：Unm*=10V , Uim*=8V

2)技术指标

稳态指标：无静差（静差率s≤10%, 调速范围D≥20 ）

动态指标：转速超调量δ

n ≤10%，电流超调量δ

i

≤5%，动态速降Δn≤10%，调速系统

的过渡过程时间（调节时间）t

s

≤0.5s

3) 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画

出系统组成的原理框图

4) 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算（包括有变压器、电力电子器件、平波电

抗器与保护电路等）

5) 动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节器

的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求

6) 绘制V-M双闭环直流调速系统的电气原理总图

1.2设计要求

1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥20），系统在工作范围内能稳定工作

2) 系统静特性良好，无静差（静差率s≤10%）

3) 动态性能指标：转速超调量δ

n ＜10%，电流超调量δ

i

＜5%，动态速降Δn≤10%，调

速系统的过渡过程时间（调节时间）t

s

≤0.5s

4) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续

5) 调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施

2直流拖动系统的总体设计

2．1 晶闸管结构型式的确定

2.1.1 设计思路

本设计中直流电动机由单独的可调整流装置供电，采用三相桥式全控整流电路作为直流电动机的可调直流电源。通过调节触发延迟角а的大小来控制输出电压U d的大小，从而改变电动机M的电源电压。由改变电源电压调速系统的机械特性方程式

n=U d−I d R

C e

U d 整流电压R电枢回路总电阻

可知，改变U d，即可改变转速n。

2.1.2主电路的确定

虽然三相半波可控整流电路使用的晶闸管个数只是三相全控桥整流电路的一半，但它的性能不及三相全控桥整流电路。三相全控桥整流电路是目前应用最广泛的整流电路，其输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广（将近50）。把该电路应用于本设计，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。

由于电网电压与工作电压（U2）常常不一致，故在主电路前端需配置一个整流变压器，以得到与负载匹配的电压，同时把晶闸管装置和电网隔离，可起到降低或减少晶闸管变流装置对电网和其他用电设备的干扰。

考虑到控制角α增大，会使负载电流断续，并且负载为直流电动机时，由于电流断续和直流的脉动，会使晶闸管导通角θ减少，整流器等效内阻增大，电动机的机械特性变软，换向条件恶化，并且增加电动机的损耗，故在直流侧串接一个平波电抗器，以限制电流的波

动分量，维持电流连续。

为了使元件免受在突发情况下超过其所承受的电压电流的侵害，电路中加入了过电压、过电流保护装置。

图六

2．2闭环调速系统的组成

开环直流调速系统调节控制电压U

c

就可改变电动机的转速。如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，但是，对静差率有较高要求时，开环调速系统往往不能满足要求。这时就要采用闭环调速系统。

采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以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，单环系统就难以满足需要。这是就要考虑采用转速、电流双环控制的直流调速系统。为了实现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，分别调节转速和电流。二者之间实行嵌套（串联）联接。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。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

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。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

cm 限制了电力电子电换器的最大输出电压U

dm

。

系统组成的原理框图如下：

ASR—转速调节器，ACR—电流调节器， TG—测速发电机，TA—电流互感器，

UPE—电力电子变换器，U

n *—转速给定电压，U

n

—转速反馈电压，

U i *—电流给定电压，U

i

—电流反馈电压