电力拖动自动控制系统课程设计题目

一、 设计题目：

双闭环V-M 调速系统中主电路，电流调节器及转速调节器的设计。

二、 已知条件及控制对象的基本参数：

（1）已知电动机参数为：nom p =3kW ，nom U =220V ，nom I =17.5A ，nom n =1500r/min ，电枢

绕组电阻a R =1.25Ω，2GD =3.532

N m 。采用三相全控桥式电路，整流装置内阻rec R =1.3Ω。

平波电抗器电阻L R =0.3Ω。整流回路总电感L=200mH 。

（2）这里暂不考虑稳定性问题，设ASR 和ACR 均采用PI 调节器，ASR 限幅输出im U *

=－8V ，ACR 限幅输出ctm U =8V ，最大给定nm U *=10V ，调速范围D=20，静差率s=10%，堵转

电流 dbl I =2.1nom I ，临界截止电流 dcr I =2nom I 。

（3）设计指标：电流超调量δi %≤5%，空载起动到额定转速时的转速超调量δn

≤10%，

空载起动到额定转速的过渡过程时间 t s ≤0.5。

三、 设计要求

（1）用工程设计方法和[西门子调节器最佳整定法]* 进行设计，决定ASR 和ACR 结构并选择参数。

（2）对上述两种设计方法进行分析比较。

（3）设计过程中应画出双闭环调速系统的电路原理图及动态结构图 （4）利用matlab/simulink 进行结果仿真。 * 为可选作内容

四、 设计方法及步骤：

Ⅰ 用工程设计方法设计 （1）系统设计的一般原则：

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。按照设计多环控制系统的先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展。在双闭环系统中，应该首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。

图1双闭环直流调速系统的稳态结构图

α一转速反馈系数;β一电流反馈系数

（2）主电路的主要参数的计算 1）22:(1~1.2)2.34cos 00.9

d

U U U =

⨯⨯

=114.9V 其中系数0. 9为电网波动系数，系数1-1. 2为考虑各种因素的安全系数，这里取1. 10（2）电流环设计

2）电动势系数:22017.5 1.25

0.132min/1500N N e N U I R C V r n --⨯=

==∙

3） 转矩系数：30

1.26/m e C C kg m A π

=

=

4）由题意得，平波电抗器电阻L R =0.3Ω

5）机电时间常数：22

3.530.30.1693753750.13230

m e m GD R T s C C π

⨯=∙=∙=⨯ （3）电流环调节器的参数计算 1) 确定时间常数

a.

整流装置滞后时间常数s T 。通过查表得，三相桥式电路的平均失控时间

s T =0.0017s 。

b.

电流滤波时间常数oi T 。三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms ，为了基

本滤平波头，应有（1~2）oi T =3.33ms ，因此取oi T =2ms=0.002s 。 c.

电流环小时间常数之和i T ∑。按小时间常数近似处理，取

i T ∑=oi T +s T =0.0037s 。

选择电流调节器结构

取电流时间常数l T =0.03s

根据设计要求δi %≤5%，并保证稳态电流无差，可按典型I 型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性的，因此可用PI 型电流调节器，其传递函数为

(1)

()i i ACR i K s W s s

ττ+=

检查对电源电压的抗扰性能：0.030.0037l

s

s

i

T T ∑==8.1，通过查表典型I 型系统动态干扰性能，各项指标都是可以接受的。

2） 选择电流调节器参数

电流调节器超前时间常数：0.03i l T s τ==

电流环开环增益：要求δi %≤5%时，按典型I 型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系表格，取KT =0.50，即I i K T ∑=0.5s ，因此

I K =0.5/i T ∑=0.5/0.0037=135.11s -

于是，ACR 的比例系数为I i i s K R

K K τβ

=

其中s K 为晶闸管的内置放大系数，设其为30

β为电流反馈系数 *10

0.27212.117.5

im dm U I β===⨯

R 为电枢回路的总电阻，设其为2.85 Ω 计算得135.10.03 2.85

1.41300.2721

I i i s K R K K τβ⨯⨯=

==⨯ 根据上述参数可以达到的动态指标为

3） 校验近似条件

电流环截止频率：ci I K ω==135.11

s -

a.

晶闸管整流装置传递函数的近似条件

111196.1330.0017ci S s T s

ω-==>⨯ b.

忽略反电动势变化对电流动态影响的条件

113

3133.230.030.0169

ci m l T T ω=⨯=<⨯

c.

电流环小时间常数近似处理条件

11111

180.775330.00170.002

c s oi s T T ω-=⨯=>⨯

满足近似条件

查表可得，设计后的电流环可以达到动态指标查表可知δ=4.3%<5%，满足设计要求。

4） 计算调节电阻和电容

取R1=R2=R3=R4=40k Ω， 各电阻和电容值为

0i i R K R ==1.41*40=56.4k Ω

i

i i

C R τ=

=5040uF

4oi

oi T C R =

0.2uF 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为δ=4 .3%<5%，满足设计要求。 综上所述电流环（ACR ）调节器的传递函数为：

(1).+()=

0.03i i ACR i K s W s s s

ττ+=

1.41（003s 1）

（4）转速调节器设计与参数选择

转速调节器电路设计

含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速调节器如下图所示: