1、電力傳動課程設(shè)計課題：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)班級：電氣工程及其自動化 1004學號：3100501091姓名：賈斌彬指導老師：康梅、喬薇日期： 2014年1月9日目錄第 1 章 系統(tǒng)方案設(shè)計1.1 任務(wù)摘要 31.2 任務(wù)分析 . 31.3 設(shè)計目的、意義 31.4 方案設(shè)計 . 4第 2 章 晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)和環(huán)節(jié)特性的測定2.1 電樞回路電阻 R 的測定 . 52.2 主電路電磁時間常數(shù)的測定 62.3 系統(tǒng)機電時間常數(shù) TM的測定 72.4 測速電機特性 UTG=f(n) 的測定 . 72.5 晶閘管觸發(fā)及整流裝置特性 Ug=f( Ug)的測定 7第 3 章 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計

2、3.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計 . 73.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 . 9第 4 章 系統(tǒng)特性測試4.1 系統(tǒng)突加給定 114.2 系統(tǒng)突撤給定 錯誤！未定義書簽。4.2.2 突加負載時 124.2.3 突降負載時 12第 5 章 設(shè)計體會第 1 章 系統(tǒng)方案設(shè)計1.1 設(shè)計一個雙閉環(huán)晶閘管不可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計要求： 電流超調(diào) i 5%轉(zhuǎn)速超調(diào) n 10%靜態(tài)特性 無靜差給定參數(shù)： 電機額定功率 185W額定轉(zhuǎn)速 1600r/min額定勵磁電流 <0.16A 額定電流 1.1A 額定電壓 220V額定勵磁電壓 220V轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) =0.004 V ·min/r 電流反饋系數(shù) =6V/A1

3、.2 任務(wù)分析 采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)為對像來設(shè)計直流電動機 調(diào)速控制電路， 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用， 可在系統(tǒng)中設(shè)計兩 個調(diào)節(jié)器， 電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器， 為了實現(xiàn)電流和轉(zhuǎn)速分別起作用， 二者之 間實行串級連接， 即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當做電流調(diào)節(jié)器的輸入， 在把電流調(diào)節(jié) 器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。 該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器 ASR 和 ACR都采用 PI 調(diào)節(jié)器 , 以便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用是減小轉(zhuǎn)速誤差， 采用 PI 調(diào)節(jié)器可實現(xiàn)無靜差； 對負載變化起抗擾作用；其輸出限幅決定電動機

4、允許的最大電流 ; 電流調(diào)節(jié)器在 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓的變化； 對電網(wǎng)的波 動起及時抗干擾作用；加快動態(tài)過程；堵轉(zhuǎn)或過載時起快速自動保護作用。1.3 設(shè)計目的、意義采用轉(zhuǎn)速負反饋和 PI 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)， 既保證了動態(tài)穩(wěn)定性， 同時又能做到靜態(tài)無靜差， 可以很好的解決系統(tǒng)中動態(tài)、 靜態(tài)之間的矛盾。 然而， 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)必須靠電流截止負反饋環(huán)節(jié)來解決系統(tǒng)起動中和堵轉(zhuǎn)時電 流過大的問題，但并不十分精確。 主要問題是不能在充分利用電動機過載能力的 條件下獲得最快的動態(tài)響應(yīng)，使得起動和加速過程拖長，其性能不能令人滿意。 如果對系統(tǒng)動態(tài)性能要求較高，單閉

5、環(huán)調(diào)速系統(tǒng)就難以滿足需要。按照反饋控制的一般規(guī)律， 要想維持某一物理量基本不變， 就應(yīng)引入該量的 負反饋與恒值給定相比較， 構(gòu)成該變量的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 因此，在電流控制回路 中設(shè)置電流調(diào)節(jié)器， 采用電流負反饋就能夠?qū)崿F(xiàn)近似的恒流控制。 這樣在系統(tǒng)回 路中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流， 二者之間實行串極連接， 即以轉(zhuǎn)速調(diào) 節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入電流調(diào)節(jié)器的輸出作為晶閘管整流觸發(fā)裝置 的控制電壓，兩種調(diào)節(jié)器互相配合，相輔相成。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在 里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉 環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。1.4 方案設(shè)計雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如

6、圖 2-1 所示，在它與圖 1-3 的不同之處 在于增加了濾波環(huán)節(jié)， 包括電流濾波、 轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。 由 于電流檢測信號中常含有交流分量， 為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入， 虛假低通 濾波，然而在抑制交流分量的同時， 濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用， 為了平 衡這個延遲作用， 在給定信號通道上加入一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)， 稱作給 定濾波環(huán)節(jié)。由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波， 因此也需要濾波， 根據(jù)電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入相同時間常數(shù)的給定濾波環(huán) 節(jié)。這樣做的意義是， 讓給定信號與反饋信號經(jīng)過相同的延時， 是二者在時間上 得到恰當?shù)呐浜希瑥亩鴰?/p>

7、設(shè)計上的方便。其中: Toi 為電流反饋濾波時間常數(shù)Ton 為轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)圖 1-1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)設(shè)計的一般原則：“ 先內(nèi)環(huán)后外環(huán) ” ，從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴展。在 這里，首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器， 然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán) 節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)主電路：啟動時，加入給定電壓 Ug,速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器即以飽和限幅值輸出， 使電動機以限定的最大啟動電流加速啟動， 知道電機轉(zhuǎn)速達到給定轉(zhuǎn)速， 并在出 現(xiàn)超調(diào)后， 速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退出飽和， 最后穩(wěn)定在略低于給定轉(zhuǎn)速值下 運行。圖1-2 雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖。G:給定器 DZS ：

8、零速封鎖器 ASR ：速度調(diào)節(jié)器 ACR ：電流調(diào)節(jié)器 GT：觸發(fā)裝置 FBS ：速度變換器 FA ：過流保護器 FBC：電流變換器 AP1：組脈沖放大器第 2 章 晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)和環(huán)節(jié)特性的測定2.1 電樞回路電阻 R的測定電樞回路的總電阻 R 包括電機的電樞電阻 Ra，平波電抗器的直流電阻 RL和 整流裝置的內(nèi)阻 Rn，即 R=Ra+RL+R。n 為測出晶閘管整流裝置的電源內(nèi)阻，可采用伏安比較法來測定電阻，其實驗 線路如圖 6-1 所示。將變阻器 RP（可采用兩只 900電阻并聯(lián)）接入被測系統(tǒng)的主電路，并調(diào)節(jié) 電阻負載至最大。測試時電動機不加勵磁，并使電機堵轉(zhuǎn)。MCL-18（或 M

9、CL-31，以下同）的給定電位器 RP1逆時針調(diào)到底，使 Uct =0。 調(diào)節(jié)偏移電壓電位器 RP2，使 =150°。三相調(diào)壓器逆時針調(diào)到底，合上主電路電源開關(guān)，調(diào)節(jié)主控制屏輸出電壓 Uuv=220v。調(diào)節(jié) Ug 使整流裝置輸出電壓 Ud=（ 3070） Ued（可為 110V），然后調(diào)整 RP 使電樞電流為（ 8090） Ied ，讀取電流表 A和電壓表 V的數(shù)值Udo=I1R+U1（測得 I1=0.8A ，U1=126.6V）調(diào)節(jié)RP，使電流表 A的讀數(shù)為 40% Ied。在 Ud不變的條件下讀取 A，V表數(shù) 值，則Udo=I2R+U2 測得 I2=0.4A ，U2=134.5V

10、.求解兩式，可得電樞回路總電阻 R=（U2-U1）/（I1-I2） 計算得 R=19.75 ? .2.2 主電路電磁時間常數(shù)的測定 采用電流波形法測定電樞回路電磁時間常數(shù) Td，電樞回路突加給定電壓時， 電流 id 按指數(shù)規(guī)律上升 id Id（1 e t /Td ）當 t =Td 時，有 id Id（1 e 1） 0.632Id由 id=f（t） 的波形圖上測量出當電流上升至 63.2 穩(wěn)定值時的時間，即為 樞回路的電磁時間常數(shù) Td，測得 Td=15ms。圖見附錄2.3 系統(tǒng)機電時間常數(shù) TM的測定系統(tǒng)的機電時間常數(shù)可由下式計算Tm (GD2 R) / 375CeLM由于 Tm>>

11、;Td，也可以近似地把系統(tǒng)看成是一階慣性環(huán)節(jié)，即n K /(1 TmS) Ud由過渡過程曲線，即可由此確定機電時間常數(shù) TM=275ms 圖見附錄2.4 測速電機特性 UTG=fn 的測定加額定勵磁，逐漸增加觸發(fā)電路的控制電壓 Ug，分別讀取對應(yīng)的 UTG ,n 的數(shù)值若干組，即可描繪出特性曲線 UTG=f(n)n（ r min ）350550600640700760Utg6.39.09.51112.112.82.5 晶閘管觸發(fā)及整流裝置特性 Ud=f Ug 的測定加額定勵磁，逐漸增加觸發(fā)電路的控制電壓 Ug，分別讀取對應(yīng)的 Ud，Ug的 數(shù)值若干組，即可繪制出特性曲線 Ud=f UgUg(V

12、)5.95.45.04.64.23.63.2Ud(V)275255240215190145110第 3 章 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計3.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計1) 確定時間常數(shù)已知 Ts 0.0017s ， Toi 0.002s ，所以電流環(huán)小時間常數(shù)T i Ts Toi =0.0017+0.002=0.0037S 。2) 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)因為電流超調(diào)量 i 5% ，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差， 可按典型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào) 節(jié)器電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，故可用 PI 型電流調(diào)節(jié)器。3) 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計算：電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù) i=Tl =0.0239s，又因為設(shè)計要求電流超調(diào)量0.5 0.5i

13、 5% ，查得有 K I T i =0.5 ，所以 KI =135.1S 1，又由于i T i 0.0037UdUim 5Ks ，計算得 Ks=60。由于Uim 5 7.14V / A ，所以 ACR的比例系數(shù)UcIdm 0.7K i KI R i i Ks135.1 0.0239 48.50.36660 6.674) 校驗近似條件 電流環(huán)截止頻率 Wci=KI =135.1 S 1 。 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：13Ts13 0.0017196.1S 1 >Wci ，滿足條件忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響條件：33TM TL92.3S 1 wci ，0.0442 0.0239

14、滿足條件電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：113 Ts Toi113 0.0017 0.002180.8S 1 Wci ，滿足條件5) 計算調(diào)節(jié)器的電阻和電容 取運算放大器的 R0 =20 k ，有 Ri =13K其結(jié)構(gòu)圖如下所示：有公式 Cii Ri ，圖 4-1 電流調(diào)節(jié)器Ci15*10 3 S / 13* 1031.15 F取 Ci 1.2 F3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計1）確定時間常數(shù)：1 有KI Ti 0.5,則2T i 2 0.0037s 0.0074 s ，已知轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時間常I i K I i1數(shù)Ton =0.01s ，故轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù) T nTon 0.0074 0.01 0.01

15、74 s 。n KI on2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) ：K s 1 按設(shè)計要求，選用 PI 調(diào)節(jié)器WASR sn nns3）計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)：因為轉(zhuǎn)速超調(diào)量 i 10% , 則 nCmaxCbnbTnz n 10%,由于Tm實驗要求 =1.1 ，理想空載啟動有z=0, 而且IRnbdNbCCe,n1500r/min, Ce0.1406,dl ，I dNIdl 0.7A，TM 30 ms,T n 0.0174 s代入上式，可得 Cmax 69.01%，由查表 3-5, 按跟Cb隨和抗干擾性能較好原則，取 h=3, 則 ASR的超前時間常數(shù)為：轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益KNhTn3 0.0174 s 0.052

16、2s ，h12 h22T n22 32 0.0174 2s 2 733.99s 2 。0.003Vmin/ r , 則有 ASR的比例系數(shù)為：1500Knh 1 CeTM4 7.14 0.1406 0.032h RT n2 3 0.003 42.6 0.01749.034) 檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為wcnKNw1KN n 733.99 0.0522 38.3s 1 。電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為1 KI1 135.1 s 1 63.7s 1 wcn ，滿足條件。3 0.0037轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為：條件。5) 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容：取 R0=20k ，有 Ri 120k ，其結(jié)構(gòu)圖如

17、下：10圖 4-2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器有公式 Cn n Rn ，Cn 275* 10 3S/120*1032.29 F取 Cn 2.3 F 。6）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量：由 h=3，查得 n 52.6% ，不滿足設(shè)計要求，應(yīng)使 ASR 退飽和重計算 n 。設(shè) 理想空載 z=0，h=3時，查得 Cmax =72.2%，所以 n=2（ Cmax ）（z）CbCb0.64 42.6nN T n =2 72.2% 1.1 0.14060.0174 9.9% 10%，滿足設(shè)計要求nTm 15000.036第四章 系統(tǒng)動態(tài)特性觀察與測定4.1 突加給定時 （圖見附錄 ）圖中藍線為電流環(huán)特性曲線， 黃線為轉(zhuǎn)速環(huán)特性曲線。

18、在 t=0 時，系統(tǒng)突加 階躍給定信號 Un*，在 ASR和 ACR兩個 PI 調(diào)節(jié)器的作用下， Id 很快上升；當 Id IdL 后，電機開始起動，由于機電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長， ASR輸入 偏差電壓仍較大， ASR很快進入飽和狀態(tài)， 而 ACR一般不飽和。 直到 Id = Idm ，Ui Uim 。電流閉環(huán)調(diào)節(jié)的擾動是電動機的反電動勢，它是一個線性漸增的斜 坡擾動量，系統(tǒng)做不到無靜差，而是 Id 略低于 Idm。n 上升到了給定值 n*，11Un=0。因為 Id>Idm ，電動機仍處于加速過程，使 n 超過了 n* ，稱之為起動過程 的轉(zhuǎn)速超調(diào)。 轉(zhuǎn)速的超調(diào)造成了 Un<

19、0，ASR退出飽和狀態(tài)， Ui 和 Id 很快下降。 Id <Idl ，轉(zhuǎn)速由加速變?yōu)闇p速，直到穩(wěn)定。4.2 突撤給定時（ 圖見附錄）。4. 3 突加負載時（ 圖見附錄）。4. 4 突降負載時（ 圖見附錄）。第五章 設(shè)計體會一周的課程設(shè)計結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計中不僅檢驗了我所學習的知識， 也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情， 如何去做一件事情， 又如何完成一件事情。 在 設(shè)計過程中，與同學分工設(shè)計，和同學們相互探討，相互學習，相互監(jiān)督。學會 了合作。同時，這次設(shè)計過程中，體現(xiàn)出自己綜合運用知識的能力，體會了學以 致用、突出自己勞動成果的喜悅心情， 從中發(fā)現(xiàn)自己平時學習的不足和薄弱環(huán)節(jié)， 從而