四川师范大学本科毕业设计V-M双闭环不可逆直流调速系统设计
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院系名称工学院
专业名称电气工程及其自动化
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指导教师
完成时间2012年 5 月 4日
V-M双闭环不可逆直流调速系统设计
内容摘要
在现有的G-M,V-M,P-M直流调速系统中，V-M（晶闸管-电动机调速系统）是应用最广，发展最成熟，性能最好的系统。根据晶闸管的特性，可以通过调节控制角α的大小来改变电压。本题中，采用电流，转速双闭环的控制电路实现直流电动机的不可逆调速。
本文首先确定整个系统框图和方案。然后设计主电路的结构形式和各部件参数，包括整流变压器、晶闸管、电抗器和保护电路的参数计算。在调速系统中的主电路采用三相全控整流电路供电。接着进行驱动电路的设计。最后设计控制电路，即电流，转速双闭环调速控制器。
系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即引入转速负反馈和电流负反馈，实行串级控制。电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称做外环。形成转速、电流双闭环调速系统。按照多环控制系统的一般原则：从内环开始，逐步向外扩展。即先从电流环开始。然后分析结构形式和设计各元部件，计算参数，包括给定电压、转速调节器、电流调节器、检测电路、触发电路和稳压电路的参数，最后采用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行仿真分析，从而得到较为理想的系统框图。根据系统框图，使用POWER SYSTEM模块进行直流双闭环系统的仿真。
关键词：双闭环；转速调节器ASR；电流调节器ACR
Double closed loop DC reversible speed control
system design
Abstract
Among the existing D.C speed controlled system of G-M, V-M, P-M, V-M is the most widely used，most mature development and the best performance system. Based on the characteristic of thyristor, it adjusts voltage by regulating the trigger angle “α” of SCR. In paper, D.C mo tor speed controller is using of current and speed double closed-loop speed control circuit.
Firstly, determines the entire design the plan and the diagram. Secondly, make sure the structure of power circuit and the design of elements , and calculate the element parameter, including rectifier transformer, thyristor, reactor and protection circuit. The energy of power circuit is supplied of three-phase full-bridge controlled rectifier. Finally, actuates the electric circuit the design including to trigger the electric circuit and the pulse. The paper mainly focuses on the design of controller circuit.
Establish two regulators in the system, adjusts the rotational speed and the electric current separately, namely introduces the rotational speed negative feedback and the electric current negative feedback separately, between the two implements the nesting joint .The principles of multiloop control system：start from the inner loop as current loop to the outside. Make sure the structure of the circuit and design the elements firstly, then, calculate the element parameter, including the settling voltage, speed regulator, current regulator etc. Secondly,the paper simulate the speed control system with SIMULINK to get the ideal chart. At last draw the electric diagram of the speed control circuit and use POWER SYSTEM for system simulation.
key words：two closed-loop; ASR ; ACR
目录
前言 (1)
1绪论 (2)
1.1直流调速系统的概述 (2)
1.2研究课题的目的和意义 (2)
1.3设计内容和要求 (3)
1.3.1设计要求 (3)
1.3.2设计内容 (3)
1.3.3技术参数 (3)
2双闭环直流调速系统设计框图 (4)
3系统电路的结构形式和双闭环调速系统的组成 (5)
3.1主电路的选择 (5)
3.2双闭环调速系统的组成 (7)
3.3稳态结构框图和动态数学模型 (8)
3.3.1稳态结构框图 (8)
3.3.2动态数学模型 (10)
4主电路各器件的选择和计算 (12)
4.1变流变压器容量的计算和选择 (12)
4.2整流元件晶闸管的选型 (14)
4.3电抗器的选择 (14)
4.4主电路保护电路设计 (16)
4.4.1过电压保护设计 (16)
4.4.2过电流保护设计 (18)
5驱动电路的设计 (21)
5.1晶闸管的触发电路 (21)
5.2脉冲变压器的设计 (23)
6双闭环调速系统调节器的动态设计 (25)
6.1电流调节器的设计 (25)
6.2转速调节器的设计 (27)
7基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真 (32)
7.1基于MATLAB/SIMULINK的动态系统的仿真 (32)
7.2使用POWER SYSTEM模块的双闭环系统仿真 (35)
致谢 (39)
参考文献 (40)
附表 (41)
附图 (43)
V-M双闭环不可逆直流调速系统设计
前言
直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代，随着晶闸管的出现，现代电力电子、控制理论和计算机技术的结合促进了高效、高性能的动力。尽管现在交流调速迅速发展，技术越趋成熟，交流电机的经济性和易维护性使其广受欢迎。但是直流电机调速系统以其良好的起、制动性能和调速性能仍有广阔的市场，它易于在大范围内平滑调速，且调速后的效率很高。该控制器具有调速平稳，安全可靠，提高生产效率；直流电机正反转控制简便；可以实现数字控制。同时，建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。
直流电动机的转速和其它参量的关系可用式1表示
(U
n（1）
-
=e
Φ
IR)/K
式中n表示转速，U表示电枢电压，I表示电枢电流，R表示电枢回路总电阻，Φ表示励磁磁通，Ke是由电机结构决定的电动势常数。由此可知，有三种方法调节转速，改变电枢供电电压、励磁磁通和电枢回路电阻。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能平滑调速，但是调速范围不大，往往只能配合调压方案，在基速（即电动机额定转速）以上作小范围的升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。调节电枢供电电压需要专门的可控直流电源。常见的有旋转变流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。静止可控整流器能克服旋转变流机组设备多、体积大、费用高、效率低、噪声等缺点。可以是单相、三相或更多相数，半波，全波和桥式等类型，通过调节出发装置GT的控制来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，实现平滑调速。以毫秒级的快速性提高了系统的动态性能。
在V-M系统中，仅用触发装置GT的控制电压来调节电动机转速，是开环控制的调速系统，如果对静差率要求不高的话，在一定范围内也能实现无极调速。但是要求一定的静差率时，需要引入反馈，闭环控制。从而得到更硬的机械特性。在增设检测和反馈装置和电压放大器的条件下可以保证静差率要求并且提高调速范围。
转速闭环调速系统具有三个基本特征：被调量有静差，抵抗扰动与服从给定，系统精度依赖于给定和反馈检测精度。
1绪论
1.1直流调速系统的概述
近几十年，直流电机调速控制日新月异。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。
1.2研究课题的目的和意义
采用转速负反馈和PI调节的单闭环直流调速可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是如果对系统要求较高，比如要求快速起制动，突加负载动态速降小等，单闭环无法满足。原因是单闭环不能随意控制电流和转矩的动态过程，在单闭环中，电流截止负反馈是专门用来控制电流的，但是只能在超临界电流值Idcr后靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流动态波形。因此，在双闭环系统中，为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，采用电流反馈应该近似恒流。
利用转速，电流调节器，为了获得更好的静动态性能，两个调节器都采用PI调节。是从而可以实现：
在起动过程中，只有电流反馈，无转速反馈。
在稳态时，只有转速反馈，无电流反馈。
1.3设计内容和要求
1.3.1设计要求
1. 该调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的转速调速范围（10≥D ），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2≤S ）。
3. 动态性能指标：转速超调量%8 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、过电流保护，并且有制动措施。 1.3.2设计内容 1. 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构形式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图。 2. 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）。 3. 驱动控制电路选型设计（模拟触发电路、集成触发电路、数字触发电路）。 4．动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR 与ACR 调节器结构形式进行参数计算，使调速系统工作稳定，满足动态性能指标的要求。 5． 绘制V —M 双闭环直流不可逆调速系统电器原理图（要求用计算机绘图），并用Orcad 或Matlab 软件进行拖动控制系统仿真以及硬件仿真。（建立传递函数方框图），并研究参数变化时对直流电动机动态性能的影响。 1.3.3技术参数 1. 晶闸管整流装置：Ω=%15.0Rrec ，Ks=30。 2. 负载电机额定数据：V U N 220=，A I N 17=， min /2500r n N =，Ω=99.0a R ，5.1=λ。 3. 系统主电路：Ω=∑8.1R ，s Tm 176.0=。 2双闭环直流调速系统设计框图 直流电机的供电需要直流电，在生活中直接提供的三相交流380V 电源，因此要进行整流，则本设计采用三相桥式整流电路变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给直流电动机。如图1设计的总框架。 图1 双闭环直流调速系统设计总框架 三相交流电路的交、直流侧及三相桥式整流电路中晶闸管中电路保护有电压、电流保护。一般保护有快速熔断器，压敏电阻，阻容式。根据不同的器件和保护的不同要求采用不同的方法。根据选用的方法，分别计算保护电路的各个器件的参数。 驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电路，可使是电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。驱动电路的基本任务，就是就将信息电子电路穿来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。本设计使用的是晶闸管，即半控型器件。驱动电路对半控型只需要提供开通控制信号。对与晶闸管的驱动电路叫作触发电路。所以对晶闸管的触发电路也是重点设计。 直流调速系统中应用最普通的方案是转速、电流双闭环系统，采用串级控制的方式。转速负反馈环为外环，其作用是保证系统的稳速精度。电流负反馈环为内环，其作用是实现电动机的转距控制，同时又能实现限流以及改善系统的动态性能。转速、电流双闭环直流调速系统在突加给定下的跟随性能、动态限流性能和抗扰动性能等，都比单闭环调速系统好。本课题设计主要是设计双闭环的中两个调节器参数计算与检测。 最后是用MATLAB/SIMULINK 对整个调速系统进行了仿真分析。 三相交流电 三相桥式整流电路 直流电动整流 供电 双闭环直流调速 驱动电路 保护电路 3系统电路的结构形式和双闭环调速系统的组成 3.1主电路的选择 直流调速系统常用的直流电源有三种①旋转变流机组；②静止式可控整流器；③直流斩波器或脉宽调制变换器。 机组供电的直流调速系统在20世纪60年代以前曾广泛地使用着，但该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机还要仪态励磁发电机，因此设备多，体积大，费用高，效率低。 1957年晶闸管问世，已生产成套的晶闸管整流装置，即图2晶闸管-电动机调速系统(简称V-M 系统)的原理图。通过调节处罚装置GT 的控制电压c U 来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压d U ，从而实现平滑调速。和旋转 变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都很大提高，而且在技术性能上也现实出较大的优越性。 直流斩波器- 电动机系统的原理图示于图3，其中VT 用开关符号表示任何一种电力电子开关器件，VD 表示续流二极管。当VT 导通时，直流电源电压U S 加到 电动机上；当VT 关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经VD 续流，两端电压接近于零。如此反复，得到电枢端电压波形()u f t =，如图4所示,好像是电源电压U S 在o n t 时间内被接上,又在(T--o n t )时间内被斩断,故称“斩波”。这样，电动机得到的平均电压为 S S on d U U T t U ρ== （2） 式中 T------功率开关器件的开关周期； on t ------开通时间； ρ------占空比，f t T t on on ==ρ，其中为开关频率。 图2 V —M 系统原理图 图3 直流斩波器-电动机系统原理图图4 波形图 因此，根据本设计的要求应选择第二个可控直流电源。 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，根据晶闸管的特性，可以通过调节控制角α大小来调节电压。当整流负载容量较大或直流电压脉动较小时应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。三相整流电路中又分三相半波和全控桥整流电路，因为三相半波整流电路在其变压器的二次侧含有直流分量，故不采用，本设计采用了三相全控桥整流电路来供电，该电路是目前应用最广泛的整流电路，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，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。主电路原理图如图5所示 三相全控制整流电路由晶闸管VT1、VT3、VT5接成共阴极组，晶闸管VT4、VT6、VT2接成共阳极组，在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电路。晶闸管的控制角都是 ，在一个周期内6个晶闸管都要被触发一次，触发顺序依次为：VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6，晶闸管必须严格按编号轮流导通，6个触发脉冲相位依次相差60O，只有这样才能使电路正常工作。 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 图5 主电路原理图 了过电压、过电流等保护装置。 3.2双闭环调速系统的组成 速度与电流双闭环调速系统是20 世纪60 年代在国外出现的一种新型的调速系统。70 年代以来, 在我国的冶金、机械、制造以及印染工业等领域得到日益广泛的应用。 双闭环调速系统是由单闭环自动调速系统发展而来的。单闭环调速系统使用了一个比例积分调节器组成速度调节器可以得到转速的无静差调节。从扩大调速范围的角度来看, 单环系统已能基本上满足生产机械对调速的要求。但是, 任何调速系统总是需要启动与停车的, 从电机能承受的过载电流有一定限制来看, 要求启动电流的峰值不要超过允许数值。为达到这个目的, 采用电流截止负反馈的系统, 它能得到启动电流波形, 见图6中实线所示。波形的峰值正好达到直流电动机所允许的最大冲击电流dm I , 其启动时间为1t 。 图6 带有截止负反馈系统启动电流波形 实际的调速系统, 除要求对转速进行调整外, 很多生产机械还提出了加快启动和制动过程的要求, 例如可逆轧钢, 龙门刨床都是经常处于正反转工作状态的, 为了提高生产率, 要求尽量缩短过渡过程的时间。从图6启动电流变化的波形可以看到, 电流只在很短的时间内就达到了最大允许值dm I , 而其他时间的电流均小于此值, 可见在启动过程中,电机的过载能力并没有充分利用。如果能使启动电流按虚线的形状变化, 充分利用电动机的过载能力, 使电机一直在较大的加速转矩下启动, 启动时间就会大大缩短, 只要2t 就够了。上述设想提出一个理想的启动过程曲线, 其特点是在电机启动时, 启动电流很快加大到允许过载能力值dm I , 并且保持不变, 在这个条件下, 转速n 得到线性增长, 当开到需要的大小时, 电机的电流急剧下降到克服负载所需的电流fz I 值,对应这种要求可控硅整流器的电压在启动一开始时应为∑R I dm , 随着转速n 的上升,U 也上升， n C R I U e dm +=∑ , 达到稳定转速时,n C R I U e fz +=∑ 。这就要求在启动过程中把电动机的电流当作被调节量, 使之维持在电机允许的最大值dm I , 并保持不变。这就要求一个电流调节器来完成这个任务。带有速度调节器和电流调节器的双闭环调速系统便是在这种要求下产生的。如下图7 图7 转速、电流双闭环直流调速系统原理框图 （注: ASR—转速调节器 UPE—电力电子装置 Un*—转速给定电压 Un—转速反馈电压 Ui*—电流给定电压 Ui —电流反馈电压） 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，如图7所示。这就是说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晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫内环；转速调节环在外边，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。 为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用PI 调节器。采用PI型的好处是其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于最大电流max I时表现为转速无 d 静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到max I后，转速调节 d 器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。 3.3稳态结构框图和动态数学模型 3.3.1稳态结构框图 为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构框图，如下图8所示。电流调节器和转速调节器均为具有限幅输出的PI调节器，当输出达到饱和值时，输出量的变化不再影响输出，除非产生反向的输入才能使调节器退出饱和。当输出未达到饱和时，稳态的输入偏差电压总是为零。正常运行时，电流调节器设计成总是不会饱和的，而转速调节器有时运行在饱和输出状态，有时运行在不饱和状态。 分析静特性的关键是掌握这样的PI 调节器的稳态特征，一般存在两种状况：①饱和——输出达到限幅值。即饱和调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。②不饱和——输出未达到限幅值。即PI 的作用使输入偏差电压U ?在稳态时总为零。 实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有调速调节器饱和与不饱和两种状况： （1）转速调节器不饱和：稳态时，他们的输入偏差电压都是零，因此0* n n U n ==α ，而得到下图9静特性的CA 段。 （2）转速调节器饱和： 输出达到限幅值U im * ，转速外环呈开环状态，转速 的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的点电流闭环调节系统。稳态时dm im d I I U ==β * ，从而得到下图9静特性的AB 段。 这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点漂移而采用“准PI 调节器”时，静特性的两段实际上都N 略有很小的静差，见图9的虚线。 图8 双闭环直流调速系统的稳态结构框图 α—转速反馈系数; β —电流反馈系数 K s α 1/C e U *n U c I d E n U d0 U n + + - ASR + U *i - R β ACR - U i UPE dm d I I < ASR 主导，表现为转速无静差 dm d I I = ACR 主导，表现为电流无静差（过电流保护） 3.3.2动态数学模型 如下图10表示双闭环直流调速系统的动态框图， )(s W ASR 和)(s W ACR 分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。在分析双闭环直流调速系统的动态性能时，着重分析电机的起动过程及抗扰动性能。在起动过程中转速调节器ASR 经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，抗扰动性能包括抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。 在起动过程有三个特点：①随着ASR 的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态。当ASR 饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当ASR 不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环则表现为电流随动系统。这就是饱和非线性控制的特征。②准时间最优控制即恒流升速阶段，电流保持恒定，一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电机的过载能力，是起动过程尽可能的最快。③转速超调： 由于采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速调节器退出饱和状态。按照PI 调节器的特性，只有使转速超调，ASR 的输入偏差电压为负值，才能使ASR 退出饱和。即采用PI 调节器的双闭环调速系统的转速动态响应必然有超调。 图9 双闭环直流调速系统的静特性 n 0 I d I dm I dN O n A B C 图10 双闭环调速系统的动态结构框图 oi T —电流反馈滤波时间常数 on T —转速反馈滤波时间常数 在实际动态系统中，常增加滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数oi T 按需要选定，以滤平电流检测信号为准然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同的延时，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。 由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用on T 表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上加入时间常数为on T 的给定滤波环节。-I dL U d0 U n + - - + - U i ACR 1/R T l s+1 R T m s U *i U c K s T s s+1 I d 1 C e + E β T 0i s+1 1 T 0i s+1 ASR 1 T 0n s+1 α T 0n s+1 U *n n 4主电路各器件的选择和计算 4.1变流变压器容量的计算和选择 在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致；此外，为了尽量减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求它们相互隔离，故通常要配用整流变压器，这里选项用的变压器的一次侧绕组采用△联接，二次侧绕组采用Y 联接。 S 为整流变压器的总容量，S 为变压器一次侧的容量，1U 为一次侧电压, 1I 为一次侧电流,2S 为变压器二次侧的容量，2U 为二次侧电压，2I 为二次侧的电流，1m 、2m 为相数，以下就是各量的推导和计算过程。 为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后，晶闸管交流侧的电压2U 只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器次级电压2U 。 影响2U 值的因素有： (1)2U 值的大小首先要保证满足负载所需求的最大电流值的max d I 。 (2)晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降，用T V 表示。 (3)变压器漏抗的存在会产生换相压降。 (4)平波电抗器有一定的直流电阻，当电流流经该电阻时就要产生一定的电压降。 (5)电枢电阻的压降。 综合以上因素得到的2U 精确表达式为： ]100%[])1(1[max max 2d d K T d d a N I I CU B A nU I I r U U ?-+-+=ε （3） 式中2 0U U A d =表示当控制角?=0α时，整流电压平均值与变压器次级相电压有效值之比； d d U U B α=表示控制角为α时和?=0α时整流电压平均值之比； C 是与整流主电路形式有关的系数； %K U 为变压器的短路电压百分比，100千伏安以下的变压器取5%=K U ，100～1000千伏安的变压器取10~5%=K U ； ε为电网电压波动系数。通常取05.1~9.0,供电质量较差，电压波动较大的情况ε应取较小值； N N a U R I r ∑= 表示电动机电枢电路总电阻∑R 的标么值 T nU 表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降。 max d I -- 负载电流最大值；dN d I I λ=max 所以dN d I I max =λ,λ表示允许过载倍数。 对于本设计：为了保证电动机负载能在额定转速下运转,计算所得2U 应有一定的裕量,根据经验所知,公式中的控制角α应取300为宜。 09.0=ε，34.2=A ，2330cos cos =?==αB ，5.0=C ,5%=K U ， （其中A 、B 、C 可以查表1中三相全控桥） 表1 变流变压器的计算系数 整流电路 单相双半波 单相半控桥 单相全控桥 三相半波 三相半控桥 三相全控桥 带平衡电抗器的双反星形 02/d A U U = 0.9 0.9 0.9 1.17 2.34 2.34 1.17 0/d d B U U α= c o s α 1c o s 2α+ c o s α c o s α 1c o s 2 α+ c o s α c o s α C 0.707 0.707 0.707 0.866 0.5 0.5 0.5 22/I d K I I = 0.707 1 1 0.578 0.816 0.816 0.289 139.0220 8.117=?== ∑N N a U R I r （4） 以下为计算过程和结果： m ax 2m ax [1( 1)]%[]100d N a T d d K d I U r nU I U I C U A B I ε+-+=-?V 8.136)5.110055.0239.0(34.212)]15.1(139.01[220=??-???+-?+?= （5） 这里可以取V U 1402=。实际选取为标准变压器时可以通过改变线圈匝数来实现。 根据主电路的不同的接线方式，由表1查得816.0212==d I I K 即得出二次侧电流的有效值d I I K I ?=22λ,从而求的、出变压器二次侧容量2222I U m S =。而一次相电流有效值)//(2121U U I I =，所以一次侧容量2222I U m S =。一次相电压有效 值1U 取决于电网电压。所以变流变压器的平均容量为)(2 121S S S += 。2I K 为各种接线形式时变压器次级电流有效值和负载电流平均值之比。 对于本设计2I K 2I K 取0.816,且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗，故 A I K I N I 8.2017816.05.122=??=?=λ （6） 根据整流变压器的特性，即 222111I U m I U m = m 取3，所以2211I U I U =，所以整流变压器的容量为： 22222211121)(2 1)(21I U m I U m I U m S S S =+=+= （7） KVA I U m S 5.27484.651403111=??== （8） 设计时留取一定的裕量，可以取容量为30KVA 整流变压器。 4.2整流元件晶闸管的选型 正确选择晶闸管能够使晶闸管装置在保证可靠运行的前提下降低成本。选择晶闸管元件主要是选择它的额定电压TM U 和额定电流)(AV T I 。 首先确定晶闸管额定电压TM U ，晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压RM U ，考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽2～3倍的安全系数，则计算公式： RM TM U U )3~2(= （9） 对于本设计采用的是三相桥式整流电路，晶闸管按1至6的顺序导通，在阻感负载中晶闸管承受的最大电压2245.26U U U RM ==， 故计算的晶闸管额定电压为 V U U TM 1029~68614045.2)3~2(6)3~2(2=??=?= （10） 取800V 。 再确定晶闸管额定电流)(AV T I ，额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。一般取按此原则所得计算结果的1.5～2倍。 A I I N d 5.25175.1max =?==λ （11） A I I d VT 153 1max == （12） 由此可求出晶闸管的额定电流，其公式为： A I I VT AV T 1.19~3.1457 .1)2~5.1()(== （13） 可以取额定电流为15A 。 本设计选用晶闸管的型号为KP （3CT ）-15A 4.3电抗器的选择 直流侧电抗器的选择 直流侧串接一个只有空气隙的铁心平波电抗器，以限制电流的波动分量，维持电流连续,提高整流装置对负载供电的性能及运行的安全可靠性。直流侧电抗器的主要作用为了限制直流电流脉动；轻载或空载时维持电流连续；在有环流可 逆系统中限制环流；限制直流侧短路电流上升率。 （1）用于限制输出电流的脉动的临界电感m L （单位为mH ） 32102?=N i d u m I S f U S L π （14） 式中i S -----电流脉动系数，取%20~%5； u S -----电压脉动系数，三相全控桥46.0=u S ； d f -----输出电流的基波频率，单位为Hz ，对于三相全控桥Hz f d 300=。即 mH I S f U S L N i d u m 39.610005 .53%1030014.3214046.0100022=??????=?=π （15） （2）用于保证输出电流连续的临界电感L （单位为mH ） in U K L m 211I = （16） 式中，in m I -----为要求的最小负载电流平均值，单位为A ，本设计中N in I %5I m =； I K -----为计算系数，三相全控桥693.0=I K 。即 mH I U K L d l 13.18min 21== （17） （3）直流电动机的漏电感a L （单位为mH ） 1032?=N w p N D a I n n U K L （18） 式中，D K ---计算系数，对于一般无补偿绕组电动机D K =8～12，对于快速无补 偿绕组电动机D K =6～8，对于有补偿绕组电动机D K =5～6，其余系数均为电动机额定值。 p n ----极对数，取p n =2。即 mH I n n U K L N w p N D a 85.610002=?= （19） （4）折合到交流侧的漏电抗B L （单位为mH ） N K B B I U U K L 100%2= （20） 式中，k U %-----变压器短路比，一般取为5%； B K ------为计算系数，三相全控桥9.3=B K 。即 mH I U U K L N K B B 005.0100%2== （21）（5）实际要接入的平波电抗器电感K L mH L L L L L B a l m K 41.192),max(=--= （22） 可取mH L K 20= （6）电枢回路总电感 mH L L L L B K 86.2685.6005.02202=+?+=+?+=∑α （23） 4.4主电路保护电路设计 电力半导体元件虽有许多突出的优点，但承受过电流和过电压的性能都比一般电气设备脆弱的多，短时间的过电流和过电压都会使元件损坏，从而导致变流装置的故障。因此除了在选择元件的容量外，还必须有完善的保护装置。 4.4.1过电压保护设计 过电压保护可分为交流侧和直流侧过电压保护，前常采用的保护措施有阻容吸收装置、硒堆吸收装置、金属氧化物压敏电阻。这里采用金属氧化物压敏电阻的过电压保护。 1．交流侧过电压保护 压敏电阻采用由金属氧化物（如氧化锌、氧化铋）烧结制成的非线性压敏元件作为过电压保护，其主要优点在于：压敏电阻具有正反向相同的陡峭的伏安特性，在正常工作时只有很微弱的电流（1mA 以下）通过元件，而一旦出现过电压时电压，压敏电阻可通过高达数千安的放电电流，将电压抑制在允许的范围内，并具有损耗低，体积小，对过电压反映快等优点。因此，是一种较好的过电压保护元件。 本设计采用三相全控桥整流电路，变压器的绕组为△—Y 联结，在变压器交流侧，采用压敏电阻的保护回路，如下图11所示。 图11 二次侧过电压压敏电阻保护 （1）压敏电阻的额定电压1m A U 选择可按下式： l mA U U 21233.1≥ （24） 式中，mA U 1------压敏电阻的额定电压， VYJ 型压敏电阻的额定电压有：100V 、 200V 、440、760V 、1000V 等； l U 2------变压器二次侧的线电压有效值，对于星形接法的线电压等于相电压，223U U l =。 V U mA 09.4651403233.11=??≥ （25） （2）计算压敏电阻泄放电流初值，即三相变压器时： 题目：双闭环直流调速系统的设计与仿真 已知：直流电动机：P N=60KW，U N=220V，I N=305A，n N=1000r/min,λ=2，R a=0.08, R rec=0.1, T m=0.097s, T l=0.012s, T s=0.0017s, 电枢回路总电阻R=0.2Ω。设计要求：稳态无静差，σ ≤5%,带额定负载起动到额定转速的转速超调σn≤10%。(要求完 i 成系统各环节的原理图设计和参数计算)。 系统各环节的原理图设计和参数计算，包括主电路、调节器、电流转速反馈电路和必要的保护等，并进行必要的计算。按课程设计的格式要求撰写课程设计说明书。 设计内容与要求：1、分析双闭环系统的工作原理 2、改变调节器参数，分析对系统动态性能的影响 3、建立仿真模型 1．双闭环直流调速系统的原理及组成 对于正反转运行的调速系统，缩短起,制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，是调速系统以最大的加（减）速度运行。当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突变，为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使 电流保持为最大值dmI的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。 为了使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，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接，如图1所示。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。从闭环结构上看，电流环在里面，称做内环；转速环在外面，称做外环。这就形成了转速电流负反馈直流调速系统。为了获得良好的静动态性能，转速和电流两个调节器一般采用PI调节器。 2．双闭环控制系统起动过程分析 前面已经指出，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要先探讨它的起动过程。双闭环调速系统突加给定电压*nU由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图4所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三 《运动控制》课程设计题目：转速，电流双闭环可逆直流宽频调速系统设计 系部：自动化系 专业：自动化 班级：自动化1班 学号：11423006 11423025 11423015 姓名：杨力强.丁珊珊.赵楠 指导老师：刘艳 日期：2018年5月26日-2018年6月13日 一、设计目的 应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。 应用计算机仿真技术，通过在MA TLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。 在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。 二、系统设计参数 直流电动机控制系统设计参数：< 直流电动机(3> ） 输出功率为:5.5Kw 电枢额定电压220V 电枢额定电流 30A 额定励磁电流1A 额定励磁电压110V 功率因数0.85 电枢电阻0.2欧姆 电枢回路电感100mH 电机机电时间常数1S 电枢允许过载系数=1.5 额定转速 970rpm 直流电动机控制系统设计参数 环境条件： 电网额定电压:380/220V。电网电压波动:10%。 环境温度:-40~+40摄氏度。环境湿度:10~90%. 控制系统性能指标： 电流超调量小于等于5%。 空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%。 调速范围D＝20。 静差率小于等于0.03. 1、设计内容和数据资料 某直流电动机拖动的机械装置系统。 主电动机技术数据为： ,，，电枢回路总电阻，机电时间常数 ，电动势转速比，Ks=40，，Ts=0.0017ms，电流反馈系数，转速反馈系数，试对该系统进行初步设计。2、技术指标要求 电动机能够实现可逆运行。要求静态无静差。动态过渡过程时间，电流超调量，空载起动到额定转速时的转速超调量。 三、主电路方案和控制系统确定 主电路选用直流脉宽调速系统，控制系统选用转速、电流双闭环控制方案。主电路采用25JPF40电力二极管不可控整流，逆变器采用带续流二极管的功率开关管IGBT构成H型双极式控制可逆PWM变换器。其中属于脉宽调速系统特有的部分主要是UPM、逻辑延时环节DLD、全控型绝缘栅双极性晶体管驱动器GD和PWM变换器。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原理图 郑州航空工业管理学院 电力拖动自动控制系统课程设计 07 级电气工程及其自动化专业 0706073 班级 题目转速单闭环的直流拖动系统 姓名 学号 指导教师孙标 二ОО十年月日 电力拖动自动控制系统课程设计 一、设计目的 加深对电力拖动自动控制系统理论知识的理解和对这些理论的实际应用能力，提高对实际问题的分析和解决能力，以达到理论学习的目的,并培养学生应用计算机辅助设计的能力。 二、设计任务 设计一个转速单闭环的直流拖动系统 题目：单闭环不可逆直流调速系统设计 1 技术指标 电动机参数：PN=3KW, n N=1500rpm, UN=220V,IN=17.5A,Ra=1.25 。主回路总电阻R=2.5，电磁时间常数Tl=0.017s，机电时间常数Tm=0.075s。三相桥式整流电路，Ks=40。测速反馈系数=0.07。调速指标：D=30，S=10%。 2 设计要求 （1）闭环系统稳定 （2）在给定和扰动信号作用下，稳态误差为零。 3 设计任务（1）绘制原系统的动态结构图； （2）调节器设计； （3）绘制校正后系统的动态结构图； （4）撰写、打印设计说明书。 4 设计说明书 设计说明书严格按**大学毕业设计格式书写,全部打印.另外,设计说明书应包括以下内容: (1)中文摘要 (2)英文摘要 目录 第一章中文摘要 ································································································ - 1 -第二章英文摘要 ············································································错误!未定义书签。第三章课程设计的目的和意义·············································································· - 1 -1．电力拖动简介 ··························································································· - 1 - 2.课程设计的目的和意义·················································································· - 2 -第四章课程设计内容·························································································· - 2 -第五章方案确定 ································································································ - 3 - 5.1方案比较的论证 ······················································································ - 3 - 5.1.1总体方案的论证比较········································································ - 3 - 5.1.2主电路方案的论证比较····································································· - 4 - 5.1.3控制电路方案的论证比较·································································· - 6 -第六章主电路设计····························································································· - 7 - 6.1主电路工作设备选择 ················································································ - 7 -第七章控制电路设计·························································································· - 8 -第八章结论 ·····································································································- 11 -第九章参考文献 ·······························································································- 11 - 转速、电流双闭环调速系统 班级：铁道自动化091 姓名：陈涛 指导老师：严俊 完成日期：2011-10-31 湖南铁道职业技术学院 目录 摘要 (3) 一、直流调速介绍 (4) 1、调速定义 (4) 2、调速方法 (4) 3、调速指标 (4) 二、双闭环直流调速系统介绍 (5) 1、转速、电流双闭环调速系统概述 (5) 2、转速、电流双闭环调速系统的组成 (6) 3、PI调节器的稳态特征 (7) 4、起动过程分析 (8) 5、动态性能 (11) 6、两个调节器的作用 (11) 三、总结 (12) 摘要 随着近代电力电子技术和计算机的发展以及现代控制理论的应用，自动化电力拖动正向着计算机控制的生产过程自动化的方向迈进，以达到高速、优质、高效率地生产。在大多数综合自动化系统中，自动化的电力拖动系统仍然是不可缺少的组成部分。 本文讲述的是转速、电流双闭环直流调速系统，通过学习使我对转速、电流双闭环直流调速系统的组成、调速器的稳态特性和作用以及系统的动态特性有了一定的了解。该系统是在单闭环系统的基础上加以改进后完成的，通过对电力拖动自动控制系统的学习，我们里了解到转速、电流双闭环直流调速系统相对于单闭环调速系统的一些优势，它是通过转速反馈和电流反馈两个环节分别起作用的。 通过这次的学习，我懂得了很多，具有了通过运用理论上所掌握的知识来独立发现问题、思考问题、解决问题的能力，在这次的论文中，我有一次重新学习了转速、电流双闭环直流调速系统，使我这一系统有了更进一步的了解。 转速、电流双闭环调速系统 一、直流调速介绍 1、调速定义 调速是指在某一具体负载情况下，通过改变电动据或电源参数的方法，使机械特性曲线得以改变，从而使电动机转速发生变化或保持不变。 2、调速方法 1.调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无 级平滑调速的系统来说，这种方法最好。变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。 2.改变电动机主磁通。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方 法。变化时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。 3.改变电枢回路电阻 <。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。 3、调速指标 1．调速范围（包括：恒转矩调速范围/恒功率调速范围）， 摘要 本次课程设计直流电机可逆调速系统利用的是双闭环调速系统，因其具有调速范围广、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。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。本文对直流双闭环调速系统的设计进行了分析，对直流双闭环调速系统的原理进行了一些说明，介绍了其主电路、检测电路的设计，介绍了电流调节器和转速调节器的设计以及系统中一些参数的计算。 关键词：双闭环，可逆调速，参数计算，调速器。 目录 1. 设计概述 (1) 1.1 设计意义及要求 (1) 1.2 方案分析 (1) 1.2.1 可逆调速方案 (1) 1.2.2 控制方案的选择 (2) 2.系统组成及原理 (4) 3.1设计主电路图 (7) 3.2系统主电路设计 (8) 3.3 保护电路设计 (8) 3.3.1 过电压保护设计 (8) 3.3.2 过电流保护设计 (9) 3.4 转速、电流调节器的设计 (9) 3.4.1电流调节器 (10) 3.4.2 转速调节器 (10) 3.5 检测电路设计 (11) 3.5.1 电流检测电路 (11) 3.5.2 转速检测电路 (11) 3.6 触发电路设计 (12) 4. 主要参数计算 (14) 4.1 变压器参数计算 (14) 4.2 电抗器参数计算 (14) 4.3 晶闸管参数 (14) 5设计心得 (15) 6参考文献 (16) 直流电动机可逆调速系统设计 1.设计概述 1.1设计意义及要求 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内实现平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础，所以应该首先掌握直流拖动控制系统。本次设计最终的要求是能够是电机工作在电动和制动状态，并且能够对电机进行调速，通过一定的设计，对整个电路的各个器件参数进行一定的计算，由此得到各个器件的性质特性。 1.2 方案分析 1.2.1 可逆调速方案 使电机能够四象限运行的方法有很多，可以改变直流电机电枢两端电压的方向，可以改变直流电机励磁电流的方向等等，即电枢电压反接法和电枢励磁反接法。 电枢励磁反接方法需要的晶闸管功率小，适用于被控电机容量很小的情况，励磁电路中需要串接很大的电感，调速时，电机响应速度较慢，且需要设计很复杂的电路，故在设计中不采用这种方式。 电枢电压反接法可以应用在电机容量很的情况下，且控制电路相对简单，电枢反接反向过程很快，在实际应用中常常采用，本设计中采用该方法。 电枢电压反接电路可以采用两组晶闸管反并联的方式，两组晶闸管分别由不同的驱动电路驱动，可以做到互不干扰。 图1-1 两组晶闸管反并联示意图 第十七单元 晶闸管直流调速系统 第二节 单闭环直流调速系统 一、转速负反馈直流调速系统 转速负反馈直流调速系统的原理如图l7-40所示。 转速负反馈直流调速系统由转速给定、转速调节器ASR 、触发器CF 、晶闸管变流器U 、测速发电机TG 等组成。 直流测速发电机输出电压与电动机转速成正比。经分压器分压取出与转速n 成正比的转速反馈电压Ufn 。 转速给定电压Ugn 与Ufn 比较，其偏差电压ΔU=Ugn-Ufn 送转速调节器ASR 输入端。 ASR 输出电压作为触发器移相控制电压Uc ，从而控制晶闸管变流器输出电压Ud 。 本闭环调速系统只有一个转速反馈环，故称为单闭环调速系统。 1．转速负反馈调速系统工作原理及其静特性 设系统在负载T L 时，电动机以给定转速n1稳定运行，此时电枢电流为Id1，对应转速反馈电压为Ufn1，晶闸管变流器输出电压为Udl 。 n n I C R R C U C R R I U n d e d e d e d d d ?+=+-=+-=0)(φ φφ 当电动机负载T L 增加时，电枢电流Id 也增加，电枢回路压降增加，电动机转速下降，则Ufn 也相应下降， 而转速给定电压Ugn 不变，ΔU=Ugn-Ufn 增加。 转速调节器ASR 输出电压Uc 增加，使控制角α减小，晶闸管整流装置输出电压Ud 增加，于是电动机转速便相应自动回升，其调节过程可简述为： T L ↑→Id ↑→Id(R ∑+Rd)↑→n ↓→Ufn ↓→△U ↑→Uc ↑→α↓→Ud ↑→n ↑。 图17-41所示为闭环系统静特性和开环机械特性的关系。 图中①②③④曲线是不同Ud之下的开环机械特性。 假设当负载电流为Id1时，电动机运行在曲线①机械特性的A点上。 当负载电流增加为Id2时，在开环系统中由于Ugn不变，晶闸管变流器输出电压Ud 也不会变，但由于电枢电流Id增加，电枢回路压降增加，电动机转速将由A点沿着曲线①机械特性下降至B’点，转速只能相应下降。 但在闭环系统中有转速反馈装置，转速稍有降落，转速反馈电压Ufn就相应减小，使偏差电压△U增加，通过转速调节器ASR自动调节，提高晶闸管变流器的输出电压Ud0由Ud01变为Ud02，使系统工作在随线②机械特性上，使电动机转速有所回升，最后稳定在曲线②机械特性的B点上。 同理随着负载电流增加为Id3，Id4，经过转速负反馈闭环系统自动调节作用，相应工作在曲线③④机械特性上，稳定在曲线③④机械特性的C，D点上。 将A，B，C，D点连接起来的ABCD直线就是闭环系统的静特性。 由图可见，静特性的硬度比开环机械特性硬，转速降Δn要小。闭环系统静特性和开环机械特性虽然都表示电动机的转速-电流(或转矩)关系，但两者是不同的，闭环静特性是表示闭环系统电动机转速与电流(或转矩)的静态关系，它只是闭环系统调节作用的结果，是在每条机械特性上取一个相应的工作点，只能表示静态关系，不能反映动态过程。 当负载突然增加时，如图所示由Idl突增到Id2时，转速n先从A点沿着①曲线开环机械特性下降，然后随着Ud01升高为Ud02，转速n再回升到B点稳定运行，整个动态过程不是沿着静特性AB直线变化的。 2．转速负反馈有静差调速系统及其静特性分析 对调速系统来说，转速给定电压不变时，除了上面分析负载变化所引起的电动机转速变化外，还有其他许多扰动会引起电动机转速的变化，例如交流电源电压的变化、电动机励磁电流的变化等，所有这些扰动和负载变化一样都会影响到转速变化。对于转速负反馈调速系统来说，可以被转速检测装置检测出来，再通过闭环反馈控制减小它们对转速的影响。也就是说在闭环系统中，对包围在系统前向通道中的各种扰动(如负载变化、交流电压波动、电动机励磁电流的变化等)对被调量(如转速)的影响都有强烈的抑制作用。但是对于转速负反馈调速系统来说，转速给定电压Ugn的波动和测速发电机的励磁变化引起的转速反馈电压Ufn变化，闭环系统对这种给定量和检测装置的扰动将无能为力。为了使系统有较高的调速精度，必须提高转速给定电源和转速检测装置的精度。 单闭环直流调速系统的设计与仿真 单回路的直流调速系统的设计和仿真 内容摘要：在对调速性能有较高要求的领域，如果直流电动机开环系统稳态性 能不满足要求，可利用速度负反馈提高稳态精度，而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统的静差，可利用积分调节器代替比例调节器。 通过对单闭环调速系统的组成部分可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析，比较原始系统和校正后系统的差别，得出直流电机调速系统的最优模型。然后用此理论去设计一个实际的调速系统，并用MATLAB仿真进行正确性的验证。 关键词：稳态性能稳定性开环闭环负反馈静差 The design and simulation of Single loop dc speed control system Abstract :In the higher demand for performance of speed, if the open loop dc system's steady performance does not meet the requirements, can use speed inverse feedback to improve steadystate precision, but although the speed inverse feedback system adopts proportion regulator,it still have off, in order to eliminate static, can use integral regulator to replace proportion regulator. Based on the theoretical analysis of the single closed loop system which is made up of controllable power, the regulator which is made up of operational amplifier, a rectifier triggered by thyristor , motor model and tachogenerators module, compare the difference of the open loop system and the closed loop system,the original system and the this paper compares the theory of open loop system and the closed-loop system, the difference of primitive system and calibrated system, conclude the optimal model of the dc motor speed control system. Then use this theory to design a practical control system, and verify the validity with MATLAB simulation. Key words: steady-statebehaviour stability open loop Close-loop feedback offset CDIO课程项目研究报告 项目名称：H桥可逆直流调速系统设计与实验 姓名； 指导老师： 日期： 摘要 本设计的题目是基于SG3525的双闭环直流电机调速系统的设计。SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。如果对系统的动态性能要求较高，则单闭环系统就难以满足需要。而转速、电流双闭环直流调节系统采用PI调节器可以获得无静差；构成的滞后校正，可以保证稳态精度；虽快速性的限制来换取系统稳定的，但是电路较简单。所以双闭环直流调速是性能很好、应用最广的直流调速系统。本设计选用了转速、电流双闭环调速控制电路，本课题内容重点包括调速控制器的原理，并且根据原理对转速调节器和电流调节器进行了详细地设计。概括了整个电路的动静态性能，最后将整个控制器的电路图设计完成,并且进行仿真。 关键词：双闭环直流可逆调速系统、H桥驱动电路、SG3525信号产生电路、PI调节器、MATLAB仿真 前言 随着交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，如要求快速起制动、突加负载动态速降时，单闭环系统就难以满足。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程中的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。实际工作中，在电机最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流转矩为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不要电流负反馈发挥主作用，因此需采用双闭环直流调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。 项目预期成果： 设计一个双闭环可逆直流无静差调速系统，其稳态性能指标实现要求如下：电流超调量S≤5%调速范围 D=20；其动态性能指标：转速超调量δn=10%；调整时间时间ts=2s；电流超调量δi≤5% 。 实验三不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究 一．实验目的 1．研究晶闸管直流电动机调速系统在反馈控制下的工作。 2．研究直流调速系统中速度调节器ASR的工作及其对系统静特性的影响。 3．学习反馈控制系统的调试技术。 二．预习要求 1．了解速度调节器在比例工作与比例—积分工作时的输入—输出特性。 2．弄清不可逆单闭环直流调速系统的工作原理。 三．实验线路及原理 见图1-7。 四．实验设备及仪表 1．教学实验台主控制屏。 2．NMCL—31A组件 3．NMCL—33组件 4．NMEL—03组件 5．NMCL—18组件 6．电机导轨及测速发电机（或光电编码器）、直流发电机M01 7．直流电动机M03 8．双踪示波器 9．万用表 五．注意事项 1．直流电动机工作前，必须先加上直流激磁。 2．接入ASR构成转速负反馈时，为了防止振荡，可预先把ASR的RP3电位器逆时针旋到底，使调节器放大倍数最小，同时，ASR的“5”、“6”端接入可调电容（预置7μF）。 3．测取静特性时，须注意主电路电流不许超过电机的额定值（1A）。 4．三相主电源连线时需注意，不可换错相序。 5．系统开环连接时，不允许突加给定信号U g起动电机。 6．改变接线时，必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮，同时使系统的给定为零。 7．双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接，故在使用时，必须使两探头的地线同电位（只用一根地线即可），以免造成短路事故。 六．实验内容 1．移相触发电路的 调试（主电路未通电） （a）用示波器观察 NMCL—33的双脉冲观 察孔，应有双脉冲，且间 隔均匀，幅值相同；观察 每个晶闸管的控制极、阴 极电压波形，应有幅值为 1V～2V的双脉冲。 （b）触发电路输出 脉冲应在30°～90°范围 内可调。可通过对偏移电 压调节单位器及ASR输 出电压的调整实现。例 如：使ASR输出为0V， 调节偏移电压，实现 α=90°；再保持偏移电压 不变，调节ASR的限幅 电位器RP1，使α=30°。 2．求取调速系统在 无转速负反馈时的开环 工作机械特性。 a．断开ASR的“3”至U ct的连接线，G（给定）直接加至U ct，且U g调至零，直流电机励磁电源开关闭合。 b．合上主控制屏的绿色按钮开关，调节三相调压器的输出，使U uv、Uvw、Uwu=200V。 c．调节给定电压U g，使直流电机空载转速n0=1500转/分，调节直流发电机负载电阻，在空载至额定负载的范围内测取7～8点，读取整流装置输出电压U d，输出电流i d以及被测 基础课程设计（论文） 直流PWM-M可逆调速系统的设计与仿真 专业：电气工程及其自动化 指导教师：刘雨楠 小组成员：陈慧婷（20114073166） 石文强（20114073113） 刘志鹏（20114073134） 张华国（20114073151） 信息技术学院电气工程系 2014年10月20日 摘要 当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。微机技术的快速发展，在控制领域得到广泛应用。本文对基于微机控制的双闭环可逆直流PWM调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了双闭环直流PWM调速系统的数学模型，用微机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法，研究工作在对控制对象全面回顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。在硬件方面充分利用微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，实现对转速、电流双闭环调速系统的控制。论文分析了系统工作原理和提高调速性能的方法，研究了IGBT模块应用中驱动、吸收、保护控制等关键技术.在微机控制方面，讨论了数字触发、数字测速、数字PWM调制器、双极式H型PWM变换电路、转速与电流控制器的原理,并给出了软、硬件实现方案。 关键词：直流可逆调速数字触发PWM 数字控制器 《运动控制系统》实验报告 姓名： 专业班级： 学号： 同组人： 实验一 不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究 一、实验目的 1、了解转速单闭环直流调速系统的组成。 2、加深理解转速负反馈在系统中的作用。 3、研究直流调速系统中速度调节器ASR 的工作原理及其对系统静特性的影响。 4、测定晶闸管--电动机调速系统的机械特性和转速单闭环调速系统的静特性。 二、实验系统组成及工作原理 采用闭环调速系统，可以提高系统的动静态性能指标。转速单闭环直流调速系统是常用的一种形式。图1-1所示是不可逆转速单闭环直流调速系统的实验原理图。 图中电动机的电枢回路由晶闸管组成的三相桥式全控整流电路V 供电，通过与电动机同轴刚性联接的测速发电机TG 检测电动机的转速，并经转速反馈环节FBS 分压后取出合适的转速反馈信号U n ，此电压与转速给定信号U n *经速度调节器ASR 综合调节，ASR 的输出作为移相触发器GT 的控制电压U ct ，由此组成转速单闭环直流调速系统。 在本系统中ASR 采用比例—积分调节器，属于无静差调速系统。 图中DZS 为零速封锁器，当转速给定电压U n *和转速反馈电压U n 均为零时，DZS 的输出信号使转速调节器ASR 锁零，以防止调节器零漂而使电动机产生爬行。 RP 给定 图1-1 不可逆转速单闭环直流调速系统 三、实验注意事项 1. 直流电动机M03参数为：P N =185W ，U N =220V ，I N =1.1A ，n =1500r/min 。 2. 直流电动机工作前，必须先加上直流激励。 3. 系统开环以及单闭环起动时，必须空载，且不允许突加给定信号U g 起动电机，每次起动时必须慢慢增加给定，以免产生过大的冲击电流，更不允许通过突合主回路电源开关SW 起动电机。 4. 测定系统开环机械特性和闭环静特性时，须注意电枢电流不能超过电机额定值1A 。 5. 单闭环连接时，一定要注意给定和反馈电压极性。 四、实验内容 1、晶闸管--电动机系统开环机械特性及控制特性的测定 （1）连接晶闸管—电动机系统为开环控制，不必使用转速调节器ASR ，可将给定电压U g （开环时给定电压称为U g ，闭环后给定电压称为U n *）直接接到触发单元GT 的输入端（U ct ），电动机和测功机分别加额定励磁。 （2）测定开环系统控制特性时，须先使电动机空载（测功机负载回路开路），慢慢加给定电压U g ，使电动机转速慢慢上升至额定转速1500r/min ，在0~1500r/min 之间记录几组 （3）测定开环机械特性时，须先使电动机空载（测功机负载回路开路），慢慢加给定电压U g ，使电动机转速慢慢上升至额定转速1500r/min ，然后合上负载开关SL ，改变负载变阻器R g 的阻值，使主回路电流达到额定电流I N ，此时即为额定工作点（n =n N =1500r/min ，I d =I N =1A ）。然后减小负载变阻器R g 阻值，使主回路负载从额定负载减少至空载，记录几组转速 n 和负载转矩T 的数据，并在图1-3所示坐标系中画出开环机械特性曲线。 U g e 图1-2 开环控制特性曲线 图1-3 开环机械特性曲线 比例积分控制的单闭环直流调速系统仿真 一、实验目的 1．熟练使用MATLAB 下的SIMULINK 仿真软件。 2．通过改变比例系数K P 以及积分时间常数τ的值来研究K P 和τ对比例积分控制的直流调速系统的影响。 二、实验内容 1．调节器的工程设计 2．仿真模型建立 3．系统仿真分析 三、实验要求 建立仿真模型，对参数进行调整，从示波器观察仿真曲线，对比分析参数变化对系统稳定性，快速性等的影响。 四、实验原理 图4-1 带转速反馈的闭环直流调速系统原理图 调速范围和静差率是一对互相制约的性能指标，如果既要提高调速范围，又要降低静差率，唯一的方法采用反馈控制技术，构成转速闭环的控制系统。转速闭环控制可以减小转速降落，降低静差率，扩大调速范围。在直流调速系统中，将转速作为反馈量引进系统，与给定量进行比较，用比较后的偏差值进行系统控 制，可以有效的抑制甚至消除扰动造成的影响。 当t=0时突加输入U in时，由于比例部分的作用，输出量立即响应，突跳到U ex(t)=K P U in，实现了快速响应；随后U ex(t)按积分规律增长，U ex(t)=K P U in+ (t/τ)U in。在t=t1时，输入突降为0，U in=0，U ex(t)=(t1/τ)U in，使电力电子变换器的稳态输出电压足以克服负载电流压降，实现稳态转速无静差。 五、实验各环节的参数及K P和1/τ的参数的确定 各环节的参数： 直流电动机：额定电压U N=220V，额定电流I dN=55A,额定转速n N=1000r/min,电动机电动势系数C e= min/r。 假定晶闸管整流装置输出电流可逆，装置的放大系数K s=44，滞后时间常数T s=。 电枢回路总电阻R=Ω，电枢回路电磁时间常数T l=电力拖动系统机电时间常数 T m=。 转速反馈系数α= min/r。 对应额定转速时的给定电压U n?=10V。 稳态性能指标D=20，s 5% 。 K P和1/τ的参数的确定： PI调节器的传递函数为 W PI(s)=K Pτs+1 τs =K P τ1s+1 τ1s 其中，τ1=K Pτ。 （1）确定时间常数 1）整流装置滞后时间常数T s=0.00167s；2）转速滤波时间常数T on=0.001s； 双闭环直流调速系统设计 内容摘要 电机自动控制系统广泛应用于各行业，尤其是工业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电.直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。有效地控制电机，提高其运行性能，具有很好的现实意义。本文介绍了基于工程设计对直流调速系统的设计，根据直流调速双闭环控制系统的工作原理以及介绍变频调速技术的发展概况，变频调速技术的发展趋势关键词：双闭环控制系统，转速控制环，系统现状，发展趋势 英文翻译：Electrical automatic control system widely used in various industries, especially in industry. Most of the production machinery used in these industries motor as a prime mover. Effectively control electricity. Dc motor has a good start, braking performance, adaptable to smooth speed regulation in large scale, in many need to speed or fast forward and reverse has been widely used in the area of electric drive. Effectively control motor, improve its operation performance, has the very good practical significance. I ntroduced in this paper, based on the engineering design to the design of dc speed regulating system, the working principle of the double closed loop control system of dc speed regulating and also I ntroduce the development general situation and the development trend Key words: double closed loop control system, speed control loop, th e status quo，the development of trend 一：引言 矿井提升机是煤矿、有色金属矿中的重要运输设备，是“四大运转设备”之一。矿井提升系统具有环节多、控制复杂、运行速度快、惯性质量大、运行特性复杂的特点，且工作状况经常交替转换。 近几年，交流调速飞速发展，逐渐有赶超并代替直流调速的趋势。直流调速理论基础是经典控制理论，而交流调速主要依靠现代控制理论。不过最近研制成功的直流调速器，具有和交流变频器同等性能的高精度、高稳定性、高可靠性、 题目：单闭环不可逆直流调速系统设计 1 技术指标 电动机参数：PN=3KW, n N=1500rpm, UN=220V,IN=17.5A,Ra=1.25 。主回路总电阻R=2.5，电磁时间常数Tl=0.017s，机电时间常数Tm=0.075s。三相桥式整流电路，Ks=40。测速反馈系数=0.07。调速指标：D=30，S=10%。 2 设计要求 （1）闭环系统稳定 （2）在给定和扰动信号作用下，稳态误差为零。 3 设计任务（1）绘制原系统的动态结构图； （2）调节器设计； （3）绘制校正后系统的动态结构图； （4）撰写、打印设计说明书。 4 设计说明书 设计说明书严格按**大学毕业设计格式书写,全部打印.另外,设计说明书应包括以下内容: (1)中文摘要 (2)英文摘要 目录 第一章中文摘要 ·························································································································- 1 -第二章英文摘要 ·····························································································错误！未定义书签。第三章课程设计的目的和意义 ··································································································- 1 -1．电力拖动简介····················································································································- 1 - 2.课程设计的目的和意义 ·······································································································- 2 -第四章课程设计内容··················································································································- 2 -第五章方案确定 ·························································································································- 3 - 5.1方案比较的论证·············································································································- 3 - 5.1.1总体方案的论证比较···························································································- 3 - 5.1.2主电路方案的论证比较·······················································································- 4 - 5.1.3控制电路方案的论证比较 ···················································································- 6 -第六章主电路设计 ·····················································································································- 7 - 6.1主电路工作设备选择 ·····································································································- 7 -第七章控制电路设计··················································································································- 8 -第八章结论······························································································································· - 11 -第九章参考文献 ······················································································································· - 11 -双闭环直流调速系统
转速电流双闭环可逆直流调速系统仿真与设计方案
转速单闭环直流调速系统设计
双闭环直流调速系统
直流电动机可逆调速系统设计 (1)要点
单闭环直流调速系统
原版单闭环直流调速系统
H桥可逆直流调速系统设计与实验
不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究
直流PWMM可逆调速系统的设计与仿真
实验1：不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究(B5参考格式)
单闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告
双闭环直流调速系统工作原理
题目：单闭环不可逆直流调速系统设计
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