电力拖动自动控制系统课程设计
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课 程 设 计 任 务 书
学院 信息工程学院 班 级 11自动化2 姓 名
设 计 起 止 日 期 2014.6.23~2014.6.27
设计题目：双闭环直流调速与仿真
设计任务（主要技术参数）：
电动机参数为：nomp=3kW，nomU=220V，nomI=17.5A，nomn=1500r/min，电枢回路总电阻R=1.25，2GD=3.532Nm。Ks＝40， recR=1.3。平波电抗器电阻LR=0.3。整流回路总电感L=200mH。Ce＝0.132V.min/r,0.002oiTs，onT =0.01s, Tm=0.16s, Tl=0.07。
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δn10%，空载起动到额定转速的过渡过程时间 ts0.5。
指导教师评语：
成绩： 签字：
年 月 日
课程设计说明书 NO.1
双闭环直流调速与仿真
课程设计说明书 NO.2
目 录
1、前言………………………………………………………………….3
2、设计方案论证…………………………………………………….....4
3、系统仿真…………………………………………………………….7
4、心得体会…………………………………………………………….9
5、参考文献…………………………………………………………….10
课程设计说明书 NO.3
1.前言
直流电动机拖动控制系统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。这主要由于直流电机具有良好的起，制动性能，宜于在大范围内平滑调速，并且直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。
由于要对电机进行稳定的转速控制，双闭环直流调速系统是现今在工业生产中应用最广泛的调速装置。该装置转速控制稳定，抗干扰能力强但由于直流系统的本身缺陷为得到较大的调速范围自动控制的直流调速系统往往采用变压调速为主。而在变压整流装置中应用最广的是三相全控桥式整流。这是用于三相全控桥式整流器输出直流电流的谐波小，脉动电流小，电流连续性好，往往只需要平波电抗器就可以输出稳定直流。可保证电机稳定运行不会有较大的脉动转矩，不仅保证了拖动系统的稳定同时对直流电机的损耗也小。本设计主要根据直流电机参数确定变压器，整流电路的相关参数，并且按照控制要求设计双闭环控制系统的结构及参数。
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2、设计方案论证
2.1.设计要求
（1）已知电动机参数为：nomp=3kW，nomU=220V，nomI=17.5A，nomn=1500r/min，电枢回路总电阻R=1.25，2GD=3.532Nm。采用三相全控桥式电路，Ks＝40，整流装置内阻recR=1.3。平波电抗器电阻LR=0.3。整流回路总电感L=200mH。电动势系数Ce＝0.132V.min/r,0.002oiTs，onT
=0.01s, Tm=0.16s, Tl=0.07s
（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imU=10V，ACR限幅输出ctmU=10V，最大给定nmU=10V，调速范围D=20，静差率s=10%，堵转电流 dblI=2nomI， 临界截止电流 dcrI=1.5nomI。
（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δn10%，空载起动到额定转速的过渡过程时间 ts0.5。
2.2.具体设计方法
2.2.1. 主电路电气原理图
系统组成及工作原理为了实现转速和电流两者负反馈分别起作用，双闭环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，两者实行串级连接，且都带有输出限幅电路，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；转速环在外面
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称作外环。以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 以实现在最大电流约束下的转速过渡过程最快的“最优”控制。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，这样构成了双闭环调速系统的原理图。
图1 系统电气原理框图
图2 双闭环调速系统结构图
2.2.2平波电抗器参数的计算：
Ud=2.34U2cos
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Ud=UN=220V, 取=0° U2=VUd0171.9434.22200cos34.2
0067.0150010*NnmnU 2857.05.172102*NimIU
2.2.3变压器参数的计算
变压器副边电压采用如下公式进行计算：NshTdIICUAnUUU2minmaxcos
VUCIIUAnVUVUNshTd110)105.05.09848.0(9.034.2122205.0105.0109.034.221,220222minmax则取已知
因此变压器的变比近似为：45.311038021UUK一次侧和二次侧电流I1和I2的计算I1=1.05×287×0.861/3.45=75A
I2=0.861×287=247A。
变压器容量的计算
S1=m1U1I1=3×380×75=85.5kVA，S2=m2U2I2=3×110×247=81.5kVA
S=0.5×(S1+S2)=0.5×(85.5+81.5)=83.5kVA，因此整流变压器的参数为：变比K=3.45，容量S=83.5kVA。
计算转速调节器参数
按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为
shTnn087.00174.05
转速环开环增益为 222224.3960174.052621sThhKnN
式中，为电流反馈系数其值为0067.0/10maxnV
ASR的比例系数为95.100174.085.20067.05216.0132.02857.062)1(nmenRThTChK
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3系统仿真
2.1理论计算参数仿真分析
根据理论设计结果，构建直流双闭环调速系统的仿真模型，如图2 所示。
在额定转速和空载下，对系统进行仿真得到电动机电枢电流和转速的仿真输出波形，如图3。
图3 直流双闭环调速系统的仿真模型
图4 转速环仿真图形
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图5 电流环仿真图形
从图中可以看出，扰动很快得到了调节，这是两个PI型调节器自动调节的作用。另外从图中也可以看到，系统是无静差运行的，符合设计的要求。从仿真的结果来看，得到这样结论：
(1) 工程设计方法在推导过程中为了简化计算做了许多近似的处理,
而这些简化处理必须在一定的条件下才能成立。例如: 将可控硅触发和整流环节近似地看作一阶惯性环节, 设计电流环时不考虑反电势变化的影响; 将小时间常数当作小参数近似地合并处理; 设计转速环时将电流闭环从二阶振荡环节近似地等效为一阶惯性环节等。
(2) 仿真实验得到的结果也并不是和系统实际的调试结果完全相同,
因为仿真实验在辨识过程中难免会产生模型参数的测量误差, 而且在建立模型过程中为了简化计算, 忽略了许多环节的非线性因素和次要因素。如:
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可控硅触发和整流环节的放大倍数K S 和失控时间sT , 这些都是非线性参数, 但在仿真中被近似看作常数; 再如, 设计电流调节器时只考虑电流连续时的情况, 而忽略了电流断续时的情况。
4 心得体会
通过本次对一个V-M双闭环不可逆直流调速系统课程设计使我对电力拖动自动控制系统有了进一步的了解与认识。对所学内容有了更深刻的印象，并且进一步认识到工程设计时与实际相联系的重要性，比如在计算元件参数时计算出来的值往往与实际生产参数不符，这就需要根据实际情况对参数进行取舍。确定了电流调节器和转速调节器的结构并按照设计参数要求对调节器的参数进行了计算和确定。并在确定所有参数的基础上对系统进行了Matlab仿真。
通过本次设计使我对电力拖动自动控制系统有了进一步的认识和了解。对电力电子器件在工业发展中所起的巨大作用也有了认识。另外在设计过程中遇到了一些难题，在自己查找多方资料并和同学相互讨论的情况下终于找到了解决的方法。这使我明白理论和实际是存在一定偏差的，计算结果并不能代表实际数据。总的来说这次设计让我受益匪浅，对我来说是一次很好的经历。
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5 参考文献
[1] 陈伯时 电力拖动自动控制系统——运动控制系统，第三版，机械工业出版社，2003
[2] 杨威 张金栋 主编 电力电子技术 ,重庆大学出版社，2002
[3] 王兆安，黄俊 电力电子技术，第四版,机械工业出版社，2008
[4] 黄俊 王兆安 电力电子变流技术 第三版,机械工业出版社，2005
[5] 莫正康 电力电子应用技术，第三版，机械工业出版社，2000
[6] 丁丽娜 自动控制系统实验指导书，大连海洋大学，2009
