单闭环直流调速系统课程设计

单闭环直流调速系统课程设计

一 绪论

转速单闭环调速系统的简要介绍及设计意义

直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。在对调速性能有较高要求的领域常利用直流电动机作动力,但直流电动机开环系统稳态性能不能满足要求,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,可用积分调节器代替比例调节器.

反馈控制系统的规律是要想维持系统中的某个物理量基本不变，就引用该量的负反馈信号去与恒值给定相比较，构成闭环系统。对调速系统来说，若想提高静态指标，就得提高静特性硬度，也就是希望转速在负载电流变化时或受到扰动时基本不变。要想维持转速这一物理量不变，最直接和有效的方发就是采用转速负反馈构成转速闭环调节系统

闭环转速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代电力拖动自动控制系统课程设计

- 1 - 价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。

二 单闭环调速系统的相关数据及图示

2.1 数据选择

2.1.1电动机型号Z4-225-11：

额定电压400V 额定转速 900r/min 额定电流193A

电枢回路电阻0.1406Ω 电枢回路电感4.9mH

2.1.2测速电机

选择型号: 321ZCF

额定电压: 100v 额定转速: 1500minr 额定电流0.4A

3）晶闸管整流触发装置：三相半波整流电路，整流变压器采用连接。

4）直流稳压电源V15。

2.2 单闭环直流调速系统的相关图示

图1 带转速负反馈的单闭环直流调速系统原理框图 电力拖动自动控制系统课程设计

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图2 带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统稳态结构框图

三、反馈控制闭环直流调速系统的设计过程与参数计算

3.1系统静特性参数

3.1.1 虽然采用PI调节，但实际上不可能完全无静差，其稳态速降不为零，但应该很小，即sDsnnNcl1很小。

3.1.2 电动机的电动式系数naNnenRIUC，代入数据算得：

0.414min/eCvr，开环额定速降eNopCRIn，则闭环系统的开环放大系数为：1clopnn。

3.2 各部件相关参数选择

3.2.1 电源：采用正反电源供电，即一端输出15V，另一端输出-15V，中间处为零伏、接地。 电力拖动自动控制系统课程设计

- 3 - 3.2.2 电位器RP1：选择-15V~+15V输出，中间接地，即VUn15*max。

3.2.3

比例积分（PI）调节器：

图3 比例积分（PI）调节器线路图

其中运算放大器选用YA741、管脚接线如下图4 所示：

图4 运算放大器

运算放大器的放大系数espCKKK/。

3.2.4 限幅装置：为保证输出地线性关系，采用齐纳二极管反向击穿限幅，同时为保证能反向限幅，用两个齐纳二极管串联。限幅值为V12，即VUc12max。

限幅电路图如下图5：

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图5

3.2.5 UPE环节的原理图设计,该环节的时间常数和放大系数的计算

UPE环节的动态结构图如下图6：

图6

整流电路：采用三相半波整流，为实现逆变，用两套三相半波，反向连接。采用2/配合控制的有环流可逆系统，此时需要串接电抗器，限制环流值在额定直流输出电流的3%~10%。当导通角α 30°时，电流连续 则cos17.12dUU,由于NUUd即小于电动机额定电压NUUcos17.12则cos17.12NUU及VUUN88.34117.1max2，取vU3602，则vUU2.42117.12dmax。则电力电子放大器的电压放大系数SmaxmaxK=421.23512dcUUVV。

NII%10dmin，电抗器2min1.4627.2mdLUIH。 电力拖动自动控制系统课程设计

- 5 - 三相半波失控时间ms33.3Ts。

电枢回路电磁时间常数27.20.1930.1406lLmHTsR

UPE环节的传递函数近似成一阶惯性环节，即：

ssTKWssss3)(1033.31351

在三相半波整流电路中，如果负载电动机按电感性负载处理，晶闸管承受的最大正向和反向电压均为变压器二次侧线电压的峰值，即vUUURM88245.23222；如果按电阻性负载处理，则其最高正压是二次侧相电压的峰值，即：vUUFM50922。晶闸管的额定电压选用时，额定电压为正常峰值电压的2~3倍，作为允许的操作过电压欲量。晶闸管的额定电压取: (23)NFmUU，因此可取n=1500UV

此处按电感性负载处理。由于加了平波电抗器，认为电感足够大，则变压器二次侧的相电流，亦即晶闸管的电流有效值为：21200.5770.577193107.5360TddIIIIAA，因而，通太平均电流()68.51.57TTAVIIA。选择晶闸管参数如下：电压U=1500v，电流I=80A。

3.3电流截止负反馈

电流截止负反馈环节如图7所示： 电力拖动自动控制系统课程设计

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图7

当comUdRsI时二极管截止，comUdRsI时二极管导通；电流负反馈信号iU即可加到放大器上去，因此，

截止电流scomRUdcrI，

堵转电流sncomRUU*dblI

联立上式 NscomIRU)2.11.1(Idcr

NSncomIRUU)25.1()(I*dbl

*dbl22193386AncomNsUUIIAR

又截止电流 dcrI1.2*1.2193231.6comNsUIAAR

由上面两个公式联立可得： M +

+ -

- Id

VD Ui 接放大器 M 电力拖动自动控制系统课程设计

- 7 - 比较电压comU=22.5V

串入电枢回路中的小阻值电阻sR=0.097

3.4反馈系数

稳态时，输入偏差为0，即：max*15nVUUnN，

则反馈系数为：

*max15/900min/0.017min/nUnVrVr

由于Cetg2，其中2为电位器分压系数、Cetg测速发电机电动势系数，且有 rVrVCetgmin/·15/1min·1500100

代入上式数值得20.25Cetg

取测速发电机输出最高电压时 其中电流约为额定值的51，则RP2R0.2750nNtgCetgnI

此时的RP2R的消耗功率为RP2W*0.24.8NNtgCetgnIW

为了留有裕量查表取RP2R 功率为：10w 电阻为：1000Ω

3.5 静特性结构框图

C0.414min/eVr,e12.42C

综上所述可得静特性结构框图如图8：

35 2.42

0.017 U*n

Un ∆Un Uc Ud0 E n - IdR 电力拖动自动控制系统课程设计

- 8 - 图8

3.6反馈控制闭环直流调速系统的动态框图与设计

构成系统的主要环节是电力电子变换器和直流电动机。不同电力电子变换器的传递函数，它们的表达式是相同的，都是

只是在不同场合下，参数Ks和Ts的数值不同而已。

直流电动机的传递函数：

假定主电路电流连续，则动态电压方程为：EtILRIUddddd0，

如果，忽略粘性磨擦及弹性转矩，电机轴上的动力学方程为：

tnGDTTdd3752Le

额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为： dmeICT，nCEe

LT— 包括电机空载转矩在内的负载转矩，N-m；

2GD— 电力拖动系统折算到电机轴上的飞轮惯量，N-m2；

emπ30CC —电机额定励磁下的转矩系数，N-m/A；

RLTl—电枢回路电磁时间常数，s；

me2m375CCRGDT— 电力拖动系统机电时间常数，s

整理以上各式得：

)dd(dd0dtITIREUl

tERTIIddmdLd

式中mLdlCTI为负载电流。

在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数为：

11)()()(0ddsTRsEsUsIl 1)(ssssTKsW电力拖动自动控制系统课程设计

- 9 - 电流与电动势间的传递函数为：

sTRsIsIsEmdLd)()()(

整个直流电动机的动态的结构图9所示：

图9

直流闭环调速系统中的其他环节还有比例放大器和测速反馈环节，它们的响应都可以认为是瞬时的，因此它们的传递函数就是它们的放大系数，即:

放大器: pnca)()()(KsUsUsW，测速反馈: )()()(nfnsnsUsW，

知道了各环节的传递函数后，把它们按在系统中的相互关系组合起来，就可以画出闭环直流调速系统的动态结构图，如下图所示。由图可见，将电力电子变换器按一阶惯性环节处理后，带比例放大器的闭环直流调速系统可以看作是一个三阶线性系统。

反馈控制闭环调速系统的动态结构图10所示：

图10

由图可见，反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是：

)1)(1()(m2mssTsTTsTKsWl