雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、信息科學(xué)與工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)2010-2011 學(xué)年第 二 學(xué)期 課程名稱(chēng)： 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 2011 年 6月雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)與原理雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是建立在單閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)上的，實(shí)際的調(diào)速系統(tǒng)除要求對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整外, 很多生產(chǎn)機(jī)械還提出了加快啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程的要求,這就需要一個(gè)電流截止負(fù)反饋系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行嵌套連接。即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面稱(chēng)內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在

2、外面稱(chēng)外環(huán)。這就構(gòu)成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。原理：電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)階段突加給定電壓，隨著上升，當(dāng)后電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入端存在偏差信號(hào),經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值,使迅速上升到，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)。 電動(dòng)機(jī)以最大電流恒流加速啟動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的最大電流(堵轉(zhuǎn)電流)可以通過(guò)整定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來(lái)改變。在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速后, 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號(hào)減小到近于零,但其輸出由于積分作用，是轉(zhuǎn)速超調(diào)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài),閉環(huán)調(diào)節(jié)開(kāi)始起作用。對(duì)負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng),轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號(hào)將隨時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器來(lái)修正觸發(fā)器的移相電壓,使整流橋輸出的直流電壓相

3、應(yīng)變化,從而校正和補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差。 ·采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的理由在要求較高的調(diào)速系統(tǒng)中，一般有兩個(gè)基本要求：一是能夠快速啟動(dòng)制動(dòng)；二是能夠快速克服負(fù)載、電網(wǎng)等干擾。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，如果要求快速起動(dòng)，必須使直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中輸出最大的恒定允許電磁轉(zhuǎn)矩，即最大的恒定允許電樞電流，當(dāng)電樞電流保持最大允許值時(shí)，電動(dòng)機(jī)以恒加速度升速至給定轉(zhuǎn)速，然后電樞電流立即降至負(fù)載電流值。如果要求快速克服電網(wǎng)的干擾，必須對(duì)電樞電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。以上兩點(diǎn)都涉及電樞電流的控制，所以自然考慮到將電樞電流也作為被控量，組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。而且轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在突加給定下的跟隨性能、動(dòng)態(tài)限流性

4、能和抗擾動(dòng)性能等，都比單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)好。·工程設(shè)計(jì)方法： 先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)滿(mǎn)足所需的穩(wěn)態(tài)精度。 在選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)性能的要求。在選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)時(shí)，只采用少量的典型系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計(jì)某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路電路基本數(shù)據(jù)如下：1）直流電動(dòng)機(jī)：220V，136A，1460r/min, ,允許過(guò)載倍數(shù)2)晶閘管裝置放大系數(shù)Ks=40;3)電樞回路總電阻R=0.5;4)時(shí)間常數(shù)：電磁時(shí)間常數(shù)Tl=0.03s; 機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.18s;5)電流反饋系數(shù)6)調(diào)節(jié)器輸入電阻R0=20;7)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)電流調(diào)

5、節(jié)器，要求電流超調(diào)量，轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。試按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，并校驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量的要求能否得到滿(mǎn)足。電流環(huán)的設(shè)計(jì)（1）確定時(shí)間常數(shù)整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)；Ts=0.0017s。電流濾波時(shí)間常數(shù): Toi=0.002 s（三相橋式電路每個(gè)波頭是時(shí)間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有Toi=3.33ms，因此取Toi=2ms=0.002s）。按小時(shí)間常數(shù)近似處理。 (Ts和Toi一般都比Tl小得多,可以當(dāng)作小慣性群近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié))（2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求：%5%，可按典型型設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的,所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成P

6、I型的.檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能: （3）計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)ACR超前時(shí)間常數(shù)；電流環(huán)開(kāi)環(huán)時(shí)間增益:要求時(shí)，應(yīng)取 ，因此所以，ACR的比例系數(shù): （4）校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率: 晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件： 即 滿(mǎn)足近似條件； 忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件： 即 滿(mǎn)足近似條件； 小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：， 即 滿(mǎn)足近似條件； 按所用運(yùn)算放大器取=40，各電阻和電容值為 ，取40 ，取 ，取含濾波環(huán)節(jié)的PI型電流調(diào)節(jié)器按上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：，也滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)1）確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù) 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton=0.01s轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理 2）選

7、擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按跟隨和抗擾性能都能較好的原則,在負(fù)載擾動(dòng)點(diǎn)后已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié),為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差,還必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié),因此需要 由設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型型系統(tǒng)選用設(shè)計(jì)PI 調(diào)節(jié)器。3）選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù) 轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益：K ASR的比例系數(shù)： （4）近似校驗(yàn)轉(zhuǎn)速截止頻率為： 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為 滿(mǎn)足簡(jiǎn)化條件 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為 滿(mǎn)足近似條件 （5）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容，根據(jù)圖所示，取，則： 取 取 取 含濾波環(huán)節(jié)的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（6）檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，,不能滿(mǎn)足要求.按ASR退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量:，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。小結(jié)：

8、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)為外環(huán)，其作用是保證系統(tǒng)的穩(wěn)速精度；電流負(fù)反饋環(huán)為內(nèi)環(huán)，其作用是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距控制，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)限流以及改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在突加給定下的跟隨性能、動(dòng)態(tài)限流性能和抗擾動(dòng)性能等，都比單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)好。雙閉環(huán)能夠快速啟動(dòng)制動(dòng)，能夠快速克服負(fù)載、電網(wǎng)等干擾。如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，如果要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿(mǎn)足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照要求來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉(zhuǎn)矩。另外，在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中,電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量較遠(yuǎn),調(diào)節(jié)作用受到多個(gè)環(huán)節(jié)的延滯,因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動(dòng)的性能要差一些單閉環(huán)

9、調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗干擾性較差，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，必須待轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后，調(diào)節(jié)作用才能產(chǎn)生，因此動(dòng)態(tài)誤差較大。就目前來(lái)看，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速電路，因其具有極高的調(diào)速范圍、很好的動(dòng)靜態(tài)性能及抗擾性能，在調(diào)速領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。如直流調(diào)速和直流電機(jī)的軟起動(dòng)。它還應(yīng)用到造紙、擠塑、印染及其他直流調(diào)速領(lǐng)域。而且雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)因其具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，所以在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的制動(dòng)調(diào)速即提高工藝產(chǎn)品的質(zhì)量。在我國(guó)許多工業(yè)部門(mén)，如軋鋼、礦山采掘、海洋鉆探、金屬加工、紡織、造紙以及高層建筑等需要高性能可控電力拖動(dòng)場(chǎng)合，仍然廣泛采用直流調(diào)速系統(tǒng)。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用的先進(jìn)電氣調(diào)速系統(tǒng)幾乎完全實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)已經(jīng)