畢業(yè)論文轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要電機(jī)自動控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械，鋼鐵，礦山，冶金，化工，石油，紡織，軍工等行業(yè)。這些行業(yè)中絕大部分生產(chǎn)機(jī)械都采用電動機(jī)作原動機(jī)。有效地控制電機(jī)，提高其運(yùn)行性能，對國民經(jīng)濟(jì)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。20世紀(jì)90年代前的大約50年的時間里，直流電動機(jī)幾乎是唯一的一種能實(shí)現(xiàn)高性能拖動控制的電動機(jī)，直流電動機(jī)的定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互獨(dú)立并且正交，為控制提供了便捷的方式，使得電動機(jī)具有優(yōu)良的起動，制動和調(diào)速性能。盡管近年來直流電動機(jī)不斷受到交流電動機(jī)及其它電動機(jī)的挑戰(zhàn)，但至今直流電動機(jī)仍然是大多數(shù)變速運(yùn)動控制和閉環(huán)位置伺服控制首選。因?yàn)樗哂辛己玫木€性特性，優(yōu)異的控

2、制性能，高效率等優(yōu)點(diǎn)。直流調(diào)速仍然是目前最可靠，精度最高的調(diào)速方法。本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是應(yīng)用自動控制理論和工程設(shè)計(jì)的方法對直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制，設(shè)計(jì)出能夠達(dá)到性能指標(biāo)要求的電力拖動系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器，通過在DJDK-1型電力電子技術(shù)及電機(jī)控制試驗(yàn)裝置上的調(diào)試,并應(yīng)用MATLAB軟件對設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真和校正以達(dá)到滿足控制指標(biāo)的目的。目錄摘要I目錄II第一章、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理及數(shù)學(xué)模型11.1、數(shù)學(xué)模型的參數(shù)給定1、電樞回路的電磁時間常數(shù)TL1、電力拖動系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù)Tm1、觸發(fā)和整流裝置的放大倍數(shù)KS21.2、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理2、轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)2、調(diào)速系統(tǒng)的兩個基

3、本矛盾3、調(diào)速系統(tǒng)的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)原理5、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程分析5、轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用61.3、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主電路的數(shù)學(xué)模型7、主電路7、額定勵磁下的直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)描述7、晶閘管觸發(fā)和整流裝置傳函91.4、調(diào)速系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)10、整流變壓器的計(jì)算10、晶閘管組件的計(jì)算與選擇11、主電路的過電壓和過電流保護(hù)11、平波電抗器的參數(shù)計(jì)算121.5、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理及控制單元13、過流保護(hù)器(GL)、電流變送器(LB)13、電流調(diào)節(jié)器(ACR)13、零速封鎖器(LSF)13、給定器(GD)13、轉(zhuǎn)速變送器(SB)13、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)13、鋸齒波觸發(fā)器(CF)141.6、雙

4、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖14、電流調(diào)節(jié)器和電流變送器的傳函14、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速變送器的傳函14、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖15第二章、按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器162.1、設(shè)計(jì)要求16、基本數(shù)據(jù)（其中包括銘牌數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)）16、設(shè)計(jì)指標(biāo)172.2、工程設(shè)計(jì)方法的基本思路172.3、電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)17、電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的簡化17、確定電流環(huán)的時間常數(shù)18、電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇19、電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算20、校驗(yàn)近似條件20、電流環(huán)的動態(tài)性能指標(biāo)212.4、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)22、電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)22、轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其近似處理22、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選

5、擇23、轉(zhuǎn)速調(diào)解器參數(shù)的計(jì)算24、轉(zhuǎn)速環(huán)的性能指標(biāo)262.5、系統(tǒng)的靜態(tài)綜合及靜態(tài)性能指標(biāo)28、近似的PI調(diào)節(jié)器28、系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖29第三章、調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo)的數(shù)字仿真303.1、基于工程設(shè)計(jì)法的數(shù)字仿真30、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖30、時域分析30課程設(shè)計(jì)體會31參考文獻(xiàn)32第一章、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理及數(shù)學(xué)模型1.1、數(shù)學(xué)模型的參數(shù)給定1.1.1、電樞回路的電磁時間常數(shù)TLTL=0.176ms1、電樞回路總電阻RR0.221、電樞回路的總電感LL39.22mH1.1.2、電力拖動系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù)TmTm=0.127s1.1.2.1、電動機(jī)的CeCe=0.138 Vminr1.1

6、.3、觸發(fā)和整流裝置的放大倍數(shù)KSKs=221.2、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理1.2.1、轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)性能的要求經(jīng)量化和折算后可以表達(dá)為穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)任務(wù)書中給出了本系統(tǒng)調(diào)速指標(biāo)的要求。深刻理解這些指標(biāo)的含義是必要的，也有助于我們構(gòu)想后面的設(shè)計(jì)思路。在以下四項(xiàng)中，前兩項(xiàng)屬于穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，后兩項(xiàng)屬于動態(tài)性能指標(biāo)。1.2.1.1、調(diào)速范圍D生產(chǎn)機(jī)械要求電動機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，即（1-1）1.2.1.2、靜差率s 當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時，負(fù)載由理想空載增加到額定值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱作靜差率，即（1-2）靜差率是用來

7、衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。1.2.1.3、跟隨性能指標(biāo)在給定信號R（t）的作用下，系統(tǒng)輸出量C(t)的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來描述。具體的跟隨性能指標(biāo)有下列各項(xiàng)：上升時間，超調(diào)量，調(diào)節(jié)時間.1.2.1.4、抗擾性能指標(biāo)此項(xiàng)指標(biāo)表明控制系統(tǒng)抵抗擾動的能力，它由以下兩項(xiàng)組成：動態(tài)降落，恢復(fù)時間。1.2.2、調(diào)速系統(tǒng)的兩個基本矛盾在理解了本設(shè)計(jì)需滿足的各項(xiàng)指標(biāo)之后，我們會發(fā)現(xiàn)在權(quán)衡這些基本指標(biāo)的兩個矛盾，即1、 動態(tài)穩(wěn)定性與靜態(tài)準(zhǔn)確性對系統(tǒng)放大倍數(shù)的要求互相矛盾；2、起動快速性與防止電流的沖擊對電機(jī)電流的要求互相矛盾5。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件

8、下,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，解決了第一個矛盾。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速啟制動，突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，則單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程中的電流和轉(zhuǎn)矩。無法解決第二個基本矛盾。在電機(jī)最大電流受限的條件下，希望充分利用電機(jī)的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，又讓電流立即降低下來，使轉(zhuǎn)速馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流Idcr值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，

9、并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖1-1a所示。t0nIdnnIdnIdlt0Idla) b)圖1-1調(diào)速系統(tǒng)啟動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動過程b)理想快速啟動過程當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。對于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，盡量縮短起制動過程的時間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在電機(jī)最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限的條件下,希望充分地利用電機(jī)的過載能力,最好是在過渡過程中始終保持電流(轉(zhuǎn)矩)為允許的最大值,使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動,到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后,又讓電流立即

10、降低下來,使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載平衡,從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行.這樣的理想起動過程波形如圖1-1b所示,起動電流呈方形波,而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限的條件下，調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動過程。實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能突變，圖2-2b所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全的實(shí)現(xiàn)。問題是希望在啟動過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后,希望只有轉(zhuǎn)速反饋,不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用,而雙閉環(huán)系統(tǒng)就是在這樣的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。1.2.3、調(diào)速系統(tǒng)的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)原理見圖1-2：圖1-2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋

11、分別起作用,在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,二者之間實(shí)行串級連接.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)。為了獲得良好的動、靜態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓是Unmax，它決定了電流調(diào)節(jié)器給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓是Uimax，它限制了晶閘管整流器輸出電壓的最大值。1.2.4、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形是接

12、近理想快速起動過程波形的。按照轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在起動過程中的飽和與不飽和狀況，可將起動過程分為三個階段，即電流上升階段；恒流升速階段；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。從起動時間上看，第二段恒流升速是主要階段，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了在電流受限制下的快速起動，利用了飽和非線性控制方法，達(dá)到“準(zhǔn)時間最優(yōu)控制”。帶PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還有一個特點(diǎn)，就是起動過程中轉(zhuǎn)速一定有超調(diào)。其起動過程波形如圖1-3所示。圖1-3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的轉(zhuǎn)速和電流波形雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有如下三個特點(diǎn)：1、飽和非線性控制：隨著ASR的飽和和不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩個狀態(tài)。當(dāng)ASR飽和時，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)。系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系

13、統(tǒng)，當(dāng)ASR不飽和時，轉(zhuǎn)速閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。在不同情況下，表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的現(xiàn)行系統(tǒng)，這就是飽和非線性控制的特征。2、準(zhǔn)時間控制：啟動過程中主要階段實(shí)第II階段，即恒流升速階段。它的特征是電流保持恒定，一般選擇為允許的最大值，以便充分發(fā)揮電動機(jī)的過載能力，使啟動過程盡可能更快。這個階段屬于電流受限制的條件下的最短時間控制，或稱時間最優(yōu)控制。3、轉(zhuǎn)速超調(diào)：由于采用了飽和非線性控制,啟動過程結(jié)束進(jìn)入第III階段即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后,必須使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)。按照PI調(diào)節(jié)器的特性，只有使轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR的輸入偏差電壓Un為負(fù)值，才能使ASR退出飽和。這

14、就是說，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)6。1.2.5、轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的作用，可以歸納為1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用：1）使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓Um*變化，穩(wěn)態(tài)無靜差；2）對付在變化起抗擾作用；3）其輸出限幅決定允許的最大電流。2電流調(diào)節(jié)器的作用：1）對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用；2）起動時保證獲得允許的最大電流；3）在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨起給定電壓Um*變化；4）當(dāng)電動機(jī)過載甚至于堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全保護(hù)最用。如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動恢復(fù)正常7。1.3、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主電路的數(shù)學(xué)模型1.3.1、

15、主電路見附圖一1.3.2、額定勵磁下的直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)描述由圖2-5中的c)可列出微分方程如下：(主電路,假定電流連續(xù)) (額定勵磁下的感應(yīng)電動勢) (牛頓動力學(xué)定律,忽略粘性摩擦) (額定勵磁下的電磁轉(zhuǎn)矩)式中：TL包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，單位為Nm；GD2電力拖動系統(tǒng)運(yùn)動部分折算到電機(jī)軸上的飛輪轉(zhuǎn)矩，單位為Nm2；Cm=30Ce/電動機(jī)額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩電流比，單位為Nm/A；定義下列時間常數(shù)：TL=L/R電樞回路電磁時間常數(shù)，單位為s；Tm=(GD2R)/(375CeCm)電力拖動系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù)，單位為s。整理后得式中 IdL=TL/Cm負(fù)載額定電流.在零初始條件下，取等式兩側(cè)的

16、拉式變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù) (1-3)電流與電動勢間的傳遞函數(shù)為 (1-4)由以上傳遞函數(shù)，可以得到額定勵磁下直流電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1-4所示：圖1-4 額定勵磁下直流電動機(jī)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖由上圖可以看出，直流電動機(jī)有兩個輸入量。一個是理想空載整流電壓Ud0，另一個是負(fù)載電流IdL。前者是控制輸入量，后者是擾動輸入量。如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中把電流Id表現(xiàn)出來，可將擾動量IdL的綜合點(diǎn)前移，并進(jìn)行等效變換，如圖1-5所示圖1-5 直流電動機(jī)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的簡化和變換a) b) 1.3.3、晶閘管觸發(fā)和整流裝置傳函1、失控時間以單相全波純電阻負(fù)載整流電路為例來討論滯后時間的大小。假設(shè)在t1時刻某一

17、對晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，控制角為1；如果控制電壓Vct在t2時刻發(fā)生變化，但由于晶閘管已經(jīng)導(dǎo)通，Vct的改變對它已不起作用，平均整流電壓Vdo1并不會立即產(chǎn)生反應(yīng)，必須等到t3時刻該組件關(guān)斷以后，觸發(fā)脈沖才有可能控制另外一 對晶閘管。設(shè)Vct2對應(yīng)的控制角為2，則另一對晶閘管在t4時刻才導(dǎo)通，平均整流電壓變成Vd02。假設(shè)平均整流電壓是在自然換相點(diǎn)變化的，則從Vct發(fā)生變化到Vd0發(fā)生變化之間的時間Ts便是失控時間。本設(shè)計(jì)采用三相橋式整流電路，平均失控時間Ts =1.67(ms)，實(shí)際取1.7(ms)。1、晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳函用單位階躍函數(shù)來表示滯后，則晶閘管觸發(fā)和整流裝置的輸入輸出為 Ud0

18、=KsUct1(t-Ts)按拉氏變換的位移定理,則傳遞函數(shù)為 (1-5)考慮到Ts很小,忽略其高次項(xiàng),則晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)可近似成一階慣性環(huán)節(jié)(1-6)式中 Ks=觸發(fā)和整流裝置的放大倍數(shù)；Ts=觸發(fā)和整流裝置的平均失控時間。工程近似條件c1/3Ts (1-7)1.4、調(diào)速系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)在理解了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主電路的數(shù)學(xué)模型和工作原理之后，可以計(jì)算出各個組成部分的選用型號及取值。這一部分已有成熟理論，所以本文在此處只是簡要的給予部分計(jì)算過程。本設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)在系統(tǒng)中的兩個調(diào)節(jié)器。1.4.1、整流變壓器的計(jì)算1、整流變壓器的次級相電壓的有效值U2=113V1、變壓器的額定參數(shù)變壓器

19、接成/ Y 形，可以得到零線，同時濾除三次諧波。（1） 次級線電壓：U線= 1.732U2 = 196（V）（2） 二次側(cè)電流： I2 = 0.816Id = 95（A）（3） 變壓器的變比：K = U1相 /U2相= 1.95（4） 一次側(cè)相電流： I1=48.7（A）（5） 一次容量： S1 = 3 U1 I1(1+5%)= 32(KVA)（6） 二次容量： S2 = 3U2I2 = 32(KVA)（7） 平均計(jì)算容量：S = ( S1+ S2)/2 = 32(KVA)1.4.2、晶閘管組件的計(jì)算與選擇1、SCR的額定電流ITN= (1.5-2)KfbId=96128(A)取IT =100

20、(A)1.4.2.2、SCR的額定電壓:Utn= (2-3)Utm= 554831(V)取Utn=700(V)、主電路的過電壓和過電流保護(hù)1、過電壓保護(hù)（1）交流側(cè)過電壓保護(hù):用壓敏二極管抑制事故過電壓壓敏電阻的標(biāo)稱電壓：U1MA1.33*1.414*UB =1.33*1.414*196=368.6(V)通流容量: IPM110KFU2L/U1MA*I200.95=110*0.5*196*0.2540.95÷440.1=6.66(A)（2）直流側(cè)過壓保護(hù): 利用電阻和電容吸收操作過壓A. 電容C的參數(shù): C = 2LBKL2ID2 /(KV2-1)UD2= 2*2.94*103*0.

21、52*15.62/(22-1)*2202 = 2.5(µF)取 C = 4µFUC > 2UD= 2*220 = 440(V)取UC= 630(V)B. 電阻R的參數(shù):R = UD(KV-1) / KIID =220*(2-1)/0.5*15.6 = 28()取R = 30PR PD/800 = 2.8*103/800 = 3.7(W)取PR = 10W所以選定CD= 4µF/630V,RB = 30/10W1.4.3.2、晶閘管換向過電壓保護(hù)為防止在換相過程中，被關(guān)斷的晶閘管出現(xiàn)反向過壓，而導(dǎo)致反向擊穿。通常在晶閘管元件兩端并聯(lián)RC阻容吸收電路。C=0.2

22、5（uF）R=20()電容C的耐壓為：1.5*277V=415.5V電阻功率：PR=1.75*F*C*Utm2*10-6（W）=1.68W1.4.3.3、過電流保護(hù)每個橋臂串個快速融斷器額定電流：IN =ITNITN=100A，則：IN=100A。額定電壓:Urn KVTUUb/1.414 = 233.9（V）取Urn = 400V實(shí)際選用 RSO100A/400V 6只1.4.4、平波電抗器的參數(shù)計(jì)算1、限制電流脈動的電感量LmLm=(Udm/U2)*103*U2 / 2fbSiId= 15mH1.4.4.2、使電流連續(xù)的電感量LcrLcr= KcrU2/Idmin= 0.693*113/I

23、d*8%= 8mH1.4.4.3、電動機(jī)電樞電感LD和變壓器電感LBLD=19.1*UN*103/2PIN*nN=0.2mHLB =0.2mH1.5、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理及控制單元見附圖一1.5.1、過流保護(hù)器(GL)、電流變送器(LB)見附圖一1.5.2、電流調(diào)節(jié)器(ACR)見附圖一1.5.3、零速封鎖器(LSF)見附圖一1.5.4、給定器(GD)見附圖一1.5.5、轉(zhuǎn)速變送器(SB)見附圖一1.5.6、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)見附圖一1.5.7、鋸齒波觸發(fā)器(CF)見附圖一1.6、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖在對調(diào)節(jié)器具體設(shè)計(jì)之前，為了從整體理解整個雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，這里先給出了各調(diào)節(jié)器和變送

24、器的傳遞函數(shù)。1.6.1、電流調(diào)節(jié)器和電流變送器的傳函1、電流調(diào)節(jié)器ACR的傳遞函數(shù)Uct (s ) /Un*( s )-Id(s)= Ki (is+1) /is（Tois+1）其中： Ki=Ri/Ro電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) i=RiCi電流調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)Toi=0.25RiCoi電流反饋濾波時間常數(shù) 電流反饋系數(shù)1.6.1.2、電流變送器LB的傳遞函數(shù)Id (s) / Id (s)= (v/A)1.6.2、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速變送器的傳函1、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的傳遞函數(shù)U i*(s) / U n*(s) -n(s) =Kn (ns+1) /ns（Tons+1）其中：Kn=Rn/R0轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的

25、比例系數(shù)n=RnCn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)Ton=0.25RnCon轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)1.6.2.2、轉(zhuǎn)速變送器SB的傳遞函數(shù)Un(s)/n(s)=a（v/rpm）1.6.3、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，由上述各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。由于電流檢測信號中常含有交流分量，須加低通濾波，其濾波時間常數(shù)Toi按需要給定。濾波環(huán)節(jié)可以抑制反饋信號中的交流分量，但同時也給反饋信號帶來延滯。為了平衡這一延滯作用，在給定信號通道中加入一個相同時間常數(shù)Toi的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是：使給定信號和反饋信號經(jīng)過同樣的

26、延滯，使二者在時間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜希瑥亩鴰碓O(shè)計(jì)上的方便。同樣，由測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有電機(jī)的換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)由Ton表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，也需要在轉(zhuǎn)速給定通道配上時間常數(shù)為Ton為濾波環(huán)節(jié)6。所以實(shí)際的電路需增加電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波、和兩個給定濾波環(huán)節(jié)，見圖1-6:圖1-6雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖第二章、按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器2.1、設(shè)計(jì)要求本論文首先應(yīng)用經(jīng)典控制理論的工程設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)出轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),然后利用現(xiàn)代控制理論中的線性二次型性能指標(biāo)最優(yōu)設(shè)計(jì)方法, 設(shè)計(jì)此調(diào)速系統(tǒng)。2.1.1、基本數(shù)據(jù)（其中包

27、括銘牌數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)）（1）被控直流電動機(jī) Pe=22 kw Ue=220 v Ie=116 Ane=1500r/min Re=0.102 Ce=0.138 Vmin=1.5 （2）整流裝置 三相全控橋式整流電路 Rn=1.60 Ks=Ud/Uk=40 Ts=1.7 ms（3）電樞回路總電阻 R0.22（4）電樞回路總電感 L=39.22 mH（6）系統(tǒng)時間常數(shù) Tl0.176ms Tm=0.127ms（7）反饋濾波時間常數(shù) Toi=0.00285 s Ton=0.00285 s（8）調(diào)節(jié)器最大給定電壓 U*nm=U*im=10 v（9）調(diào)節(jié)器輸入回路電阻 R0=40 k2.1.2、設(shè)計(jì)指標(biāo)穩(wěn)

28、態(tài)指標(biāo)：無靜差；動態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量；空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。2.2、工程設(shè)計(jì)方法的基本思路用經(jīng)典的動態(tài)校正方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器必須同時解決自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性、抗干擾性等各方面相互矛盾的靜態(tài)、動態(tài)性能要求8。作為工程設(shè)計(jì)方法,首先要使問題簡化,突出主要矛盾。簡化的基本思路是，把調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過程分為兩步：第一步，先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度。第二步，再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標(biāo)這樣做，就把穩(wěn)、準(zhǔn)、快抗干擾之間互相交叉的矛盾問題分成兩步來解決，第一步先解決主要矛盾動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度，然后在第二步中進(jìn)一步滿足其它動態(tài)性能指標(biāo)。在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)

29、時，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計(jì)算以下就可以了。這樣就使設(shè)計(jì)犯法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計(jì)工作量6。2.3、電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.3.1、電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的簡化設(shè)計(jì)電流環(huán)首先遇到的問題是反電動勢產(chǎn)生的交叉反饋?zhàn)饔谩Ｋ磙D(zhuǎn)速環(huán)輸出量對電流環(huán)的影響。實(shí)際系統(tǒng)中的電磁時間常數(shù)TL一般遠(yuǎn)小于機(jī)電時間常數(shù)Tm，因而電流的調(diào)節(jié)過程往往比轉(zhuǎn)速的變化過程快得多，也就是說，比反電動勢E的變化快得多。反電動勢對電流環(huán)來說只是一個變化緩慢的擾動作用，在電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程中可以近似的認(rèn)為E不變，即E=0。這樣，在設(shè)計(jì)電流環(huán)時，可以暫不考慮反電

30、動勢變化的動態(tài)作用，而將電動勢反饋?zhàn)饔脭嚅_，從而得到忽略電動勢影響的電流環(huán)近似結(jié)構(gòu)圖。再把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)。最后，Ts和Toi一般比Tl小的多，可以當(dāng)作小慣性環(huán)節(jié)處理，看作一個慣性環(huán)節(jié)，取Ti=Ts+Toi6。圖2-1 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡2.3.2、確定電流環(huán)的時間常數(shù)2、三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.0017s2、電流濾波時間常數(shù)ToiToi =0.00285s2、電流環(huán)小時間常數(shù)TI = Ts+Toi=0.00455s (2-1)2.3.3、電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇首先應(yīng)決定要把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng),電流環(huán)的一項(xiàng)重要作用就是保持電樞電流在動態(tài)過程中不

31、超過允許值,因而在突加控制作用時不希望有超調(diào),或者超調(diào)量越小越好。從這個觀點(diǎn)出發(fā),應(yīng)該把電流環(huán)校正成典系統(tǒng)?？呻娏鳝h(huán)還有另一個對電網(wǎng)電壓波動及時調(diào)節(jié)的作用,為了提高其抗擾性能,又希望把電流環(huán)校正成典系統(tǒng)。一般情況下,當(dāng)控制對象的兩個時間常數(shù)之比TL/TI 10時,典系統(tǒng)的抗擾恢復(fù)時間還是可以接受的。因此,一般多按典系統(tǒng)來設(shè)計(jì)電流環(huán)6。本設(shè)計(jì)因?yàn)?i% 5%且TL/TI =0.000176/0.00455<10。所以 按典系統(tǒng)設(shè)計(jì),選PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 (2-2)式中 Ki電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)對消掉控制對象的大時間常數(shù)極點(diǎn)，選擇=TL, 則電

32、流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以化簡為圖2-2：圖3-2 電流環(huán)簡化成典系統(tǒng)2.3.4、電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算2、計(jì)算時間常數(shù)和比例系數(shù)電流調(diào)節(jié)器積分時間常數(shù):I =Tl =0.176ms電流開環(huán)增益: 要求i%5%, 應(yīng)取KITi=0.5因此KI = 0.5/Ti=0.5/0.00455=109.89（1/s）電流反饋系數(shù) (2-3)于是，ACR的比例系數(shù) :(2-4)2、計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容按所用運(yùn)放取R0 =40k(),則Ri = KiR0 = 4.64() (2-5)Ci =i /Ri= 0.000176/4.64=37.93F (2-6)Coi =4Toi /R0 =4*0.00285/(40*1

33、03)=2.85F(2-7)在工程實(shí)際中Ri取5k.2.3.5、校驗(yàn)近似條件電流環(huán)的截止頻率ci =KI =109.892.3.5.1、晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件ci 1/3Ts現(xiàn)在，1/3TS=1/3*0.0017s=196.1>ci ，滿足近似條件。2.3.5.2、忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件 (2-8)3(1/TmTl)1/2=3*(1/(0.127*0.000176)1/2=634.5>ci =KI =109.892、小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 (2-9)1/3(1/TsToi)1/2=1/3*(1/(0.0017*0.00285)1/2=151.44>ci =109.

34、89按上述參數(shù),電流環(huán)可以達(dá)到動態(tài)指標(biāo)I%=4.3%<5%。2.3.6、電流環(huán)的動態(tài)性能指標(biāo)2.3.6.1、頻域指標(biāo)電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3-2所示,其開環(huán)頻率特性為: (2-10)L()=20lgKI-20lg-20lg(1+Ti22)½(2-11)()=-90o-tg-1Ti (2-12)()=90o-tg-1Ti (2-13)根據(jù)典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨指標(biāo)和頻域指標(biāo)的參數(shù)的關(guān)系,當(dāng)KITi=0.5時, 阻尼比=0.707，振蕩指標(biāo)MP=1，截止頻率 ci=KI=74.6因此()=-90o-tg-1Ti=-116.6o (ci)=180-()=63.4o2.3.6.2、跟隨性

35、能指標(biāo)i%=4.3%<5% 上升時間tr=4.72Ti=4.72*0.00455=21.48ms 超調(diào)時間tm=6.5Ti=6.5*0.00455=29.58ms 調(diào)節(jié)時間tS=6Ti=6*0.00455=27.3ms2.4、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.4.1、電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時，可把已設(shè)計(jì)好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)。為此，需求出它的等效傳遞函數(shù)：(2-14) (2-15)近似條件:(2-16)式中 cn為轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率,其一般較低。在后續(xù)計(jì)算完成后,需校驗(yàn)此近似條件。2.4.2、轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其近似處理用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流閉環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

36、系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如3-3（a）所示。把給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改為U*n(s)/；再把時間常數(shù)為Ton和2Ti的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為Tn的慣性環(huán)節(jié)，且Tn=Ton+2TI,，則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖可轉(zhuǎn)化成圖2-3（b）。圖3-3 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其近似處理2.4.3、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇2、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)選用典型型系統(tǒng)的原因1). 系統(tǒng)在負(fù)載擾動作用下，動態(tài)速降要小。2). ST飽和時，速度環(huán)退飽和超調(diào)量不大。3). 速度環(huán)基本上是恒值系統(tǒng)。2.4.3.2、典型型系統(tǒng)參數(shù)和性能指標(biāo)的關(guān)系為了分析方便起見，引入一個新的變量h，令h=/T=2/1(2-1

37、7)h是斜濾為-20dB/dec的中頻斷的寬度(對數(shù)坐標(biāo))，稱作“中頻寬”。由于中頻段的狀況對控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)起著決定性的作用，因此h只是一個很關(guān)鍵的參數(shù)。從頻率特性上還可看出，由于T一定，改變就等于改變了中頻寬h；在確定以后，再改變K相當(dāng)于是開環(huán)對數(shù)幅頻特性上下平移，從而改變了截止頻率c。因此在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器時，選擇兩個參數(shù)h和c，就相當(dāng)于選擇參數(shù)和K。由“振蕩指標(biāo)法”中所用的閉環(huán)幅頻特性峰值Mr最小準(zhǔn)則，對于一定的h值，只有一個確定的c(或K)，可以得到最小的閉環(huán)幅頻特性峰值Mrmin，這時c和1，2之間的關(guān)系是2/c = 2h/(h+1) (2-18)c/1 = (h+1)/2 (2-19

38、)而1+2 = 2c/(h+1)+2hc/(h+1)=2c因此c=(1/2)(1+2)=(1/2)(1/+1/T)(2-20)對應(yīng)的最小M峰值是Mrmin=(h+1)/(h-1) (2-21)確定了h和c以后,可以很容易的計(jì)算和K。由h的定義知=hT (2-22)9(2-23)2.4.4、轉(zhuǎn)速調(diào)解器參數(shù)的計(jì)算要把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型型系統(tǒng)，ASR也應(yīng)采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 (2-24)式中 Kn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);n轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù).這樣,調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 (2-25)其中,轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益KN =KnR/(nCeTm) (2-26)上述近似的假定條件如下(1) cn1/(5

39、TI)=29.85rad/sec 見(2-11)(2)小時間常數(shù)近似條件: (2-27)即cn(1/3)(1/(2*0.0067*0.01)1/2=28.80(rad/sec)其中轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù): Ton = 0.00285s轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù): Tn = 2TI + Ton = 0.01195s按跟隨性能和抗擾性能都比較好的原則,取h=5則ASR的超前時間常數(shù):n=hTn=5*0.01195=0.05975(s)再由式(3-23),轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益KN =(h+1)/(2h2Tn2)=6/(2*25*0.011952)=840.3(1/s2)ASR的比例系數(shù)Kn=(h+1)CeTm/(2hRT

40、n) (2-28)=6*0.0575*0.138*0.127/(2*5*0.007*0.22*0.01195)=32.9轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率cn =KN/1= KN *n=840.3*0.117=98.32(2-29)取R0 =40k則 Rn =KnR0 =1316k (2-30)C n=n/R0 =0.05975/40k=1.49uF(2-31) Con=4Ton/R0=4*0.00285/40k=2.85uF (2-32)在工程實(shí)際中Rn取1400K.2.4.5、轉(zhuǎn)速環(huán)的性能指標(biāo)2、轉(zhuǎn)速環(huán)的跟隨性能指標(biāo)=因?yàn)?(2-33)得% =37.6%顯然,%不滿足設(shè)計(jì)要求，事實(shí)上，當(dāng)突加給定或大幅度升降或

41、制動時，ST處于飽和限幅狀態(tài)，系統(tǒng)的超調(diào)實(shí)際上是退飽和超調(diào)。而上述計(jì)算的%=37.6%卻是ASR處于線性狀態(tài)下的超調(diào)6。此時分析典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)的的基準(zhǔn)值： （2-34）當(dāng)h=5時，查典型型抗擾性能指標(biāo)表得所以，有（2-35）滿足設(shè)計(jì)要求。2.4.5.2、轉(zhuǎn)速環(huán)的抗擾性能指標(biāo)（1）突加負(fù)載的動態(tài)速降指標(biāo)：續(xù).1，有，所以（2-36）因此（2-37）滿足設(shè)計(jì)要求。（2）恢復(fù)時間指標(biāo)：根據(jù)“典型型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)關(guān)系”表，當(dāng)h=5時，而所以，滿足設(shè)計(jì)要求。2.5、系統(tǒng)的靜態(tài)綜合及靜態(tài)性能指標(biāo)2.5.1、近似的PI調(diào)節(jié)器嚴(yán)格來說，“無靜差”只是理論上的，因?yàn)榉e分或比例積分調(diào)節(jié)器在穩(wěn)態(tài)

42、時電容兩端的電壓不變，相當(dāng)于開路，由于ST和LT都采用了PI調(diào)節(jié)器,可以認(rèn)為其靜態(tài)放大倍數(shù)為無窮大,所以才能在輸入電壓U=0時，使輸出電壓Uct成為任意所需值，因此,消除了穩(wěn)態(tài)誤差,但是也容易使運(yùn)放產(chǎn)生“零漂”，引起系統(tǒng)的工作點(diǎn)移動。為了抑制“零漂”，往往采用近似的PI調(diào)節(jié)器，即在運(yùn)放的輸出端和輸入端并聯(lián)一個較大的硬反饋電阻，把靜態(tài)放大倍數(shù)壓下來，同時又不影響動態(tài)放大倍數(shù)。這樣系統(tǒng)就成了有差系統(tǒng)，有必要對系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)綜合，以滿足靜態(tài)性能指標(biāo)的要求。近似的PI調(diào)節(jié)器及對數(shù)幅頻特性如圖2-4所示：圖2-4 近似調(diào)節(jié)器及對數(shù)幅頻特性a)近似調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖b)近似調(diào)節(jié)器的對數(shù)幅頻特性在R1、C1兩端并接一個電阻R1/，其值一般為若干M，這樣就形成了近似的PI調(diào)節(jié)器，或稱“準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器”。這時調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)更低于無窮大，為KP/=Ri/R0，系統(tǒng)也只是一個近似的無靜差調(diào)速系統(tǒng)。 (2-38)式中KP/=Ri/R0，=(R1+R1)/R1>>1,1=R1C1。靜態(tài)放大倍數(shù)KP/=Ri/R0，動態(tài)放大倍數(shù)KP=Ri/R0。2.5.2、系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3-5所示:圖35 雙閉環(huán)調(diào)速系