转速 电流双闭环直流调速系统的课程设计(MATLAB Simulink)

I

电力拖动自动控制系统课程设计

电气工程及其自动化专业

任务书

1.设计题目

转速、电流双闭环直流调速系统的设计 2.设计任务

某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路， 基本数据为：

直流电动机：Un=440V，In=365A，nN=950r/min，Ra=0.04, 电枢电路总电阻R=0.0825, 电枢电路总电感L=3.0mH, 电流允许过载倍数=1.5，

折算到电动机飞轮惯量GD2=20Nm2。

晶闸管整流装置放大倍数Ks=40，滞后时间常数Ts=0.0017s 电流反馈系数=0.274V/A (10V/1.5IN) 转速反馈系数=0.0158V min/r (10V/nN) 滤波时间常数取Toi=0.002s，Ton=0.01s ===15V；调节器输入电阻Ra=40k 3.设计要求

(1)稳态指标:无静差

(2)动态指标:电流超调量5%；采用转速微分负反馈使转速超调量等于0。

目录

II

任务书............................................................................................................................... I 目录................................................................................................................................. II 前言.................................................................................................................................. 1 第一章 双闭环直流调速系统的工作原理.................................................................. 2

1.1 双闭环直流调速系统的介绍......................................................................... 2 1.2 双闭环直流调速系统的组成......................................................................... 3 1.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性............................................. 4 1.4 双闭环直流调速系统的数学模型................................................................. 5

1.4.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型.............................................. 5 1.4.2 起动过程分析...................................................................................... 6

第二章 调节器的工程设计.......................................................................................... 9

2.1 调节器的设计原则......................................................................................... 9 2.2 Ⅰ型系统与Ⅱ型系统的性能比较............................................................... 10 2.3 电流调节器的设计....................................................................................... 11

2.3.1 结构框图的化简和结构的选择........................................................ 11 2.3.2 时间常数的计算................................................................................ 12 2.3.3 选择电流调节器的结构.................................................................... 13 2.3.4 计算电流调节器的参数.................................................................... 13 2.3.5 校验近似条件.................................................................................... 14 2.3.6 计算调节器的电阻和电容................................................................ 15 2.4 转速调节器的设计....................................................................................... 15

2.4.1 转速环结构框图的化简.................................................................... 15 2.4.2 确定时间常数.................................................................................... 17 2.4.3 选择转速调节器结构........................................................................ 17 2.4.4 计算转速调节器参数........................................................................ 17 2.4.5 检验近似条件.................................................................................... 18 2.4.6 计算调节器电阻和电容.................................................................... 19

第三章 Simulink仿真 ............................................................................................ 20

3.1 电流环的仿真设计....................................................................................... 20

III

3.2 转速环的仿真设计....................................................................................... 21 3.3 双闭环直流调速系统的仿真设计............................................................... 22 第四章 设计心得........................................................................................................ 24 参考文献........................................................................................................................ 25

前言

1

许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再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，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。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的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止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，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。在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度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。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。

随着社会化大生产的不断发展，电力传动装置在现代化工业生产中的得到广泛应用，对其生产工艺、产品质量的要求不断提高，这就需要越来越多的生产机械能够实现制动调速，因此我们就要对这样的自动调速系统作一些深入的了解和研究。 本次设计的课题是双闭环晶闸管不可逆直流调速系统，包括主电路和控制回路。主电路由晶闸管构成，控制回路主要由检测电路，驱动电路构成，检测电路又包括转速检测和电流检测等部分。

第一章 双闭环直流调速系统的工作原理

1.1 双闭环直流调速系统的介绍

2

双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。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，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。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的电流或转矩。

在单闭环系统中，只有电流截止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Idcr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。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图1-（a）所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。

Id n Idm Idcr n Id n Idm n IdL IdL O (a)

t

O (b)

t (a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 (b)理想快速起动过程

图1 调速系统起动过程的电流和转速波形

在实际工作中，我们希望在电机最大电流（转矩）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起动，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。这样的理想起动过程波形如图1-（b）所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最

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