双闭环直流调速系统毕业设计

唐山学院毕业设计

第1章 引 言

1．1 直流调速系统的概述

三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举

第一章 双闭环直流调速系统的工作原理

1.1直流调速系统简介

调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用最普遍的一种系统。目前，需要高性能可控电力拖动的领域多数都采用直流调速系统。

1.2晶闸管-电动机直流调速系统简介

20世纪50年代末，晶闸管（大功率半导体器件）变流装置的出现，使变流技术产生了根本性的变革，开始进入晶闸管时代。由晶闸管变流装置直接给直流电动机供电的调速系统，称为晶闸管-电动机直流调速系统，简称V-M系统，又称为静止的Ward-leonard系统。这种系统已成为直流调速系统的主要形式。

图1.1是V-M系统的简单原理图[1,3,5]。图中V是晶闸管变流装置，可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，以改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。由于V-M系统具有调速范围大、精度高、动态性能好、效率高、易控制等优点，且已比较成熟，因此已在世界各主要工业国得到普遍应用。

- +~GT

Uc + L_~UdM

图1.1 晶闸管-电动机直流调速系统（V-M系统）

但是，晶闸管还存在以下问题：

（1）由于晶闸管的单向导电性，给系统的可逆运行造成困难；

（2） 由于晶闸管元

黄石理工学院 课程设计报告

摘要

本文实现了转速电流双闭环直流调速系统的设计，实验结果可以准确直观的观察转速-电流双闭环调速系统的启动过程，可方便的设计各种不同的调节器参数及控制策略并分析其多系统性能的影响，取得了很好的效果。但怎样处理好转速控制和电流控制之间的关系呢？经过反复研究和实践，终于发现，如果在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，两者之间实行串联连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器ACR的输入，再用电流调节器的输出作为晶闸管触发装置的控制电压，那么这两种调节作用就能互相配合，相辅相成了。

本文利用MATLAB软件中的simulink组件对直流双闭环调速系统进行仿真，结果表明，应用MATLAB进行系统仿真具有方便，高效及可靠性高等优点。

关键词：双闭环直流调速系统，晶闸管，直流电动机，MATLAB，仿真

Abstract

This paper presents the speed-current double closed-loop DC speed control system design, experimental results can be accurate visual observation of sp

广东工业大学华立学院 课程名称 自动控制系统 题目名称 双闭环直流调速系统设计和Matlab仿真 学生学部（系） 机电与信息工程学部 专业班级 13自动化1班 学生姓名 侯华杰 序号 19 学生姓名 黄苑怀 序号 22 学生姓名 方炳坤 序号 14 学生姓名 吴银泉 序号 42 指导教师 黄淑芬 2016年 6 月 13 日

广东工业大学华立学院

大作业任务书

题目名称 学生学部（系） 专业班级

一、大作业的内容

转速、电流双闭环直流调速系统的设计和Matlab仿真，包括： 1．系统框图 2．系统稳态结构图 3．系统动态结构图

4．ASR、ACR的设计和参数选择

5．Matlab仿真，通过仿真确定调节器参数并讨论PI整定规律。

二、大作业的要求与数据

黄石理工学院 课程设计报告

摘要

本文实现了转速电流双闭环直流调速系统的设计，实验结果可以准确直观的观察转速-电流双闭环调速系统的启动过程，可方便的设计各种不同的调节器参数及控制策略并分析其多系统性能的影响，取得了很好的效果。但怎样处理好转速控制和电流控制之间的关系呢？经过反复研究和实践，终于发现，如果在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，两者之间实行串联连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器ACR的输入，再用电流调节器的输出作为晶闸管触发装置的控制电压，那么这两种调节作用就能互相配合，相辅相成了。

本文利用MATLAB软件中的simulink组件对直流双闭环调速系统进行仿真，结果表明，应用MATLAB进行系统仿真具有方便，高效及可靠性高等优点。

关键词：双闭环直流调速系统，晶闸管，直流电动机，MATLAB，仿真

Abstract

This paper presents the speed-current double closed-loop DC speed control system design, experimental results can be accurate visual observation of sp

邵阳学院毕业设计（论文）

引言

当前全球经济发展过程中，有两条显著的相互交织的主线：能源和环境。能源的紧张不仅制约了相当多发展中国家的经济增长，也为许多发达国家带来了相当大的问题。能源集中的地方也往往成为全世界所关注的热点地区。而能源的开发与利用又对环境的保护有着重大影响。全球变暖、酸雨等一系列环境灾难都与能源的开发与利用有关。

能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都极为重要。在高速增长的经济环境下，中国能源工业面临经济增长与环境保护的双重压力。有资料表明，受资金、技术、能源价格的影响，中国能源利用效率比发达国家低很多。90年代中国高耗能产品的耗能量一般比发达国家高12% ~ 55%左右，90%以上的能源在开采、加工转换、储运和终端利用过程中损失和浪费。如果进行单位

GNP能耗（吨标准煤/千美元）的国家比较（90年代中期），中国分别是瑞士、意大

利、日本、法国、德国、英国、美国、加拿大的14.4倍、11.3倍、10.6倍、8.8倍、

8.3倍、7.2倍、4.6倍、和4.2倍。1995年，中国火电厂煤耗为412克标准煤kW/h，

是国际先进水平的1.27倍。

由此可见，对能源的有效利用在我国已经非常迫切。

邵阳学院毕业设计（论文）

引言

当前全球经济发展过程中，有两条显著的相互交织的主线：能源和环境。能源的紧张不仅制约了相当多发展中国家的经济增长，也为许多发达国家带来了相当大的问题。能源集中的地方也往往成为全世界所关注的热点地区。而能源的开发与利用又对环境的保护有着重大影响。全球变暖、酸雨等一系列环境灾难都与能源的开发与利用有关。

能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都极为重要。在高速增长的经济环境下，中国能源工业面临经济增长与环境保护的双重压力。有资料表明，受资金、技术、能源价格的影响，中国能源利用效率比发达国家低很多。90年代中国高耗能产品的耗能量一般比发达国家高12% ~ 55%左右，90%以上的能源在开采、加工转换、储运和终端利用过程中损失和浪费。如果进行单位

GNP能耗（吨标准煤/千美元）的国家比较（90年代中期），中国分别是瑞士、意大

利、日本、法国、德国、英国、美国、加拿大的14.4倍、11.3倍、10.6倍、8.8倍、

8.3倍、7.2倍、4.6倍、和4.2倍。1995年，中国火电厂煤耗为412克标准煤kW/h，

是国际先进水平的1.27倍。

由此可见，对能源的有效利用在我国已经非常迫切。

转速电流双闭环直流调速系统设计

一.ACR和ASR的设计和参数计算： 1.电流环的设计：

根据题目要求，电流环按照典Ⅰ系统设计，电流环调节器采用PI调节器，其传递函数为W(1) 参数计算：

PWM的滞后时间常数TS ：

ACR?S?S?1???K?

ii?SiTS=

11==0.001s f1KHZ电流环小时间常数T?i：

T=T+T?iSoi=0.001s+0.001s=0.002s

电流反馈系数?：

?=Uim=

?Idm10=1.35V/A 2?3.7为将电流环校正为典Ⅰ系统，电流调节器的超前时间常数应对消掉控制对象的大时间常数Tl，即为满足

?=Til=0.015 s

?i ?5%，取KIT?i=0.5 = KKIi因此，KI?RS?=

12T?i=

1?1=250 s

2?0.002于是可以求得ACR的比例放大系数Ki：

R250?0.015?8?KK=K?=4.8?1.35=4.63

Iiis

所以电流环PI调节器的传递函数为：WACR?S??（2） 校验近似条件：

电流环截止频率wci?KI?250s 所以31?14.63?0.015S?1?

0.015STTm?3l1?1?54.8s

0.2?0.0151显然满足近似条件wci?3

双闭环调速系统的工作原理及其调试

一、双闭环调速系统的分析

1．双闭环调速系统的原理图

图2-1 转速、电流双闭环调速系统

ST——转速调节器 LT——电流调节器 SF——测速发电机 LH——电流互感器 Ugn、Ufn——转速给定和速度反馈电压 2．双闭环调速系统的工作原理

采用双闭环调速系统即可保证在起动过程中，起动电流不超过某一最大值，而使电机和可控硅元件不会被烧坏，又能保证稳态精度，这主要是依靠电流环和转速环的作用。

3．KZS-1型晶闸管直流调速实验装置 其面板布置图如图2-2所示。 4．转速调节器ST

ST的作用是在起动过程中的大部分时间里，转速调节器ST处于饱和限幅状态，转速环相当于开环，系统表现为恒值电流调节的单环系统，只有转速超调后，ST退出饱和后，才真正发挥线性调节作用，使转速不受负载变化的影响。

ST能将输入的给定和反馈信号进行加法、减法、比例、积分微分等运算，使其输出量按某种规律变化，其原理电路如图2-8所示。

图2-2 面板布置图

图2-3 转速调节器（ST）原理电路图

ST采用集成电路运算放大器组成，它具同相输入和反相输入两个输入端，其输出电压与两个输入端电压之差成正比。

2端为给定输入端，1端

一、 变流变压器容量的计算和选择

在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致；此外，为了尽量减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求它们相互隔离，故通常要配用整流变压器，这里选项用的变压器的一次侧绕组采用△联接，二次侧绕组采用Y联接。

U1为一次侧电压, I1为一次侧电流, S为整流变压器的总容量，S为变压器一次侧的容量，

S2为变压器二次侧的容量，U2为二次侧电压，I2为二次侧的电流，m1、m2为相数，以

下就是各量的推导和计算过程。

为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后，晶闸管交流侧的电压U2只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器次级电压U2。 影响U2值的因素有：

(1)U2值的大小首先要保证满足负载所需求的最大电流值的Idmax。

(2)晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降，用VT表示。 (3)变压器漏抗的存在会产生换相压降。

(4)平波电抗器有一定的直流电阻，当电流流经该电阻时就要产生一定的电压降。 (5)电枢电阻的压降。

综合以上因素得到的U2精确表达式为：

??IUN?1?(rD?rP)dmax?rD??nUTId?? U2???UIA??B?Ckd