中主电路电流调节器及转速

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1、中北大学电力拖动自动控制系统 课程设计说明书学生姓名：学号：学 院：信息与通信工程学院专 业：自动化题 目： 双闭环V-M调速系统中主电路， 电流调节器及转速调节器的设计指导教师:中北大学电力拖动自动控制系统课程设计任务书11/12学年第 一 学期学院：信息与通信工程学院专业：自动化学生姓名：学号：_课程设计题目：双闭环V-M调速系统中主电路，电流调节器及转谏调节器的设计起迄日期： 8月22日8月26日课程设计地点：中北大学指导教师：课程设计任务书设计题目：双闭环 V-M 调速系统中主电路，电流调节器及转速调节器的设计。二、 已知条件及控制对象的基本参数：（ 1） 已知电动机参数为：pnom

2、=3kW ， Unom=220V ， Inom=17.5A ，nnom =1500r/min ，电枢绕组电阻Ra =1.25 ， GD2=3.53Ngm2 。采用三相全控桥式电路，整流装置内阻Rrec =1.3 。平波电抗器电阻RL =0.3 。整流回路总电感L=200mH 。（ 2）这里暂不考虑稳定性问题，设ASR 和 ACR 均采用 PI 调节器， ASR 限幅输出 Uim = 8V ， ACR 限幅输出Uctm=8V ，最大给定 Unm =10V ， 调 速范 围 D=20 ， 静差 率 s=10% ， 堵转 电流Idbl =2.1 I nom ，临界截止电流I dcr =2 Inom

3、。（3）设计指标：电流超调量8i% 5%,空载起动到额定转速时的转速超调量8 n 10%,空载起动到额定转速的过渡过程时间ts 0.5。三、 设计要求（ 1 ） 用工程设计方法和西门子调节器最佳整定法* 进行设计，决定 ASR 和 ACR 结构并选择参数。（ 2 ）对上述两种设计方法进行分析比较。（ 3 ） 设计过程中应画出双闭环调速系统的电路原理图及动态结 构图（ 4 ）利用matlab/simulink 进行结果仿真。* 为可选作内容设计方法及步骤：I用工程设计方法设计（ 1 ）系统设计的一般原则：（ 2 ）电流环设计1） 确定时间常数2） 选择电流调节器结构3） 选择电流调节器参数根据上

4、述参数可以达到的动态指标为4） 校验近似条件（ 3 ）转速环设计1） 确定时间常数2） 选择转速调节器结构3） 选择转速调节器参数4） 校验近似条件n用西门子调节器最佳整定法设计*1 ）电流环的动态校正2）转速环的动态校正ID两种设计方法的分析比较五、设计心得：六、参考资料：.系统设计的一般原则:按照 先内环后外环”的设计原则，从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节， 再 设计转速调节器电流内环)IIIVR7)7+1双闭环调速系统的动态结构图(2)电流环设计电流环动态结构图及简化:电流环的动志结构图及其化简1)确定时间常数根据已知数

5、据得GLrR3.53 x 2.85 x zr _ 门门=z s - 0162sS75x (). IS23 x3O工二七=也上1竺。Q 7sR 2.85三相桥式晶闸管整流电路的平均后时间 0.0017ST ,取电流反馈滤波时间常 数，可得电流环的小时间常数为0.002oi可得电流环的小时间常数为q = 7； + ?； -o 0017 s+0.002 s - O.OOS7 s2）选择电流调节器结构0 070.003718.9 二 10但由于对电流超调量有较严格要求，而抗扰指标却没有具体要求，因此电 流环仍按典型I型系统设计。电流调节器选用PI调节器，其传递函数为3）选择电流调节器参数积分时间常数：

6、门q=0.07 *为满足6 i% 5%取电流环开环增益K为:/、 (J x tLUUj / )电流调节器比例系数K为:135.14x0.07x2.850.218x37,8 1= 3.27取调节器的输入电阻R0=20K则电流调节器的各参数为:R = Kq R, =327xlOkQ =60.54 kC ,取 62 kQ0.07x10621 OrpF =1.13 pF取1 uF=0 4 jjF t4T 4 x0.002 x10s&、20x10、根据上述参数可以达到的动态指标为：6 i %M3% f%故该近似条件满足。小时间常数近似处理条件为:；J1/(也)=；(07m0.002) a-1=180Si

7、-1故该近似条件满足。(3)转速环设计转速环动态结构图及简化:电流环 城冏转速环的动态结构图及其简化确定时间常数IAI U* - ccn ,故转速反馈系数a为Flr10-2 =V miiii.0067 V iniar噜 1500电流环的等级时间常数为 0.0074$取转速反馈滤波时间常数0.01s,转速环的时间常数为：q =24 I ?c=0.0074sl0.0Js=0.0174s2）选择转速调节器结构设计要求中虽然允许系统有静差，转速调节器的稳态放大系数很大，因此转速调节器如采用比例调节器，将很难满足稳定性要求。为此，转速调节器采用近 似PI调节器，按典型II型系统进行设计。可证明，当近似

8、PI调节器的稳态放大系 数很大时，其传递函数可表示为3）选择转速调节器参数按跟随性能和抗扰性能较好的原则选择 h=5,求出转速超调量6 %ft过渡过程时间 ts。如果能够满足设计要求，则可根据所选的 h值计算有关参数；否则要改变h 值重新进行计算，直到满足设计要求为止。当h=5时,ASR1饱和超调量为：SC 2(/1 T6 4=(式中 功电动机允许过载系数, 动，则z=0;“一懑三. Z Inn i 按题意 入=2.1 ; z为负载系数，设为理想空载起当h=5时,故起动到额定转速，即n=时，退饱和超调量为6=9.2%、于10%,满足设计要求。ASRS和而不起调节作其中t2为恒流升速时间,空载起

9、动到额定转速的过渡过程中，由于在大部分时间内 用，使过渡过程时间ts延长，ts可表示为ts=t0+t2,0352x0.162x15002.85x2.1x17.5t0是退饱和超调过渡过程时间.s=0.3 Is退饱和超调过涟过程时间争动志速/I的回复时间.当h-5时%总4n 715期.他 DT恢复时间是按讥差为5%Qil算的.这里G2&TN=-170.41/mm.故5%C；= 83Mmi5这就是说，转速进入83吊面 的恢及时间为。5居口；达什的恢复时间I可接转逑进入5%茉i I 0 , hk J 5*o内5 =75 i iuiu 8.5 i limi,显然所需时间将远小J-0.153s,故可忽略不

10、计，丁是。率J=031s,可也 能满足设计要求.这样，就门|根州h=5 送抨转速阳节祭的冬也,ASR的时间常数为一hj -5x0,0174s-0.0S7s转速环开环增益为2/比 50x0.01747二 396尔TASR匕例系数为一(h-i-l) pC T 6x0,218x0 132x0.162K 二 1_.=8.42人底尺小10 x0.0067 x 2.85 x 0.0174如去调节器输入电阻Ro=20k ,则R =K R =8.4x20 kQ = 16SkQ + MZ 160 kO用It D0.087 x10s160x10jjF =0 54 pF，取 0.47 pF4）校验近似条件转速环截止

11、频率为47 _ 4x00bcl06Tff20,10、nF =2 liF tjfIR 2 pF-Av r1 -396.4x 0.0875-1 =3453T电流闭环传递函数简化条件为q ，现 545x0.00375-l=54.1 5T 4,故满足该简化条件。小时间常数近似处理条件为:4 a(与 力|jl/(27；XJ-V1/t2x07x001)bvs乃厂九 33故满足该简化条件。5)易犯错误此系统是有差系统，ASRZ乎可用比例调节器并按典型I型系统进行设计。这K ?月防反时，转速环的开环放大系数为“网1”根据设计指标，转速超调量要求6 n%小于10%,据此可选择参数为K 耳 丁幼=0,69e 0,

12、69x0.132x0.218x0.162 _JJ -=97于是一. 0 0174x0.0067x2 85上述设计过程的错误是：ASR采用比例调节器，当其放大系数为 9.7时，虽可满 足动态指标的要求，但却无法满足稳态指标要求。由前述计算可知，发展稳态指标 要求时KASR=76.3 ,即ASR采用比例调节器时无法解决动、稳态之间的矛盾，只 有当ASR采用PI调节器(或近似PI调节器)后，才能较好地解决这个矛盾。为此， 当系统对稳态指标要求较高时，即使是有差系统，ASR仍应采用PI调节器，并按典型II型系统进行设计。另外，计算空载起动到额定转速的过渡过程时间 st时，若查教材表2-6,当h=5时，

13、得017 s是不对的，此错误在于：教材表2-6所列数据是系统处于线性状态下得到的跟随性指标，它只适用与线性系统。而实际系统在突加给定后，由于ASR饱和不再起调节作用，因此其过渡过程时间将延长，其值主要由恒流升速的过程时间所决定。n用西门子调节器最佳整定法设计(1)电流环的动态校正双闭环系统中电流环的动态结构图，如教材中图 2-27所示。对于这种调节对象由一个大惯性环节和一个小惯性群所组成的系统，电流调节器可以采用PI调节器，即如果调节器按下列调节选择参数，电流环即将被校正为二阶最佳闭环调节系统r2?i =所得调节器参数为产工=瓯包07耳一凡G一2x0.218x37.84x0.0037s - 0

14、.021 s2.85因 Ro=20KC竺士监 705 4r 20xl03取1F,于是0X)7 xl(P -70 ktl取68。这时电流环可达到的动态指标为：最大超调量G %=40口,4 =47 4 =4.7 X 600370=0,017(2)转速环的动态校正将电流环与上述的工程设计方法同样处理，可画出转速环的动态机构图如图所示。对于这种调节对象由一个积分环节和一个小惯性群组成的系统，转速调节器可以采用PI调节器，即如果调节器按下述条件选择参数，系统即被校正为三阶最佳闭环调节系统所得调节器参数为T =47； =C R =4X0,074s=0.0696sJrLifrJr FT“0.132x0.16

15、2x0.218ky = -7“2x0.0174x0,0067x2,85R0=20k,一1 1 1IZ R = 130 k2 , UlU C7 = =0.54 . F. 上取Cn=0.47uF,给定滤波器白时间常数为0.0696S当转速调节器采用上述参数，并在输入端加给定滤波器一 1后，系统可以达到的动态指标为：转速最大超调量6 =8.1%,过渡过程时间ts=16.4 X0.0174s=0.265s。in两种设计方法的分析比较(1)西门子设计方法中的二阶最佳系统，与工程设计方法中的典型 I型系统 在结构上是一样的。前者选择参数的条件，相当于典型I型系统中选12KT 的情 况。(2)西门子设计方法

16、中三阶最佳系统与工程设计方法中的典型 II型系统在结 构上是一样的。前者选择参数的条件，相当于典型 II型系统中选中频宽h=4的情 况。(3)西门子设计方法的主要缺点是转速超调量计算未考虑 ASR饱和，因此给出的6过大；再采用较大时间常数的给定滤波，并不能减小6,因此只要ASR饱和，此滤波环节对抑制超调就无作用。止匕外，西门子方法没有给出参数变化时系统动态性能的变化趋势，这就给现场调试带来一定困难。二、设计心得：这次电力拖动自动控制系统历时一个星期，在整整一个星期的日子里，可以说得是苦多于甜， 但是可以学到很多很多的的东西， 同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到

17、过的知识。1. 学习是没有止境的。 在做这个课程设计之前， 我一直以为自己的理论知识学的很好了。 但是在完成这个设计的时候， 我总是被一些小的， 细的问题挡住前进的步伐， 让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。 最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。 并且我在做设计的过程中发现有很多东西， 我都还不知道。 其实在计算设计的时候， 基础是一个不可缺少的知识， 但是往往一些核心的高层次的东西更是不可缺少。2. 多和同学讨论。 我们在做课程设计的工程中要不停的讨论问题， 这样， 我们可以尽可能的统一思想， 这样就不会使自己在做的过程中没有方向， 并且这样也是为了方便最后程序和在一起。 讨论不仅是一些思想的问题， 他还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的人处理问题要快一些。3. 多改变自己设计的方法。 在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题。三、 参考资料：1 黄俊 . 电力电子变流技术.北京：机械工业出版社，2 陈伯时 . 电力拖动自动控制系统.北京： 机械工业出版社 。