【正文】 統(tǒng) 課程設(shè)計(jì) 專 業(yè) ： 自動化 設(shè)計(jì)題目 ： 雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 班級 ： 自動化 0942 學(xué)生姓名 ： 周孝紅 學(xué)號 ： 08 指導(dǎo)教師 ： 雷霞 分院 院長 ： 許建平 教研室主任 ： 葉天遲 一、 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 三相橋式整流電路，已知參數(shù)為： PN=555KW,UN=750V,IN=760A,nN=375r/min,電動勢系數(shù) Ce=,電樞回路總電阻 R=，允許電流過載倍數(shù)λ =，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù) Ks=75,電磁時(shí)間常數(shù) Tl=,機(jī)電時(shí)間常數(shù) Tm=時(shí)間常數(shù) Toi=,轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù) Ton=。且調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓 U*nm=U*in=U*cm=10V,調(diào)節(jié)器輸入電阻 R0=40KΩ。 2） 建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型。 4） 利用 MATLAB 進(jìn)行雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真分析，并研究參數(shù)變化時(shí)對直流電動機(jī)動態(tài)性能的影響。 2）系統(tǒng)靜特性良好，無靜差（靜差率 2S? ）。 4)系統(tǒng)在 5%負(fù)載以上變化的運(yùn)行范圍內(nèi)電流連續(xù)。 4. 課程設(shè)計(jì)報(bào)告 要求 1）、要求在課程設(shè)計(jì)答辯時(shí)提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告。包括本次課程設(shè)計(jì)過程中的收獲、體會，以及對該課程設(shè)計(jì)的意見、建議等； D、設(shè)計(jì)中參考文獻(xiàn)列表； E、報(bào)告使用 B5紙打印，全文不少于 2021 字。 故障處理能力 （ 15） 優(yōu)：能夠自行對硬件和程序出現(xiàn)的問題，進(jìn)行合理、高效的解決； 良：在教師指導(dǎo)下能夠較好處理硬件和程序出現(xiàn)的問題，并能夠消化吸收； 中：在教師指導(dǎo)下能夠基本處理硬件和程序出現(xiàn)的問題，有一定的分析能力； 及：教師指導(dǎo)參與過多，才能夠完成硬件 和程序出現(xiàn)的問題； 不及：不能在教師指導(dǎo)下完成故障的處理。而直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動態(tài)性能，在高性能的拖動技術(shù)領(lǐng)域中，相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)幾乎都采用直流電力拖動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和 PI 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)可以再保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。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)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。但它只是在超過臨界電流值以后，強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。這時(shí)，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。 隨著社會化大生產(chǎn)的不斷發(fā)展，電力傳動裝置在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的得到廣泛應(yīng)用，對其生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高，這就需要越來越多的生產(chǎn)機(jī)械能夠?qū)崿F(xiàn)制動調(diào)速，因此我們就要對這樣的自動調(diào)速系統(tǒng)作一些深入的了解和研究。主電路由晶閘管構(gòu)成，控制回路主要由檢測電路，驅(qū)動電路構(gòu)成，檢測電路又包括轉(zhuǎn)速檢測和電流檢測等部分 。且調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓 U*nm=U*in=U*cm=10V,調(diào)節(jié)器輸入電阻 R0=40KΩ。 2） 建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型。 4） 利用 MATLAB 進(jìn)行雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真分析，并研究參數(shù)變化時(shí)對直流電動機(jī)動態(tài)性能的影響。 2）系統(tǒng)靜特性良好，無靜差（靜差率 2S? ）。 4)系統(tǒng)在 5%負(fù)載以上變化的運(yùn)行范圍內(nèi)電流連續(xù)。 第二章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 4 第 二 章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹 雙閉環(huán)（轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟(jì)，適用的電力傳動系統(tǒng)。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。 在單閉環(huán)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。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時(shí)的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖 1（ a）所示。 (a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程 (b)理想快速起動過程 圖 調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形 在實(shí)際工作中，我們希望在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，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（轉(zhuǎn)矩）IdL n t Id O Idm IdL n t Id O Idm Idcr n n (a) (b) 第二章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 5 為允許最大值，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，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。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(shí)加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 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，如圖 2 所示，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。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。因?yàn)?PI 調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)得到無靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時(shí)又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。 第二章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 6 圖 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 圖中 U*n、 Un— 轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電 壓； U*i、 Ui— 電流給定電壓和電流反饋電壓； ASR— 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器； ACR— 電流調(diào)節(jié)器； TG— 測速發(fā)電機(jī)； TA— 電流互感器； UPE— 電力電子變換器 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 穩(wěn)態(tài) 結(jié)構(gòu)圖和靜特性 圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為Ks ? 1/Ce U*n Uct Id E n Ud0 Un + + ASR + U*i IdR R ? ACR Ui UPE 第二章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 7 恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當(dāng)與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。 實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)到飽和狀態(tài)的。 1．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和 這時(shí)，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零，因此， *Un= = n??= 0n?? （ 11） *Ui= Ui= dI? （ 12） 由式（ 11）可得： n= ?*nU= 0n 從而得到靜特性曲線的 CA 段。而 dmI，一般都是大于額定電流 dnI的。 2．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 這時(shí)， ASR 輸出達(dá)到限幅值*imU，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。穩(wěn)態(tài)時(shí)： dI=?*im= dmI （ 13） 其中，最大電流 dmI取決于電動機(jī)的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度，由上式可得靜特性的 AB 段，它是一 條垂直的特性。 第二章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 8 圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性曲線 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極點(diǎn)模型為基礎(chǔ)的系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。圖中 )(sWASR 和 )(sWACR 分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。 圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 U*n ? Uct IdL n Ud0 Un + ? Ui WASR(s) WACR(s) Ks Tss+1 1/R Tl s+1 R Tms U*i Id 1/Ce + E 第二章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 9 起動過程分析 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓 gnU由靜止?fàn)顟B(tài)起動時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出電壓giU、電流調(diào)節(jié)器輸出電壓 k、可控整流器輸出電壓 dU、電動機(jī)電樞電流 aI和轉(zhuǎn)速 n的動態(tài)響應(yīng)波形過程如圖 所示。 圖 雙 閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形 第一階段是電流上升階段。當(dāng)增加到 La II ? （負(fù)載電流）時(shí)，電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動，以后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR的輸出很快達(dá)到限幅值 gimU ，從而使電樞電流達(dá)到所對應(yīng)的最大值 amI （在這過程中 dk UU, 的下降是由于第二章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 10 電流負(fù)反饋所引起的），到這時(shí)電流負(fù)反饋電壓與 ACR 的給定電壓基本上是相等的，即 amfig im IUU ??? （ 13）