转速、电流双闭环直流调速系统的设计
设计总说明
本设计为转速、电流双闭环直流晶闸管调速系统。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流反馈作用稳定电流，后者通过转速反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，使转速随转速给定电压的变化而变化，具有优良的调速性能。
关键词：双闭环；晶闸管；转速调节器；电流调节器
The Design of Speed, Current Double-loop DC Converter
System Design Description
The design is speed, current double-loop SCR DC converter system. The system sets up the current detecting aspect, the current regulator ACR and the speed detecting link, speed regulator ASR, composes the current central and the speed central, the former through the feedback of the components to level off the current, the latter finally eliminates the deviation of speed bias, thus allowing the system to the purpose of regulating the current and speed. When the system starts, the speed outer ring saturates non-functional, the current inner ring plays a major role to regulate the starting current to maintain the maximum so that the speed linear change, to reach a given value; When it operates steadily, the speed negative feedback from the outer ring plays a major role, to let the speed changes with the given speed voltage, at the same time the current inner ring regulates the armature current of motor adjustment to balance the load current.
Key words: Double-loop; thyristor; the speed regulator; the current regulator
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目录
1.绪论............................................ 错误！未定义书签。
1.1双闭环直流调速系统的介绍.................. 错误！未定义书签。 1.2转速、电流双闭环直流调速系统的组成及原理.. 错误！未定义书签。 1.2.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成.... 错误！未定义书签。 1.2.2转速、电流双闭环直流调速系统的原理图.. 错误！未定义书签。 1.2.3双闭环直流调速系统的动态数学模型...... 错误！未定义书签。 1.2.4启动过程分析.......................... 错误！未定义书签。 2.参数测定....................................... 错误！未定义书签。
2.1主电路总电阻值得测定...................... 错误！未定义书签。 2.2电枢回路电感L的测定...................... 错误！未定义书签。
2.3直流电动机-发电机-测速发电机组的飞轮惯量GD2 的测定错误！未定义书签。 2.4主电路电磁时间常数Td的测定............... 错误！未定义书签。 2.5电动机电势常数Ce和转矩常数CM的测定...... 错误！未定义书签。 2.6系统机电时间常数TM的测定................. 错误！未定义书签。 3.V-M调速系统主电路设计 ......................... 错误！未定义书签。
3.1晶闸管整流电路方案........................ 错误！未定义书签。 3.2主电路主要器件参数选择.................... 错误！未定义书签。 3.2.1 可控整流变压器选择及计算 ............. 错误！未定义书签。 3.2.2 晶闸管的选择 ......................... 错误！未定义书签。 3.3反馈和保护电路............................ 错误！未定义书签。 3.3.1 转速检测电路 ......................... 错误！未定义书签。 3.3.2 电流反馈环节及过流保护环节 ........... 错误！未定义书签。 4.工程设计法设计双闭环系统的调节器............... 错误！未定义书签。
4.1调节器的设计原则.......................... 错误！未定义书签。 4.2调节器的设计要求......................... 错误！未定义书签。6 4.3 电流调节器设计 ........................... 错误！未定义书签。 4.4 转速调节器设计 ........................... 错误！未定义书签。
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5. Simulink仿真 ................................. 错误！未定义书签。
5.1电流环的仿真.............................. 错误！未定义书签。 5.2转速环的仿真.............................. 错误！未定义书签。 5.3 双闭环直流调速系统的仿真 ................. 错误！未定义书签。 6.系统调试....................................... 错误！未定义书签。
6.1 系统调试原则 ............................. 错误！未定义书签。 6.2实验线路及原理............................ 错误！未定义书签。 6.2 各控制单元的调试 ......................... 错误！未定义书签。 6.2.1移相控制电压Uct调节范围的确定........ 错误！未定义书签。 6.2.2调节器的调零.......................... 错误！未定义书签。 6.2.3调节器正、负限幅值的调整.............. 错误！未定义书签。 6.2.4电流反馈系数的整定.................... 错误！未定义书签。 6.2.5转速反馈系数的整定.................... 错误！未定义书签。 6.3系统调试.................................. 错误！未定义书签。 6.3.1开环外特性的测定...................... 错误！未定义书签。 6.3.2系统静特性测试........................ 错误！未定义书签。 7.总结........................................... 错误！未定义书签。 致谢............................................. 错误！未定义书签。 参考文献......................................... 错误！未定义书签。
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1 绪论
1.1双闭环直流调速系统的介绍
目前，需要高性能可控电力拖动的领域都采用直流调速系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。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1.1（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。
Idm Idcr
Id n IdL O t Id Idm
n IdL
O t b) 理想的快速起动过程
a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统
图1.1 直流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1.1（b）所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。
实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈
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就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。
1.2转速、电流双闭环直流调速系统的组成及原理 1.2.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成
对于经常正、反转运行的调速系统，利用双闭环调速系统具有十分明显的优势。它能充分利用电机的过载能力，在过渡过程中保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统以最大的加速度启动，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。
为实现转速和电流两种负反馈分别作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套连接，如图1所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
电流检测给定电压Un*+-ΔUnUn速度调节器-+Ui电流调节器Uc三相集成触发器Ui*三相全控桥Ud直流电动机n转速检测
图1.2.1 转速、电流双闭环直流调速系统框图
*—转速给定电压 Un—转速反馈电压 Ui*—电流给定电压 Ui—电流反馈电压 Un 2