双闭环交流调速系统课程设计.doc

1、安徽科技学院 2011 年度本科生交流调速课程设计0安徽科技学院双闭环交流调速系统设计课 程: 交流调速系统 院 系： 机电与车辆学院 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 2008 级 学生姓名： 孙红禄 邓锐 牛淼 张帅 邱明贺 邓大伟 陈宇学 号： 导师及职称： 范智平（讲师） 2011 年 12 月 19 号安徽科技学院 2011 年度本科生交流调速课程设计1摘 要本设计介绍了交流调速系统的基本概况及其研究意义，同时提出了本设计所要研究解决的问题，接着对系统各部分所需元器件进行比较选择并进行总体设计，最后采用工程设计方法对双闭环交流调速系统进行辅助设计，进行参数计算和近似校验。在调节

2、器选择方面，本设计选择的PI调节器，使得线路大为简化，且性能优良、调试方便、运行可靠、成本降低。触发电路则采用一种新型高性能集成移相触发器（MC787）设计的触发电路，它克服了分立元件缺点，抗干扰性优良，具有输入阻抗高、移相范围宽、装调简便、使用可靠、只需一片MC787就可以完成三相相移功能，使用效果较好。安徽科技学院 2011 年度本科生交流调速课程设计2目 录1 绪论 .41.1 研究交流调速系统的意义 .41.2 本设计所做的主要工作 .42 交流调速系统 .52.1 交流电机常用的调速方案及其性能比较 .52.2 三相交流调压调速的工作原理 .52.3 双闭环控制的交流调速系统 .62

3、.3.1 转速电流双闭环调速系统的组成 .72.3.2 稳态结构图和静特性.73 电路参数计算 .103.1 系统主电路的参数计算 .103.2 根据系统方块图进行动态计算 .103.3 调节器的设计参数计算 .123.3.1 电流调节器的参数计算 .133.3.2 转速调节器的参数计算 .144 控制系统硬件电路设计 .174.1 调节器的选择和调整 .174.2 触发电路的设计 .184.3 系统给定积分器 .205 设计体会 .226 参考文献 .22安徽科技学院 2011 年度本科生交流调速课程设计31 绪论1.1 研究交流调速系统的意义随着电力电子器件，大规模集成电路和计算机控制技术

4、的迅速发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，为交流调速系统的开发研究进一步创造了有利的条件。诸如交流电动机的串级调速、各种类型的变频调速，特别是矢量控制技术的应用，使得交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。现在从数百瓦的伺服系统到数百千瓦的特大功率高速传动系统，从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，已几乎都可采用交流调速传动。交流调速系统具有下面几个主要优点：1、交流电动机特别是鼠笼异步电动机的价格远低于直流电动机。2、交流电动机不易出现故障，维修非常简单。3、交流电

5、动机的使用场合没有限制。4、交流电动机的单机容量可远大于直流电动机。1.2 本设计中我们所做的主要工作本设计通过对双闭环交流调压调速系统发展趋势的分析，比较了多种常用的交流调速方案，并做出了方案选择。确定了控制系统方案后。对系统各个环节的设计参数进行了详细计算。在系统硬件设计方面进行了交流调压器的选择、和触发电路的选择。最后构建了双闭环交流调压调速系统，得到了较为满意的结果。2 交流调速系统2.1 交流电机常用的调速方案及其性能比较由电机学知，交流异步电动机的转速公式如下：安徽科技学院 2011 年度本科生交流调速课程设计4(2-1)160()/nnfsp式中 电动机定子绕阻的磁极对数；np电

6、动机定子电压供电频率；1fs 电动机的转差率。从式（2-1）中可以看出，调节交流异步电动机的转速有三大类方案。1.改变电动机的磁极对数由异步电动机的同步转速(2-2)016/nfp可知，在供电电源频率 不变的条件下，通过改接定子绕组的连接1f方式来改变异步电动机定子绕组的磁极对数 ，即可改变异步电动机的n同步转速 ，从而达到调速的目的。0n2.变频调速从式（2-1）中可以看出，当异步电动机的磁极对数 一定，转差np率 s定时，改变定子绕组的供电频率 可以达到调速目的，电动机转1f速 基本上与电源的频率 成正比，因此，平滑地调节供电电源的频率，n1f就能平滑，无级地调节异步电动机的转速。变频调速

7、调速范围大，低速特性较硬，基频 以下，属于恒转矩调速方式，在基频以上，属50ZfH于恒功率调速方式，与直流电动机的降压和弱磁调速十分相似。且采用变频起动更能显著改善交流电动机的起动性能，大幅度降低电机的起动电流，增加起动转矩。3.变转差率调速在交流异步电动机中，从定子传入转子的电磁功率 PM 可以分成两部分：一部分 是拖动负载的有效功率，另一部分是转差功2(1)MPS率 ，与转差率 s 成正比，它的去向是调速系统效率高低的标志。SMs安徽科技学院 2011 年度本科生交流调速课程设计52.2 三相交流调压调速的工作原理异步电动机的调压调速是指改变定子电压调速。如图 2.1 画出了定子电压为 、

8、 、 ( )时的机械特性。其特点是：1U“1“1U1) 变定子电压时， 不变， 也不变。0nms2) 最大转矩 及启动转矩 与定子电压的平方成正比。因此当定TqT子电压降低时， 和 减小很小。n3) 定子电压越低，机械特性直线段的斜率越大，即特性越软。图 2-1 画出了恒转矩负载特性和通风机特性。对于恒转矩特性，电动机只能在机械特性直线段( 段和 0 )稳定运行。在不同电压下0nmms的稳定工作点分别为 a、 b、c 。对于通风机负载，电动机在机械特性的全段范围（即转速 0 段或转差率 01 段）都能稳定运行。在不同电压下0n的稳定工作点分别是 a、 b、c。由图可见，当定子电压降低时，稳定运

9、行时的转速将降低（ , ）,从而实现了转速的调节。cbancbanTLabcU”1cabnmsSmTemaxU1U1U1”通风机负载特性图 2-1 异步电动机不同电压下的机械特性安徽科技学院 2011 年度本科生交流调速课程设计62.3 双闭环控制的交流调速系统2.3.1 转速电流双闭环调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联结，这就是说，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晶闸管整流器的触发装置。从结构上来看，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电

10、流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用 PI 调节器，要注意的是，考虑到运算放大器的输出是带限幅的，转速调节器 ASR 的输出限幅（饱和）电压是 ，它决定了电流调节器imU给定电压的最大值；电流调节器 ACR 的输出限幅电压是 ，它限制了ctm晶闸管整流器输出电压的最大值。2.3.2 稳态结构图和静特性对于静特性来说，有转速调节器饱和与不饱和两种情况。（1）转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳定时，它们的输入偏差电压都是零。因此（2-3）nUn（2-4）diiI由式 2-2 第一个关系式可得 （2-5）0*n由上面的式子得到静特性图 2-3

11、的 段。与此同时，由于 ASRA不饱和， ，从上述第二个关系式可知： 。这是说 *iimUdmIAn0段静特性从 （理想空载状态）一直延续到 ，而 一般都是0dIdI安徽科技学院 2011 年度本科生交流调速课程设计7大于额定电流 的。这就是静特性的运行段。dnomI（2）转速调节器饱和这时，ASR 输出达到限幅值 ，转速外环成开环状态，转速的变imU化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环系统。稳态时 （2-didII6）式中，最大电流 是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力dmI和拖动系统允许的最大加速度。式中所描述的静特性是图 2-3 中的 A-B段。这样的下垂特性

12、只适合于 的情况。因为如果 ，则0n0n，ASR 将退出饱和状态 。nUsKeC1R图 2-2 双闭环调速系统稳态结构图双闭环调速系统的静特性在负载电流小于 时表现为转速无静差，dmI这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到 后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个 PI 调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大、特别是为了避免零点漂移而采用“准 PI 调节器”时，静特性的两段实际上都略有很小的静差，如图 2-3 中虚线所示。

13、安徽科技学院 2011 年度本科生交流调速课程设计8图 2-3 双闭环系统的稳态特性4.各变量的稳态工作点和稳态参数计算双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系（2-7）nUn0（2-8）dLii I（2-9）sdLnesesdct KICRK0上述关系表明，在稳态工作点上，转速是由给定电压 决定的，nUASR 的输出量 是由负载电流 决定的，而控制电压 的大小则同iUdLI ct时取决于 n 和 ，或者说，同时取决于 和 。这些关系反映了 PIdI nUdLI调节器不同于 P 调节器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输入量，而 PI 调节器则不然，其输出量的

14、稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要 PI 调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系安徽科技学院 2011 年度本科生交流调速课程设计9统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算近似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：转速反馈系数 ；电流反*max/nU馈系数 ，两个给定电压的最大值 和 是受运算放大器/imdUInmi的允许输入电压限制的。3 电路参数计算3.1 系统主电路的参数计算已知系统控制电机(绕线式转子三相异步电动机)的参数为：, , , ,KWPN40VN3801AIN51min

15、/1480rN, cos=0.87,E 2N=340V，I 2N=81A，/Y 联结,HZf5,5.9 m=3，J=2.367kg.m 2。Y 接晶闸管未导通时，均承受本相相电压，导通时电流为 ，0.5IA流过晶闸管最大电流时，对应波形为全波，根据有效值 I 公式为：(3-1)2201()Iitdt负载平均电流 ，所对应的电流有效值 应小于额定电流所.5dIAI对应的有效值电流，即 ,这里取 1A。17ITfIK可选取 KP1 系列型号普通晶闸管作为主电路反并联调压器电路的导通管，其参数如下：通态平均电流 额定结温 门极触发电流/电压 门极不触发电流/电压1A 100 3mA30mA / 2.5V 0.4mA/0.3V 3.2 根据系统方块图进行动态计算图 3-1 中 为三相异步电动机的近似传函，这里 为电1MAKWTS MK动机的传递函数， 为机电时间常数，它可以通过实验或者铭牌数据求jd取。