双闭环VM调速系统中主电路电流调节器及转速调节器的设计Word文件下载.docx
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课程设计任务书
11/12学年第一学期
信息与通信工程学院
学生姓名:
课程设计题目:
双闭环V-M调速系统中主电路,
电流调节器及转速调节器的设计
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:
下达任务书日期:
2011年08月22日
课程设计任务书
一、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:
=3kW,
=220V,
=17.5A,
=1500r/min,电枢绕组电阻
=1.25
,
=3.53
。
采用三相全控桥式电路,整流装置内阻
=1.3
平波电抗器电阻
=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
=-8V,ACR限幅输出
=8V,最大给定
=10V,调速范围D=20,静差率s=10%,堵转电流
=2.1
,临界截止电流
=2
(3)设计指标:
电流超调量δ
%
5%,空载起动到额定转速时的转速超调量δ
10%,空载起动到额定转速的过渡过程时间t
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
四、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
2)选择转速调节器结构
3)选择转速调节器参数
5)易犯错误
Ⅱ 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
Ⅲ两种设计方法的分析比较
五、设计心得:
六、参考资料:
一.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。
电流环动态结构图及简化:
1)确定时间常数
根据已知数据得
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0.002oiT,可得电流环的小时间常数为
2)选择电流调节器结构
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:
为满足δ
5%,取电流环开环增益KI为:
电流调节器比例系数KI为:
取调节器的输入电阻R0=20K,则电流调节器的各参数为:
根据上述参数可以达到的动态指标为:
故能满足设计要求。
4)校验近似条件
电流环截至频率:
晶闸管装置传递函数近似条件为:
又有:
故该近似条件满足。
小时间常数近似处理条件为:
则
转速环动态结构图及简化:
确定时间常数
电流环的等级时间常数为0.0074s。
取转速反馈滤波时间常数0.01s,转速环的时间常数为:
2)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δ%和过渡过程时间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,ASR退饱和超调量为:
式中λ为电动机允许过载系数,按题意λ=2.1;
z为负载系数,设为理想空载起动,则z=0;
,
当h=5时,
故起动到额定转速,即n=时,退饱和超调量为δ=9.2%小于10%,满足设计要求。
空载起动到额定转速的过渡过程中,由于在大部分时间内ASR饱和而不起调节作用,使过渡过程时间ts延长,ts可表示为ts=t0+t2,其中t2为恒流升速时间,t0是退饱和超调过渡过程时间.
转速环开环增益为
ASR比例系数为
如去调节器输入电阻Ro=20k,则
转速环截止频率为
故满足该简化条件。
5)易犯错误
此系统是有差系统,ASR似乎可用比例调节器并按典型I型系统进行设计。
这时,转速环的开环放大系数为
根据设计指标,转速超调量要求δn%小于10%,据此可选择参数为
于是
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,得
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。
Ⅱ用西门子调节器最佳整定法设计
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
所得调节器参数为
因Ro=20k,
取1F,于是
取68。
这时电流环可达到的动态指标为:
最大超调量
(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
R0=20k,
取Cn=0.47uF,给定滤波器的时间常数为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
后,系统可以达到的动态指标为:
转速最大超调量δ=8.1%,过渡过程时间ts=16.4×
0.0174s=0.265s。
Ⅲ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δ过大;
再采用较大时间常数的给定滤波,并不能减小δ,因此只要ASR饱和,此滤波环节对抑制超调就无作用。
此外,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。
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- 闭环 VM 调速 系统 电路 电流 调节器 转速 设计
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