電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計(電氣工程)

1、2009年度本科生電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計院 系： 工 學(xué) 院 專 業(yè)： 電 氣 工 程 及 其 自 動 化 年 級： 06 級 學(xué)生姓名： 柴 春 平 學(xué) 號： 200603050467 導(dǎo)師及職稱： 段志梅（講師） 2009年12月電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計摘 要轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是應(yīng)用最廣性能很好的直流調(diào)速系統(tǒng)。采用轉(zhuǎn)速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截

2、止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流值 Idcr 以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動電流達到最大值 Idm 后，受電流負反饋的作用降低下來，電機的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速過程延長。為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用電流負反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。問題是，應(yīng)該在起動過程中，只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋，達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，只要轉(zhuǎn)速負反饋，沒有電流負反饋。怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋，又使它們只能分別在不同的階

3、段里起作用呢？只用一個調(diào)節(jié)器顯然是不可能的，為了解決單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在的問題，可以采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，采用兩個調(diào)節(jié)器分別對轉(zhuǎn)速和電流進行調(diào)節(jié)。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速系統(tǒng)、電流調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計目錄課程設(shè)計任務(wù)書1第一章雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及原理21.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的系統(tǒng)組成22.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖2第二章主電路及保護環(huán)節(jié)的設(shè)計41.主電路的選取方案42.主電路元件的選擇42.1整流變壓器的選擇42.2晶閘管的選型62.3平波電抗器電感的計算63.保護電路的設(shè)計73.1過電壓保護及其計算73.2過電流保護8第三章電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計101.電流調(diào)

4、節(jié)器的設(shè)計101.1確定時間常數(shù)101.2選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)111.3選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)111.4校驗近似條件111.5計算調(diào)節(jié)器電阻和電容122.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計122.1確定時間常數(shù)122.2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)122.3計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)132.4校驗近似條件132.5計算調(diào)節(jié)器電阻和電容132.6校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量14第四章總結(jié)15參考文獻16附錄A17電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計課程設(shè)計任務(wù)書(一) 課程設(shè)計題目轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(二) 設(shè)計任務(wù)直流他勵電動機：功率Pe10KW，額定電壓Ue=220V，額定電流Ie=116A,磁極對數(shù)P=2，ne=1500r/min,勵磁電壓

5、220V,電樞繞組電阻Ra=0.112,主電路總電阻R0.32，L37.22mH(電樞電感、平波電感和變壓器電感之和)，電磁系數(shù)Ce=0.138 Vminr，Ks=22，電磁時間常數(shù)TL=0.116s，機電時間常數(shù)Tm=0.157s，濾波時間常數(shù)Ton=Toi=0.00235s，過載倍數(shù)1.5，電流給定最大值，速度給定最大值(三) 設(shè)計內(nèi)容1. 系統(tǒng)各環(huán)節(jié)選型1) 主回路方案確定。2) 控制回路選擇：給定器、調(diào)節(jié)放大器、觸發(fā)器、穩(wěn)壓電源、電流截止環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)器鎖零電路、電流、電壓檢測環(huán)節(jié)、同步變壓器接線方式（須對以上環(huán)節(jié)畫出線路圖，說明其原理）。2. 主要電氣設(shè)備的計算和選擇1) 整流變壓器計算

6、：變壓器原副方電壓、電流、容量以及聯(lián)接組別選擇。2) 晶閘管整流元件：電壓定額、電流定額計算及定額選擇。3) 系統(tǒng)各主要保護環(huán)節(jié)的設(shè)計：快速熔斷器計算選擇、阻容保護計算選擇計算。4) 平波電抗器選擇計算。3. 系統(tǒng)參數(shù)計算1) 電流調(diào)節(jié)器ACR中計算。2) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中計算。輸入電阻均為40K。3) 動態(tài)性能指標計算（包括空載起動到額定轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計算和過渡過程的時間的計算以及空載起動到額定轉(zhuǎn)速所需時間的計算）。4. 畫出雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖。 使用A1或A2圖紙，并畫出動態(tài)框圖（在設(shè)計說明書中）。第一章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及原理1. 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的系統(tǒng)組成 圖1-1 轉(zhuǎn)

7、速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR-電流調(diào)節(jié)器 TG-測速發(fā)電機TA-電流互感器 UPE-電力電子變換器 Un*-轉(zhuǎn)速給定電壓Un-轉(zhuǎn)速反饋電壓Ui*-電流給定電壓Ui-電流反饋電壓為實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套連接，如圖所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。2. 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和

8、電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖2-1所示。圖2-1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖圖中標出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。還表示了兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。 第二章 主電路及保護環(huán)節(jié)的設(shè)計1. 主電路的選取方案三相可控整流電路的控制量可以很大，輸出電壓脈動較小，易濾波，控制滯后時間短，因此在工業(yè)中幾乎都是采用

9、三相可控整流電路。在電子設(shè)備中有時也會遇到功率較大的電源，例如幾百瓦甚至超過12kw的電源，這時為了提高變壓器的利用率，減小波紋系數(shù)，也常采用三相整流電路。另外由于三相半波可控整流電路的主要缺點在于其變壓器二次側(cè)電流中含有直流分量，為此在應(yīng)用中較少。而采用三相橋式全控整流電路，可以有效的避免直流磁化作用。雖然三相橋式全控整流電路的晶閘管的數(shù)目比三相半波可控整流電路的多，但是三相橋式全控整流電路的輸出電流波形變得平直，當電感足夠大時，負載電流波形可以近似為一條水平線。2. 主電路元件的選擇2.1 整流變壓器的選擇因為晶閘管整流裝置所要求的交流供電電壓與電網(wǎng)不一致，為此需要配置整流變壓器。整流變壓

10、器使整流主電路與電網(wǎng)隔離，減少了電網(wǎng)與整流裝置的相互干擾。整流變壓器根據(jù)主電路的型式、負載額定電壓和額定電流，算出整流變壓器二次側(cè)相電壓U2、一次與二次額定電流以及容量。圖2-1 整流變壓器環(huán)節(jié)2.1.1 二次相電壓U2平時我們在計算U2是在理想條件下進行的，但實際上許多影響是不可忽略的。如電網(wǎng)電壓波動、管子本身的壓降以及整流變壓器等效內(nèi)阻造成的壓降等。所以設(shè)計時U2應(yīng)按下式計算：所以根據(jù)已知的參數(shù)及查表得： 2.1.2 一次與二次額定電流及容量計算如果不計變壓器的勵磁電流，根據(jù)變壓器磁動勢平衡原理可得一次和二次電流關(guān)系式為：式中 、變壓器一次和二次繞組的匝數(shù)；K變壓器的匝數(shù)比。由于整流變壓器

11、流過的電流通常都是非正弦波，所以其電流、容量計算與線路型式有關(guān)。三相橋式可控整流電路計算如下：大電感負載時變壓器二次電流的有效值為 U2=110V由一次側(cè)和二次側(cè)電壓得： 故=27.5A變壓器一次側(cè)容量為；S1=3U1I1=3×380V×27.5A=31.35KV·A變壓器二次側(cè)容量為：S2=3U2I2=3×110V×95A=31.35KV·AS=12S1+S2=1231.35+31.35KV·A=31.35KV·A考慮勵磁功率PL=450W，取 S1=31.35KV·A， S2=31.35KV·

12、;A， S=31.35KV·A， I1=28A， I2=95A。2.2 晶閘管的選型圖2-2 晶閘管整流環(huán)節(jié)根據(jù)任務(wù)書的給定參數(shù)，由于三相全控橋式整流電路阻感性負載移相范圍為0º90º，所以，當=0º時： 取110V由于三相橋式全控整流電路帶阻感性負載時，晶閘管可能承受的最大正反向電壓均為：Un=236U2=(538807)V取Un為650V當=116A時，流過每個晶閘管的電流有效值為：IVT=1.57IVT(AV)IVT=13Id=13×116=66.97A IVT(AV)=IVT1.57=66.971.5742.66AIN=1.52IVTA

13、V=(63.9985.32)A2.3 平波電抗器電感的計算為了使負載得到平滑的直流，通常在整流輸出端串入帶有氣隙鐵心的電抗器，也稱平波電抗器。這里主要計算在保證負載電流連續(xù)和輸出電流脈動系數(shù)達到一定要求的條件下所需的平波電抗器電感量。圖2-3 平波電抗器對于直流電動機負載的可控整流電路,為了使直流電動機在最輕負載下(Id=Idmin)，也能工作在其機械特性的電流直線段上，要求電樞回路的臨界電感量為：查表得K1=0.695，取Idmin=5Id=0.05×116=5.8A ，則L=K1U2Idmin=0.695×1105.8mH13mH式中：K1與整流電路形式有關(guān)的系數(shù)，查表

14、可得。 Idmin最小負載電流，常取電動機額定電流的510計算。 3. 保護電路的設(shè)計在電力電子器件電路中，除了電力電子器件參數(shù)要選擇合適外，還應(yīng)采用合適的過電壓保護，過電流保護等。3.1 過電壓保護及其計算3.1.1 交流側(cè)過電壓保護措施阻容吸收阻容保護，即在變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻和電容進行保護，通常采用三角形接法，如圖2-4所示。圖2-4 交流側(cè)阻容吸收環(huán)節(jié)其電容、電阻的計算及選擇：1) 電容CC113×6×IemSU22=13×6×10×313501102F=51.82F電容C的耐壓1.5Um=1.5×2×110V=23

15、3V式中 S變壓器容量（AV）； U2變壓器二次側(cè)相電壓有效值（V）； Iem變壓器勵磁電流百分數(shù)，10-100Kv·A的變壓器，對應(yīng)的Iem=104； Um阻容兩端正常工作時交流電壓峰值（V）。由公式計算出的電容量一般偏大，所以這里選CZJD-2型電容器，電容量50F，耐壓250V。2) 電阻RR13×2.3U22SUshIem=3×2.3×110231350×510=1.88IC=2fC1UC×10-6=2×50×55×110×10-6A=1.9APR134IC2R1=(34)×1

16、.92×1.88W=20.3627.15W式中 Ush變壓器的短路比，10-100kV·A的變壓器，對應(yīng)的Ush=510；這里選2、25W的電阻。3.1.2 晶閘管兩端的過電壓保護措施抑制晶閘管的關(guān)斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護電路的方法，如圖2-5所示。圖2-5 晶閘管兩端阻容保護電路接法電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值Um的1.1-1.5倍。電容C的耐壓1.5Um=1.5×6×110V=404V阻容保護的數(shù)值一般根據(jù)經(jīng)驗選定，這里根據(jù)晶閘管的額定電流選：C2=0.15F R2=8選CZJD-2型電容器，電容量0.2F，耐壓800V。P

17、R1=fCUm2×10-6=50×0.15×（3×240）2×10-6W=1.3W取R2=10，1.5W金屬膜電阻。3.2 過電流保護采用快速熔斷器（簡稱快熔）是電力電子裝置中最有效，應(yīng)用最廣泛的一種過電流保護措施，如圖2-6所示。圖2-6 快速熔斷器的接法在選擇快速熔斷器時應(yīng)考慮：1、快速熔斷的額定電壓應(yīng)大于線路正常工作電壓的有效值。2、快速熔斷熔體的額定電流IFU應(yīng)小于IN。同時又應(yīng)大于正常運行時晶閘管通過的電流有效值IT，即：ITIFUIN而 IT=13Id=13×116=66.97A故選擇熔斷器的型號為RL2-70，熔體電流為

18、70A。第三章 電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度。再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標。設(shè)計多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則是：從內(nèi)環(huán)開始，一環(huán)一環(huán)地逐步向外擴展。在這里是：先從電流環(huán)人手，首先設(shè)計好電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖繪于圖3-1，其中的濾波環(huán)節(jié) 包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定。由于電流檢測信號中常含有交流分量須加低通濾波，其濾波時間常數(shù)按需要選定。濾波環(huán)節(jié)可以抑制反饋信號中的交流分量，但同時也給反饋信號帶來延滯。為了平衡這一延滯作用，在給定信號通道中加人一個相同時

19、間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是：讓給定信號和反饋信號經(jīng)過同樣的延滯，使二者在時間上得到恰當?shù)呐浜希瑥亩鴰碓O(shè)計上的方便。圖3-1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有電機的換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用表示 。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道中也配上時間常數(shù)為的給定濾波環(huán)節(jié)。1. 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計1.1 確定時間常數(shù)1) 整流濾波時間常數(shù)Ts，三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.0017s；2) 電流濾波時間常數(shù)Toi，三相橋式電路每個波頭的時間是3.33ms，為了基本慮平波頭，應(yīng)有（12）Toi=3.33ms，因此取Toi=0.002

20、35s；3) 電流環(huán)小時間常數(shù)Ti，按小時間常數(shù)近似處理，取Ti=Ts+Toi=0.00405s。1.2 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由設(shè)計要求：i%5%，而且:因此可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計，電流調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為:(s)=1.3 選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù):；電流反饋系數(shù)：=U*imIdm=10V1.5IN=10V1.5×116A=0.06V/A轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：= U*nm/nmax=10/1500=0.007V.min/r電流環(huán)開環(huán)增益：要求i%5%時，應(yīng)取KI TSi =0.5，因此：于是，ACR的比例系數(shù)為： Ki=KIiRKs=123.5×0.116&#

21、215;0.3222×0.06=3.4731.4 校驗近似條件1) 電流環(huán)截止頻率ci=KI=123.5s-1；晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件為：2) ，滿足近似條件。3) 忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件為：31TmTl=3×10.157×0.116=22.23s-1<ci滿足近似條件。4) 小時間常數(shù)近似條件處理條件為：131TsToi=13×10.0017×0.00235=166.8s-1>ci滿足近似條件。1.5 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容電流調(diào)節(jié)器原理如圖32所示，按所用運算放大器取R0=40k，各電阻和電容值計算如下：圖3-2 含給

22、定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器Ri=KiR0=3.473×40k=138.92k，取140kCi=iRi=0.116140×1000F=0.83F，取0.85FCoi=4ToiR0=4×0.0023540×1000F=0.235F，取0.25F按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)指標為：i%=4.3%<5%（查表可知），滿足設(shè)計要求。2. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計2.1 確定時間常數(shù)1) 電流環(huán)等效時間常數(shù)為1KI=2Ti=2×0.00405s=0.0081s2) 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton =0.002353) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)Tn。按小時間常數(shù)近似處理，取Tn=1KI+Ton=0.0081s+0.00235s=0.0105s2.2 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)