電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 課程設(shè)計(jì) 陳伯時(shí)VIP

1、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄1 設(shè)計(jì)任務(wù)1.1 技術(shù)數(shù)據(jù). 11.2 要求完成的任務(wù). 2 2 直流電機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng)的組成.2.1 雙閉環(huán)系統(tǒng)總體原理結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì).2.2 雙閉環(huán)系統(tǒng)各組成部分電路方案設(shè)計(jì)2.2.1 晶閘管整流電路及保護(hù)電路.2.2.2 觸發(fā)控制電路2.2.3 系統(tǒng)給定.2.2.4 檢測(cè)電路.2.2.5 調(diào)節(jié)器的選擇2.2.6 電氣控制.3 轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)計(jì)算.3.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)計(jì)算3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)計(jì)算.4 參考文獻(xiàn).5 附錄附錄1 直流電機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖紙附錄2 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)附件一：設(shè)計(jì)

2、說(shuō)明書書格式要求：1 設(shè)計(jì)任務(wù)：1.1 技術(shù)數(shù)據(jù)（1）用線性集成電路運(yùn)算 放大器作為調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速、電流無(wú)靜差直流控制系統(tǒng)，主電路由晶閘管可控整流電路供電的V-M系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)：額定數(shù)據(jù) 40KW,220V,210A,1000r/min,電樞電阻Ra=0.5,Rrec=0.8,Ks=40 飛輪轉(zhuǎn)矩:Kgm*m=7.0, 過載倍數(shù)1.5晶閘管可控整流電路：三相橋式整流電路，整流變壓器Y/Y連接，二次測(cè)線電壓U2l=230VV-M系統(tǒng)電樞回路總電阻：R=1測(cè)速發(fā)電機(jī)：永磁式，額定數(shù)據(jù)23.1W,110V,0.21A,1900r/min（2）穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo) 生產(chǎn)機(jī)械要求調(diào)速范圍: D=10；靜態(tài)率: s%5

3、% （3）動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 起動(dòng)超調(diào)量:n %15% %5% 擾動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)偏差:(n-n)/n *100%10% ;恢復(fù)時(shí)間: t0.5s （4）對(duì)起動(dòng)、停車的快速性無(wú)特別要求1.2 要求完成的任務(wù)（1） 完成直流轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)（2） 按性能系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及相關(guān)計(jì)算（3） 在實(shí)驗(yàn)室完成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)（4） 呈交一份不少于5000字課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書,一套設(shè)計(jì)圖紙, 一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告2 直流電機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng)的組成2.1 雙閉環(huán)系統(tǒng)總體原理結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì).l 直流電機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng)原理圖及其描述圖2-1 直流電機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng)原理圖轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是最典型的直流調(diào)速系統(tǒng)，其原

4、理結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。 雙閉環(huán)控制電流調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)是電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流分別由兩個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)器分別控制，且轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出就是電流調(diào)節(jié)器的給定，因此電流環(huán)能夠隨轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)電機(jī)電樞的電流。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于給定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分作用使輸出增加，即電流給定上升，并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電機(jī)電流增大，從而使電機(jī)獲得加速轉(zhuǎn)矩，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升。當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速高于給定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出減小，即給定電流減小，并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電機(jī)電流下降，電機(jī)將因?yàn)殡姶呸D(zhuǎn)矩減小而減速。在當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和輸出達(dá)到限幅值時(shí)，電流環(huán)即以最大電流限制Idm實(shí)現(xiàn)電機(jī)的加速，使電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間最短，在可逆調(diào)速系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電機(jī)的快速制動(dòng)。在不可逆

5、調(diào)速系統(tǒng)中，由于晶閘管整流器不能通過反向電流，因此不能產(chǎn)生反向制動(dòng)轉(zhuǎn)矩而使電機(jī)快速制動(dòng)。2.2 雙閉環(huán)系統(tǒng)各組成部分電路方案設(shè)計(jì)2.2.1 晶閘管整流電路及保護(hù)電路如下圖，為晶閘管整流電路原理圖，其中整流變壓器以Y/Y連接。三相橋式全控整流電路的特點(diǎn)：1) 2管同時(shí)通形成供電回路，其中共陰極組和共陽(yáng)極組各1，且不能為同1相器件。2) 對(duì)觸發(fā)脈沖的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60°。共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120°，共陽(yáng)極組VT4、VT6、VT2也依次差120°。同一相的上下兩個(gè)橋臂，即VT1與VT4，V

6、T3與VT6，VT5與VT2，脈沖相180°。 圖2-2 三相橋式全控整流電路原理圖3) ud一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。4) 需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有脈沖可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā)一種是雙脈沖觸發(fā)（常用）5) 晶閘管承受的電壓波形與三相半波時(shí)相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也相同。在電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)良好外，采用合適的過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、du/dt保護(hù)和di/dt保護(hù)也是必要的。保護(hù)電路：1) 過電壓保護(hù)措施：圖2-3過電壓抑制措施及配置位置F¾避雷器D¾變壓器靜電

7、屏蔽層C¾靜電感應(yīng)過電壓抑制電容RC1¾閥側(cè)浪涌過電壓抑制用RC電路RC2¾閥側(cè)浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路RV¾壓敏電阻過電壓抑制器RC3¾閥器件換相過電壓抑制用RC電路RC4¾直流側(cè)RC抑制電路RCD¾閥器件關(guān)斷過電壓抑制用RCD電路· 電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種。· 其中RC3和RCD為抑制內(nèi)因過電壓的措施，屬于緩沖電路范疇。 2) 過電流過載和短路兩種情況保護(hù)措施:圖2-4過電流保護(hù)措施及配置位置 · 同時(shí)采用幾種過電流保護(hù)措施，提高可靠性和合理性。· 電子

8、電路作為第一保護(hù)措施，快熔僅作為短路時(shí)的部分區(qū)段的保護(hù)，直流快速斷路器整定在電子電路動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定在過載時(shí)動(dòng)作。 · 快熔對(duì)器件的保護(hù)方式：全保護(hù)和短路保護(hù)兩種 · 全保護(hù)：過載、短路均由快熔進(jìn)行保護(hù)，適用于小功率裝置或器件裕度較大的場(chǎng)合。· 短路保護(hù)：快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護(hù)作用。· 對(duì)重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或全控型器件，需采用電子電路進(jìn)行過電流保護(hù)。· 常在全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)置過電流保護(hù)環(huán)節(jié)，響應(yīng)最快 。2.2.2 觸發(fā)控制電路 1) 晶閘管觸發(fā)在進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)時(shí)，可以把晶閘管觸發(fā)和整流

9、裝置當(dāng)作系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)看待。應(yīng)用線性控制理論進(jìn)行直流調(diào)速系統(tǒng)分析或設(shè)計(jì)時(shí)，須事先求出這個(gè)環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。實(shí)際的觸發(fā)電路和整流電路都是非線性的，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似看成線性環(huán)節(jié)。如有可能，最好先用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出該環(huán)節(jié)的輸入-輸出特性，即曲線，圖2-5是采用鋸齒波觸發(fā)器移相時(shí)的特性。設(shè)計(jì)時(shí)，希望整個(gè)調(diào)速范圍的工作點(diǎn)都落在特性的近似線性范圍之中，并有一定的調(diào)節(jié)余量。晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍內(nèi)的特性率決定，計(jì)算方法是: (2-1)圖2-5 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出特性和的測(cè)定 如果不可能實(shí)測(cè)特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。例如： 設(shè)觸發(fā)電路控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為

10、 Uc = 010V 相對(duì)應(yīng)的整流電壓的變化范圍是 Ud = 0220V 可取 Ks = 220/10 = 22 在動(dòng)態(tài)過程中，可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成是一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)是由晶閘管的失控時(shí)間引起的。眾所周知，晶閘管一旦導(dǎo)通后，控制電壓的變化在該器件關(guān)斷以前就不再起作用，直到下一相觸發(fā)脈沖來(lái)到時(shí)才能使輸出整流電壓發(fā)生變化，這就造成整流電壓滯后于控制電壓的狀況。 圖2-6 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時(shí)間顯然，失控制時(shí)間是隨機(jī)的，它的大小隨發(fā)生變化的時(shí)刻而改變，最大可能的失控時(shí)間就是兩個(gè)相鄰自然換相點(diǎn)之間的時(shí)間，與交流電源頻率和整流電路形式有關(guān)，由下式確定 (2-2)式中 交流電流頻

11、一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。 相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間來(lái)說(shuō)，Ts 是不大的，在一般情況下，可取其統(tǒng)計(jì)平均值 Ts = Tsmax /2，并認(rèn)為是常數(shù)。也有人主張按最嚴(yán)重的情況考慮，取Ts = Tsmax 。表2-1列出不同整流電路的失控時(shí)間。表2-1 各種整流電路的失控時(shí)間(f=50Hz)用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出關(guān)系為 (2-3)按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為 (2-4)由于式（2-4）中包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng)，分析和設(shè)計(jì)都比較麻煩。為了簡(jiǎn)化，先將該指數(shù)函數(shù)按臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開，則式（2-4）變成 (2-5)考慮到 Ts 很小，可忽略高

12、次項(xiàng)，則傳遞函數(shù)便近似成一階慣性環(huán)節(jié)。 (2-6)圖2-7 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 2) 同步變壓器同步變壓器是用來(lái)為晶閘管提供同步信號(hào)來(lái)作為其控制電壓的。在晶閘管整流電路中，晶閘管需要一個(gè)觸發(fā)脈沖來(lái)控制其導(dǎo)通，而在什么時(shí)刻給可控硅發(fā)觸發(fā)脈沖是要有時(shí)間基準(zhǔn)的，而這個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)通常便是晶閘管的陽(yáng)極電壓。即要使觸發(fā)脈沖與陽(yáng)極電壓同步，最直接的做法便是引陽(yáng)極電壓來(lái)作為觸發(fā)脈沖。但是這其中出現(xiàn)一個(gè)問題：一般整流橋陽(yáng)極電壓都比較高，不能直接引入控制裝置，因此需要利用一個(gè)變壓器來(lái)降壓，并同時(shí)起到一定的隔離作用，這個(gè)變壓器就是同步變壓器。簡(jiǎn)言之：同步變壓器的功能是將晶閘管陽(yáng)極電壓變壓來(lái)作為此晶閘管的控

13、制信號(hào)，有此作用的變壓器就叫做同步變壓器。2.2.3 系統(tǒng)給定.1. 電位器給定方式電位器的選擇方法如下：為了使測(cè)速發(fā)電機(jī)的電樞壓降對(duì)轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)的線性度沒有顯著影響，取測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出最高電壓時(shí)，其電流約為額定值的20%。2. （+15V，-15V）穩(wěn)壓電源各運(yùn)算放大器的供電電壓為+15V和-15V，晶閘管觸發(fā)電壓調(diào)節(jié)范圍為-15V+15V。2.2.4 檢測(cè)電路l 電流檢測(cè)電路圖2-8 電流檢測(cè)電路 (TA-電流互感器)在大功率電路中實(shí)用的是電流互感器檢測(cè)，如圖2-8電流互感器檢測(cè)在保持良好波形的同時(shí)還具有較寬的帶寬，電流互感器還提供了電氣隔離，并且檢測(cè)電流小損耗也小，檢測(cè)電阻可選用稍大的值，

14、如一二十歐的電阻。電流互感器將整個(gè)瞬態(tài)電流，包括直流分量耦合到副邊的檢測(cè)電阻上進(jìn)行測(cè)量，但同時(shí)也要求電流脈沖每次過零時(shí)磁芯能正常復(fù)位，尤其在平均電流模式控制中，電流互感器檢測(cè)更加適用，因?yàn)槠骄娏髂Ｊ娇刂浦斜粰z測(cè)的脈沖電流在每個(gè)開關(guān)周期中都回零。為了使電流互感器完全地磁復(fù)位，就需要給磁芯提供大小相等方向相反的伏秒積。在多數(shù)控制電路拓?fù)渲?，電流過零時(shí)占空比接近100，所以電流過零時(shí)磁復(fù)位時(shí)間在開關(guān)周期中只占很小的比例。要在很短的時(shí)間內(nèi)復(fù)位磁芯，常需在電流互感器上加一個(gè)很大的反向偏壓，所以在設(shè)計(jì)電流互感器電路時(shí)應(yīng)使用高耐壓的二極管耦合在電流互感器副邊和檢測(cè)電阻之間。l 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路如圖2-9示，采

15、用霍爾件的轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路，磁轉(zhuǎn)子M旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，使霍爾元件H的磁極(N、S)產(chǎn)生變化，從而檢測(cè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。從霍爾元件結(jié)構(gòu)上看，輸出端包含共模電壓Uc，電壓Uc與霍爾電壓毫無(wú)關(guān)系，使用時(shí)此電壓必須除去，一般采用差動(dòng)輸入的運(yùn)算放大器。該電路就是采用運(yùn)算放大器除去共模電壓?；魻栐妮敵龆私拥讲顒?dòng)放大器的輸 圖2-9 采用霍爾元件的電流檢測(cè)電路入端， 因此c點(diǎn)電壓等于d點(diǎn)電壓時(shí)，運(yùn)算放大器無(wú)輸出；c點(diǎn)電壓大于d點(diǎn)電壓或小于d點(diǎn)電壓時(shí)，有差動(dòng)信號(hào)輸入，這時(shí)運(yùn)算放大器輸出端有較大的輸出電壓。輸出為矩形波，電路中的反饋電阻Rf小時(shí)，也能獲得平穩(wěn)的輸出波形。運(yùn)算放大器有較大的放大作用，霍爾元件輸出 很小也不會(huì)有

16、問題，這時(shí)多采用輸出電壓小，溫度特性非常好的GaAs的霍爾元件。2.2.5 調(diào)節(jié)器的選擇llllllllll如圖2-1系統(tǒng)原理圖。于在起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的I、II、III三個(gè)階段。第I階段電流上升的階段（0 t1）n 突加給定電壓 U*n 后，Id 上升，當(dāng) Id 小于負(fù)載電流 IdL 時(shí)，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。n 當(dāng) Id IdL 后，電機(jī)開始起動(dòng)，由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值 U*im，強(qiáng)迫電流 Id 迅速上升。lllllllllllllllll圖2-

17、10第I階段電流上升的階段（0 t1）n 直到，Id = Idm ， Ui = U*im 電流調(diào)節(jié)器很快就壓制 Id 了的增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。 第 II 階段恒流升速階段（t1 t2）n 在這個(gè)階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流U*im 給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流 Id 恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。n 與此同時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)E 也按線性增長(zhǎng)，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，E 是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服它的擾動(dòng)， Ud0和 Uc 也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持 Id 恒

18、定。 圖2-11 第II階段恒流升速階段(t1-t2)n 當(dāng)ACR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說(shuō)， Id 應(yīng)略低于 Idm。n 恒流升速階段是起動(dòng)過程中的主要階段。n 為了保證電流環(huán)的主要調(diào)節(jié)作用，在起動(dòng)過程中 ACR是不應(yīng)飽和的，電力電子裝置 UPE 的最大輸出電壓也須留有余地，這些都是設(shè)計(jì)時(shí)必須注意的。第 階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（ t2 以后）n 當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值U*im ，所以電機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。n 轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)，使它開始退出飽和狀態(tài)，

19、 U*i 和 Id 很快下降。但是，只要 Id 仍大于負(fù)載電流 IdL ，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。圖2-12第階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段(t2以后）n 直到Id = IdL時(shí)，轉(zhuǎn)矩Te= TL ，則dn/dt = 0，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值（t = t3時(shí)）。n 此后，電動(dòng)機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在一小段時(shí)間內(nèi)（ t3 t4 ）， Id < IdL ，直到穩(wěn)定，如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會(huì)有一些振蕩過程。n 這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使 Id 盡快地跟隨其給定值 U*i ，或者說(shuō)，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。n 綜上所述，雙閉環(huán)直

20、流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程有以下三個(gè)特點(diǎn)： （1）    飽和非線性控制； （2）    轉(zhuǎn)速超調(diào)； （3） 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。 3 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 電流調(diào)節(jié)器(1)已知參數(shù)如下：直流電動(dòng)機(jī)：額定數(shù)據(jù) 40KW,220V,210A,1000r/min,電樞電阻Ra=0.5,Rrec=0.8,Ks=40，飛輪轉(zhuǎn)矩:Kgm*m=7.0, 過載倍數(shù)1.5V-M系統(tǒng)電樞回路總電阻：R=1測(cè)速發(fā)電機(jī)：永磁式，額定數(shù)據(jù)23.1W,110V,0.21A,1900r/min生產(chǎn)機(jī)械要求調(diào)速范圍: D=10；靜態(tài)率: s%5%時(shí)間常數(shù) Tl=0.03s，Tm=0.18s起動(dòng)超調(diào)量:n %15% %5%擾動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)偏差:(n-n)/n *100%10% ;恢復(fù)時(shí)間: t0.5s (2)確定時(shí)間常數(shù)1) 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts。按上表2-1，三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ts=0.0017s。2) 電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi。三相橋式電路每個(gè)波頭的