電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設計 (1)

1、課程設計任務書學生姓名：專業(yè)班級：電氣0701指導教師：一工作單位：一自動化學院題目：V-M雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)設計Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse初始條件：1技術(shù)數(shù)據(jù)：直流電動機：P=3KW,U=220V,I=17.5A,n=1500r/min,R=1.25Q堵轉(zhuǎn)電流I=21,截NNNNadblN止電流I=1.5I,GD2=dcrN三相全控整流裝置：K=40,R=1.3Qsrec平波電抗器：R=0.3QL電樞回路總電阻R=2.85Q，總電感L=200mH,電動勢系數(shù)：(C=e系統(tǒng)主電路：(T=0.16s,T=0

2、.07s)ml濾波時間常數(shù)：T=0.002s,T=0.01s,oion其他參數(shù)：u*=10V,U*=10V,U=10V,oW5%,oW10nmimcmin2.技術(shù)指標穩(wěn)態(tài)指標：無靜差(靜差率sW10%,調(diào)速范圍D220)動態(tài)指標：轉(zhuǎn)速超調(diào)量6W10%，電流超調(diào)量6W5%，動態(tài)速降nW10%,調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時ni間(調(diào)節(jié)時間)tW0.5ss要求完成的主要任務：1技術(shù)要求：(1) 該調(diào)速系統(tǒng)能進行平滑的速度調(diào)節(jié)，負載電機可逆運行，具有較寬的調(diào)速范圍(D210)，系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作(2) 系統(tǒng)靜特性良好，無靜差(靜差率sW2)(3) 動態(tài)性能指標：轉(zhuǎn)速超調(diào)量6<8%，電流超調(diào)量6&

3、lt;5%，動態(tài)速降nW10%，調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程ni時間(調(diào)節(jié)時間)tWlss(4) 系統(tǒng)在5%負載以上變化的運行范圍內(nèi)電流連續(xù)(5) 調(diào)速系統(tǒng)中設置有過電壓、過電流等保護，并且有制動措施2設計內(nèi)容：(1) 根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)型式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖（2）調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計算（包括有變壓器、電力電子器件、平波電抗器與保護電路等）（3）動態(tài)設計計算：根據(jù)技術(shù)要求，對系統(tǒng)進行動態(tài)校正，確定ASR調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)型式及進行參數(shù)計算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標的要求（4）繪制V-M雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣

4、原理總圖（要求計算機繪圖）（5）整理設計數(shù)據(jù)資料，課程設計總結(jié)，撰寫設計計算說明書摘要轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。具有調(diào)速范圍廣、精度高、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點，所以在電氣傳動系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。常用的電機調(diào)速系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)和電流閉環(huán)控制系統(tǒng)，二者都可以在一定程度上克服開環(huán)系統(tǒng)造成的電動機靜差率，但是不夠理想。實際設計中常采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，一般使電流環(huán)（ACR）作為控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)（ASR）作為控制系統(tǒng)的外環(huán)，以此來提高系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能。本文是按照工程設計的方法來設計轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的。使電動機滿足所要求的靜態(tài)和動態(tài)

5、性能指標。電流環(huán)應以跟隨性能為主，即應選用典型I型系統(tǒng)，而轉(zhuǎn)速環(huán)以抗擾性能為主，即應選用典型II型系統(tǒng)為主。關(guān)鍵詞：直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器1設計任務及要求1.1設計任務設計V-M雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)1）技術(shù)數(shù)據(jù)：直流電動機：P=3KW,U=220V,I=17.5A,n=1500r/min,R=1.25Q堵轉(zhuǎn)電流I=21,截NNNNadblN止電流I=1.5I，GD2=dcrN三相全控整流裝置：K=40,R=1.3Qsrec平波電抗器：R=0.3QL電樞回路總電阻R=2.85Q，總電感L=200mH,電動勢系數(shù)：（C=e系統(tǒng)主電路：（T=0.16s，T=0.07s）ml濾波時間

6、常數(shù)：T=0.002s,T=0.01s,oion其他參數(shù)：u*=10V,U*=10V,U=10V，oW5%,oW10nmimcmin2）技術(shù)指標穩(wěn)態(tài)指標：無靜差（靜差率sW10%,調(diào)速范圍D220）動態(tài)指標：轉(zhuǎn)速超調(diào)量6W10%，電流超調(diào)量6W5%，動態(tài)速降nW10%，調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時ni間（調(diào)節(jié)時間）tW0.5ss3）根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)型式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖4）調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計算（包括有變壓器、電力電子器件、平波電抗器與保護電路等）5）動態(tài)設計計算：根據(jù)技術(shù)要求，對系統(tǒng)進行動態(tài)校正，確定ASR調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的

7、結(jié)構(gòu)型式及進行參數(shù)計算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標的要求6）繪制V-M雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖（要求計算機繪圖）1.2設計要求1）該調(diào)速系統(tǒng)能進行平滑的速度調(diào)節(jié)，負載電機可逆運行，具有較寬的調(diào)速范圍（D220），系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作2）系統(tǒng)靜特性良好，無靜差（靜差率sWIO%）3）動態(tài)性能指標：轉(zhuǎn)速超調(diào)量6n<10%，電流超調(diào)量6i<5%，動態(tài)速降nW10%，調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時間（調(diào)節(jié)時間）tsW0.5s4）系統(tǒng)在5%負載以上變化的運行范圍內(nèi)電流連續(xù)5）調(diào)速系統(tǒng)中設置有過電壓、過電流等保護，并且有制動措施2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的總體設計改變電樞兩端的電壓能

8、使電動機改變轉(zhuǎn)向。盡管電樞反接需要較大容量的晶閘管裝置，但是它反向過程快，由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，需要可逆運行時經(jīng)常采用兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路，電動機正轉(zhuǎn)時，由正組晶閘管裝置VF供電；反轉(zhuǎn)時，由反組晶閘管裝置VR供電。如圖1所示兩組晶閘管分別由兩套觸發(fā)裝置控制，可以做到互不干擾，都能靈活地控制電動機的可逆運行，所以本設計采用兩組晶閘管反并聯(lián)的方式。并且采用三相橋式整流。雖然兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆V-M系統(tǒng)解決了電動機的正、反轉(zhuǎn)運行的問題，但是兩組裝置的整流電壓同時出現(xiàn)，便會產(chǎn)生不流過負載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱作環(huán)流，一般地說，這樣的環(huán)流對負載無益，只會加重晶閘

9、管和變壓器的負擔，消耗功率。環(huán)流太大時會導致晶閘管損壞，因此應該予以抑制或消除。為了防止產(chǎn)生直流平均環(huán)流，應該在正組處于整流狀態(tài)、Udof為正時，強迫讓反組處于逆變狀態(tài)、使Udor為負，且幅值與Udof相等，使逆變電壓Udor把整流電壓Udof頂住，則直流平均環(huán)流為零。于是U=-Udordof又由于U=UcosadofdomaxfU二Ucosadordomaxr其中，a和a分別為vf和VR的控制角。由于兩組晶閘管裝置相同，兩組的最大輸出電壓Ufr是一樣的，因此，當直流平均環(huán)流為零時，應有cosa二一cosarfa+a二180fr圖1兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)可逆線路系統(tǒng)設計的一般原則為：先內(nèi)

10、環(huán)后外環(huán)。即從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴展。在這里，首先設計電流調(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)，再設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。圖2為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖，圖3為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖中兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，二者串級連接，即把電流調(diào)節(jié)器的輸出作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入，再用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。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*決定了電流給定電壓的最大im值；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U限制了電力電子變換器的最大輸出電壓U。cmdm為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用

11、PI調(diào)節(jié)器。其中主電路中串入平波電抗器，以抑制電流脈動，消除因脈動電流引起的電機發(fā)熱以及產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩對生產(chǎn)機械的不利影響。圖3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3主電路的設計3.1主電路電氣原理圖及其說明主電路采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，使電流環(huán)(ACR)作為控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)(ASR)作為控制系統(tǒng)的外環(huán)，以此來提高系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能。二者串級連接，即把電流調(diào)節(jié)器的輸出作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入，再用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從而改變電機的轉(zhuǎn)速。通過電流和轉(zhuǎn)速反饋電路來實現(xiàn)電動機無靜差的運行。給定電壓七電流檢測1直流電動機轉(zhuǎn)速檢測圖4系統(tǒng)電氣原理框圖3.2平波電抗器參數(shù)的計算:U=2

12、.34Ucosad2U=U=220V,取a=0°dNUU=d22.34cos023二94°171VI=(5%T0%)I,這里取10%則dminNUL=0.693X2=0693X四=37.2308mH0.1X17.5dminU*nmnN蟲=0-0067U*im21N2x17.5二0.28573.3變壓器參數(shù)的計算變壓器副邊電壓采用如下公式進行計算:U+nUdmaxTApcosaCUminshI2N丿已知Udmax220V,取U1VTA=2.34p=0.9a10minU0.05shC=0.5220+2x12.34x0.9(0.98480.5x0.05x1)=110V因此變壓器的

13、變比近似為：kU380345U1102一次側(cè)和二次側(cè)電流I和I的計算12I=1.05X287X0.861/3.45=75A1I=0.861X287=247A2變壓器容量的計算S=mUI=3X380X75=85.5kVA1111S=mUI=3X110X247=81.5kVA2222S=0.5X(S+S)=0.5X(85.5+81.5)=83.5kVA12因此整流變壓器的參數(shù)為：變比K=3.45，容量S=83.5kVA3.4晶閘管元件參數(shù)的計算晶閘管的額定電壓通常選取斷態(tài)重復峰值電壓U和反向重復峰值電壓U中較小的標值作為該器件的DRMRRM額定電壓。晶閘管的額定電流一般選取其通態(tài)平均電流的1.5-

14、2倍。在橋式整流電路中晶閘管兩端承受的最大正反向電壓均為2U2，晶閘管的額定電壓一般選取其最大正反向電壓的2-3倍。帶反電動勢負載時，變壓器二次側(cè)電流有效值I是其輸出直流電流有效值I的一半，而對于橋式整流2d電路，晶閘管的通態(tài)平均電流I=VI，則在本設計中晶閘管的額定電流I,、=523-698AVT/2VT(AV)本設計中晶閘管的額定電壓U=311-466VN3.5保護電路的設計對于過電壓保護本設計采用RC過電壓抑制電路，該裝置置于供電變壓器的兩側(cè)或者是電力電子電路的直流上，如圖5所示。對于過電流保護本設計采用在電力變壓器副邊每相母線中串接快速熔斷器的方法來保護電路圖5過壓保護電路4電流調(diào)節(jié)器

15、設計4.1電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化分為忽略反電動勢的動態(tài)影響、等效成單位負反饋系統(tǒng)、小慣性環(huán)節(jié)的近似處理等環(huán)節(jié)。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)T1遠小于機電時間常數(shù)T，因此轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢lm得多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在按動態(tài)性能設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，即E0。這時，電流環(huán)如圖6所示。圖6忽略反電動勢動態(tài)影響的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成U*i(s)少，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)，如圖7所示。圖7等效成單位負反饋系統(tǒng)的電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖最后，由于T和T一般都比

16、T小得多，可以當作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間s0i丄U*i(s)常數(shù)為T=T+TEisoi則電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡化成圖8圖8電流環(huán)的簡化結(jié)構(gòu)圖4.2電流環(huán)參數(shù)的計算1）整流裝置滯后時間常數(shù)T。按表1，三相橋式電路的平均失控時間T=0.0017s。ss2）電流濾波時間常數(shù)本設計初始條件已給出，即T=0.002s。oi3）電流環(huán)小時間常數(shù)之和T=T+T=0.0037sEsoi表1各種整流裝置的失控時間整流電路形式最大失控時間Tx（ms）平均失控時間Ts（ms）單相半波simax2010單相橋式（全波）105三相半波6.673.33三相橋式、六相半波3.331.67從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望

17、電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，采用I型系統(tǒng)就夠了。從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應以跟隨性能為主，應選用典型I型系統(tǒng)。電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成W(s)ACRK任s+1)iiTSi式中Ki電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；Ti電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。檢查對電源電壓的抗擾性能：T=0.07=189189，參照典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的T0.0037Zi關(guān)系表格，可以看出各項指標都是可以接受

18、的。電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：=匚=°.°7頭電流環(huán)開環(huán)增益：要求8<5%時，應取KT=0.5，因此iIEi“0.50.51351K=135.1s-1iT0.0037Zi于是，ACR的比例系數(shù)為:KtR135.1x0.07x2.8540x0.2857=2.3585電流環(huán)截止頻率：°=K=135ls-i。ciI晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件:13Ts13x0.0017=196.1滿足近似條件不得用于商業(yè)用途忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件3.TT=3轟而=283473滿足近似條件ml電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件=180.8滿足近似條件丄工=13iTT0.

19、0017x0.002soi由圖9,按所用運算放大器取R=40k°，各電阻和電容值為0R=KR=2.3585x40k°=94.34k°取95k°ii0C=Ti=0.07F=0.7368pF取0.75yFiR95X103iC=4Tor=4X0.002F=0.2pF取0.2pFoiR40X1030圖9含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為5=4.3%5%，滿足設計要求5轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計15.1轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應為U*(s),因此電流環(huán)

20、在轉(zhuǎn)速環(huán)中應等效為1I(s)W(s)d=cliQU*(s)Pi用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如圖10所示和電流環(huán)一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成U*n(s)/a,再把時間常數(shù)為1/K和T的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中IOn圖10用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)的轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖最后轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡圖為圖11圖11等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理的轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖5.2轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的計算1)電流環(huán)等效時間常數(shù)1/K。由電流環(huán)參數(shù)可知KT=0.5，則IIEi=2T=2x0.0037=0.0074sEi2）轉(zhuǎn)速濾波時間

21、常數(shù)T。根據(jù)已知條件可知T=0.01sonon3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)T。按小時間常數(shù)近似處理，取1EnT=+T=0.0074+0.01=0.0174sEnKonI為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中,現(xiàn)在在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應該設計成典型II型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見，ASR也應該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為w(、K(ts+1)W(s、=式中Kntn-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);；ns轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5,則

22、ASR的超前時間常數(shù)為T二hT二5x0.0174二0.087snEn轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為h+12h2T2En62x52x0.01742=396.4s-26x0.2857x0.132x0.162x5x0.0067x2.85x0.0174ASR的比例系數(shù)為K=（h+】）卩CAn2haRTEn轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為w=n=Kt=396.4x0.087=34.5s-1cnWNn11）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為1l-Kr=丄、：135.1=637s-1滿足近似條件3耳Tei譏0037（2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為1.'行=1旦丄=38.7s-1滿足近似條件3iT30.01on根據(jù)圖12，取R0=40k°，則R=KR=10.95x40k°=438k°取440k°；nn00.087440x103F=0.1977F取0.2pF；Con4T"on取lpF圖12含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器當h=5時，查詢典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標的表格可以看出an=37.6%，不能