轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PAGE1PAGE18PAGE1鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)2011級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)1106971班級(jí)題目轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓名蔡樹(shù)寰學(xué)號(hào)110697101指導(dǎo)教師孫標(biāo)職稱副教授二О一三年一月八日目錄第一章緒論 1第二章課程設(shè)計(jì)的要求與任務(wù) 22.1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 22.1.1設(shè)計(jì)任務(wù) 22.1.2設(shè)計(jì)要求 22.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 2第三章主電路的設(shè)計(jì) 53.1主電路電氣原理圖及其說(shuō)明 53.2平波電抗器參數(shù)的計(jì)算 53.3變壓器參數(shù)的計(jì)算 53.3.1一次側(cè)和二次側(cè)電流I1和I2的計(jì)算 63.3.2變壓器容量的計(jì)算 63.4晶閘管元件參數(shù)的計(jì)算 63.5保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 6第四章電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 74.1電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn) 74.2電流環(huán)參數(shù)的計(jì)算 84.2.1確定時(shí)間常數(shù) 84.2.2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 84.2.3計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 84.2.4校驗(yàn)近似條件 94.2.5計(jì)算調(diào)節(jié)電阻和電容 9第五章轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 115.1轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn) 115.2轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的計(jì)算 125.2.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇 125.2.2計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 135.2.3控制及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 14總結(jié)與體會(huì) 16參考文獻(xiàn) 17第一章緒論轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。具有調(diào)速范圍廣、精度高、動(dòng)態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，所以在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。常用的電機(jī)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(kāi)環(huán)系統(tǒng)造成的電動(dòng)機(jī)靜差率，但是不夠理想。實(shí)際設(shè)計(jì)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(lái)提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。本文是按照工程設(shè)計(jì)的方法來(lái)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的。使電動(dòng)機(jī)滿足所要求的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選用典型Ⅰ型系統(tǒng)，而轉(zhuǎn)速環(huán)以抗擾性能為主，即應(yīng)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 第二章課程設(shè)計(jì)的要求與任務(wù) 2.1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2.1.1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)V-M雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)2.1.2設(shè)計(jì)要求(1)自主選擇一款直流電動(dòng)機(jī)。(2)自主選擇測(cè)速發(fā)電機(jī)，設(shè)計(jì)反饋環(huán)節(jié)。要求：電路、參數(shù)計(jì)算。(3)設(shè)計(jì)UPE環(huán)節(jié)的原理圖，給出該環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)和放大系數(shù)。設(shè)計(jì)要求：UPE環(huán)節(jié)可自由選擇三相半波、三相全波整流電路；電路設(shè)計(jì)要完整，包括平波電抗器的設(shè)計(jì)。(4)給出所選擇的電力電子器件的額定電壓，但是不要求具體型號(hào)（如果有型號(hào)當(dāng)最好）。(5)說(shuō)明如何計(jì)算最小逆變角，給出思路及所需的技術(shù)參數(shù)要求(6)給出電路原理圖和該環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。(7)設(shè)計(jì)ASR及ACRPI調(diào)節(jié)器，給出原理圖。不要求電阻、電容的具體參數(shù)；明確說(shuō)明你所采用的直流電源是多少伏；要求具有限幅電路及其設(shè)計(jì)參數(shù)，說(shuō)明你所設(shè)計(jì)的電路飽和時(shí)的輸出值。(8)給出系統(tǒng)靜特性結(jié)構(gòu)框圖以及動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。說(shuō)明：能夠計(jì)算得到的數(shù)據(jù)都應(yīng)當(dāng)計(jì)算出來(lái)，例如UPE環(huán)節(jié)的放大系數(shù)、時(shí)間常數(shù)、電樞回路的電磁時(shí)間常數(shù)等，并在框圖內(nèi)標(biāo)明。(9)繪出靜特性曲線并估算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。2.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)改變電樞兩端的電壓能使電動(dòng)機(jī)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(guò)程快，由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，需要可逆運(yùn)行時(shí)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(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，由正組晶閘管裝置VF供電；反轉(zhuǎn)時(shí)，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(dòng)機(jī)的可逆運(yùn)行，所以本設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的問(wèn)題，但是兩組裝置的整流電壓同時(shí)出現(xiàn)，便會(huì)產(chǎn)生不流過(guò)負(fù)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(shuō)，這樣的環(huán)流對(duì)負(fù)載無(wú)益，只會(huì)加重晶閘管和變壓器的負(fù)擔(dān)，消耗功率。環(huán)流太大時(shí)會(huì)導(dǎo)致晶閘管損壞，因此應(yīng)該予以抑制或消除。為了防止產(chǎn)生直流平均環(huán)流，應(yīng)該在正組處于整流狀態(tài)、Udof為正時(shí)，強(qiáng)迫讓反組處于逆變狀態(tài)、使Udor為負(fù)，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。于是又由于其中，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是一樣的，因此，當(dāng)直流平均環(huán)流為零時(shí)，應(yīng)有如果反組的控制角用逆變角表示，則按照這樣控制就可以消除環(huán)流。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(shè)計(jì)的一般原則為：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。即從內(nèi)環(huán)開(kāi)始，逐步向外擴(kuò)展。在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)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(gè)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(jí)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(gè)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；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR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。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用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(dòng)，消除因脈動(dòng)電流引起的電機(jī)發(fā)熱以及產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的不利影響。圖2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖圖2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖++-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd++-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMUPE--IdLUd0Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*iUcKsTss+1Id1Ce+ET0is+11T0is+1ASR1T0ns+1T0ns+1U*nn圖3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第三章主電路的設(shè)計(jì)3.1主電路電氣原理圖及其說(shuō)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(lái)提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。二者串級(jí)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(jī)的轉(zhuǎn)速。通過(guò)電流和轉(zhuǎn)速反饋電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)無(wú)靜差的運(yùn)行。圖4系統(tǒng)電氣原理框圖3.2平波電抗器參數(shù)的計(jì)算Ud=2.34U2cosUd=UN=220V,取=0°U2=Idmin=(5%-10%)IN,這里取10%則L=0.6933.3變壓器參數(shù)的計(jì)算變壓器副邊電壓采用如下公式進(jìn)行計(jì)算：因此變壓器的變比近似為：3.3.1一次側(cè)和二次側(cè)電流I1和I2的計(jì)算I1=1.05×287×0.861/3.45=75AI2=0.861×287=247A3.3.2變壓器容量的計(jì)算S1=m1U1I1=3×380×75=85.5kVAS2=m2U2I2=3×110×247=81.5kVAS=0.5×(S1+S2)=0.5×(85.5+81.5)=83.5kVA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(jì)算晶閘管的額定電壓通常選取斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM和反向重復(fù)峰值電壓URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。晶閘管的額定電流一般選取其通態(tài)平均電流的1.5-2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，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(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)，變壓器二次側(cè)電流有效值I2是其輸出直流電流有效值Id的一半，而對(duì)于橋式整流電路，晶閘管的通態(tài)平均電流IVT=I，則在本設(shè)計(jì)中晶閘管的額定電流IVT(AV)=523-698A本設(shè)計(jì)中晶閘管的額定電壓UN=311-466V3.5保護(hù)電路的設(shè)計(jì)對(duì)于過(guò)電壓保護(hù)本設(shè)計(jì)采用RC過(guò)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(duì)于過(guò)電流保護(hù)本設(shè)計(jì)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(lái)保護(hù)電路圖5過(guò)壓保護(hù)電路第四章電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)4.1電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn)電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化分為忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響、等效成單位負(fù)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(shí)間常數(shù)Tl遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm，因此轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對(duì)電流環(huán)來(lái)說(shuō)，反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化較慢的擾動(dòng)，在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，即DE≈0。這時(shí)，電流環(huán)如圖6所示。Ud0Ud0(s)+-Ui(s)ACR1/RTls+1U*i(s)Uc(s)KsTss+1Id(s)T0is+11T0is+1如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成U*i(s)/b，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，如圖7所示。++-ACRUc(s)Ks/R(Tss+1)(Tls+1)Id(s)U*i(s)T0is+1圖7等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)的電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖最后，由于Ts和T0i一般都比Tl小得多，慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為T∑i=Ts+Toi則電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡(jiǎn)化成圖8++-ACRUc(s)Ks/R(Tls+1)(Tis+1)Id(s)U*i(s)+-ACRUc(s)Ks/R(Tls+1)(Tis+1)Id(s)U*i(s)圖8電流環(huán)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖4.2電流環(huán)參數(shù)的計(jì)算4.2.1確定時(shí)間常數(shù)(1)整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts。按表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)本設(shè)計(jì)初始條件已給出，即Toi=0.002s。(3)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和T∑=Ts+Toi=0.0037s表1各種整流裝置的失控時(shí)間4.2.2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無(wú)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(dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫(xiě)成式中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(shí)間常數(shù)。檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：，參照典型Ⅰ型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表格，可以看出各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。4.2.3計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)4.2.4校驗(yàn)近似條件電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求δ%5%時(shí)，按典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表格，取=0.50，即=0.5s，因此=0.5/=0.5/0.0037=135.1于是，ACR的比例系數(shù)為其中為晶閘管的內(nèi)置放大系數(shù)，設(shè)其為30為電流反饋系數(shù)R為電樞回路的總電阻，設(shè)其為2.85計(jì)算得根據(jù)上述參數(shù)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為:電流環(huán)截止頻率：=135.1(1)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件(2)忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流動(dòng)態(tài)影響的條件(3)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件滿足近似條件。查表可得，設(shè)計(jì)后的電流環(huán)可以達(dá)到動(dòng)態(tài)指標(biāo)查表可知=4.3%<5%，滿足設(shè)計(jì)要求。4.2.5計(jì)算調(diào)節(jié)電阻和電容取R1=R2=R3=R4=40k，則各電阻和電容值為=1.41*40=56.4k=5040uF0.2uF按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為=4.3%<5%，滿足設(shè)計(jì)要求。綜上所述電流環(huán)（ACR）調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：第五章轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)5.1轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn)電流環(huán)經(jīng)簡(jiǎn)化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)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(yīng)為Ui*(s),因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)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(shí)將給定信號(hào)改成U*n(s)/a，再把時(shí)間常數(shù)為1/KI和T0n的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中nn(s)+-Un(s)ASRCeTmsRU*n(s)Id(s)T0ns+11T0ns+1U*n(s)+-IdL(s)圖10用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)的轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖最后轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖為圖11圖11等效成單位負(fù)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(jì)算5.2.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路設(shè)計(jì)含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如下圖所示:其中Ui為電流給定電壓，為電流負(fù)反饋電壓，+15V為電力電子變換器的控制電壓。(1)確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)，根據(jù)所用的測(cè)速發(fā)電機(jī)波紋情況，取=0.01s轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)，(2)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求無(wú)靜差，故選用PI調(diào)節(jié)器考慮動(dòng)態(tài)性能要求，按典型系統(tǒng)II設(shè)計(jì)系統(tǒng)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其傳遞函數(shù)為(3)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取中頻寬H=6,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)s轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：ASR的比例放大系數(shù)為：(4)校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)