电力拖动自动控制系统课程设计电气工程

2009 年度本科生电力拖动自动控制系统课程设计转速、电流双闭环直流调速系统设计院 系： 工 学 院 专 业： 电 气 工 程 及 其 自 动 化 年 级： 06 级 学生姓名： 柴 春 平 学 号： 200603050467 导师及职称： 段志梅（讲师） 2009 年 12 月电力拖动自动控制系统课程设计摘 要转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。采用转速负反馈和 PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值 Idcr 以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动电流达到最大值 Idm 后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值 Idm的恒流过程。按照反馈控制规律，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。问题是，应该在起动过程中，只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，只要转速负反馈，没有电流负反馈。怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？只用一个调节器显然是不可能的，为了解决单闭环调速系统存在的问题，可以采用转速、电流双闭环调速系统，采用两个调节器分别对转速和电流进行调节。关键词：直流调速系统、电流调节器、转速调节器、电力拖动自动控制系统课程设计目录课程设计任务书 .1第一章 双闭环直流调速系统的组成及原理 .21. 双闭环直流调速系统的系统组成 .22. 双闭环调速系统电路原理图 .2第二章 主电路及保护环节的设计 .41. 主电路的选取方案 .42. 主电路元件的选择 .42.1 整流变压器的选择 .42.2 晶闸管的选型 .62.3 平波电抗器电感的计算 .63. 保护电路的设计 .73.1 过电压保护及其计算 .73.2 过电流保护 .8第三章 电流、转速调节器的设计 .101. 电流调节器的设计 .101.1 确定时间常数 .101.2 选择电流调节器结构 .111.3 选择电流调节器参数 .111.4 校验近似条件 .111.5 计算调节器电阻和电容 .122. 转速调节器的设计 .122.1 确定时间常数 .122.2 选择转速调节器结构 .122.3 计算转速调节器参数 .132.4 校验近似条件 .132.5 计算调节器电阻和电容 .132.6 校核转速超调量 .14第四章 总结 .15电力拖动自动控制系统课程设计参考文献 .16附录 A.17电力拖动自动控制系统课程设计1课程设计任务书(一) 课程设计题目转速、电流双闭环直流调速系统设计(二) 设计任务直流他励电动机：功率 Pe10KW，额定电压 Ue=220V，额定电流 Ie=116A,磁极对数 P=2，n e=1500r/min,励磁电压 220V,电枢绕组电阻 Ra=0.112,主电路总电阻 R0.32，L 37.22mH(电枢电感、平波电感和变压器电感之和)，电磁系数 Ce=0.138 Vminr，K s=22，电磁时间常数 TL=0.116s，机电时间常数Tm=0.157s，滤波时间常数 Ton=Toi=0.00235s，过载倍数 1.5，电流给定最大值 ，速度给定最大值 10VUi 10VUn(三) 设计内容1. 系统各环节选型1) 主回路方案确定。2) 控制回路选择：给定器、调节放大器、触发器、稳压电源、电流截止环节，调节器锁零电路、电流、电压检测环节、同步变压器接线方式（须对以上环节画出线路图，说明其原理） 。2. 主要电气设备的计算和选择1) 整流变压器计算：变压器原副方电压、电流、容量以及联接组别选择。2) 晶闸管整流元件：电压定额、电流定额计算及定额选择。3) 系统各主要保护环节的设计：快速熔断器计算选择、阻容保护计算选择计算。4) 平波电抗器选择计算。3. 系统参数计算1) 电流调节器 ACR中 iiRC、 计算。2) 转速调节器 ASR中 n计算。输入电阻均为 40K。3) 动态性能指标计算（包括空载起动到额定转速超调量的计算和过渡过程的时间的计算以及空载起动到额定转速所需时间的计算） 。4. 画出双闭环调速系统电气原理图。使用 A1或 A2图纸，并画出动态框图（在设计说明书中） 。电力拖动自动控制系统课程设计2第一章 双闭环直流调速系统的组成及原理1. 双闭环直流调速系统的系统组成 nU*n+-UniU*i+-UcT AV+-UIdL-+UdA S R A C R U P ET GM图 1-1 转速、电流双闭环直流调速系统ASR-转速调节器 ACR-电流调节器 TG-测速发电机TA-电流互感器 UPE-电力电子变换器 Un*-转速给定电压Un-转速反馈电压 Ui*-电流给定电压 Ui-电流反馈电压为实现转速和电流两种负反馈分别作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套连接，如图所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器 UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。2. 双闭环调速系统电路原理图为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用 PI 调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图 2-1 所示。+-+-MT G+-+-R P2nU*nR0R0UcUiT ALIdRiCiUd+-R0R0RnCnA S RA C RL MG TVR P1UnU*iL MMT GU P E-+-电力拖动自动控制系统课程设计3图 2-1 双闭环直流调速系统电路原理图图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压 Uc 为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器 ASR 的输出限幅电压 U*im 决定了电流给定电压的最大值，电流调节器 ACR 的输出限幅电压 Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压 Udm。 电力拖动自动控制系统课程设计4第二章 主电路及保护环节的设计1. 主电路的选取方案三相可控整流电路的控制量可以很大，输出电压脉动较小，易滤波，控制滞后时间短，因此在工业中几乎都是采用三相可控整流电路。在电子设备中有时也会遇到功率较大的电源，例如几百瓦甚至超过 12kw的电源，这时为了提高变压器的利用率，减小波纹系数，也常采用三相整流电路。另外由于三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次侧电流中含有直流分量，为此在应用中较少。而采用三相桥式全控整流电路，可以有效的避免直流磁化作用。虽然三相桥式全控整流电路的晶闸管的数目比三相半波可控整流电路的多，但是三相桥式全控整流电路的输出电流波形变得平直，当电感足够大时，负载电流波形可以近似为一条水平线。2. 主电路元件的选择2.1 整流变压器的选择因为晶闸管整流装置所要求的交流供电电压与电网不一致，为此需要配置整流变压器。整流变压器使整流主电路与电网隔离，减少了电网与整流装置的相互干扰。整流变压器根据主电路的型式、负载额定电压和额定电流，算出整流变压器二次侧相电压 、一次与二次额定电流以及容量。2ABCabc图 2-1 整流变压器环节2.1.1 二次相电压 2平时我们在计算 是在理想条件下进行的，但实际上许多影响是不可忽略2的。如电网电压波动、管子本身的压降以及整流变压器等效内阻造成的压降等。所以设计时 应按下式计算：2 )(cos22 NdlNCUaAtn所以根据已知的参数及查表得：电力拖动自动控制系统课程设计5V120)509(034212U2.1.2 一次与二次额定电流及容量计算如果不计变压器的励磁电流，根据变压器磁动势平衡原理可得一次和二次电流关系式为： 2121UK式中 、 变压器一次和二次绕组的匝数；12K变压器的匝数比。由于整流变压器流过的电流通常都是非正弦波，所以其电流、容量计算与线路型式有关。三相桥式可控整流电路计算如下：大电感负载时变压器二次电流的有效值为AId9516322U2=110V由一次侧和二次侧电压得： 10821U21故 =27.5A变压器一次侧容量为； 1=311=338027.5=31.35变压器二次侧容量为： 2=322=311095=31.35=12(1+2)=12(31.35+31.35)=31.35考虑励磁功率 ，=450取 ，1=31.35，2=31.35，=31.35电力拖动自动控制系统课程设计6，1=28。2=952.2 晶闸管的选型abc图 2-2 晶闸管整流环节根据任务书的给定参数，由于三相全控桥式整流电路阻感性负载移相范围为 090，所以，当 =0时：取 110VVU943.20cos4.d2由于三相桥式全控整流电路带阻感性负载时，晶闸管可能承受的最大正反向电压均为： VU2