电力拖动自动控制系统课程设计-逻辑无环流可逆直流调速系统设计与研究.doc

逻辑无环流可逆直流调速系统设计与研究主电路设计1 绪论1.1电力拖动简介随着科学技术的发展，人力劳动被大多数生产机械所代替。电力拖动及其自动化得到不断的发展。随着生产的发展，生产工艺对电力拖动系统的要求越来越高，尤其在其准确性、快速性、经济性、先进性等方面的要求，与日俱增。因此，需要不断地改进和完善电气控制设备，使电力拖动自动化可以跟得上技术要求。电力拖动系统由电动机及其供电电源、传动机构、执行机构、电气控制装置等四部分组成。电动机及其供电电源是把电能转换成机械能；传动机构的作用是把机械能进行传递与分配；执行机构是使机械能完成所需的转变；电气控制装置是控制系统按着生产工艺的要求来动作，并对系统起保护作用。随着生产的要求不断提高，技术不断更新，拖动系统也随之更新。同时，新型电机、大功率半导体器件、大规模集成电路、电子计算机及现代控制理论发展的发展使电力拖动自动化发生了巨大的变革。1.2直流调速系统直流电机由于其良好的起、制动性能和调速性能，在电力拖动调速系统中占有主导地位，虽然近年来交流电动机的调速控制技术发展很快，但是交流电动机传动控制的基础仍是直流电动机的传动技术。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。直流电机容易实现各种控制系统，也容易实现对控制目标的“最佳化”，直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，掌握直流拖动控制系统可以更好的研究交流拖动系统。从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动控制系统有调速系统、位置随动系统、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的电力拖动控制系统。1.3无环流调速系统简介无环流控制的可逆调速系统主电路由两组反并联的晶闸管组成，当一组晶闸管工作时，用逻辑电路或逻辑算法去封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，以确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路，这就是逻辑控制的无环流可逆系统。有环流可逆系统虽然具有反向快、过渡平滑等优点，但设置几个环流电抗器终究是个累赘。因此，当工艺过程对系统过度特性的平滑性要求不高时，特别是对于大容量的系统，常采用既没有直流平均环流又没有瞬时脉动环流的无环流可逆系统。无环流可逆调速系统可按实现无环流原理的不同而分为两大类：逻辑无环流系统和错位控制无环流系统。而错位无环流系统在目前的生产中应用很少，逻辑无环流系统目前生产中应用最为广泛的可逆系统，组成逻辑无环流可逆系统的思路是：任何时候只触发一组整流桥，另一组整流桥封锁，完全杜绝了产生环流的可能。至于选择哪一组工作，就看电动机组需要的转矩方向。若需正向电动，应触发正组桥；若需反向电动，就应触发反组桥，可见，触发的选择应决定于电动机转矩的极性，在恒磁通下，就决定于信号。同时还要考虑什么时候封锁原来工作桥的问题，这要看工作桥又没有电流存在，有电流时不应封锁，否则，开放另一组桥时容易造成二桥短路。可见，只要用信号极性和电流“有”、“无”信号可以判定应封锁哪一组桥，开放哪一组桥。基于这种逻辑判断电路的“指挥”下工作的可逆系统称逻辑无环流可逆系统。2 系统总体参数2.1系统已知参数及设计指标设计一个逻辑无环流直流可逆调速系统，基本技术数据如下：2.1.1已知参数1、拖动设备：直流电动机： ，过载倍数。2、负载：直流发电机： 3、机组：转动惯量2.1.2设计指标1、d，稳态时无静差。2、稳态转速n=1200r/min, 负载电流0.8a。3、电流超调量，空载起动到稳态转速时的转速超调量。2.2未知参数设计2.2.1测定晶闸管直流调速系统主电路的电阻r利用伏安法测量电枢回路总电阻r，包括电机的电枢电阻ra,平波电抗器的直流电阻rl，整流装置的内阻rn。测试时电动机不加励磁，并使电机堵转。调节ug使整流装置输出电压ud为110v，然后调整rp使电枢电流分别为0.9a、0.5a时的理想空载电压，由公式r=(u2-u1)/(i1-i2) （2.1） 可求得电枢回路总电阻，测试结果如下表：123456u78v93v96v105v88v100vi0.9a0.5a0.9a0.5a0.9a0.5a 表2.1 电枢回路电阻r的测定其中1、2组数据为回路总电阻为电机电枢电阻ra、平坡电抗器直流电组rl、整流装置内阻rn之和测的，3、4组数据为回路总电阻为平坡电抗器直流电组rl、整流装置内阻rn之和测的，5、6组数据为回路总电阻为电机电枢电阻ra、整流装置内阻rn之和测的。经过计算电机电枢回路电阻ra=22.5，平坡电抗器直流电阻rl=15.0，整流装置内阻rn=15.25。2.2.2测定晶闸管直流调速系统主电路电磁时间爱你常数td电动机不加励磁，调节uct监视电流表的读数，使电动电枢电流为110v。然后保持uct不变，突然合上主电路开关，用示波器拍摄id=f（t）的波形，由波形测量出当电流上升至63.2%稳定值时的时间，即为电枢回路的电磁时间常数td。 图2.1 电流变化曲线由图可知直流调速系统主电路时间常数td为6.2ms。2.2.3测定直流电动机电势常数ce和转矩常数cm将电动机加额定励磁，使之空载运行，改变电枢电压ud，测的相应的n，即可由公式ce=ke=（ud2-ud1）/(n2-n1) （2.2） ce的单位为v/（r/min） 转矩常数cm的单位为nm/a，可由ce求出cm=9.55ce。电压（v）110140转速（n）344575表2.2 电动机电势常数ce和转矩常数cm的测定故可算得ce=0.12,cm=1.07nm/a2.2.4测定晶闸管智力调速系统机电时间常数tm系统的机电时间常数可由下式计算tm=（gd2*r）/375celm （2.3） 当电枢突加给定电压时，转速n按指数规律上升，当n达到63.2%稳态值时，所经过的时间即为拖动系统的机电时间常数。经过测试，系统的时间常数为44ms。2.2.5测定晶闸管触发及整流装置特性ud=f（uct）电动机加额定励磁，逐渐增加触发电路的控制电压uct，分别读取对应的utg，n的数值若干组，即可描绘出特性曲线。n(r/min)1000.01100.01200.01300.01400.0utg(v)6.757.448.128.839.46表2.3 测速发电机特性ud(v)75.0150.0185.0202.0210.0uct(v)1.02.03.04.05.0表2.4 晶闸管触发及整流装置特性 图2.2 发电机特性曲线 图2.3 晶闸管触发及整流装置特性3 无环流可逆调速系统设计3.1系统组成主电路采用两组晶闸管装置反并联线路；由于没有环流，不用设置环流电抗器；仍保留平波电抗器 ld ，以保证稳定运行时电流波形连续；控制系统采用典型的转速、电流双闭环方案；电流环为内环，转速环为外环。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，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。1、电流环分设两个电流调节器，1acr用来控制正组触发装置gtf，2acr控制反组触发装置gtr。 2、速度环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。 3、为了保证不出现环流，设置了无环逻辑控制环节dlc，这是系统中的关键环节。它按照系统的工作状态，指挥系统进行正、反组的自动切换。3.1.1逻辑无环流调速系统的原理图 asrdlc-1tavrvfgtr2acrmtggtf1acru snu fn-u siucfu c1uc2ucrusiufiusiuilda-+图3.1 逻辑无环流调速系统原理图（ tg：永磁式直流测速发电机；dlc：逻辑控制器；ta：三相电流传感器；asr：转速调节器 ；ld：平波电抗器；acr：电流调节器； tr：联接的三相整流变压器；u：三相整流桥；gtr、gtf为正反组晶闸管触发电路； a:反相器）3.1.2逻辑无环流系统工作原理逻辑控制无环流可逆调速系统中，采用了两个电流调节器和两套触发装置分别控制正、反组晶闸管。实际上任何时刻都只有一组晶闸管在工作，另一组由于脉冲被封锁而处于阻断状态，这时它的电流调节器和触发装置都是等待状态。采用模拟控制时，可以利用电子模拟开关选择一套电流调节器和触发装置工作，另一套装置就可以节省下来了。 1、正向运行：当开关s与+10v接通时，usn的极性为（+），在起动过程中un=（usn-ufn）0,使usi呈（+）极性，设此时逻辑控制器lc发出的控制器uc1为“1”，正组处于工作状态；uc2为“0”，反组处于封锁阻断状态；并设此时电枢电流id极性为（+），电动机正转。系统处于正向运行状态。2、反向运行：当s突然与+10v断开，而与-10v接通，此时usn极性变号成为（-）极性，而电动机依靠惯性仍在正向运行，因而usn极性未变仍是负极性；这样使un变为数值较大的负电压un0时，ut=1，当ui*0时,ut=0；（2） 零电流检测。当有电流ui不为零时，ui=0；当电流为零时，ui不为零；2、逻辑判断电路由转速电流闭环控制系统模型主要参数可以得到逻辑控制器输入和输出的逻辑关系表达式为（用与非门实现）：逻辑判断由与非门yf1yf4组成，其输入为转矩极性和零电流信号ut，ui；输出为逻辑切换信号uf，ur；3、延时电路逻辑判断电路发出切换指令后还不能立即改变整流器工作状态，因为在检测电流为零时，电枢电流还不一定真正到零，必须延时3ms左右以保证电流真正为零后，才能发出指令使导通的整流器截止，并且为了确保截止的整流器能恢复阻断状态，需开放的整流器也需要延迟一段时间再开放，即开放延时，一般开放延时取7ms左右。关断延时和开放延时由逻辑控制器中的延时电路产生。由于延时发生在逻辑判断电路输出uf和ur从“0”变“1”时的上升沿，而信号的下降沿不需要延时。4、联锁保护为了保护正反两组整流器不会发生同时开放，逻辑控制器中由与非门yf5yf7组成了联锁保护电路，yf5和yf6采用与非门是因为输出ublf和ublr的电平与触发单元block端的电平要求一致。在uf和ur同时为“1”时，两组整流器都关断，避免发生整流器短路故障。5、dlc的逻辑真值表utuiublfublr111010100010010100011001表3.2 逻辑控制器真值3.5电流调节器设计3.5.1调节器基本思路1、 先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需要的稳态精度。2、在选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。将控制对象校正成为典型系统。系统设计的一般原则：“先内环后外环”如下图所示：系统校正控制对象 调节器 典型系统 输入输出输入输出 图3.4 调节器设计的基本思路电流超调量i5% ，电流环按典型i型系统设计电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型 i 型系统，显然应采用pi型的电流调节器。从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用 i 型系统就够了。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，电流环应以跟随性能为主。 图3.5 pi型电流调速器整流装置滞后时间常数ts为三相桥式电路平均失控时间ts = 0.0017s。三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头应有（12）toi = 3.33s。则电流滤波时间常数toi=0.002s按小时间常数近似处理：电流小时间常数。根据设计要求，并保证稳态电流无差，可按典型型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用pi型电流调节器，其传递函数为：电流调节器超前时间常数：取电流反馈系数：电流环开环增益：取，因此于是，acr的比例系数为：3.5.2计算调节器电阻和电容按所用运算放大器取，各电阻和电容值为：，取，取，取3.5.3电流调节器的作用当负载电流达到 idm 后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。1、作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。2、对电网电压的波动起及时抗扰的作用。3、在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。4、当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。3.6转速调节器设计图3.6 pi型转速调节器电流环经简化后可视作转速环的一个环节，为此其闭环传递函数为：忽略高次项，可降阶近似为：接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为，因此电流环在转速环中应等效为：3.6.1确定转速调节器的时间常数电流环等效时间常数：转速滤波时间常数：转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，取电压反馈系数：按设计要求，选用pi调节器，其传递函数为：按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则asr的超前时间常数为：转速开环增益为：于是，asr的比例系数为：3.6.2计算调节器的电阻和电容值按所用运算放大器取，则，取66k，取，取按退饱和超调量的计算方法计算调速系统空载启动到额定转速时的转速超调量：3.7 反馈环节的设定转速反馈系数：= unom*/n=10/1500=0.00667v.min/r （u*nm受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制）电流反馈系数：= uim*/in=10/1.5*136=0.05 （u*im 为asr的输出限幅值）滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。(t0i:电流反馈滤波时间常数 t0n:转速反馈滤波时间常数) 3.8过流保护环节由于过载、直流侧短路、逆变失败、环流和交流侧短路等原因会引起系统过流而损坏可控硅。系统采用了三种过流保护措施： 电流调节器限流，电流整定值为250a， 过流保护环节，整定值为350a， 快速熔断器；对直流回路和每个可控硅元件设快速熔断作最后一道过流保护。它可以在冲击电流很大，冲击时间又很短的情况下保护设备不受损坏，从而使系统运行安全、可靠、操作方便。 图3.7 电流检测装置过流保护环节的电路如图 4-20所示。在系统正常工作时，电流检测装置输出电压小于14v （相当于主回路电流350a），稳压管dw不导通。bg1截止，继电器释放，bg2导通，bg3截止，发射极输出零电位，不影响正反组晶闸管整流装置的正常工作。当主回路电流超过350a 时，电流检测装置输出大于14v，稳压管dw被雪崩击穿，bg1导通，bg2截止，bg3导通，发射极输出高电位+15v，同时封锁正反两组触发器的脉冲。当bg1导通时继电器得电吸合。一方面自锁，另一方面使继电器得电吸合，在交流侧线路接触器s-b线圈中的常闭触头打开，使s-b跳闸，切断主回路交流电源。改变电阻和数图3.8 过流保护环节值或选择不同稳压值的稳压管dw即可整定不同的跳闸电流。4 系统性能测试4.1测试目的了解并熟悉逻辑无环流可逆直流调速系统的原理和组成。掌握各控制单元的原理和组成。掌握逻辑无环流可逆调速系统的调试步骤和方法。了解逻辑无环流可逆调速系统的静特性和动态特性。4.2性能测试1、测出n=1500r/min的正、反转机械特性n=f(id)，数据如下表所示：n(r/min)040060080010001300i(a)0.10.20.220.290.310.39i(a)0.150.250.30.320.380.41表4.1 电机正反转机械特性2、闭环控制特性的测定，测出正、反转时的闭环控制特性n=f(ug)n(r/min)040060080010001300ug(v)0.00.20.91.01.11.5ug(v)0.00.80.91.11.21.9表4.2 闭环控制特性的测定 图4.1 电机正转机械特性 图4.2 电机反转机械特性图4.3 正转时的闭环控制特性 图4.4 反转时的闭环控制特性双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动，整个过程可以分为三个阶段：第阶段是电流上升阶段：突加给定电压后，经过两个调节器的跟随作用，、都跟上升，但是在没有达到负载电流以前，电动机还不能转动，当后，电动机开始起动。由于机电惯性的作用，转速不会很快增长因而转速调节器的输入偏差电压数值仍较大，其输出电压保持限幅值，强迫电枢电流上升。直到，电流调节器很快压制了的增长。第阶段是恒流升速阶段：在这个阶段中，速度调节器始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定下的电流调节系统，基本上保持电流恒定，系统的加速度恒定，转速呈线性增长。第阶段是转速调节阶段：当转速上升到额定转速时，转速调节器的输入偏差减小到零其输出却由于积分作用还维持在限幅值，电动机仍在加速，使转速超调。转速超调后，速度调节器输入偏差变负，使它开始退出饱和状态，和很快下降。但是，只要仍大于负载电流，转速就继续上升。直到时，转速才