电力拖动自动控制系统课程设计-直流电机双闭环调速系统设计.docx

电力拖动自动控制系统课程设计 题目：直流电机双闭环调速系统设计 专业：自动化 班级： 学号： 姓名：2009022 时间：2013年1月6日-2013年1月10日直流电机双闭环调速系统设计1 序言电力拖动自动控制系统课程设计与综合实验是工业电气自动化专业的一门专业课程，它是一次综合性的理论与实践相结合的训练，也是本专业的一次基本技能训练。1.1 目的和意义1) 理论联系实际，掌握根据实际工艺要求设计电力拖动自动控制系统的基本方法。2) 对一种典型的双闭环调速自动控制系统进行综合性的分析设计，掌握各部件和整个系统的设计调试步骤、方法及操作实际系统的方法。加强基本技能训练。3) 掌握参数变化对系统性能影响的规律，培养灵活运用所学理论解决控制系统中各种实际问题的能力。4) 培养分析问题、解决问题的独立工作能力，学会实验数据的分析与处理能力及编写设计说明书和技术总结报告的能力。为下学期毕业设计作准备。5) 通过设计熟练地查阅有关资料和手册。1.2 设计要求要求设计一个直流双闭环调速系统。其主要内容为：1) 测定综合实验中所用控制对象的参数（由实验完成）。2) 根据给定指标设计电流调节器和转速调节器，并选择调节器参数和具体实现电路。3) 按设计结果组成系统，以满足以下性能指标。a.调速范围D510，静差率。b.空载启动时电流超调,转速超调 (在额定转速时)。c.动态速降小于。d.振荡次数小于2次。4) 研究参数变化对系统性能的影响。5) 在时间允许的情况下进行调试。1.3 设计对象及有关数据直流电机：185W，220V，1.2A，1600转/分。直流测速机：10W，10V，0.2A，1900转/分。Toi=0.0011s , Ton=0.005s ，两个调节器的输入电阻 ，=1.5。2 系统结构方案的选择 2.1 调压、变组、及弱磁方案调速的选择与论证直流电动机的转速和其他参量的关系可用式（2-1）表达 （2-1）式中转速，单位为；电枢电压，单位为；电枢电流，单位为；电枢回路总电阻，单位为；励磁磁通，单位为；由电机结构决定的电动势常数。由式（2-1）可以看出，有三种方法调节电动机的转速。1) 调节电枢供电电压。2) 减弱励磁磁通。3) 改变电枢回路电阻。对于要求在一定范围内无极平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有极调速，减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电动机额定转速）以上作小范围的升速。因此，双闭环直流调速系统选取变压调速方式。2.2 单环、双环的选择与论证采用转速负反馈和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。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。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流和转矩。在单闭环直流调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值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时的电流和转速波形下图1所示。当电流从最大值降低下来以后，电机的电磁转矩也随之减小，因而加速过程必然延长。 a）带电流截止负反馈的单闭环调速系统 b）理想的快速起动过程图 1调速系统起动过程的电流和转速波形实际上，由于主电路电感的作用，电流不能跳变，图2-1b所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全实现。为了实现在允许条件下最快起动，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，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就应该能得到近似的恒流过程。问题是希望在起动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主要的作用。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，二者之间实行串级联接，即为双闭环控制。如下图2所示。这就是说，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，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节环在外边，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。图2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*、Un 转速给定电压和转速反馈电压Ui*、Ui 电流给定电压和电流反馈电压为了获得良好的静、动态性能，双闭环直流调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器，其原理图示于下图3。在图上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UPE的控制电压Uct为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示出，两个调节器的输出都是带限幅的，转速调节器ASR的输出限幅（饱和）电压是Uim*，它决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压是Uctm，它限制了电力电子变换器输出电压的最大值。图3 双闭环直流调速系统电路原理图3 主回路选择3.1 主电路形式的选择与论证晶闸管直流电机调速系统的直流电源由晶闸管整流提供。按照交流输入的相数，整流电路可分为单相电路和多相电路。单相电路整流输出容量较小，输出电流脉动大，随着相数的增多，整流输出的容量增大，输出电流脉动逐渐减小，但所用的晶闸管数量也随之增多。根据控制对象的参数，整流输出电压最大值应大于，最大整流输出功率应大于，故可选择三相桥式整流电路作为主电路。图4 三相全控桥整流电路3.2 整流变压器的额定容量、一次侧和二次侧电压、电流的选择与计算，交流电源的选择（单相或三相）1) 二次侧电压U2： 为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后，晶闸管整流电路交流侧的电压U2只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器二次侧电压U2。影响U2值的因素有：（1）U2值的大小首先要保证满足负载所需求的最大直流电压值UD（2）晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降，用UT表示（3）变压器漏抗的存在会产生换相压降（4）平波电抗器有一定的直流电阻，当电流流经该电阻时就要产生一定的电压降（5）电枢电阻的压降综合以上因素得到的U2精确表达式为：U2=uD1+ra+rpIdmaxId-rd+nuTAB-CUK%100 IdmaxId上式为变压器二次侧相电压U2的较精确表达式，在要求不太精确的情况下，变压器二次侧相电压U2 可由简化为：其中：A= Ud0/U2，表示当控制角=0时，整流电压平均值与变压器次级相电压有效值之比。B=Ud/Ud0，表示控制角为时和=00时整流电压平均值之比。为电网电压波动系数。根据规定，允许波动+5%-10%，即=1.050.9nUT表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降对于本设计：为了保证电动机负载能在额定转速下运转,计算所得的U2应有一定的裕量,根据经验所知,公式中的控制角应取30为宜。查表得：A=2.34,=0.9 ,B=0=，U2=11.22202.340.932=120.6144.7V 取U2=140V，则K=U1/U2=380/140=2.712) 二次侧电流I2和变压器容量：二次侧电流I2的计算： I2=KI2Id , KI2为各种接线形式时变压器次级电流有效值和负载电流平均值之比。对于本设计KI2取0.816,且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗，故：I2=KI2Id =0.816（1.21.5）=1.47A变压器容量的计算： 二次侧容量S2=m2U2I2 ，m2为二次侧绕组的相数，m2=3S2=m2U2I2=31401.47=617.4VA一次侧容量:S1= S2/0.9=686 VA故：S=1/2(S1+S2)=651.7 VA3) 交流电源的选择：电源选择三相交流电源。3.3 晶闸管元件的计算与选择 三相全控桥整流电路实际上是组成三相半波晶闸管整流电路中的共阴极组和共阳极组串联电路，如图4所示。三相全控桥整流电路可实现对共阴极组和共阳极组同时进行控制， 控制角都是60度。在一个周期内6个晶闸管都要被触发一次，触发顺序依次为: VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6, 6个触发脉冲相位依次相差60度。为了构成一个完整的电流回路，要求有两个晶闸管同时导通，其中一个在共阳极组，另外一个在共阴极组。晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压Um，考虑到电电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽2-3倍的安全系数，即按式UTN= (2-3) UM 选取，式中系数2-3的取值应视运行条件、元件质量和对可靠性的要求程度而定。对于本设计，UM= 6U2， 故计算的晶闸管额定电压为：UTN=(2-3)6 U2=685.81028.7V , 取1000V为使晶闸管元件不因过热而损坏，需要按电流的有效值来计算其电流额定值。即必须使元件的额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。可按下式计算: IT (AV) =(1.5-2)KfbIMAX， 式中计算系数Kfb=Kf/1.57Kb 由整流电路型式而定，Kf为波形系数，当=0 时,三相全控桥电路Kfb=0.368，故计算的晶闸管额定电流为:IT ( AV) =(1.5-2)KfbIMAX=(1.5-2) 0.368 (1.2 1.5)=0.9941.325A ，取1.2A.3.4 平波电抗器的计算与选择平波电抗器的作用是，减小电流脉动和维持电流连续。对于三相桥式整流电路，保证电流连续的平波电抗器的最小电感值为：其中，可取电动机额定电流的,=10%Inom=0.12A。故:L=0.693U2Idmin=693mH3.5 测速机的选择与可变电位器的选择与计算 测速机选择课题提供的测速机直流测速机：10W，10V，0.2A，1900转/分。可变电位器的选择：在主回路中，采用D42挂件（三相可调电阻）。D42挂件是主回路参数测试用的可调电阻。每个电阻是0900连续可调，允许电流0.41A。在各控制回路和检测回路中采用DJK08挂件（可调电阻、电容箱）其中电阻值可以在0999k范围内调节，额定功率为2W。3.6 电流检测回路的设计计算（包括电流互感器、整流电路及各参数选择）设计电路如下： 图5其中TA1、TA2、TA3，来自电流互感器的输出端，左侧为输出端，右侧为报警电路，RP1的滑动抽头端输出作为电流反馈信号，从“2”端输出，电流反馈系数由RP1进行调节。RP2的滑动触头与过流保护电路相连，调节RP2可调节过流动作电流的大小。3.7 保护电路的设计1) 过电压保护：交流侧过电压的保护 图6 采用RC过电压抑制电路如图6所示，在变压器次级并联RC电路，以吸收变压器铁心的磁场释放的能量，并把它转换为电容器的电场能而存储起来，串联电阻是为了在能量转换过程中可以消耗一部分能量并且抑制LC回路可能产生的震荡。 本设计采用三相全控桥整流电路，变压器的绕组为Y联结，阻容保护装置采用三角形接法直流侧的过电压保护 整流器直流侧开断时，如直流侧快速开关断开或桥臂快熔熔断等情况，也会在A、B之间产生过电压，如图7所示本设计用非线性元气件抑制过电压，在A、B之间接入的是压敏电阻，这是由氧化锌、氧化铋等烧结制成的非线性电阻元件，它具有正反向相同的很陡的伏安特性，击穿前漏电流为微安数量级，损耗很小，过电压时(击穿后)则能通过达数千安的浪涌电流， 所以抑制电流能力很强。 图7 图8 1) 过电流保护:在电路中串接的器件是快速熔断器，这是一种最简单有效而应用最普遍的过电流保护元件，其断流时间一般小于10ms，熔断器与每一个晶闸管元件相串联，可靠的保护每一个晶闸管元件。4 触发器设计和同步相位的配合4.1 触发电路的设计与选择晶闸管装置的正常工作与门极触发电路的正确、可靠的运行密切相关，门极触发电路必须按主电路的要求来设计，为了能可靠触发晶闸管应满足以下要求：1. 触发脉冲应有足够的功率，触发脉冲的电压和电流应大于晶闸管要求的数值，并保留足够的裕量。2. 为了实现变流电路输出的电压连续可调，触发脉冲的相位应能在一定的范围内连续可调。3. 触发脉冲与晶闸管主电路电源必须同步，两者频率应该相同，而且要有固定的相位关系，使每一周期都能在同样的相位上触发。4. 触发脉冲的波形要符合一定的要求，多数晶闸管电路要求触发脉冲的前沿要陡，以实现精确的导通控制，对于电感性负载，由于电感的存在，其回路中的电流不能突变，所以要求其触发脉冲要有一定的宽度，以确保主回路的电流在没有上升到晶闸管擎住电流之前，其门极与阴极始终有触发脉冲存在，保证电路可靠工作。 此处，选择锯齿波同步移相触发电路，其原理图如图9所示。锯齿波同步移相触发电路由 同步检测、锯齿波形成、移相控制、脉冲形成、脉冲放大等环节组成。图9 锯齿波同步移相触发电路4.2同步相位的配合 同步变压器原边线圈必须接主电路三相电源，以此来保持触发脉冲与主电路三相电源的同步。它的工作原理如下：由同步变压器副边输出60V的交流同步电压，经VD1半波整流，再由稳压管V1、V2进行削波，从而得到梯形波电压，其过零点与电源电压的过零点同步，梯形波通过R7及等效可变电阻V5向电容C1充电，当充电电压达到单结晶体管的峰值电压 时，单结晶体管V6导通，电容通过脉冲变压器T2原边放电，脉冲变压器副边输出脉冲。同时由于放电时间常数很小，C1两端的电压很快下降到单结晶体管的谷点电压 ，使V6管断，C1再次充电，周而复始，在电容C1两端呈现锯齿波形，在脉冲变压器副边输出尖脉冲。在一个梯形波周期内，V6可能导通、关断多次，但对晶闸管的触发只有第一个输出脉冲起作用。电容C1的充电时间常数由等效电阻等决定，调节RP1改变C1的充电的时间，控制第一个尖脉冲的出现时刻，实现脉冲的移相控制。5 辅助电路设计5.1 高精度给定电源的设计给定电源可通过带电容滤波的单相整流电路并对整流输出稳压得到。其原理电路图如图10所示。图10 给定电源原理图6 系统静、动态设计6.1 静态工作点电的设计由测速发电机的参数可得，测速发电机的电动势转速比为：取电位器的分压系数为：，可得，转速环反馈系数为：此时，反馈电压最大值为：故可取：设定和的输出限幅值分别为：又，Idm=1.5Inom=1.51.2=1.8A故电流环的反馈系数为：=Uim*Idm=61.8=3.33V/A6.2 计算回路电阻2# 主回路电阻合上S2651断开S2850.4合上S2851.05-()断开S2950.4合上S2701.0-()断开S2800.46.3 计算主回路电感#290V41V0.530538mH240mH778mH 0.15V/rpm9.550.151.43 Nm/A 0.033s6.4 计算、电动机的电磁时间常数为：0.02336s又，根据实验测得数据可得：0.033s6.5 问题的分析对于多环控制系统，调节器设计的一般原则是：从内环开始，逐次设计各环。故对于双闭环调速系统的设计，应首先设计电流环，然后设计速度环。电流环的主要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，在突加控制作用时超调量尽可能小，同时具有一定的抗干扰能力；速度环的主要作用是维持转速的恒定，故需要保证稳态误差为零，且具有较好的抗干扰能力。根据电流环和速度环的不同作用，通常，将其非别设计成典型型系统和典型型系统，以获得良好的动态特性。故和均选择控制器。7 电流环设计7.1 调节器参数计算 实验中所给的滤波时间常数为：=1.1ms，=5ms， 两个调节器的输入电阻R0=20k。 三相桥式电路平均失控时间 电流环小时间常数： 根据设计要求：i5% ，而且 TlTi=0.023360.0028=8.3410根据前面分析，选择控制器，设其传递函数为：式中 电流调节器的比例系数；电流调节器的超前时间常数。为了让调节器零点对消掉控制对象的大时间常数极点，选择i=Tl=0.02336S根据设计要求：，应取 ，因此于是，ACR的比例系数为Ki=KIiRKs=178.60.0233633.33.3350=0.834 近似条件校验：电流环截止频率为：。1）晶闸管装置传递函数近似条件：，满足近似条件2）忽略反电动势对电流环影响的条件： ci 31TmTl = 310.0330.02336 s-1 =108.05 s-1 满足近似条件3）小时间常数近似处理条件： ci 131TsToi = 1310.00170.0011 s-1 = 243.76 s-1 满足近似条件7.2 调节器实现ACR的原理图如图11所示，其中，各电阻和电容值计算如下：Ri= KiR0 = 0.83420K = 16.68 K ,取17 K Ci = iRi = 0.0233617103106F =1.37F ，取1.4 FCoi= 4ToiR0 = 40.001120103106F =0.22F ，取0.2 F图11 电流调节器8 转速环设计8.1 调节器参数计