电力拖动自动控制系统课程设计剖析

1、江汉大学自动化13级课程设计基于双闭环的直流电机调速系统调节器设计、设计总体要求:要求设计双闭环直流脉宽调速系统，可完成以下任务：(1) 该调速系统能进行平滑的速度调节具有较宽的调速范围，系统在工作 范围内能稳定工作。(2) 系统静特性良好，无静差。(3) 动态性能指标：转速超调量 S V 10%电流超调量 S v 5%(4) 调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。电路设计及分析根据设计任务可知， 要求系统在稳定的前提下实现无静差调速， 并要求较 好的动态性能，可选择PI控制的转速、电流双闭环直流调速系统，以完全达到 系统需要。双闭环直流调速系统原理框图如下图 1-1所示图1-

2、1转速、电流双闭环调速系统系统框图两个调节器的输出均带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压决定 了电流给定电压的最大值， 电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子电 换器的最大输出电压。双闭环直流调速系统原理框图如下图 1-2所示二.基本参数的测定与 ACR,ASF调试1. 记录实验数据 电枢及电抗器内阻Ra+RL测量：测量电路如图:调节Ug,使V仁200V后保持不变，改变R,测电流表值A与电压表值V2,则可 得Ra+RL=V2/A将记录数据填入下表：L=100mHU2/v10121315I/A0.50.590.640.69调节Ug,使电压表示数V=200V然后Ug不动，改变R,读电

3、压表示数V和电流 表示数A,其中A不能超过1.5A。将记录结果填入下表：U2/v200199198197196I/A0.440.580.720.921.05 晶闸管整流器放大倍数Kv测量: 测量电路如图：将Ug从0开始逐渐调大，读取Ug和电压表示数V的值，V的值不得超过220V 将记录结果填入下表：Ug/v2.52.823.023.483.814.01U/v274964101125140 电机时间常数Tm：电路如图：理论转速与时间关系:结果： 负载转矩TL三顷芯式变压器L电路如图：2、实验数据处理:：Ra+RL= 22.73 Q; A ：将V和A的数据画出直角坐标系，取两点，进行差值运算，最终

4、A得：Rn= 6.67 Q I:Rn Ra RLTm=Rn Ra 450Q0.0549La L0.7794TL=Ra RL Rn0.0259 ：同上将Ug与Ud的数据画出直角坐标系，取斜率一定段的两点,3. 设备调试（1 ）调节器的调零：将DJK04中“调节器I”所有输入端接地，再将 DJK08中的可调电阻120K接到“调节 器I”的“ 4”、“5”两端，用导线将“ 5”、“6”短接，使“调节器I”成为P （比例）调节器。 用万用表的毫伏档测量调节器 I的“7”端的输出，调节面板上的调零电位器RP3,使之电压尽可能接近于零。将DJK04中“调节器II”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻

5、13K接到“调节器II”的“ 8”、“9”两端，用导线将“ 9”、“ 10”短接，使“调节器II”成为P （比例）调节器。用万用表的毫伏档测量调节器II的“ 11”端，调节面板上的调零电位器RP3,使之输出电压尽可能接近于零。（2 ）调节器正、负限幅值的调整把“调节器I”的“ 5”、“6”短接线去掉，将 DJK08中的可调电容0.47UF接入“ 5”、 “6”两端，使调节器成为PI（比例积分）调节器，将“调节器I”所有输入端的接地线去掉，将DJK04的给定输出端接到调节器I的“ 3”端，当加+5V的正给定电压时，调整负限幅电位器RP2,使之输出电压为-6V，当调节器输入端加-5V的负给定电压时

6、，调整正限幅电位 器RP1，使之输出电压尽可能接近于零。把“调节器II”的“9”、“10”短接线去掉，将 DJK08中的可调电容0.47uF接入“ 9”、 “ 10”两端，使调节器成为PI （比例积分）调节器，将“调节器II”的所有输入端的接地 线去掉，将DJK04的给定输出端接到调节器 II的4”端。当加+5V的正给定电压时，调整 负限幅电位器RP2,使之输出电压尽可能接近于零； 当调节器输入端加-5V的负给定电压时， 调整正限幅电位器 RP1，使调节器I的输出正限幅为 Uctmax。（3）电流反馈系数的整定直接将“给定”电压 Ug接入DJK02-1移相控制电压 Uct的输入端，整流桥输出接

7、电 阻负载R,负载电阻放在最大值，输出给定调到零。按下启动按钮，从零增加给定，使输出电压升高，当Ud=220V时，减小负载的阻值，调节“电流反馈与过流保护”上的电流反馈电位器RP1，使得负载电流ld=l.3A时，“2”端If的的电流反馈电压 Ufi=6V，这时的电流反馈系数 3 =Ufi/ld=3.47V/A 。（4）转速反馈系数的整定直接将“给定”电压Ug接DJK02-1上的移相控制电压Uct的输入端，“三相全控整流” 电路接直流电动机负载，Ld用DJK02上的200mH，输出给定调到零。按下启动按钮，接通励磁电源，从零逐渐增加给定，使电机提速到n=150Orpm时，调节“转速变换”上转速反

8、馈电位器RP1，使得该转速时反馈电压 Ufn=-6V，这时的转速反馈系数 a =Ufn/n=0.003V/仲m）。4. 测得参数汇总：已知参数和计算所得参数：晶闸管装置放大系数：Ks= 71.5电枢回路总电阻：R=22.73 Q ;时间常数：Tl= 0.0259, Tm=0.0549电流反馈系数：3 = 3.47V/A。转速反馈系数：a0.003V/（rpm）;反馈电阻：R0=20K Q ;转速滤波时间常数Ton=0.01s;三、电流调节器设计电流调节器使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。对电网电压的波动起及时抗扰的作用。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

9、动态过程。由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不影响节器的输入，需加低通滤波。转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。它对负载变化起抗扰作用。其输出限幅值决定电机允许 的最大电流。由于测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波。图1-2系统实际动态原理框图I .电流环的简化在图1-2虚线框内的电流环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。 实际中，对电流环来说，反电动势是一个变化比较慢 的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为电动势基本不变，即0,其中忽略反电动势对电流环影响

10、的近似条件是3 ci 电流环开环频率特性的截止频率。如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改为U*i(s)/ B则电流环便等效成单位负反馈系统，如图1 3b所示，从这里可以看出两个滤波时间常数取值相同的方便之处。最后，由于Ts和Toi 一般都比T小得多，可以当作小惯性群而近似看作是 个惯性环节，其时间常数为-19 -1 3c所示。简化的近似条件为 忽略反电动势的动态影响(b)等效成单位负反馈则电流环结构框图最终简化成图pKtR(c)小惯性环节近似处理图1 3电流环的动态结构框图及其简化.电流调节器参数计算电流反馈系数：B =Ufi/I d=3.47V/A1、确定时间常

11、数：(1) 整流装置滞后时间常数 Ts。查表可得，三相桥式电路的平均失控时 间:Ts=0.0017s。(2) 电流滤波时间常数 T oi,Toi=0.002s。(3) 电流小环节时间常数之和T二Ts+Ti=0.0037s2、选择电流调节器结构：根据设计要求S i V 5%并保证无静差，按典I型系统设计电流调节器。 电 流环控制对象是双惯性的，因此可用PI型电流调节器。传递函数为Wacr(S)检查对电源电压的抗扰性能：Tl/T 口0.0259/0.00377。参看书P70表3-1 的典I型系统动态抗性能，各项指标都可以接受。仇25390-50仞LO阻尼址L00-34.7W0-60-5超溟蚩卩1.

12、聃4.議W 3*上卄时间6. &T4. 7T3.3T2.4t烽肯时间J8. 3T6. 2T4. 7T相角鮭将763P皈h5&2r註止頻牢3L343/TOr $解丹o.Or596/T0r *96/T3、计算电流调节器参数：电流调节器超前时间常数：t 1=T1=0.0259S电流开环增益：要求 S iV5% K刀i=0.5，因此kl=1/2TEi 135.1 于是，ASR的比例系数Ki RKi 135.1 0.0259 22.73 (71.5 3.47) 0.32Ks :4、校验近似条件：电流环截止频率：3 ci=KL=135.1 s(1) 校验晶闸管整流装置传递函数的近似特殊条件Q ci 1/(

13、3T s)196.1 s -1满足近似条件(2) 校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件满足近似条件=116.05so各电阻，电容计算如下R=KR=0.32 X 20KQ =6.4K Q ,取 R=7KQC=t i/Ri=0.031/7 KQ 4.43e-6F ,取 4.43uFCoi=4T；/Ro=(4*0.002)/(4*104),取 0.2uF按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为(T i=4.3%5%(3) 校验忽略电流环小时间常数近似处理条件满足近似条件叵L满足设计要求。三、转速调节器的设计：把电流环的等效环节接入转速环后，整个转速控制系统的动态结构框图如图1 6a所示

14、。和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内， 同时将给定信号改成U*(s)/ a ,再把时间常数为1 /Kl和Ton的两个小惯性环节 合并起来，近似成一个时间常数为 匚n的惯性环节，其中T艺 n=Ton+1/K II.转速环结构简化由于需要实现转速无静差， 而且在后面已经有一个积分环节， 因此转速环 开环传递函数应共有两个积分环节， 所以应该设计成典型U型系统， 这样的系 统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为%心詁+1)式中Kn转速调节器的比例系数；Tn 速调节器的超其时间常数(a)用等效环节代替电流环小惯性系统的近似处理(b)等效

15、成单位负反馈系统和(7)(C)校正后成为典型U型系统图1 6转速环的动态结构框图及其简化这样，调速系统的开环传递函数为切/?愛+ 1)不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构框图如图1 6c所示.转速环参数计算B =U*im/I dn=3.47V/A。转速反馈系数：a =U*nn/Nmax 0.003V/(pm)1、确定时间常数(1) 电流环等效时间常数1/K I。1/K i =2Tei =0.0074s(2) 转速滤波时间常数Ton=0.01S(3) 转速环小时间常数T En。按小时间常数近似处理，取Ts n=1/Ki+To n=0.0074s+ 0.02s =0.0174s2、选择转速调

16、节器结构按设计要求，选用PI调节器，其传递函数为Wasr(S)Kn仃 nS 1)TnS3、计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取 h=0.5，则ASR的超前时间常数1n =h(Ton) =5 0.0174 =0.087sK|开环增益：h 12h2Tn50 0.01742396.35ASR勺比例系数:Kn(h 1) CTm2h： RT n6 3.47 0.12 0.054910 0.003 22.73 0.0174= 11.564、检验近似条件转速环截止频率:-cn= 396.35 0.137 : 54.31)电流环传递函数简化条件满足简化条件2）转速环小时间常数近似处理条件1 Ki

17、180.8满足近似条件5、计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如图所示,取R=40kQRfKR = 11.56 X 20kQ = 231k Q取 R=231KQC= t n/Rn=0.087/ 231k Q =0.37uF 取 C=0.37uFCon=4Ton/Ro=1uF 取 1 卩 F&校核转速超调量当h=5时，由课本P75表3-4查得,S =37.6%,不能满足要求。实际上表3-4是按线性计算的，而突加给定时，ASF饱和，不符合线性系统的前提， 应按ASR退饱和的情况重新计算。7、退饱和计算Ce=(Un-ldR)/n N=(220-1.2X 22.73)/1600=0.1204(T n=2 X 81.2%X (1.2-0)X (1.2 X 22.73-0.1204)- 1600X 0.0174 - 0.05498.7%10%T n满足设计要求四按照所设计思路调节设备按照上图连接实验装置上的各模块，分别调节ACR和ASR上的外接电容，电阻，注意先调节电流环，再调节速度环，直到调出符合设计要求的波形图为止。 记录此时的外接电容电阻, 并分析波形。五.图形处理结果;调试后的波形图：1.加给定电压