双闭环V－M调速系统设计

课程设计名称：电力拖动自动控制系统课程设计题目：双闭环V－M调速系统设计课程设计成绩评定表学期第七学期姓名专业电气工程及其自动动化(自动化)班级自动化05-3课程名称电力拖动自动控制制系统课程设设计设计题目双闭环V－M调速速系统设计评定标准评定指标分值得分知识创新性20理论正确性20内容难易性15结合实际性10知识掌握程度15书写规范性10工作量10总成绩100评语：任课教师时间年月日日备注课程设计任务书设计题目双闭环V－M调速系统设计设计任务已知某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下。直流电动机：220V，136A，1460r/min,Ce=0.132V×min/r,允许过载倍数λ＝1.5；晶闸管装置放大系数：Ks=40；电枢回路总电阻：R＝0.5Ω；时间常数：Tl=0.03s,Tm=0.18s；α＝0.07V×min/r,β=0.05V/A。试设计ASR、ACR使系统稳态无静差，电流超调量σi％≤5%空载启动到额定转速时的转速超调量σn%≤10%。设计计划第1－2天：明确设计任务，查找资料；第3－4天：分析双闭环V－M调速系统的设计方法与过程；第5－6天：总结分析，撰写课程设计报告。设计要求1、用工程设计方法进行设计，决定转速调节器和电流调节器结构并选择参数；2、对晶闸管及平波电抗器的有关参数进行计算；3、设计过程中应画出双闭环调速系统的电路原理图及动态结构图。指导教师：教研主任：时间：摘要本设计主要介绍了双闭环调速系统的电路原理图及动态结构图，并按工程设计设计法对双闭环调速系统的ACR及ASR进行设计。在工程设计中阐述了需要注意的问题。并对晶闸管的电压、电流作了定额计算，及平波电抗器的计算。最后得出双闭环调速系统的主、控电路图并作了总结及设计心得。关键词：双闭环，ASR，ACR，晶闸管。目录HYPERLINK\l"_Toc217626596"1引言1HYPERLINK\l"_Toc217626597"2双闭环调速系统的组成2HYPERLINK\l"_Toc217626598"2.1双闭环调速系统电路原理图2HYPERLINK\l"_Toc217626599"2.2双闭环调速系统动态结构图2HYPERLINK\l"_Toc217626600"3按工程设计方法设计双闭环系统的ACR和ASR4HYPERLINK\l"_Toc217626601"3.1ACR的设计4HYPERLINK\l"_Toc217626602"3.2ASR的设计5HYPERLINK\l"_Toc217626603"4采用工程方法设计时需注意的问题8HYPERLINK\l"_Toc217626604"5晶闸管的电压、电流定额计算10HYPERLINK\l"_Toc217626605"5.1晶闸管额定电压UN10HYPERLINK\l"_Toc217626606"5.2晶闸管额定电流IN10HYPERLINK\l"_Toc217626607"6平波电抗器计算11HYPERLINK\l"_Toc217626608"7双闭环调速系统主、控电路图12HYPERLINK\l"_Toc217626609"8结论13HYPERLINK\l"_Toc217626610"9体会14HYPERLINK\l"_Toc217626611"10参考文献151引言采用转速负反馈和PI调节的单闭环调速系统可以实现转速的无静差，如果附带电流截止负反馈作限流保护可以限制电流的冲击，但并不能控制电流的动态波形。我们希望系统在启动时，一直能有电机过载能力允许条件下的最大电流，电机有最大的启动转矩和最短的启动时间。这一点利用电流截止负反馈是很难实现的。另外，在单闭环调速系统中，用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器的参数调速。例如，在带电流截止负反馈的转速负反馈的单闭环系统中，同一调节器担负着正常负载时的速度调节和过载时的电流调节，调节器的动态参数无法保证两种调节过程均具有良好的动态品质。为了解决单闭环调速系统存在的问题，可以采用转速、电流串级调速系统，即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。2双闭环调速系统的组成2.1双闭环调速系统电路原理图图2－1为转速、电流双闭环调速系统的原理图。图中两个调节器ASR和ACR分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。电流环在内，称之为内环；转速环在外，称之为外环。两个调节器输出都带有限幅，ASR的输出限幅什Uim决定了电流调节器ACR的给定电压最大值Uim，对就电机的最大电流；电流调节器ACR输出限幅电压Ucm限制了整流器输出最大电压值，限最小触发角α。2.2双闭环调速系统动态结构图双闭环调速系统的动态结构如图2－2所示，由于电流检测信号中常含有交流分量，须加低通滤波，其滤波时间常数Toi按需要选定。滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来了延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其作用是：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用Ton表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道中也配上时间常数为Ton的给定滤波环节。3按工程设计方法设计双闭环系统的ACR和ASR设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐步向外扩展。在这里是：先从电流环入手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。3.1ACR的设计（1）确定时间常数整流滤波时间常数Ts，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s；电流滤波时间常数Toi，三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本虑平波头，应有（1～2）Toi=3.33ms，因此取Toi=2ms=0.002s；电流环小时间常数T∑i，按小时间常数近似处理，取T∑i=Ts+Toi=0.0037s。（2）选择电流调节器结构由设计要求：σi%≤5%，而且:因此可按典型I型系统设计，电流调节器选用PI型，其传递函数为:WACR(s)=（3）选择电流调节器参数ACR超前时间常数:；电流环开环增益：要求σi%≤5%时，应取，因此：于是，ACR的比例系数为：（4）校验近似条件电流环截止频率；晶闸管装置传递函数近似条件为：现在，，满足近似条件；忽略反电动势对电流环影响的条件为：现在，，满足近似条件；小时间常数近似条件处理条件为：现在，满足近似条件。（5）计算调节器电阻和电容电流调节器原理如图3－1所示，按所用运算放大器取R0=40kΩ，各电阻和电容值计算如下：，取；108=0.75,取0.75；=0.2，取0.2。按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为：σi%=4.5%<5%，满足设计要求。3.2ASR的设计（1）确定时间常数电流环等效时间常数为；转速滤波时间常数Ton，根据所用测速发电机波纹情况，取Ton=0.01s；转速环小时间常数按小时间常数近似处理，取=。（2）选择转速调节器结构由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型Ⅱ型系统设计速度环，故ASR选用PI调节器，其传递函数为：（3）选择速度调节器参数按跟随和抗干扰性能较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为：，转速环开环增益：于是，ASR的比例系数（4）校验近似条件由转速截止频率：，电流环传递函数简化条件：现在，满足简化条件。现在小时间常数近似条件为满足近似条件。（5）计算调节器电阻和电容转速调节原理图如图3－2所示，取，则，取；，取；，取。4采用工程方法设计时需注意的问题（1）从转速环看，能不能忽略反电动势在设计电流环时已经算出，而，所以反电动势对电流环来说可以忽略。但，，因而对于转速环来说，忽略反电动势的条件就不成立了。实际上，考虑到反电动势的影响，转速超调量将比上面的计算值更小，更能满足设计要求。（2）内、外开环对数幅频特性的比较图4－1把电流环和转速环的开环对数幅频特性画在一张图上，其中各转折频率和截止频率依次为：，，，。以上频率一个比一个小，从计算过程可以看出，这是必然的规律。因此，这样设计的双闭环系统，外环一定比内环慢。一般来说，，。从外环的响应速度受到限制，这是按上述方法设计多环控制系统时的缺点。然而，这样一来，每个环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。总之，多环系统的设计思想是：以稳为主，稳中求快。5晶闸管的电压、电流定额计算5.1晶闸管额定电压UN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，即按下式选取UN＝（2～3）Um，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。5.2晶闸管额定电流IN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：IN=(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，Kb为共阴极或共阳极电路的支路数。当α=0时，三相全控桥电路Kfb=0.368,故计算的晶闸管额定电流为IN=(1.5~2)KfbIMAX=(1.5~2)×0.368×(220×1.5)=182.16～242.88A，取200A。6平波电抗器计算由于电动机电枢和变压器存在漏感，因而计算直流回路附加电抗器的电感量时，要从根据等效电路折算后求得的所需电感量中，扣除上述两种电感量。(1)电枢电感量LM按下式计算P—电动机磁极对数，KD—计算系数，对一般无补偿电机：KD=8~12。(2)整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感LB按下式计算U2—变压器次级相电压有效值，Id—晶闸管装置直流侧的额定负载电流，KB—与整流主电路形式有关的系数。(3)变流器在最小输出电流Idmin时仍能维持电流连续时电抗器电感量L按下式计算，K是与整流主电路形式有关的系数，三相全控桥K取0.693则L＝17.01(mH).7双闭环调速系统主、控电路图8结论（1）ACR、ASR结构为PI型。（2）按跟随性能和抗扰性能都较好的原则，取h=5。（3）电流环被校正成典型Ⅰ型系统，而转速环被校正