电力拖动自动控制系统―运动控制系统

1、课 程 设 计 说 明 书课程名称：电力拖动自动控制系统运动控制系统设计题目： 转速、电流双闭环直流调速系统 院 系： 电子信息与电气工程学院 学生姓名： x x x 学 号： xx 专业班级： 2008级自动化一班 指导教师： 雷 慧 杰 2011年 11 月20 日 转速、电流双闭环直流调速系统摘 要：转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统中得到了广泛的应用。常用的电机调速系统有转速闭环控制系统和电流闭环控制系统，二者都可以在一定程度上克服开环系统造成的电动机静差率，但是不够理想。实际设计中

2、常采用转速、电流双闭环控制系统，一般使电流环(ACR)作为控制系统的内环，转速环(ASR)作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。本文是按照工程设计的方法来设计转速和电流调节器的。根据双闭环调速系统的组成和基本原理，分析了转速与电流双闭环直流自动调速系统的工作过程及静态和动态的特性。使电动机满足所要求的静态和动态性能指标。电流环应以跟随性能为主，即应选用典型型系统，而转速环以抗扰性能为主，即应选用典型型系统为主。关键词：直流双闭环 调速系统 电流调节器 转速调节器 动态性能目 录1.设计背景11.1意义11.2所作工作12.设计方案12.1设计要求12.2方案比较22.3方案选择3

3、2.4方案设计33.方案实施53.1整流变压器额定参数计算53.2晶闸管整流元件的选择与联结53.3系统各主要保护环节设计73.4平波电抗器计算选择113.5电流调节器ACR计算11 3.6转速调节器ACR计算12 3.7动态性能指标计算144.结果与结论155.收获与致谢166.参考文献161、设计背景 1.1 意义 在电气时代的今天，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。直流电机是最常见的一种电机，在各领域中得到广泛的应用。研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。在工业生产中，需要高性能速度控制的电力拖动场合，直流调速系统发挥着极为

4、重要的作用。在调速系统领域中，双闭环控制的理念已经得到了越来越广泛的认同与应用。相对于单闭环系统中的不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程的弱点，如采用速度、电流双闭环调速系统，就可以很好的弥补它这个缺点，同时还能充分利用电动机的过载能力来获得最快的动态过程。1.2 所作工作1、根据题目的技术要求，分析论证并确定系统各环节的选型：（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、主要电气设备及系统参数的计算和选择：整流变压器计算；晶闸管整流元件的选择；

5、系统各主要保护环节的设计；平波电抗器选择计算；电流调节器ACR中计算；转速调节器ASR中计算；动态性能指标计算。4、直流调速系统控制方案及拖动方案的确定5、变流器主电路和保护环节设计6、调速系统控制单元的确定和调整8、调速系统动态参数的工程设计9、用CAD（计算机辅助设计）软件绘制双闭环调速系统电气原理图10、整理设计数据资料，撰写课程设计报告 2、设计方案2.1 设计要求直流电动机设计双闭环直流晶闸管调速系统，技术要求如下：（1）. 直流他励电动机：功率Pe145KW，额定电压Ue=220V，额定电流Ie=6.5A，磁极对数P=1，ne=1500r/min,，励磁电压220V，电枢绕组电阻R

6、a=3.7,，电路总电阻R7.4,Ks=27，电磁时间常数Tl=0.033s，机电时间常数Tm=0.26s，滤波时间常数Ton=Toi=0.0031s，过载倍数1.5，电流给定最大电压值8V，速度给定最大电压值10V。（2）. 设计要求：稳态无静差，电流超调量i5%；空载起动到额定转速时的转速超调n10。2.2方案比较方案一：单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。在电动机轴上装一台测速发电机SF ,引出与转速成正比的电压Uf 与给定电压Ud 比较后,得偏差电压U ,经放大器FD ,产生触发装置CF 的控制电压Uk ,用以控制电动机的转速,如图2.1所示。

7、放大器整流触发装置负载电压电动机 速度检测 图2.1 方案一原理框图 方案二：双闭环直流调速系统该方案主要由给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环；转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭环调速系统。在电路中，ASR和ACR串联，即把ASR的输出当做ACR的输入，再由ACR得输出去控制晶闸管整流器的触发器。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具有输入输出限幅功能的PI调节器，且转速和电

8、流都采用负反馈闭环。该方案的原理框图如图2.2所示。电压电流检测ASRACR整流触发装置电动机负载速度检测 图2.2 方案二原理框图 2.3 方案选择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，难于进行调节器动态参数的调整，系统的动态性能不够好。系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应，即最佳过渡过程。 为了获得近似理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。所以本文选择方案二作为设计的最终方案

9、。2.4 方案设计主电路采用转速、电流双闭环调速系统，使电流环(ACR)作为控制系统的内环，转速环(ASR)作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。二者串级连接，即把电流调节器的输出作为转速调节器的输入，再用转速调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从而改变电机的转速。通过电流和转速反馈电路来实现电动机无静差的运行。图2.3 系统电气原理框图为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，如图一所示，其中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。图2.4 转速、电

10、流双闭环直流调速系统这就是说，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晶闸管整流器的触发装置。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。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器，其原理图示于图2.5。图2.5 双闭环直流调速系统电路原理图在图上标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照触发装置GT的控制电压Ur,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U*im，它

11、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，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。3.方案实施3.1整流变压器额定参数计算(1)变压器原副方电压采用如下公式进行计算： 式中：为负载的额定电压220V；为整流元件的正向导通压降1V；n为电流回路所经过的整流元件的个数，桥式电路取2； A为理想情况下时，取2.34；为实际电压与理想空载电压比，取0.9；为最小移相角，取；C为线路接线方式系数，取0.5；为变压器阻抗电压比，取0.05；为二次侧允许出现的最大电流与额定电流之比，取1 。 将数据代入得：因此变压器的变比近似为：（2）一次电流和二次向电流的计算由式得 ，由表

12、得 ，考虑励磁电流和变压器的变比K，根据以上两式得：（3）变压器的容量计算3.2 晶闸管整流元件的选择与联结（1）晶闸管整流元件的选择由整流输出电压，进线线电压为110V，晶闸管承受的最大反向电压是变压器二次线电压的电压峰值，即：，晶闸管承受的最大正向电压是线电压的一半，即：。考虑安全裕量，选择电压裕量为2倍关系，电流裕量为1.5倍关系，所以晶闸管的额定容量参数选择为：（2）晶闸管整流元件的联结改变电枢两端的电压能使电动机改变转向。尽管电枢反接需要较大容量的晶闸管装置，但是它反向过程快，由于晶闸管的单向导电性，需要可逆运行时经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，电动机正转时，由正组晶

13、闸管装置VF供电；反转时，由反组晶闸管装置VR供电。如图3.1所示两组晶闸管分别由两套触发装置控制，可以做到互不干扰，都能灵活地控制电动机的可逆运行，所以本设计采用两组晶闸管反并联的方式。并且采用三相桥式整流。虽然两组晶闸管反并联的可逆V-M系统解决了电动机的正、反转运行的问题，但是两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流，一般地说，这样的环流对负载无益，只会加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率。环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。为了防止产生直流平均环流，应该在正组处于整流状态、Udof 为正时，强迫让反组处于逆变状态、使Ud

14、or为负，且幅值与Udof相等，使逆变电压Udor把整流电压Udof顶住，则直流平均环流为零。于是又由于，其中，分别为VF和VR的控制角。由于两组晶闸管装置相同，两组的最大输出电压是一样的，因此，当直流平均环流为零时，应有如果反组的控制角用逆变角表示，则 按照这样控制就可以消除环流。 图3.1 两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路3.3 系统各主要保护环节设计3.3.1 给定器的设计转速给定电路主要由滑动变阻器构成，调节滑动变阻器即可获得相应大小的给定信号。转速给定电路可以产生幅值可调和极性可变的阶跃给定电压或可平滑调节的给定电压。其电路原理图如图3.2所示 图3.2 转速给定电路原理图3.3

15、.2 调节器锁零的设计（1）调节器的限幅调速系统中，为了保护电气设备和机械设备的安全，须限制电动机的最大电流和最大电压以及晶闸管变流装置的min和min角等，一般都要求对调节器限幅。系统中引入PI调节器，即使系统在停车期间，未加给定信号，由于其积分作用，调节器在干扰信号作用下也会有较大的输出电压。所以在系统给出起动指令之前，必须对具有积分作用的调节器锁零，即把它的输出锁到零电位上。 图3.3调节器的限幅 （2）调节器锁零设计调节锁存器的目的是系统处于停车状态时，具有积分作用的调节器必须用锁零电路将其输出电位锁在零电位上。并且系统接到起，停及反向指令时，或处于正常运行状态时，调节器不能锁零。转速

16、给定信号Un*和转速反馈Un作为锁零电路的输入信号，只有当Un*=Un=0时，才允许锁零电路的输出信号对调节器实现锁零。采用场效应管实现调节器锁零的电路如下： 图3.4调节器锁零设计3.3.3 给定电源GS和给定积分器环节在闭环调速系统中，转速总是紧紧地跟随给定量而变化。由三端集成稳压器件所组成的稳压电源，线路简单、性能稳定、工作可靠、调整方便，已逐渐取代分立元件。系统中应尽量采用这种集成稳压源，以保证系统的可靠工作为防止大幅度电网电压波动给稳压电源工作带来的困难，目前已普遍采用恒压变压器作为稳压电源的电源变压器。图3.5给定积分器环节3.3.4 电流检测环节 电流检测电路的主要作用是获得与主

17、电路电流成正比的电流信号，经过滤波整流后，用于控制系统中。该电路主要由电流互感器构成，将电流互感器接于主电路中，在输出端即可获得与主电路电流成正比的电流信号，起到电气隔离的作用。其电路原理图如图3.6所示。 图3.6电流检测电路3.3.5 转速检测电路设计转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信号。转速检测电路主要由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统。 图3.7 转速检测电路原理图3.3.6 整流及晶闸管保护电路设计整

18、流电路如图3.8所示，在整流电路中主要是晶闸管的保护问题。晶闸管属于半导体器件，因此承受过电压和过电流的能力差，很短时间的过电压和过电流就会造成元件的损坏。为了使晶闸管装置能长期可靠运行，除了合理选择元件外，还须针对元件工作的条件设置恰当的保护措施。在晶闸管元件两端并联RC电路，起到晶闸管换相过电压的保护。串联电阻R的作用一是阻尼LTC回路的震荡，二是限制晶闸管开通瞬间的损耗且可减小电流上升率di/dt。在电路中串接的器件是快速熔断器，最简单最普遍的过电流保护元件，其断流时间一般小于10ms，快速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。 图3.8 整流电路及晶闸管保护电路3

19、.4 平波电抗器计算选择对晶闸管直流调速系统，当负载电流较小，会出现电流断续的现象，使电动机的机械特性变软，影响系统的静、动态性能。电动机电枢电感一般较小，不能满足电流连续的要求，故必须在晶闸管输出电路中串入电抗器。对于三相全控桥平波电抗器的大小选择为:Lcr=0.693（U2/Idmin）Ud=2.34U2cos Ud=UN=220V, 取=0U2=Idmin=(5%-10%)IN,这里取10% 则L=0.693 ；3.5电流调节器ACR计算（1）确定时间常数。整流装置滞后时间常数Ts,三相桥式整流电路的平均失控时间Ts=0.0017s。电流滤波时间常数Toi。由题可知Toi=0.0031s

20、。电流环小时间常数Ti,按小时间常数近似处理，取Ti=Ts+ Toi=0.0048s。（2）选择电流调节器的结构。根据设计要求si5%，并保证稳态电流无差，可按典型型系统设计电流调节器。检查对电源电压的抗扰性能：Tl/Ti=0.033/0.0048=6.875,由此可见各项指标都可以接受。电流调节器选择PI型，其传递函数为（3）选择电流调节器参数。ACR超前时间常数=0.033s；电流开环增益：因要求，故应取，因此KI=104.2 s-1。于是，ACR的比例系数为Ki=1.224（4）计算电流调节器的电路参数按所用运算放大器，取R0=40K，各电阻和电容值计算如下：Ri= Ki *R0=*40

21、000=48.96KCi=0. 033/48.96=0.67uFCoi=4* Toi/R0=4*0.0031/40000=0.31uF 图3.9电流调节器原理图（5）校验近似条件。电流环截止频率=KI=104.2 1）校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足：，因为，所以满足近似条件。 2）校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足：，现在满足近似条件(即104.232.38成立)。 3）校验小时间常数的近似处理是否满足条件：，现在145.2,满足近似条件。按照上述参数，电流环满足动态设计指标要求和近似条件。3.6转速调节器ACR计算 （1）确定时间常数。电流环等效时间常数为2Ti=20.

22、0048=0.0096s；转速滤波时间常数Ton，根据所用测速发动机纹波情况，取Ton=0.01s;转速环小时间常数Tn按小时间常数近似处理，取。Tn=2Ti+Ton=0.0196s （2）选择转速调节器结构。由于设计要求转速环无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态设计要求，应按典型型系统设计转速环。转速调节器选用PI型，其传递函数为 （4）选择转速调节器参数。按跟随和抗干扰性能都能较好的原则取h=5，则ASR超前时间常数为0.098s转速环开环增益为KN=(h+1)/(2*h*h* Tn* Tn)=312.37 s-2于是，ASR的比例系数Kn=6*0.77*0.138*0.157/

23、10/0.00667/0.32/0.0105=33.4 （5）计算转速调节器的电路参数。转速调节器原理图如图3.10所示，按所用运算放大器，取R0=40K，各电阻和电容值计算如下：Rn=KnR0=33.4*40=1336KCn=0.0525/Rn=0.0525/=39.3nFCon=4Ton/R0=4*0.00235/40000=235nF 图3.10 转速调节器原理图（6）校验近似条件。转速环截止频率=1088*0.0525=57.1 1）校验电流环传递函数简化条件是否满足： 现在58.2,满足简化条件。2）校验小时间常数近似处理是否满足，现在76.4,满足近似条件。3）校验转速超调量。当h

24、=5时，而n的变量=116*0.32/0.138=269r/min，因此超调量=0.821*2*1.5*269/1500*0.0105/0.157=2.9%10%，能满足设计要求。设计完成的控制系统如图3.11所示。 图3.11设计完成的双闭环控制系统3.7动态性能指标计算3.7.1动态跟随指标的计算（1）电流环可以达到的动态跟随性能指标为：；（2）空载起动到额定转速的最大超调量 ,在饱和非线性下,以ASR“退饱和超调”符合系统实际。3.7.2动态抗扰动指标的计算(1)负载变化20%额定负载时 (2)电网电压波动10%额定值时（A）电流环（B）速度环 4.结果与结论双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：（1）饱和非线性控制（2）转速超调（3）准时间最优控制。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰