电力拖动自动控制系统课程设计电气工程

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1、电力拖动自动控制系统课程设计2009年度本科生电力拖动自动控制系统课程设计HONGHE UNIVERSITY第四章总结16电力拖动自动控制系统课程设计第四章总结16电力拖动自动控制系统课程设计转速、电流双闭环直流调速系统设计院一系：工 学 院专 业：电气工程及其自动化年 级：06级学生姓名：柴 春 平学 号： 200603050467导师及职称：段志梅（讲师）2009年12月摘要转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系 统。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。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快 速起制动

2、，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的， 但 它只能在超过临界电流值 Ider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 动电流达到最大值 Idm后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也 随之减小，加速过程延长。为了实现在允许条件下的最快起动， 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，采用电流负反馈应 该能够得到近似的恒流过程。问题是，应该在起动过程中，只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态 转速后，只要转

3、速负反馈，没有电流负反馈。怎样才能做到这种既存在转速和电 流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？只用一个调节器显然是不可能的，为了解决单闭环调速系统存在的问题， 可 以采用转速、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。关键词：直流调速系统、电流调节器、转速调节器、第四章总结16电力拖动自动控制系统课程设计目录课程设计任务书1第一章双闭环直流调速系统的组成及原理 21. 双闭环直流调速系统的系统组成 22. 双闭环调速系统电路原理图 2第二章主电路及保护环节的设计 41. 主电路的选取方案 42. 主电路元件的选择 42.1 整流变压器的选择 42.2 晶闸管

4、的选型62.3 平波电抗器电感的计算 73. 保护电路的设计73.1 过电压保护及其计算 73.2 过电流保护9第三章电流、转速调节器的设计 111. 电流调节器的设计 111.1 确定时间常数111.2 选择电流调节器结构 121.3 选择电流调节器参数 121.4 校验近似条件121.5 计算调节器电阻和电容 132. 转速调节器的设计132.1 确定时间常数132.2 选择转速调节器结构 142.3 计算转速调节器参数 142.4 校验近似条件142.5 计算调节器电阻和电容 152.6 校核转速超调量15参考文献17附录A18第四章总结16电力拖动自动控制系统课程设计课程设计任务书（一

5、）课程设计题目转速、电流双闭环直流调速系统设计（二）设计任务直流他励电动机：功率 Pe= 10KW，额定电压Ue=220V,额定电流le=116A, 磁极对数P=2, ne=1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻 R=0.112 Q ,主电路 总电阻R= 0.32 Q , Le= 37.22mH（电枢电感、平波电感和变压器电感之和 ），电 磁系数 Ce=0.138 Vmin / r, Ks=22,电磁时间常数 Tl=0.116s，机电时间常数 T=0.157s，滤波时间常数Ton=Toi=0.00235s，过载倍数 A 1.5，电流给定最大值 Uim =10V，速度给定最大值Un

6、=10V（三）设计内容1. 系统各环节选型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. 主要电气设备的计算和选择1）整流变压器计算：变压器原副方电压、电流、容量以及联接组别选择。2）晶闸管整流元件：电压定额、电流定额计算及定额选择。3）系统各主要保护环节的设计：快速熔断器计算选择、阻容保护计算选择计算。4）平波电抗器选择计算。3. 系统参数计算1）电流调节器ACR中 G、R计算。2）转速调节器ASR中 Cn、R.计算。输入电阻均为40KQ。3）动态

7、性能指标计算（包括空载起动到额定转速超调量的计算和过渡过程的时间的计算以及空载起动到额定转速所需时间的计算）。4. 画出双闭环调速系统电气原理图。使用A1或A2图纸，并画出动态框图（在设计说明书中）。第一章双闭环直流调速系统的组成及原理1. 双闭环直流调速系统的系统组成ASR-转速调节器ACR-电流调节器TG-测速发电机1电力拖动自动控制系统课程设计#电力拖动自动控制系统课程设计TA-电流互感器UPE-电力电子变换器Un*-转速给定电压Un-转速反馈电压Ui*-电流给定电压Ui-电流反馈电压为实现转速和电流两种负反馈分别作用，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

8、电流负反馈。二者之间实行嵌套连接， 如图所示。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，电流环在里面，称作内环；转 速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统2. 双闭环调速系统电路原理图为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都米用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图2-1所示。RPiU*n RoUnUiIdUPE. Ud門+ + T#电力拖动自动控制系统课程设计#电力拖动自动控制系统课程设计图2-1双闭环直流调速系统电路原理图#电力拖动自动控制系统课程设计图中标出了两个调节器输入输出电

9、压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。还 表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压U im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Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压 Udm。3电力拖动自动控制系统课程设计第二章主电路及保护环节的设计1. 主电路的选取方案三相可控整流电路的控制量可以很大， 输出电压脉动较小，易滤波，控制滞 后时间短，因此在工业中几乎都是米用三相可控整流电路。 在电子设备中有时也 会遇到功率较大的电源，例如几百瓦甚至超过1 2kw的电源，这时为了提高变压器的利用

10、率，减小波纹系数，也常采用三相整流电路。另外由于三相半波可控 整流电路的主要缺点在于其变压器二次侧电流中含有直流分量，为此在应用中较少。而采用三相桥式全控整流电路， 可以有效的避免直流磁化作用。 虽然三相桥 式全控整流电路的晶闸管的数目比三相半波可控整流电路的多，但是三相桥式全控整流电路的输出电流波形变得平直， 当电感足够大时，负载电流波形可以近似 为一条水平线。2. 主电路元件的选择2.1整流变压器的选择因为晶闸管整流装置所要求的交流供电电压与电网不一致，为此需要配置整流变压器。整流变压器使整流主电路与电网隔离， 减少了电网与整流装置的相互 干扰。整流变压器根据主电路的型式、 负载额定电压和

11、额定电流，算出整流变压 器二次侧相电压 、一次与二次额定电流以及容量。图2-1整流变压器环节2.1.1 二次相电压平时我们在计算是在理想条件下进行的，但实际上许多影响是不可忽略 的。如电网电压波动、管子本身的压降以及整流变压器等效内阻造成的压降等。 所以设计时应按下式计算：.UdN + nUtU 2A (cosa CUdi 2 N)所以根据已知的参数及查表得:U2:1 2VD220十2汉12 34 0 9(0 9 -0 5 0 05 1)2.1.2 一次与二次额定电流及容量计算如果不计变压器的励磁电流，根据变压器磁动势平衡原理可得一次和二次电流关系式为：Ui-13805 一 ： (3M)IeR

12、t = (34) X 1.92 X 1.88W = 20.3627.15W式中.变压器的短路比，10-100kV A的变压器，对应的这里选2Q、25W勺电阻3.1.2 晶闸管两端的过电压保护措施抑制晶闸管的关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路的方法， 如图2-5所示。VT_IC R图2-5晶闸管两端阻容保护电路接法电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值 耳.的1.1-1.5倍。口 勺 寸1.5Uh = 1.5 X & X110V=404V阻容保护的数值一般根据经验选定，这里根据晶闸管的额定电流选：C2 二 045p.F R2 = 8fl选CZJD-2型电容器，电容量0.2 |$,耐压

13、800乂Pri =昵 X IO6 =50X015 X（V3X240）X 10sW = 1.3W取艮：1策，1.5W金属膜电阻。3.2 过电流保护采用快速熔断器（简称快熔）是电力电子装置中最有效，应用最广泛的一种过电流保护措施，如图2-6所示。STT 心nnw-_J勺Jr UFX -为Jr ST图2-6快速熔断器的接法在选择快速熔断器时应考虑：1、快速熔断的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值。2、快速熔断熔体的额定电流 应小于,。同时又应大于正常运行时晶闸管 通过的电流有效值一，即：gm而一-:哎餌d胡故选择熔断器的型号为RL2-70,熔体电流为70A。13电力拖动自动控制系统课程设计第三章

14、电流、转速调节器的设计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。再选 择调节器的参数，以满足动态性能指标。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：先从电流环人手，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。双闭环调速系统的动态结构图绘于图 3-1，其中的滤波环节包括电流滤波、 转速滤波和两个给定。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 也给反馈信号带来延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加人一个相 同

15、时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是：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。图3-1双闭环直流调速系统的动态结构图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Tn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。1. 电流调节器的设计1.1确定时间常数1）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；2）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15电力拖动自动控制系统课程设计基本虑平波头，应有（12）

16、Toi=3.33ms,因此取Toi=0.00235s；3）电流环小时间常数Td按小时间常数近似处理,取 Te=Ts+Toi=0.00405so17电力拖动自动控制系统课程设计#电力拖动自动控制系统课程设计1.2选择电流调节器结构由设计要求：oi%c 5%,而且:J 0116 =28.6400.00405#电力拖动自动控制系统课程设计因此可按典型I型系统设计，电流调节器选用 PI型，其传递函数为：叭+1WACR (s)= Ki%1.3选择电流调节器参数电流调节器超前时间常数：.j =T 0.116s ；电流反馈系数:11 汩二 0.06V/A#电力拖动自动控制系统课程设计#电力拖动自动控制系统课

17、程设计转速反馈系数：_ _ . . .-:二-电流环开环增益：要求or% 5%时，应取 ：- -，因此:Ki0.523.5s-1Ti0.00405#电力拖动自动控制系统课程设计#电力拖动自动控制系统课程设计于是，ACM比例系数为:=3.473KtT:R _ 123.5X116X0.32Ksp 22X10S1.4校验近似条件1）电流环截止频率二;晶闸管装置传递函数近似条件为：11丄2）196.1s-ci，3Ts3 0.0017满足近似条件。3）忽略反电动势对电流环影响的条件为：0.157X0,116=22.23s-1满足近似条件14）小时间常数近似条件处理条件为:0,0017X0,00235 =

18、 1661和TH满足近似条件。1.5计算调节器电阻和电容电流调节器原理如图3-2所示，按所用运算放大器取 Ro=4OkQ,各电阻和 电容值计算如下：UiA&R022Ri Ci+I+UcD-Id1nCoi HRoRo2 2Rbal19电力拖动自动控制系统课程设计#电力拖动自动控制系统课程设计图3-2含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器Rj = 3-473 X 40kH = 138.92kO，取14DX10BO- :.Sj.F，取二祁.4Toi - 4X0J0235 曲Rc 40X1090按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为：of%=4.3%nUnR0R022CojR0J+UiR balX#

19、电力拖动自动控制系统课程设计#电力拖动自动控制系统课程设计图3-3含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器2.6校核转速超调量当h=5时，查表得，匚n =37.6%，不能满足设计要求，应该按 ASR退饱和的 情况重新计算超调量。当h=5时，查表得,= Cmax. Cb = 81.2%，则#电力拖动自动控制系统课程设计116 汉 0.32奢）罟 ，2泅.2%5560 器 心2%0%满足设计要求总之，多环系统的设计思想是：以稳为主，稳中求快。如果主要追求的目标 是快速响应，那还不如采用单闭环系统，只要用别的措施解决限流保护等问题就 可以了。第四章总结经过这次课程设计，我对电力拖动自动控制系统这门课程

20、及相关知识有了更 深刻的理解和体会，同时还学到了许多在课本上学到的知识。在做该设计之前，我认真查资料，认真学习和理解课本内容。通过设计，我 对整流电路及保护电路有了进一步了解；更深的理解了电流调节器（ACR）、转速调节器（ASR）的结构和类型；电流环校正成典型I型系统，转速环校正成典 型U型系统。我要特别感谢段老师在做课程设计期间对我的耐心指导，同时引导我把书本上学到的理论知识灵活的运用到实际中去，因此我才能圆满完成了此次课程设 计。23电力拖动自动控制系统课程设计2007.1999.参考文献1 陈伯时.拖动自动控制系统一运动控制系统M .机械工业出版社,2 石新春.电力电子技术M 中国电力出版社，2006.石 玉.电力电子技术题例与电路设计指导M .机械工业出版社，#电力拖动自动控制系统课程设计25电力拖动自动控制系统课程设计附录A整整整整整整整整整整整整整整整整整整整整整 整整整整6lf 15 整整整整整整整整整 整整整整整整 整整整整整 整整整整整 J J整整整整敕盪L P整整整整I u 1即3 n0 0 0T G1PR)00- O#