雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的課程設(shè)計報告

1、- 16 -電力電子與電力拖動課程設(shè)計 專業(yè) 電氣工程及其自動化 學(xué)號 201314240333 姓名 任樹亮 班級 電氣三班 老師 謝光奇 第1章 緒論3第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計2.1 任務(wù)摘要.52.2 任務(wù)分析52.3設(shè)計目的、意義62.4 方案設(shè)計6第3章 晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)和環(huán)節(jié)特性的測定3.1 電樞回路電阻R的測定83.2主電路電磁時間常數(shù)的測定83.3系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù)TM的測定93.4測速電機(jī)特性UTG=f(n)的測定93.5晶閘管觸發(fā)及整流裝置特性Ug=f（Ug）的測定9第4章 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計4.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計104.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計11第5章 附錄第一章

2、 緒論 許多生產(chǎn)機(jī)械要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求具有良好的穩(wěn)態(tài)，動態(tài)性能。而直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍廣，靜差率小，穩(wěn)定性好以及具有良好的動態(tài)性能，在高性能的拖動技術(shù)領(lǐng)域中，相當(dāng)長時間內(nèi)幾乎都采用直流電力拖動系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是直流調(diào)速控制系統(tǒng)中發(fā)展得最為成熟，應(yīng)用非常廣泛的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)可以再保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動，突加負(fù)載動態(tài)速

3、率小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止至限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。在實(shí)際工作中，我們希望在電機(jī)最大電流限制的條件下，充分利用電機(jī)的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流轉(zhuǎn)矩的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動過程。隨著社會化大生產(chǎn)的不斷發(fā)展，電力傳動裝置在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的得

4、到廣泛應(yīng)用，對其生產(chǎn)工藝，產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高，這就需要越來越多的生產(chǎn)機(jī)械能夠?qū)崿F(xiàn)制動調(diào)速，因此我們就要對這樣的自動調(diào)速系統(tǒng)作一些深入的了解和研究。本次設(shè)計的課題是雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，包括主電路和控制電路。主電路由晶閘管構(gòu)成，控制電路主要由檢測電路，驅(qū)動電路構(gòu)成，檢測電路又包括轉(zhuǎn)速監(jiān)測和電流檢測等部分。按電機(jī)的類型不同，電氣傳動又分交流調(diào)速和直流調(diào)速。直流調(diào)速是指人為的或自動的改變直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足工作機(jī)械的要求。從機(jī)械特性上看，就是通過改變電動機(jī)的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動機(jī)的機(jī)械特性，從而改變電動機(jī)機(jī)械特性和工作特性機(jī)械特性的交點(diǎn)，使電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。

5、直流電動機(jī)具有良好的起，制動性能，宜于在廣泛的范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機(jī)，礦井卷揚(yáng)機(jī)，挖掘機(jī)，海洋鉆機(jī)，金屬切削機(jī)床，制造機(jī)，高層電梯等需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域 中得到了廣泛的應(yīng)用。 許多生產(chǎn)機(jī)械，由于加工和運(yùn)行的要求，使電動機(jī)經(jīng)常處于起動、制動、反轉(zhuǎn)的過渡過程中，因此起動和制動過程的時間在很大程度上決定了生產(chǎn)機(jī)械的生產(chǎn)效率。為縮短這一部分時間，僅采用PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其性能還不很令人滿意。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是由速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)，可獲得良好的靜、動態(tài)性能（兩個調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器），由于調(diào)整系統(tǒng)的主要參量為轉(zhuǎn)速，故將轉(zhuǎn)速環(huán)作為主環(huán)放在外面，電流環(huán)作為副

6、環(huán)放在里面，這樣可以抑制電網(wǎng)電壓擾動對轉(zhuǎn)速的影響。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理框圖組成如下： 啟動時，加入給定電壓Ug，“速度調(diào)節(jié)器”和“電流調(diào)節(jié)器”即以飽和限幅值輸出，使電動機(jī)以限定的最大啟動電流加速啟動，直到電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定轉(zhuǎn)速(即Ug =Ufn)，并在出現(xiàn)超調(diào)后，“速度調(diào)節(jié)器”和“電流調(diào)節(jié)器”退出飽和，最后穩(wěn)定在略低于給定轉(zhuǎn)速值下運(yùn)行。 系統(tǒng)工作時，要先給電動機(jī)加勵磁，改變給定電壓Ug的大小即可方便地改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。“速度調(diào)節(jié)器”、“電流調(diào)節(jié)器”均設(shè)有限幅環(huán)節(jié)，“速度調(diào)節(jié)器”的輸出作為“電流調(diào)節(jié)器”的給定，利用“速度調(diào)節(jié)器”的輸出限幅可達(dá)到限制啟動電流的目的?！半娏髡{(diào)節(jié)器”的輸出作為“觸發(fā)電路”的控

7、制電壓Uct，利用“電流調(diào)節(jié)器”的輸出限幅可達(dá)到限制max的目的。第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計2.1 設(shè)計一個雙閉環(huán)晶閘管不可逆調(diào)速系統(tǒng) 設(shè)計要求： 電流超調(diào) i5% 轉(zhuǎn)速超調(diào) n10% 靜態(tài)特性 無靜差 給定參數(shù)： 電機(jī) 額定功率 185W 額定轉(zhuǎn)速 1600r/min 額定勵磁電流 Td，也可以近似地把系統(tǒng)看成是一階慣性環(huán)節(jié)，即 由過渡過程曲線，即可由此確定機(jī)電時間常數(shù)TM=275ms3.4測速電機(jī)特性UTG=f的測定 加額定勵磁，逐漸增加觸發(fā)電路的控制電壓Ug，分別讀取對應(yīng)的UTG ,n的數(shù)值若干組，即可描繪出特性曲線UTG=f(n)n（）350550600640700760Utg6.39.09

8、.51112.112.83.5 晶閘管觸發(fā)及整流裝置特性Ud=f的測定加額定勵磁，逐漸增加觸發(fā)電路的控制電壓Ug，分別讀取對應(yīng)的Ud，Ug的數(shù)值若干組，即可繪制出特性曲線Ud=fUg（V）5.95.45.04.64.23.63.2Ud（V）275255240215190145110第4章 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計4.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計1）確定時間常數(shù)已知，所以電流環(huán)小時間常數(shù)=0.0017+0.002=0.0037S。2） 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)因?yàn)殡娏鞒{(diào)量，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，故可用PI型電流調(diào)節(jié)器。3） 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計算： 電流

9、調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)=0.0239s，又因?yàn)樵O(shè)計要求電流超調(diào)量，查得有=0.5，所以=，又由于，計算得Ks=60。由于，所以ACR的比例系數(shù) =4） 校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率=135.1。晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：，滿足條件。忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響條件： ，滿足條件。電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：，滿足條件。5） 計算調(diào)節(jié)器的電阻和電容取運(yùn)算放大器的=20，有=13K其結(jié)構(gòu)圖如下所示： 圖4-1 電流調(diào)節(jié)器 有公式 ， 取4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計1）確定時間常數(shù)：有則，已知轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時間常數(shù)=0.01s，故轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)：按設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器3

10、)計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)：因?yàn)檗D(zhuǎn)速超調(diào)量,則10%,由于實(shí)驗(yàn)要求=1.1，理想空載啟動有z=0,而且,r/min,，A，ms,s代入上式，可得69.01%，由查表3-5,按跟隨和抗干擾性能較好原則，取h=3,則ASR的超前時間常數(shù)為： ，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 。又,則有ASR的比例系數(shù)為：4)檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為。電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為，滿足條件。轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為：，滿足近似條件。5)計算調(diào)節(jié)器電阻和電容：取=20，有，其結(jié)構(gòu)圖如下：圖4-2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 有公式 ， 取。6)校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量：由h=3，查得，不滿足設(shè)計要求，應(yīng)使ASR 退飽和重計算。設(shè)理想空載z=0，h=3時，查得

11、=72.2%，所以=2（）（）=，滿足設(shè)計要求.第5章 附錄 一個月的課程設(shè)計結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計中不僅檢驗(yàn)了我所學(xué)習(xí)的知識，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設(shè)計過程中，與同學(xué)分工設(shè)計，和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督。學(xué)會了合作。同時，這次設(shè)計過程中，體現(xiàn)出自己綜合運(yùn)用知識的能力，體會了學(xué)以致用、突出自己勞動成果的喜悅心情，從中發(fā)現(xiàn)自己平時學(xué)習(xí)的不足和薄弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補(bǔ)。 這次課程設(shè)計也鍛煉了我們的細(xì)心和耐心，這尤其體現(xiàn)在我們課程設(shè)計報告的格式上，需要細(xì)心地對待。格式很重要，不然，美觀切不說，報告看上去很混亂，不易于閱讀。嚴(yán)格的格式要求也是在培養(yǎng)我們的做事態(tài)度。我很感謝有課程設(shè)計這次機(jī)會，讓