雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計

1、電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設計報告課程設計名稱： 電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設計 題 目：雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計學生姓名： 董長青 專 業(yè)： 電氣自動化技術(shù)專業(yè) 班 級： z070303學 號： z07030330 指導教師： 姬宣德 日期：2010年03月10日摘要隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，在調(diào)速領域中，雙閉環(huán)控制的理念已經(jīng)得到了越來越廣泛的認同與應用。相對于單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程的弱點。雙閉環(huán)控制則很好的彌補了他的這一缺陷。雙閉環(huán)控制可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋的分別作用，從而獲得良好的靜，動態(tài)性能。其良好的動態(tài)性能主要體現(xiàn)在其抗負載擾動以及抗電網(wǎng)電壓擾動之上。正由于雙閉環(huán)調(diào)速

2、的眾多優(yōu)點，所以在此有必要對其最優(yōu)化設計進行深入的探討和研究。本次課程設計目的就是旨在對雙閉環(huán)進行最優(yōu)化的設計。summary with the development of modern industry, in the speed area, the concept of dual-loop control has been increasingly widespread recognition and application. relative to the single closed-loop system can not arbitrarily control the dynamic

3、 process of current and torque weakness. double closed-loop control is very good to make up for this shortcoming of his. double-loop speed and current control can achieve the difference of two negative feedback effect, thus get a good static and dynamic performance. the good dynamic performance main

4、ly reflected in its anti-disturbance and anti-grid load over voltage disturbance. precisely because of the many advantages of double closed loop, so here it is necessary to optimize the design of its depth discussion and study. this course is designed to designed to optimize the double loop design.

5、目 錄一課程設計設計說明書31.1系統(tǒng)性能指標1.2整流電路31.3觸發(fā)電路的選擇和同步41.4雙閉環(huán)控制電路的工作原理4二. 設計計算書62.1整流裝置的計算62.1.1變壓器副方電壓62.1.2變壓器和晶閘管的容量72.1.3平波電抗器的電感量72.1.4晶閘管保護電路82.2 控制電路的計算92.2.1已知參數(shù)92.2.2預選參數(shù)102.2.3最佳典型ii型速度環(huán)的計算132.3系統(tǒng)性能指標的分析計算142.3.1靜態(tài)指標的計算142.3.2動態(tài)跟隨指標的計算152.3.3動態(tài)抗擾動指標的計算15三、心得體會四、附錄五參考文獻17一、課程設計設計說明書1.1系統(tǒng)性能指標調(diào)速范圍d>

6、10 靜差率s<5% 電流超調(diào)量<5% 空載起動到額定轉(zhuǎn)速的超調(diào)量<10%，調(diào)整時間<1s 當負載變化20%的額定值，電網(wǎng)波動10%額定值時，最大動態(tài)速降<10%,動態(tài)恢復時間<0.3s1.2整流電路本次課程設計的整流主電路采用的是三相橋式全控整流電路，它可看成是由一組共陰接法和另一組共陽接法的三相半波可控整流電路串聯(lián)而成。共陰極組vt1、vt3和vt5在正半周導電，流經(jīng)變壓器的電流為正向電流；共陽極組vt2、vt4和vt6在負半周導電，流經(jīng)變壓器的電流為反向電流。變壓器每相繞組在正負半周都有電流流過，因此，變壓器繞組中沒有直流磁通勢，同時也提高了變壓器繞組

7、的利用率。三相橋式全控整流電路多用于直流電動機或要求實現(xiàn)有源逆變的負載。為使負載電流連續(xù)平滑，有利于直流電動機換向及減小火花，以改善電動機的機械特性，一般要串入電感量足夠大的平波電抗器，這就等同于含有反電動勢的大電感負載。三相橋式全控整流電路的工作原理是當時的工作情況。觸發(fā)電路先后向各自所控制的6只晶閘管的門極（對應自然換相點）送出觸發(fā)脈沖，即在三相電源電壓正半波的1、3、5點（正半波自然換相點）向共陰極組晶閘管vt1、vt3、vt5輸出觸發(fā)脈沖；在三相電源電壓負半波的2、4、6點（負半波自然換相點）向共陽極組晶閘管vt2、vt4、vt6輸出觸發(fā)脈沖。以下三點是三相橋式全控整流電路所要遵循的規(guī)

8、律：1）三相橋式全控整流電路任一時刻必須有兩只晶閘管同時導通，才能形成負載電流，其中一只在共陽極組，另一只在共陰極組。2）整流輸出電壓波形是由電源線電壓、和的輪流輸出所組成的，各線電壓正半波交點16分別是vt1vt6的自然換相點。3）六只晶閘管中每管導通，每間隔有一只晶閘管換流。綜上所述，三相橋式全控整流電路的整流輸出電壓脈動小，脈動頻率高，基波頻率為300hz，所以串入的平波電抗器電感量較小。在負載要求相同的直流電壓下，晶閘管承受的最大電壓，將比采用三相半波可控整流電路要減小一半，且無需要中線，諧波電流也小。所以，廣泛應用于大功率直流電動機調(diào)速系統(tǒng)。如果為了省去整流電壓器，可以選用額定電壓為

9、440v的直流電動機。相比其他各類整流電路而言，再根據(jù)其優(yōu)點，所以采用三相橋式全控整流電路。本次本次課程設計的變壓器聯(lián)結(jié)組別采用的是主變壓器為yd11和同步變壓器為yy4。當然不同的聯(lián)結(jié)組別的選擇會產(chǎn)生不同的效果和作用。三相變壓器的繞組聯(lián)結(jié)時應注意利用單相變壓器接成三相變壓器組時，要注意繞組的極性。把三相心式變壓器的一、二次側(cè)三相繞組接成星形或三角形時，其首端都應為同名端；一、二次繞組相序要一致。1.3觸發(fā)電路的選擇和同步晶閘管的電流容量越大，要求的觸發(fā)功率越大。對于大中電流容量的晶閘管，為了保證其觸發(fā)脈沖具有足夠的功率，往往采用由晶體管組成的觸發(fā)電路。本次課程設計的觸發(fā)電路采用的是鋸齒波同步

10、的觸發(fā)電路，該電路由五個部分組成，分別為同步環(huán)節(jié)；鋸齒波形成及脈沖移相環(huán)節(jié)；脈沖形成、放大和輸出環(huán)節(jié)；雙脈沖形成環(huán)節(jié)；強觸發(fā)環(huán)節(jié)。選擇好觸發(fā)電路后，就要考慮同步的問題。實現(xiàn)同步的主要方法是通過同步變壓器ts的不同聯(lián)結(jié)組別向各觸發(fā)單元提供不同相位的交流電壓，確保變流裝置中各晶閘管能按規(guī)定的順序和時刻獲得觸發(fā)脈沖并有序地工作。通常，同步變壓器的聯(lián)結(jié)組別與主電路整流變壓器聯(lián)結(jié)組別、主電路形式、負載性質(zhì)以及采用何種觸發(fā)電路均有關(guān)系。實際上所謂三相觸發(fā)電路同步定相，就是在主電路整流變壓器聯(lián)結(jié)組別、主電路形式、負載提出的所需移相范圍以及觸發(fā)電路均已確定的條件下，如何經(jīng)過簡便的方法來確定同步變壓器聯(lián)結(jié)組別并

11、給各觸發(fā)單元選取相應的同步電壓。由于同步變壓器二次電壓要分別接到各單元觸發(fā)電路，而各單元觸發(fā)電路又均有公共“接地”端點，所以同步變壓器的二次側(cè)選擇星形聯(lián)結(jié)。由于整流變壓器與同步變壓器一次繞組總是接在同一的三相電源上，所以對同步變壓器聯(lián)結(jié)組別的確定可以采用簡化的電壓相量圖解方法。1.4雙閉環(huán)控制電路的工作原理首先是對雙閉環(huán)控制電路的穩(wěn)態(tài)工作原理的分析，可以根據(jù)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖來分析，分析穩(wěn)態(tài)工作原理的關(guān)鍵是要了解pi調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般都會存在著兩種狀況：飽和輸出達到限幅值，不飽和輸出未達到限幅值。當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；換

12、句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當調(diào)節(jié)器不飽和時，pi的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總為零。在實際的正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和和不飽和兩種情況。當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零。而當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和時，asr輸出達到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉(zhuǎn)速是由給定電壓決定的，asr的輸出量是由負載電流決定的，而控制電壓的大小則同時取決于轉(zhuǎn)速和負載電流。pi調(diào)節(jié)器的輸出量在動態(tài)過程中決定于輸

13、入量的積分，到達穩(wěn)態(tài)時，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當負載電流達到idm時，對應于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出，這時，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護。這就是采用了兩個pi調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性比帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。最后是對其動態(tài)抗擾性能的分析，對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。負載擾動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr來產(chǎn)生抗負載擾動的

14、作用。就靜特性而言，系統(tǒng)對它們的抗擾效果是一樣的。但從動態(tài)性能上看，由于擾動作用點不同，存在著能否及時調(diào)節(jié)的差別。負載擾動能夠比較快地反映到被調(diào)量n上，從而得到調(diào)節(jié)，而電網(wǎng)電壓擾動的作用電力被調(diào)量稍遠，調(diào)節(jié)作用受到延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抑制電壓擾動的性能要差一點。 綜上所述，由于增設了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗繞性能大有改善。因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。二、 設計計算書2.1整流裝置的計算2.1.1變壓器副方電壓為了減小電網(wǎng)與整流裝置的相互干擾,使整流主電路與電網(wǎng)隔離,為此需要配

15、置整流裝置。但由于電網(wǎng)電壓波動、管子本身的壓降以及整流變壓器等效內(nèi)阻造成的壓降等。所以設計時u2應按下式計算: 式中：udn為負載的額定電壓，取220v ut為整流元件的正向?qū)▔航担?v n為電流回路所經(jīng)過的整流元件的個數(shù)，橋式電路取2 a為理想情況下時，取2.34 b為實際電壓與理想空載電壓比，取0.93為最小移相角，取 c為線路接線方式系數(shù)，取0.5 為變壓器阻抗電壓比，取0.05 為二次側(cè)允許出現(xiàn)的最大電流與額定電流之比，取0.816所以將數(shù)據(jù)代入 2.1.2變壓器和晶閘管的容量(1)變壓器容量 理想條件下變壓器二次容量為(2) 晶閘管容量 晶閘管額定電壓應選等于元件實際承受最大峰值

16、電壓的(23)倍 考慮3倍的過壓容量,取 晶閘管額定電流:有效值 平均值 考慮(1.52)的過流裕量,取2.1.3平波電抗器的電感量 為了使負載電流得到平滑的直流,通常在整流輸出端串入帶有氣隙鐵心的電抗器。 電流連續(xù)時: 式中 所以 電流斷續(xù)時: 其中si給定的允許電流脈動系數(shù),三相整流電路中,取。 所以 平波電抗器電感 平波電抗器電阻為=2.1.4晶閘管保護電路(1)晶閘管關(guān)斷過電壓保護為了避免晶閘管兩端在關(guān)斷過程中出現(xiàn)瞬時反向過電壓尖峰波形,最常用的保護方式是在晶閘管兩端并接rc吸收元件。選擇根據(jù)查表得：電阻 電容c=0.15f電阻功率（2）交流側(cè)過電壓保護為了避免接通、斷開交流側(cè)電源時出

17、現(xiàn)暫態(tài)過程而引起的過電壓，故采用阻容吸收電路電容電阻電阻功率(3)直流側(cè)過電壓保護 直流側(cè)由于是電感性負載,故在某種情況下,會發(fā)生浪涌過電壓.如電壓過高的話,有可能會造成晶閘管硬開通而損壞。為避免它，故在直流負載兩端并接壓敏電阻來保護。 通流容量選擇0.5ka 壓敏電阻型號規(guī)格為my31-440/0.5（4）過電流保護 造成晶閘管過電流的主要原因是：電網(wǎng)電壓波動太大、電動機軸上拖動的負載超過允許值、電路中管子誤導通以及管子擊穿短路等。為了避免這些影響，通常采取快速熔斷器來起到過電流的保護作用。快速熔斷器接法有三種，本設計采用接入橋臂與晶閘管串聯(lián)的方法。 選擇根據(jù)的計算公式來進行選擇 本設計中，

18、所以查表得型號為(5) 電壓上升率和電流上升率 避免晶閘管由于正向電壓上升率過大,而引起的晶閘管誤導通,造成快熔或晶閘管燒壞。通常限制措施是在每一個晶閘管橋臂中串接一個空芯小電感（電感量約為2030h）。本設計選擇（6）選擇觸發(fā)電路 主電路變壓器選擇的聯(lián)結(jié)組別 同步變壓器一組選擇、另一組選擇的聯(lián)結(jié)組別2.2 控制電路的計算2.2.1已知參數(shù)（1）直流電動機 pn=7.5kw，un=220v，in=40.8a，nn=1500r/min，r=0.398，ld=8mhgd ²=3.82n·m（2）晶閘管整流電源電源電阻 放大倍數(shù) 時間常數(shù) 2.2.2固有參數(shù)的設計計算給定電壓最大

19、值 調(diào)節(jié)器限幅電壓 參數(shù)計算如下電動機電磁時間常數(shù) 電動機電勢常數(shù) 電動機轉(zhuǎn)矩常數(shù) 電動機機電時間常數(shù) 轉(zhuǎn)速慣量 2.2.3預選參數(shù)調(diào)節(jié)器輸入阻抗 電流反饋系數(shù) 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋濾波時間常數(shù) 轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù) 電流給定濾波時間常數(shù) 轉(zhuǎn)速給定濾波時間常數(shù) 2.2.4最佳典型i型電流環(huán)的計算簡化系統(tǒng)并確定時間常數(shù)：略去反電勢對電流變化的影響。合并小慣性環(huán)節(jié)，包括晶閘管延遲和反饋濾波環(huán)節(jié)。電流環(huán)小時間常數(shù)之和為： 求出固有部分的傳遞函數(shù)，畫出簡化后的電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖固有部分的傳遞函數(shù)為：簡化后的電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖1.1所示為：acr -圖1.1選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按

20、典型i型系統(tǒng)設計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用pi型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為檢查對電源電壓的抗擾性能：， 參照表后各項指標都是可接受的。計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：電流環(huán)開環(huán)增益：要求時，應取，因此 acr的比例系數(shù)為 檢驗近似條件電流環(huán)截止頻率：晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 滿足近似條件忽略反電勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 滿足近似條件電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件滿足近似條件計算調(diào)節(jié)器電阻和電容運算放大器，各電阻和電容值為 ，取 ,取 ，取2.2.5最佳典型ii型速度環(huán)的計算確定時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù) 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 按照設計要求，

21、選用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾動性能都較好的原則，取h=5，則asr的超前時間常數(shù)為 轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為 asr的比例系數(shù)為 檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 ，滿足近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為 ，滿足近似條件計算調(diào)節(jié)器電阻和電容運算放大器，各電阻和電容值為 ，取 ，取 ，取 2.3系統(tǒng)性能指標的分析計算2.3.1靜態(tài)指標的計算（a）典型i型系統(tǒng) 給定階躍輸入： （b）典型ii型系統(tǒng) 給定階躍輸入： 擾動階躍輸入： 2.3.2動態(tài)跟隨指標的計算（1）電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為 （2）空載起動到額定轉(zhuǎn)速的最大超調(diào)量 ,在飽和非線性下,以asr“退飽和超調(diào)”符合系統(tǒng)實際。2.3.3動態(tài)抗擾動指標的計算(1)負載變化20%額定負載時 (2)電網(wǎng)電壓波動10%額定值時（a）電流環(huán)（b）速度環(huán)穩(wěn)定性指標的分析（a）電流環(huán)的穩(wěn)定性當其幅頻特性曲線過0 時，既其轉(zhuǎn)折點所對應相頻率特性曲線的點在-180之上，并且仍有一定余量，充分說明該環(huán)節(jié)穩(wěn)定。（b）轉(zhuǎn)速環(huán)的穩(wěn)定性當其幅頻特性曲線過0 時，既其轉(zhuǎn)折點所對應相頻率特性曲線的點在-180之上，并且仍有一定余量，充分說明該環(huán)節(jié)穩(wěn)定。三、心得體會課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn)