電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計

1、江漢大學(xué)自動化13級課程設(shè)計基于雙閉環(huán)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計一、設(shè)計總體要求：要求設(shè)計雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，可完成以下任務(wù)：（1） 該調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑的速度調(diào)節(jié)具有較寬的調(diào)速范圍，系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作。（2）系統(tǒng)靜特性良好，無靜差。（3）動態(tài)性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)速超調(diào)量 10%，電流超調(diào)量 5%。（4）調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置有過電壓、過電流等保護(hù)，并且有制動措施。 電路設(shè)計及分析根據(jù)設(shè)計任務(wù)可知， 要求系統(tǒng)在穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速， 并要求較好的動態(tài)性能，可選擇 PI 控制的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，以完全達(dá)到系統(tǒng)需要。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如下圖 1-1所示圖 1-1 轉(zhuǎn)速、電流

2、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)框圖 兩個調(diào)節(jié)器的輸出均帶限幅作用的 , 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值， 電流調(diào)節(jié)器 ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子電換器的最大輸出電壓。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如下圖 1-2所示圖 1-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖二.基本參數(shù)的測定與ACR,ASR調(diào)試 1.記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)電樞及電抗器內(nèi)阻Ra+RL測量:測量電路如圖：調(diào)節(jié)Ug，使V1=200V后保持不變，改變R，測電流表值A(chǔ)與電壓表值V2，則可得Ra+RL=V2/A。將記錄數(shù)據(jù)填入下表：L=100mHU2/v10121315I/A0.50.590.640.69整流裝置內(nèi)阻Rn測量: 測量電

3、路如圖：調(diào)節(jié)Ug，使電壓表示數(shù)V=200V，然后Ug不動，改變R，讀電壓表示數(shù)V和電流表示數(shù)A，其中A不能超過1.5A。將記錄結(jié)果填入下表：U2/v200199198197196I/A0.440.580.720.921.05晶閘管整流器放大倍數(shù)Kv測量： 測量電路如圖：將Ug從0開始逐漸調(diào)大，讀取Ug和電壓表示數(shù)V的值，V的值不得超過220V。將記錄結(jié)果填入下表：Ug/v2.52.823.023.48 3.814.01U/v274964101125140電機(jī)時間常數(shù)Tm： 電路如圖： 理論轉(zhuǎn)速與時間關(guān)系：結(jié)果：負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL： 電路如圖：2、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：Ra+RL=22.73；：將V和A的數(shù)據(jù)

4、畫出直角坐標(biāo)系，取兩點(diǎn)，進(jìn)行差值運(yùn)算，最終 得：Rn=6.67：同上將Ug與Ud的數(shù)據(jù)畫出直角坐標(biāo)系，取斜率一定段的兩點(diǎn)， 進(jìn)行差值運(yùn)算，最終可得： Kv=71.5：Tm=0.0549：La+L=0.7794 TL=0.02593.設(shè)備調(diào)試（1）調(diào)節(jié)器的調(diào)零：將DJK04中“調(diào)節(jié)器I”所有輸入端接地，再將DJK08中的可調(diào)電阻120K接到“調(diào)節(jié)器I”的“4”、“5”兩端，用導(dǎo)線將“5”、“6”短接，使“調(diào)節(jié)器I”成為P (比例)調(diào)節(jié)器。用萬用表的毫伏檔測量調(diào)節(jié)器I的“7”端的輸出，調(diào)節(jié)面板上的調(diào)零電位器RP3，使之電壓盡可能接近于零。將DJK04中“調(diào)節(jié)器II”所有輸入端接地，再將D

5、JK08中的可調(diào)電阻13K接到“調(diào)節(jié)器II”的“8”、“9”兩端，用導(dǎo)線將“9”、“10”短接，使“調(diào)節(jié)器II”成為P（比例）調(diào)節(jié)器。用萬用表的毫伏檔測量調(diào)節(jié)器II的“11”端，調(diào)節(jié)面板上的調(diào)零電位器RP3，使之輸出電壓盡可能接近于零。（2）調(diào)節(jié)器正、負(fù)限幅值的調(diào)整把“調(diào)節(jié)器I”的“5”、“6”短接線去掉，將DJK08中的可調(diào)電容0.47uF接入“5”、“6”兩端，使調(diào)節(jié)器成為PI(比例積分)調(diào)節(jié)器，將“調(diào)節(jié)器I”所有輸入端的接地線去掉，將DJK04的給定輸出端接到調(diào)節(jié)器I的“3”端，當(dāng)加+5V的正給定電壓時，調(diào)整負(fù)限幅電位器RP2，使之輸出電壓為-6V，當(dāng)調(diào)節(jié)器輸入端加-5V的負(fù)給定電壓時，

6、調(diào)整正限幅電位器RP1，使之輸出電壓盡可能接近于零。把“調(diào)節(jié)器II”的“9”、“10”短接線去掉，將DJK08中的可調(diào)電容0.47uF接入“9”、“10”兩端，使調(diào)節(jié)器成為PI（比例積分）調(diào)節(jié)器，將“調(diào)節(jié)器II”的所有輸入端的接地線去掉，將DJK04的給定輸出端接到調(diào)節(jié)器II的“4”端。當(dāng)加+5V的正給定電壓時，調(diào)整負(fù)限幅電位器RP2，使之輸出電壓盡可能接近于零；當(dāng)調(diào)節(jié)器輸入端加-5V的負(fù)給定電壓時，調(diào)整正限幅電位器RP1，使調(diào)節(jié)器I的輸出正限幅為Uctmax。（3）電流反饋系數(shù)的整定直接將“給定”電壓Ug接入DJK02-1移相控制電壓Uct的輸入端，整流橋輸出接電阻負(fù)載R，負(fù)載電阻放在最大值

7、，輸出給定調(diào)到零。按下啟動按鈕，從零增加給定，使輸出電壓升高，當(dāng)Ud=220V時，減小負(fù)載的阻值，調(diào)節(jié)“電流反饋與過流保護(hù)”上的電流反饋電位器RP1，使得負(fù)載電流Id=l.3A時，“2”端If的的電流反饋電壓Ufi=6V，這時的電流反饋系數(shù)=Ufi/Id=3.47V/A。（4）轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)的整定直接將“給定”電壓Ug接DJK02-1上的移相控制電壓Uct的輸入端，“三相全控整流”電路接直流電動機(jī)負(fù)載，Ld用DJK02上的200mH，輸出給定調(diào)到零。按下啟動按鈕，接通勵磁電源，從零逐漸增加給定，使電機(jī)提速到n=150Orpm時，調(diào)節(jié)“轉(zhuǎn)速變換”上轉(zhuǎn)速反饋電位器RP1，使得該轉(zhuǎn)速時反饋電壓Ufn=

8、-6V，這時的轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=Ufn/n=0.003V/(rpm)。4.測得參數(shù)匯總：已知參數(shù)和計算所得參數(shù)：晶閘管裝置放大系數(shù)：Ks=71.5電樞回路總電阻：R=22.73；時間常數(shù)：Tl=0.0259，Tm=0.0549電流反饋系數(shù)：=3.47V/A。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：0.003V/(rpm)；反饋電阻：R0=20K；轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton=0.01s；三、電流調(diào)節(jié)器設(shè)計電流調(diào)節(jié)器使電流緊緊跟隨其給定電壓 （即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量） 變化。對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。 在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中， 保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。 由于電流檢測中常常含有交流分量， 為使其不影響節(jié)器的輸入

9、，需加低通濾波。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器， 它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用 PI 調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差。它對負(fù)載變化起抗擾作用。其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。由于測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波。圖 1-2 系統(tǒng)實(shí)際動態(tài)原理框圖.電流環(huán)的簡化在圖 1-2 虛線框內(nèi)的電流環(huán)中，反電動勢與電流反饋的作用相互交叉， 這將給設(shè)計工作帶來麻煩。 實(shí)際中， 對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化比較慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認(rèn)為電動勢基本不變，即 E0，其中忽略反電動勢對電流環(huán)影響的近似條件是 ci 電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻

10、率。如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號 改為U*I(s)/則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，如圖 1 3b 所示，從這里可以看出兩個濾波時間常數(shù)取值相同的方便之處。最后，由于Ts和Toi一般都比Tl小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為 則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡化成圖 1 3c 所示。簡化的近似條件為 (a)忽略反電動勢的動態(tài)影響(b)等效成單位負(fù)反饋 (c)小慣性環(huán)節(jié)近似處理圖 1 3 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其簡化.電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計算電流反饋系數(shù) ：=Ufi/Id=3.47V/A1、確定時間常數(shù)：（1）整流裝置滯后時間常數(shù) Ts。查表可得，三

11、相橋式電路的平均失控時間:Ts=0.0017s。（2）電流濾波時間常數(shù) Toi,Toi=0.002s。（3）電流小環(huán)節(jié)時間常數(shù)之和 Ti=Ts+Toi=0.0037s。2、選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)：根據(jù)設(shè)計要求 i5%，并保證無靜差，按典型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性的，因此可用 PI型電流調(diào)節(jié)器。 傳遞函數(shù)為 檢查對電源電壓的抗擾性能： Tl/Ti0.0259/0.00377。參看書P70表 3-1的典型系統(tǒng)動態(tài)抗性能，各項指標(biāo)都可以接受。3、 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)：1=T1=0.0259S電流開環(huán)增益：要求 i5%，Kli=0.5，因此kl=1/2Ti135.

12、1于是， ASR的比例系數(shù)0.324、 校驗(yàn)近似條件：電流環(huán)截止頻率： CI=KL=135.1 s-1 (1) 校驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似特殊條件 ci1/(3Ts)196.1 s-1 滿足近似條件（2） 校驗(yàn)忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 =79.588 滿足近似條件（3）校驗(yàn)忽略電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 滿足近似條件5、 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容電流調(diào)節(jié)器原理如圖所示，其中Ro=20K,各電阻，電容計算如下Ri=KiRo=0.32×20K=6.4K,取Ri=7KCi=i/Ri=0.031/7K4.43e-6F，取 4.43uFCoi=4Toi/Ro=(4*0.002

13、)/(4*104),取0.2uF 按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為i=4.3%<5%i滿足設(shè)計要求。三、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計：把電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)接入轉(zhuǎn)速環(huán)后， 整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 6a 所示。和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成 U*(s)/，再把時間常數(shù)為1 /Kl和 Ton的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為Tn 的慣性環(huán)節(jié)，其中Tn=Ton+1/KI.轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡化由于需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差， 而且在后面已經(jīng)有一個積分環(huán)節(jié)， 因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)， 所以應(yīng)該設(shè)計成典型型系統(tǒng)， 這樣的系統(tǒng)同時

14、也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見， ASR也應(yīng)該采用 PI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 式中Kn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；n 速調(diào)節(jié)器的超其時間常數(shù)。（a）用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)小慣性系統(tǒng)的近似處理（b）等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和（c）校正后成為典型型系統(tǒng)圖 1 6 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其簡化這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 不考慮負(fù)載擾動時，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 6c 所示。.轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)計算=U*im/Idm=3.47V/A。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：=U*nm/Nmax0.003V/(rpm)1、 確定時間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時間常數(shù)1/K。1/K=2T=0.0074s（2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù) To

15、n=0.01s（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù) Tn。按小時間常數(shù)近似處理，取T n=1/Ki+Ton=0.0074s+0.02s=0.0174s2、 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，其傳遞函數(shù)為 3、 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取 h=0.5，則 ASR的超前時間常數(shù)開環(huán)增益：ASR的比例系數(shù)：4、 檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率：1） 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件 >cn 滿足簡化條件 2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 滿足近似條件 5、 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖所示,取Ro=40kRn=KnR = 11.56×20k= 231k 取Rn=

16、231KCn=n/Rn=0.087/231k=0.37uF 取Cn=0.37uFCon=4Ton/Ro=1uF取1F6、 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng) h=5 時，由課本P75表 3-4 查得,=37.6%，不能滿足要求。實(shí)際上表3-4 是按線性計算的，而突加給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)按 ASR退飽和的情況重新計算。7、退飽和計算 Ce=(Un-IdRa)/nN=(220-1.2×22.73)/1600=0.1204n=2×81.2%×(1.2-0)×(1.2×22.73÷0.1204)÷1600×0.0174÷0.05498.7%<10%n滿足設(shè)計要求四按照所設(shè)計思路調(diào)節(jié)設(shè)備按照上圖連接實(shí)驗(yàn)裝置上的各模塊，分別調(diào)節(jié)ACR和ASR上的外接電容，電阻，注意先調(diào)節(jié)電流環(huán)，再調(diào)節(jié)速度環(huán)，直到調(diào)出符合設(shè)計要求的波形圖為止。記錄此時的外接電容電阻，并分析波形。五.圖形處理結(jié)果；調(diào)試后的波形圖：1.加給定電壓Ud2.速度出現(xiàn)超調(diào)3.電流退飽和