V-M雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設計(個人制作)

1、電力拖動綜合課程設計 專 業(yè)： 班 級： 學 號： 姓 名： 設計題目：V-M雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng) 設計報告格式25分設計內(nèi)容45分答辯考勤總計得分封面3頁面布局5目錄格式3圖表質(zhì)量4間行距、字體5頁眉頁腳5設計題目分析5系統(tǒng)控制方案8設備計算、選型7電氣原理圖調(diào)節(jié)器參數(shù)整定或程序設計101020主電路5控制電路5總圖5 2011年1月目錄摘要II第一章 緒論- 1 -第二章 課程設計任務與要求- 2 -2.1 課程設計簡介- 2 -2.2 課程設計基本要求- 2 -第三章控制系統(tǒng)設計- 3 -3.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成- 3 -3.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型-

2、4 -3.3系統(tǒng)的設計- 4 -3.3.1電流調(diào)節(jié)器的設計- 4 -3.3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計- 8 -第四章 心得體會- 12 -參考文獻- 13 -摘要 電力拖動自動控制系統(tǒng)是把電能轉(zhuǎn)換成機械能的裝置，它被廣泛地應用于一般生產(chǎn)機械需要動力的場合，也被廣泛應用于精密機械等需要高性能電氣傳動的設備中，用以控制位置、速度、加速度、壓力、張力和轉(zhuǎn)矩等。 本文所論述的是“轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)述單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路設計與研究”。主電路設計是依據(jù)晶閘管-電動機（VM）系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)由整流變壓器TR、晶閘管整流調(diào)速裝置、平波電抗器L和電動機-發(fā)電機組等組成。整流變壓器TR和晶閘管整流調(diào)速

3、裝置的功能是將輸入的交流電整流后變成直流電；平波電抗器L的功能是使輸出的直流電流更平滑；電動機-發(fā)電機組提供三相交流電源。關鍵字：直流調(diào)速 晶閘管 雙閉環(huán)IV-M雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設計第一章 緒論 直流調(diào)速系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程中應用最廣的電氣傳動裝置之一。廣泛地應用于軋鋼機、冶金、印刷、金屬切削機床等許多領域的自動控制系統(tǒng)中。它通常采用三相全控橋式整流電路對電動機進行供電，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，如晶體管、各種線性運算電路等，在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求。 直流電動機和交流電動機相比，其制造工藝復雜，生產(chǎn)成本高維修困難，需備有直流電源才能使

4、用。但因直流電動機具有寬廣的調(diào)速范圍，平滑的調(diào)速特性，較高的過載能力和較大的起動、制動轉(zhuǎn)矩，因此被廣泛地應用于調(diào)速性能要求較高的場合。在工業(yè)生產(chǎn)中，需要高性能速度控制的電力拖動場合，直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)揮著極為重要的作用，高精度金屬切削機床，大型起重設備、軋鋼機、礦井卷揚、城市電車等領域都廣泛采用直流電動機拖動。特別是晶閘管一直流電動機拖動系統(tǒng)，、具有自動化程度高、控制性能好、起動轉(zhuǎn)矩大，易于實現(xiàn)無級調(diào)速等優(yōu)點而被廣泛應用。 本文主要是根據(jù)三相全波全控整流電路的原理，選擇合適的變壓器、晶閘管、平波電抗器以及晶閘管保護、觸發(fā)電路，組成整流電路。第二章 課程設計任務與要求2.1 課程設計簡介某電動拖車，

5、 V-M雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，技術要求：1該調(diào)速系統(tǒng)能進行平滑的速度調(diào)節(jié)，負載電機不可逆運行，具有較寬的調(diào)速范圍（D10），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（靜差率s0.2）。3動態(tài)性能指標：轉(zhuǎn)速超調(diào)量n8%，電流超調(diào)量i5%，動態(tài)速降n8-10%，調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時間（調(diào)節(jié)時間）ts1s 。4系統(tǒng)在5%負載以上變化的運行范圍內(nèi)電流連續(xù)。5調(diào)速系統(tǒng)中設置有過電壓、過電流等保護，并且有制動措施。2.2 課程設計基本要求1根據(jù)題目的技術要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)型式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖。2調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計算（包括有變壓器、

6、電力電子器件、平波電抗器與保護電路等）。3驅(qū)動控制電路的選型設計（模擬觸發(fā)電路、集成觸發(fā)電路、數(shù)字觸發(fā)器電路 均可）。4動態(tài)設計計算：根據(jù)技術要求，對系統(tǒng)進行動態(tài)校正，確定ASR調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)型式及進行參數(shù)計算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標的要求。5繪制V-M雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖（要求計算機繪圖）。6整理設計數(shù)據(jù)資料，課程設計總結(jié)，撰寫設計計算說明書。技術數(shù)據(jù)：晶閘管整流裝置：Rrec=0.032，Ks=45-48。負載電機額定數(shù)據(jù)：PN=90KW，UN=440V，IN=220A，nN=1800r/min，Ra=0.088，=1.5。系統(tǒng)主電路：R=0.

7、12，Tm=0.1s。第三章控制系統(tǒng)設計3.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成如圖3-1所示，轉(zhuǎn)速調(diào)速器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)，這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)。圖3-1 調(diào)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖如圖3-2所示。圖中標出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們電力電子變換器的控制電壓Uc為正壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。圖3-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電

8、路原理圖3.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型的基礎上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖3-3所示。圖3-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3.3系統(tǒng)的設計按照“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)” 的設計原則，從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴展。在這里，首先設計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。3.3.1電流調(diào)節(jié)器的設計一、電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡在圖3-3點畫線框內(nèi)的電流環(huán)中，反電動勢與電流反饋的作用相互交叉，這將給設計工作帶來麻煩。實際上，反電動勢與轉(zhuǎn)速成正比，它代表轉(zhuǎn)速對電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的電

9、磁時間常數(shù)Tl遠小于機電時間常數(shù)Tm,因此，轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢的多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認為電動勢基本不變，即E0。這樣，在按動態(tài)性能設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，也就是說，可以暫且把反電動勢的作用去掉，得到電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)款圖，如圖3-4所示。圖3-4 忽略反電動勢的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效的移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號給成Ui*（s）/，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)。最后，由于Ts和Toi一般都比Tl小得多，可以當作小慣性而近似的看作一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為Ti=Ts+Toi,則電流

10、環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡化成圖3-5所示。圖3-5 小慣性環(huán)節(jié)近似處理后的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖二、電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇首先考慮應把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由3-5可以看出，采用I型系統(tǒng)就夠了。再從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)部允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素。為此，電流環(huán)應以跟隨性能為主，即應選用典型I型系統(tǒng)。圖3-5表明，電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成WACR（s）=Ki（iS+1）iS則電流

11、環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成為圖3-6所示的典型形式，其中KI=KiKsi圖3-6 校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖三、電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-7所示：圖3-7 模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖四、電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算 根據(jù)已知數(shù)據(jù)得電機額定電流：IN=PN/Un=90000/440=204.545(A)電機電動勢常數(shù)：Ce=(Un-INRa)/nN=(440-204.545x0.08)/1800=0.2435(V.min/r)電樞電流：IdN=IN=204.545（A）主電路總電感：L=0.639Ud/Idmin=(0.639*440)/20.45

12、45=13.74563mH=0.0137H(Idmin=10%IdN)1.確定時間常數(shù)1）電磁時間常數(shù):Tl=L/R=0.031416 (S)。2）三相橋式晶閘管整流電路的平均滯后時間Ts=0.0017s，取電流反饋濾波時間常數(shù)Toi=0.002s,可得電流環(huán)的小時間常數(shù)為Ti =Ts-Toi=0.0017s-0.002s=0.0037s。2.選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設計要求i5%，并保證靜態(tài)電流無差，可按典型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。檢查對電源電壓的抗擾性能：Tl/Ti=0.031416/0.0037=8.11,參照典型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項

13、指標都是可以接受的。3.計算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù) 電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：i=Tl=0.03s電流環(huán)開環(huán)增益：要求i5%時，按表3-1，應取KITi =0.5，因此KI=0.5/Ti=0.5/0.0037=135.1s-1表3-1 典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關系參數(shù)關系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調(diào)量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時間tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時間tp8.3T6.2T4.7T3.6T相角穩(wěn)定裕度76.369.965.559.251.8截止頻率c0.243/T0.367/T0.455

14、/T0.596/T0.786/T于是，ACR的比例系數(shù)為Ki=(KIiR)/(Ks)=1.0134.校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：ci=KI=135.1S-11）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件13Ts=196.1 S-1ci，滿足近似條件。2）忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件31TmTl=40.82 S-1ci，滿足近似條件。5.計算調(diào)節(jié)器電阻和電容由圖3-7，按所用運算放大器取R0=40K,各電阻和電容值為Ri=KiR0=40.52 K,取40 KCi=iRi=0.75x10-6F,取0.75FCoi=4ToiR0=0.2x10-6F，取0.2F按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性

15、能指標為i=4.3%，滿足設計要求。3.3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計一、轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖3-3中的電流環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖3-8所示。圖3-8 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后的轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和電流環(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Un*（s）/，再把時間常數(shù)為1/KI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=1KI+Ton，則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖可簡化圖3-9。圖3-9 等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性近似處理后的轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖二、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負載擾動作用點前面必

16、須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中。現(xiàn)在在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應該設計成典型型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。至于其階躍響應超調(diào)量較大，那是按照線性系統(tǒng)理論計算的數(shù)據(jù)，實際系統(tǒng)中調(diào)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性性質(zhì)會使超調(diào)量大大降低。由此可見，ASR也應該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為WASR(s)=Kn(n+1)nS不考慮負載擾動時，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖3-10所示。圖3-10 校正后成為典型系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖三、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)含給定濾波和反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-11所示。圖

17、3-11 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器四、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算1.確定時間常數(shù)1）電流環(huán)等效時間常數(shù)1/KI:1KI=2Ti=2x0.0037s=0.0074s2)轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton：根據(jù)所用測速發(fā)動機紋波情況，取Ton=0.01S3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)：按小時間常數(shù)近似處理，取Ti=1KI+Ton=0.0074s+0.01s=0.0174s2.計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，參考表3-2取h=5,則ASR的超前時間常數(shù)為表3-2 典型型系統(tǒng)系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標h34567891052.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%t

18、r/T2.402.652.853.03.13.23.33.5ts/T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111n=hTn=5x0.0174=0.087s轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益KN=h+12h*h*Tn*Tn=396.4S-2ASR的比例系數(shù)為Kn=（h+1）CeTm2hRTn=11.73.檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為Wcn=KNw1=34.5s-21） 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為13KITn=63.7S-1cn,滿足簡化條件2)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為13KITOn=38.7S-1cn,滿足近似條件3計算調(diào)節(jié)器電阻和電容根據(jù)圖3-11，取R0=40K,則Rn=KnR0=468 K,取470 KCn=nRn=0.185x10-6F,取0.2FCon=4TonR0=1x10-6F，取1F第四章 心得體會這次電力拖動自動控制系統(tǒng)