中主電路,電流調節(jié)器及轉速

1、中北大學電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設計說明書學生姓名: 學 號： 學 院： 信息與通信工程學院 專 業(yè): 自動化 題 目： 雙閉環(huán)VM調速系統(tǒng)中主電路， 電流調節(jié)器及轉速調節(jié)器的設計 指導教師： 2011年8月25日 中北大學電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設計任務書 11/12 學年第 一 學期學 院： 信息與通信工程學院 專 業(yè): 自動化 學 生 姓 名： 學 號： 課程設計題目: 雙閉環(huán)VM調速系統(tǒng)中主電路， 電流調節(jié)器及轉速調節(jié)器的設計 起 迄 日 期： 8月22 日8月 26日 課程設計地點： 中北大學 指 導 教 師： 下達任務書日期: 2011年08月 22日課 程 設 計 任 務 書一、

2、 設計題目：雙閉環(huán)VM調速系統(tǒng)中主電路，電流調節(jié)器及轉速調節(jié)器的設計。二、 已知條件及控制對象的基本參數(shù)：(1)已知電動機參數(shù)為：=3kW，=220V，=17。5A,=1500r/min，電樞繞組電阻=1.25，=3.53。采用三相全控橋式電路，整流裝置內(nèi)阻=1。3。平波電抗器電阻=0。3。整流回路總電感L=200mH.（2）這里暫不考慮穩(wěn)定性問題，設ASR和ACR均采用PI調節(jié)器，ASR限幅輸出=8V，ACR限幅輸出=8V，最大給定=10V，調速范圍D=20，靜差率s=10%，堵轉電流 =2.1，臨界截止電流 =2。(3）設計指標：電流超調量%5%，空載起動到額定轉速時的轉速超調量10%,空

3、載起動到額定轉速的過渡過程時間 t0.5.三、 設計要求（1）用工程設計方法和西門子調節(jié)器最佳整定法 進行設計,決定ASR和ACR結構并選擇參數(shù)。（2）對上述兩種設計方法進行分析比較。（3）設計過程中應畫出雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的電路原理圖及動態(tài)結構圖（4）利用matlab/simulink進行結果仿真。 為可選作內(nèi)容四、 設計方法及步驟： 用工程設計方法設計 （1）系統(tǒng)設計的一般原則：（2）電流環(huán)設計1） 確定時間常數(shù)2） 選擇電流調節(jié)器結構3） 選擇電流調節(jié)器參數(shù)根據(jù)上述參數(shù)可以達到的動態(tài)指標為4） 校驗近似條件（3）轉速環(huán)設計1） 確定時間常數(shù)2） 選擇轉速調節(jié)器結構3） 選擇轉速調節(jié)器參數(shù) 4

4、） 校驗近似條件 用西門子調節(jié)器最佳整定法設計（1）電流環(huán)的動態(tài)校正 （2）轉速環(huán)的動態(tài)校正 兩種設計方法的分析比較五、 設計心得:六、 參考資料 :一系統(tǒng)設計的一般原則： 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,首先設計電流調節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉速調節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設計轉速調節(jié)器 。(2)電流環(huán)設計電流環(huán)動態(tài)結構圖及簡化:1）確定時間常數(shù) 根據(jù)已知數(shù)據(jù)得 ´= 三相橋式晶閘管整流電路的平均后時間0。0017sT=,取電流反饋濾波時間常數(shù)，可得電流環(huán)的小時間常數(shù)為0.002oiT，可得電流環(huán)的小時間常數(shù)為2）選擇電流調節(jié)器結構 S

5、 但由于對電流超調量有較嚴格要求，而抗擾指標卻沒有具體要求，因此電流環(huán)仍按典型I型系統(tǒng)設計。電流調節(jié)器選用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為3)選擇電流調節(jié)器參數(shù) 積分時間常數(shù)： 為滿足%5%，取電流環(huán)開環(huán)增益KI 為:電流調節(jié)器比例系數(shù)KI 為：取調節(jié)器的輸入電阻R0=20K，則電流調節(jié)器的各參數(shù)為：根據(jù)上述參數(shù)可以達到的動態(tài)指標為：故能滿足設計要求.4）校驗近似條件 電流環(huán)截至頻率:晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件為：又有：故該近似條件滿足。小時間常數(shù)近似處理條件為:則故該近似條件滿足。（3）轉速環(huán)設計轉速環(huán)動態(tài)結構圖及簡化：確定時間常數(shù) 電流環(huán)的等級時間常數(shù)為 0。0074s.取轉速反饋濾波時間常數(shù) 0

6、。01s，轉速環(huán)的時間常數(shù)為:2）選擇轉速調節(jié)器結構 設計要求中雖然允許系統(tǒng)有靜差,轉速調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)很大,因此轉速調節(jié)器如采用比例調節(jié)器，將很難滿足穩(wěn)定性要求.為此，轉速調節(jié)器采用近似PI調節(jié)器,按典型II型系統(tǒng)進行設計.可證明，當近似PI調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)很大時，其傳遞函數(shù)可表示為3)選擇轉速調節(jié)器參數(shù)按跟隨性能和抗擾性能較好的原則選擇h=5，求出轉速超調量和過渡過程時間ts。如果能夠滿足設計要求，則可根據(jù)所選的h值計算有關參數(shù)；否則要改變h值重新進行計算，直到滿足設計要求為止。當h=5時，ASR退飽和超調量為:式中為電動機允許過載系數(shù),按題意l=2.1；z為負載系數(shù)，設為理想空載

7、起動,則z=0； ,當h=5時，故起動到額定轉速,即n*= 時，退飽和超調量為=9。2%小于10%，滿足設計要求?？蛰d起動到額定轉速的過渡過程中，由于在大部分時間內(nèi)ASR飽和而不起調節(jié)作用,使過渡過程時間ts延長，ts 可表示為 ts=t0+t2, 其中t2為恒流升速時間，t0是退飽和超調過渡過程時間。轉速環(huán)開環(huán)增益為ASR比例系數(shù)為如去調節(jié)器輸入電阻Ro=20kW，則4）校驗近似條件 轉速環(huán)截止頻率為故滿足該簡化條件。小時間常數(shù)近似處理條件為：故滿足該簡化條件.5） 易犯錯誤此系統(tǒng)是有差系統(tǒng)，ASR似乎可用比例調節(jié)器并按典型I型系統(tǒng)進行設計。這時，轉速環(huán)的開環(huán)放大系數(shù)為根據(jù)設計指標,轉速超調

8、量要求n小于10,據(jù)此可選擇參數(shù)為于是 上述設計過程的錯誤是:ASR采用比例調節(jié)器,當其放大系數(shù)為9。7時，雖可滿足動態(tài) 指標的要求，但卻無法滿足穩(wěn)態(tài)指標要求。由前述計算可知，發(fā)展穩(wěn)態(tài)指標要求時KASR=76。3，即ASR采用比例調節(jié)器時無法解決動、穩(wěn)態(tài)之間的矛盾,只有當ASR采用PI調節(jié)器（或近似PI調節(jié)器）后，才能較好地解決這個矛盾.為此，當系統(tǒng)對穩(wěn)態(tài)指標要求較高時，即使是有差系統(tǒng)，ASR仍應采用PI調節(jié)器，并按典型II型系統(tǒng)進行設計。另外,計算空載起動到額定轉速的過渡過程時間st時，若查教材表26,當h=5時,得 是不對的，此錯誤在于：教材表26所列數(shù)據(jù)是系統(tǒng)處于線性狀態(tài)下得到的跟隨性指

9、標，它只適用與線性系統(tǒng)。而實際系統(tǒng)在突加給定后,由于ASR飽和不再起調節(jié)作用，因此其過渡過程時間將延長，其值主要由恒流升速的過程時間所決定. 用西門子調節(jié)器最佳整定法設計（1)電流環(huán)的動態(tài)校正雙閉環(huán)系統(tǒng)中電流環(huán)的動態(tài)結構圖，如教材中圖227所示。對于這種調節(jié)對象由一個大慣性環(huán)節(jié)和一個小慣性群所組成的系統(tǒng),電流調節(jié)器可以采用PI調節(jié)器，即如果調節(jié)器按下列調節(jié)選擇參數(shù)，電流環(huán)即將被校正為二階最佳閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)所得調節(jié)器參數(shù)為因Ro=20k,取1F，于是 取68.這時電流環(huán)可達到的動態(tài)指標為：最大超調量（2）轉速環(huán)的動態(tài)校正 將電流環(huán)與上述的工程設計方法同樣處理,可畫出轉速環(huán)的動態(tài)機構圖如圖所示。對于

10、這種調節(jié)對象由一個積分環(huán)節(jié)和一個小慣性群組成的系統(tǒng)，轉速調節(jié)器可以采用PI調節(jié)器，即如果調節(jié)器按下述條件選擇參數(shù),系統(tǒng)即被校正為三階最佳閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)所得調節(jié)器參數(shù)為R0=20k,取Cn=0.47uF,給定濾波器的時間常數(shù)為0.0696S當轉速調節(jié)器采用上述參數(shù),并在輸入端加給定濾波器后,系統(tǒng)可以達到的動態(tài)指標為：轉速最大超調量=8.1%,過渡過程時間ts=16.4×0.0174s=0.265s.兩種設計方法的分析比較（1）西門子設計方法中的二階最佳系統(tǒng),與工程設計方法中的典型I型系統(tǒng)在結構上是一樣的。前者選擇參數(shù)的條件，相當于典型I型系統(tǒng)中選12KT= 的情況。 （2）西門子設計方法

11、中三階最佳系統(tǒng)與工程設計方法中的典型II型系統(tǒng)在結構上是一樣的。前者選擇參數(shù)的條件，相當于典型II型系統(tǒng)中選中頻寬h=4的情況.（3）西門子設計方法的主要缺點是轉速超調量計算未考慮ASR飽和，因此給出的 過大；再采用較大時間常數(shù)的給定濾波，并不能減小，因此只要ASR飽和，此濾波環(huán)節(jié)對抑制超調就無作用。此外，西門子方法沒有給出參數(shù)變化時系統(tǒng)動態(tài)性能的變化趨勢，這就給現(xiàn)場調試帶來一定困難。二、設計心得： 這次電力拖動自動控制系統(tǒng)歷時一個星期，在整整一個星期的日子里,可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的的東西,同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識. 1。學習是沒有止境的。在做這個課程設計之前,我一直以為自己的理論知識學的很好了。但是在完成這個設計的時候，我總是被一些小的，細的問題擋住前進的步伐,讓我總是為了解決一個小問題而花費很長的時間.最后還要查閱其他的書籍才能找出解決的辦法。并且我在做設計的過程中發(fā)現(xiàn)有很多東西，我都還不知道.其實在計算設計的時候，基礎是一個不可缺少的知識,但是往往一些核心的高層次的東西更是不可缺少。 2.多和同學討論。我們在做課程設計的工程中要不停的討論問題，這樣，我們可以盡可能的統(tǒng)一思想，這樣就不會使自己在做的過程中