雙閉環(huán)V－M調速系統(tǒng)設計

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)V－M調速系統(tǒng)設計課程設計成績評定表學期第七學期姓名專業(yè)電氣工程及其自動動化(自動化)班級自動化05-3課程名稱電力拖動自動控制制系統(tǒng)課程設設計設計題目雙閉環(huán)V－M調速速系統(tǒng)設計評定標準評定指標分值得分知識創(chuàng)新性20理論正確性20內容難易性15結合實際性10知識掌握程度15書寫規(guī)范性10工作量10總成績100評語：任課教師時間年月日日備注課程設計任務書設計題目雙閉環(huán)V－M調速系統(tǒng)設計設計任務已知某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據如下。直流電動機：220V，136A，1460r/min,Ce=0.132V×min/r,允許過載倍數(shù)λ＝1.5；晶閘管裝置放大系數(shù)：Ks=40；電樞回路總電阻：R＝0.5Ω；時間常數(shù)：Tl=0.03s,Tm=0.18s；α＝0.07V×min/r,β=0.05V/A。試設計ASR、ACR使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調量σi％≤5%空載啟動到額定轉速時的轉速超調量σn%≤10%。設計計劃第1－2天：明確設計任務，查找資料；第3－4天：分析雙閉環(huán)V－M調速系統(tǒng)的設計方法與過程；第5－6天：總結分析，撰寫課程設計報告。設計要求1、用工程設計方法進行設計，決定轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器結構并選擇參數(shù)；2、對晶閘管及平波電抗器的有關參數(shù)進行計算；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。指導教師：教研主任：時間：摘要本設計主要介紹了雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的電路原理圖及動態(tài)結構圖，并按工程設計設計法對雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的ACR及ASR進行設計。在工程設計中闡述了需要注意的問題。并對晶閘管的電壓、電流作了定額計算，及平波電抗器的計算。最后得出雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的主、控電路圖并作了總結及設計心得。關鍵詞：雙閉環(huán)，ASR，ACR，晶閘管。目錄HYPERLINK\l"_Toc217626596"1引言1HYPERLINK\l"_Toc217626597"2雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成2HYPERLINK\l"_Toc217626598"2.1雙閉環(huán)調速系統(tǒng)電路原理圖2HYPERLINK\l"_Toc217626599"2.2雙閉環(huán)調速系統(tǒng)動態(tài)結構圖2HYPERLINK\l"_Toc217626600"3按工程設計方法設計雙閉環(huán)系統(tǒng)的ACR和ASR4HYPERLINK\l"_Toc217626601"3.1ACR的設計4HYPERLINK\l"_Toc217626602"3.2ASR的設計5HYPERLINK\l"_Toc217626603"4采用工程方法設計時需注意的問題8HYPERLINK\l"_Toc217626604"5晶閘管的電壓、電流定額計算10HYPERLINK\l"_Toc217626605"5.1晶閘管額定電壓UN10HYPERLINK\l"_Toc217626606"5.2晶閘管額定電流IN10HYPERLINK\l"_Toc217626607"6平波電抗器計算11HYPERLINK\l"_Toc217626608"7雙閉環(huán)調速系統(tǒng)主、控電路圖12HYPERLINK\l"_Toc217626609"8結論13HYPERLINK\l"_Toc217626610"9體會14HYPERLINK\l"_Toc217626611"10參考文獻151引言采用轉速負反饋和PI調節(jié)的單閉環(huán)調速系統(tǒng)可以實現(xiàn)轉速的無靜差，如果附帶電流截止負反饋作限流保護可以限制電流的沖擊，但并不能控制電流的動態(tài)波形。我們希望系統(tǒng)在啟動時，一直能有電機過載能力允許條件下的最大電流，電機有最大的啟動轉矩和最短的啟動時間。這一點利用電流截止負反饋是很難實現(xiàn)的。另外，在單閉環(huán)調速系統(tǒng)中，用一個調節(jié)器綜合多種信號，各參數(shù)間相互影響，難于進行調節(jié)器的參數(shù)調速。例如，在帶電流截止負反饋的轉速負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)中，同一調節(jié)器擔負著正常負載時的速度調節(jié)和過載時的電流調節(jié)，調節(jié)器的動態(tài)參數(shù)無法保證兩種調節(jié)過程均具有良好的動態(tài)品質。為了解決單閉環(huán)調速系統(tǒng)存在的問題，可以采用轉速、電流串級調速系統(tǒng)，即轉速電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，采用兩個調節(jié)器分別對轉速和電流進行調節(jié)。2雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成2.1雙閉環(huán)調速系統(tǒng)電路原理圖圖2－1為轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的原理圖。圖中兩個調節(jié)器ASR和ACR分別為轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器，二者串級連接，即把轉速調節(jié)器的輸出作為電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。電流環(huán)在內，稱之為內環(huán)；轉速環(huán)在外，稱之為外環(huán)。兩個調節(jié)器輸出都帶有限幅，ASR的輸出限幅什Uim決定了電流調節(jié)器ACR的給定電壓最大值Uim，對就電機的最大電流；電流調節(jié)器ACR輸出限幅電壓Ucm限制了整流器輸出最大電壓值，限最小觸發(fā)角α。2.2雙閉環(huán)調速系統(tǒng)動態(tài)結構圖雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構如圖2－2所示，由于電流檢測信號中常含有交流分量，須加低通濾波，其濾波時間常數(shù)Toi按需要選定。濾波環(huán)節(jié)可以抑制反饋信號中的交流分量，但同時也給反饋信號帶來了延滯。為了平衡這一延滯作用，在給定信號通道中加入一個相同時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其作用是：讓給定信號和反饋信號經過同樣的延滯，使二者在時間上得到恰當?shù)呐浜希瑥亩鴰碓O計上的方便。由測速發(fā)電機得到的轉速反饋電壓含有電機的換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用Ton表示。根據和電流環(huán)一樣的道理，在轉速給定通道中也配上時間常數(shù)為Ton的給定濾波環(huán)節(jié)。3按工程設計方法設計雙閉環(huán)系統(tǒng)的ACR和ASR設計多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則是：從內環(huán)開始，一環(huán)一環(huán)地逐步向外擴展。在這里是：先從電流環(huán)入手，首先設計好電流調節(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。3.1ACR的設計（1）確定時間常數(shù)整流濾波時間常數(shù)Ts，三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.0017s；電流濾波時間常數(shù)Toi，三相橋式電路每個波頭的時間是3.33ms，為了基本慮平波頭，應有（1～2）Toi=3.33ms，因此取Toi=2ms=0.002s；電流環(huán)小時間常數(shù)T∑i，按小時間常數(shù)近似處理，取T∑i=Ts+Toi=0.0037s。（2）選擇電流調節(jié)器結構由設計要求：σi%≤5%，而且:因此可按典型I型系統(tǒng)設計，電流調節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為:WACR(s)=（3）選擇電流調節(jié)器參數(shù)ACR超前時間常數(shù):；電流環(huán)開環(huán)增益：要求σi%≤5%時，應取，因此：于是，ACR的比例系數(shù)為：（4）校驗近似條件電流環(huán)截止頻率；晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件為：現(xiàn)在，，滿足近似條件；忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件為：現(xiàn)在，，滿足近似條件；小時間常數(shù)近似條件處理條件為：現(xiàn)在，滿足近似條件。（5）計算調節(jié)器電阻和電容電流調節(jié)器原理如圖3－1所示，按所用運算放大器取R0=40kΩ，各電阻和電容值計算如下：，取；108=0.75,取0.75；=0.2，取0.2。按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)指標為：σi%=4.5%<5%，滿足設計要求。3.2ASR的設計（1）確定時間常數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)為；轉速濾波時間常數(shù)Ton，根據所用測速發(fā)電機波紋情況，取Ton=0.01s；轉速環(huán)小時間常數(shù)按小時間常數(shù)近似處理，取=。（2）選擇轉速調節(jié)器結構由于設計要求無靜差，轉速調節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據動態(tài)要求，應按典型Ⅱ型系統(tǒng)設計速度環(huán)，故ASR選用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：（3）選擇速度調節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗干擾性能較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為：，轉速環(huán)開環(huán)增益：于是，ASR的比例系數(shù)（4）校驗近似條件由轉速截止頻率：，電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件：現(xiàn)在，滿足簡化條件?，F(xiàn)在小時間常數(shù)近似條件為滿足近似條件。（5）計算調節(jié)器電阻和電容轉速調節(jié)原理圖如圖3－2所示，取，則，取；，??；，取。4采用工程方法設計時需注意的問題（1）從轉速環(huán)看，能不能忽略反電動勢在設計電流環(huán)時已經算出，而，所以反電動勢對電流環(huán)來說可以忽略。但，，因而對于轉速環(huán)來說，忽略反電動勢的條件就不成立了。實際上，考慮到反電動勢的影響，轉速超調量將比上面的計算值更小，更能滿足設計要求。（2）內、外開環(huán)對數(shù)幅頻特性的比較圖4－1把電流環(huán)和轉速環(huán)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性畫在一張圖上，其中各轉折頻率和截止頻率依次為：，，，。以上頻率一個比一個小，從計算過程可以看出，這是必然的規(guī)律。因此，這樣設計的雙閉環(huán)系統(tǒng)，外環(huán)一定比內環(huán)慢。一般來說，，。從外環(huán)的響應速度受到限制，這是按上述方法設計多環(huán)控制系統(tǒng)時的缺點。然而，這樣一來，每個環(huán)本身都是穩(wěn)定的，對系統(tǒng)的組成和調試工作非常有利?？傊?，多環(huán)系統(tǒng)的設計思想是：以穩(wěn)為主，穩(wěn)中求快。5晶閘管的電壓、電流定額計算5.1晶閘管額定電壓UN晶閘管額定電壓必須大于元件在電路中實際承受的最大電壓Um，考慮到電網電壓的波動和操作過電壓等因素，還要放寬2～3倍的安全系數(shù)，即按下式選取UN＝（2～3）Um，式中系數(shù)2～3的取值應視運行條件，元件質量和對可靠性的要求程度而定。5.2晶閘管額定電流IN為使晶閘管元件不因過熱而損壞，需要按電流的有效值來計算其電流額定值。即必須使元件的額定電流有效值大于流過元件實際電流的最大有效值?？砂聪率接嬎悖篒N=(1.5~2)KfbIMAX。式中計算系數(shù)Kfb=Kf/1.57Kb由整流電路型式而定，Kf為波形系數(shù)，Kb為共陰極或共陽極電路的支路數(shù)。當α=0時，三相全控橋電路Kfb=0.368,故計算的晶閘管額定電流為IN=(1.5~2)KfbIMAX=(1.5~2)×0.368×(220×1.5)=182.16～242.88A，取200A。6平波電抗器計算由于電動機電樞和變壓器存在漏感，因而計算直流回路附加電抗器的電感量時，要從根據等效電路折算后求得的所需電感量中，扣除上述兩種電感量。(1)電樞電感量LM按下式計算P—電動機磁極對數(shù)，KD—計算系數(shù)，對一般無補償電機：KD=8~12。(2)整流變壓器漏電感折算到次級繞組每相的漏電感LB按下式計算U2—變壓器次級相電壓有效值，Id—晶閘管裝置直流側的額定負載電流，KB—與整流主電路形式有關的系數(shù)。(3)變流器在最小輸出電流Idmin時仍能維持電流連續(xù)時電抗器電感量L按下式計算，K是與整流主電路形式有關的系數(shù)，三相全控橋K取0.693則L＝17.01(mH).7雙閉環(huán)調速系統(tǒng)主、控電路圖8結論（1）ACR、ASR結構為PI型。（2）按跟隨性能和抗擾性能都較好的原則，取h=5。（3）電流環(huán)被校正成典型Ⅰ型系統(tǒng)，而轉速環(huán)被校正