電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計(3)

1、<p>　　1已知條件及控制對象的基本參數(shù)：</p><p><b>　　1)技術(shù)數(shù)據(jù)：</b></p><p>　　直流電動機：PN=3KW , UN=220V , IN=17.5A , nN=1500r/min , Ra=1.25Ω 堵轉(zhuǎn)電流 Idbl=2IN , 截止電流 Idcr=1.5IN ，GD2=3.53N.m2</p>

2、<p>　　三相全控整流裝置：Ks=40 , Rrec=1. 3Ω</p><p>　　平波電抗器：RL=0. 3Ω</p><p>　　電樞回路總電阻 R=2.85Ω ，總電感 L=200mH , </p><p>　　電動勢系數(shù)： (Ce= 0.132V.min/r)</p><p>　　系統(tǒng)主電路：(Tm=0.16s ，Tl

3、=0.07s)</p><p>　　濾波時間常數(shù)：Toi=0.002s , Ton=0.01s,</p><p>　　其他參數(shù)：Unm*=10V , Uim*=10V , Ucm=10V ，σi≤5% , σn≤10</p><p><b>　　2)技術(shù)指標</b></p><p>　　穩(wěn)態(tài)指標：無靜差（靜差率s≤10%

4、, 調(diào)速范圍 D≥20 ）</p><p>　　動態(tài)指標：轉(zhuǎn)速超調(diào)量δn≤10%，電流超調(diào)量δi≤5%，動態(tài)速降Δn≤10%， 調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時間（調(diào)節(jié)時間）ts≤0.5s。</p><p>　　3) 根據(jù)題目的技術(shù)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 。</p><p>　　4) 調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參

5、數(shù)計算（包括有變壓器、電力電子器件、平波電抗器與保護電路等） 。</p><p>　　5) 動態(tài)設(shè)計計算：根據(jù)技術(shù)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 。</p><p>　　2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計</p><p>　　改變電樞兩端的電壓能使電動機改變轉(zhuǎn)向。盡管電樞反接需要

6、較大容量的晶閘管裝置，但是它反向過程快，由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，需要可逆運行時經(jīng)常采用兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路，電動機正轉(zhuǎn)時，由正組晶閘管裝置VF供電；反轉(zhuǎn)時，由反組晶閘管裝置VR供電。如圖1所示兩組晶閘管分別由兩套觸發(fā)裝置控制，可以做到互不干擾，都能靈活地控制電動機的可逆運行，所以本設(shè)計采用兩組晶閘管反并聯(lián)的方式。并且采用三相橋式整流。雖然兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆V-M系統(tǒng)解決了電動機的正、反轉(zhuǎn)運行的問題，但是兩組裝置的整

7、流電壓同時出現(xiàn)，便會產(chǎn)生不流過負載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，，稱作環(huán)流，一般地說，這樣的環(huán)流對負載無益，只會加重晶閘管和變壓器的負擔，消耗功率。環(huán)流太大時會導(dǎo)致晶閘管損壞，因此應(yīng)該予以抑制或消除。為了防止產(chǎn)生直流平均環(huán)流，應(yīng)該在正組處于整流狀態(tài)、Udof 為正時，強迫讓反組處于逆變狀態(tài)、使Udor為負，且幅值與Udof相等，使逆變電壓Udor把整流電壓Udof頂住，則直流平均環(huán)流為零。于是</p><p&

8、gt;<b>　　又由于</b></p><p>　　其中，分別為VF和VR的控制角。由于兩組晶閘管裝置相同，兩組的最大輸出電壓是一樣的，因此，當直流平均環(huán)流為零時，應(yīng)有</p><p>　　如果反組的控制角用逆變角表示，則 按照這樣控制就可以消除環(huán)流。</p><p>　　圖1 兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)可逆線路</p>

9、<p>　　系統(tǒng)設(shè)計的一般原則為：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。即從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴展。在這里，首先設(shè)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(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。</p><p>　　圖2為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖，圖3為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖中兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，二者串級連接，即把電流調(diào)節(jié)器的輸出作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入，再用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力

10、電子變換器UPE。</p><p>　　兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定電壓的最大值；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。</p><p>　　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。其中主電路中串入平波電抗器，以抑制電流脈動，消除因脈動電流引起的電機發(fā)熱以及產(chǎn)生的

11、脈動轉(zhuǎn)矩對生產(chǎn)機械的不利影響。</p><p>　　圖3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　3主電路的設(shè)計</b></p><p>　　3.1主電路電氣原理圖及其說明</p><p>　　主電路采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，使電流環(huán)(ACR)作為控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)(ASR)作為控制系統(tǒng)的外環(huán)，以此來

12、提高系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能。二者串級連接，即把電流調(diào)節(jié)器的輸出作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入，再用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從而改變電機的轉(zhuǎn)速。通過電流和轉(zhuǎn)速反饋電路來實現(xiàn)電動機無靜差的運行。</p><p>　　圖4 系統(tǒng)電氣原理框圖</p><p>　　3.2平波電抗器參數(shù)的計算：</p><p>　　Ud=2.34U2cos </p>&

13、lt;p>　　Ud=UN=220V, 取=0°</p><p><b>　　U2=</b></p><p>　　Idmin=(5%-10%)IN,這里取10% 則</p><p><b>　　L=0.693</b></p><p>　　3.3變壓器參數(shù)的計算</p>&

14、lt;p>　　變壓器副邊電壓采用如下公式進行計算：</p><p>　　因此變壓器的變比近似為：</p><p>　　一次側(cè)和二次側(cè)電流I1和I2的計算</p><p>　　I1=1.05×287×0.861/3.45=75A</p><p>　　I2=0.861×287=247A</p>&

15、lt;p><b>　　變壓器容量的計算</b></p><p>　　S1=m1U1I1=3×380×75=85.5kVA</p><p>　　S2=m2U2I2=3×110×247=81.5kVA</p><p>　　S=0.5×(S1+S2)=0.5×(85.5+81.5)=8

16、3.5kVA</p><p>　　因此整流變壓器的參數(shù)為：變比K=3.45，容量S=83.5kVA</p><p>　　3.4晶閘管元件參數(shù)的計算</p><p>　　晶閘管的額定電壓通常選取斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM和反向重復(fù)峰值電壓URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓。晶閘管的額定電流一般選取其通態(tài)平均電流的1.5-2倍。在橋式整流電路中晶閘管兩端承受的最大正

17、反向電壓均為，晶閘管的額定電壓一般選取其最大正反向電壓的2-3倍。</p><p>　　帶反電動勢負載時，變壓器二次側(cè)電流有效值I2是其輸出直流電流有效值Id的一半，而對于橋式整流電路，晶閘管的通態(tài)平均電流IVT=I，則在本設(shè)計中晶閘管的額定電流IVT(AV)=523-698A</p><p>　　本設(shè)計中晶閘管的額定電壓UN=311-466V</p><p>　　

18、3.5保護電路的設(shè)計</p><p>　　對于過電壓保護本設(shè)計采用RC過電壓抑制電路，該裝置置于供電變壓器的兩側(cè)或者是電力電子電路的直流上，如圖5所示。</p><p>　　對于過電流保護本設(shè)計采用在電力變壓器副邊每相母線中串接快速熔斷器的方法來保護電路</p><p><b>　　圖5 過壓保護電路</b></p><p&

19、gt;<b>　　4電流調(diào)節(jié)器設(shè)計</b></p><p>　　4.1電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡</p><p>　　電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化分為忽略反電動勢的動態(tài)影響、等效成單位負反饋系統(tǒng)、小慣性環(huán)節(jié)的近似處理等環(huán)節(jié)。</p><p>　　在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時間常數(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得多，對電流環(huán)來說，反電

20、動勢是一個變化較慢的擾動，在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，即E≈0。這時，電流環(huán)如圖6所示。</p><p>　　圖6 忽略反電動勢動態(tài)影響的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　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</p><p>　　成U*i(s) / ，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)，如圖7所示。&l

21、t;/p><p>　　圖7 等效成單位負反饋系統(tǒng)的電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　最后，由于Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多，可以當作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為</p><p>　　T∑i = Ts + Toi </p><p>　　則電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡化成圖8</p><p>　　4.

22、2電流環(huán)參數(shù)的計算</p><p>　　4.2.1確定時間常數(shù)</p><p>　　1)整流裝置滯后時間常數(shù) Ts。按表1，三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.0017s。</p><p>　　2 )電流濾波時間常數(shù)本設(shè)計初始條件已給出，即Toi=0.002s。</p><p>　　3)電流環(huán)小時間常數(shù)之和T∑=Ts+Toi=0.0037s&

23、lt;/p><p>　　表1 各種整流裝置的失控時間</p><p>　　4.2.2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇</p><p>　　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，采用 I 型系統(tǒng)就夠了。</p><p>　　從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不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

24、及時抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。 </p><p>　　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(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成 </p><p>　　式中 Ki — 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　i — 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。</p><p&g

25、t;　　檢查對電源電壓的抗擾性能：，參照典型Ⅰ型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關(guān)系表格，可以看出各項指標都是可以接受的。</p><p>　　4.2.3計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：i=Tl=0.07s。</p><p>　　電流環(huán)開環(huán)增益：要求δi＜5%時，應(yīng)取KIT∑i=0.5，因此</p><p>　　于

26、是，ACR的比例系數(shù)為：</p><p>　　4.2.4校驗近似條件</p><p>　　電流環(huán)截止頻率：ci=KI=135.1s-1。</p><p>　　晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：</p><p><b>　　滿足近似條件</b></p><p>　　忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的

27、條件</p><p><b>　　滿足近似條件</b></p><p>　　電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件</p><p><b>　　滿足近似條件</b></p><p>　　4.2.5計算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　由圖9，按所用運算放大器取R0=40k，各電阻和

28、電容值為</p><p>　　按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為δi=4.3%<5%,滿足設(shè)計要求。</p><p><b>　　5轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計</b></p><p>　　5.1轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡</p><p>　　電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量

29、應(yīng)為Ui*(s),因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為</p><p>　　用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如圖9所示</p><p>　　和電流環(huán)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*n(s)/，再把時間常數(shù)為1 / KI 和 T0n 的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中</p><p>

30、　　圖9 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)的轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　最后轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡圖為圖10</p><p>　　圖10 等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理的轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　5.2轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的計算</p><p>　　5.2.1確定時間常數(shù)</p><p>　　1)電流環(huán)等效時間常數(shù)1/K

31、I。由電流環(huán)參數(shù)可知KIT∑i=0.5，則</p><p>　　2)轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton。根據(jù)已知條件可知Ton=0.01s</p><p>　　3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)T∑n。按小時間常數(shù)近似處理，取</p><p>　　5.2.2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在

32、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(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型 Ⅱ 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。由此可見，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><p>　　式中 Kn — 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　n — 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。</p><p&

33、gt;　　5.2.3計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)</p><p>　　按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為</p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為 </p><p><b>　　ASR的比例系數(shù)為</b></p><p>　　5.2.4檢驗近似條件</p><p>　　轉(zhuǎn)速

34、環(huán)截止頻率為 </p><p>　　電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 滿足近似條件</p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為 </p><p><b>　　滿足近似條件</b></p><p>　　5.2.5計算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　根據(jù)

35、圖12，取R0=40k，則</p><p>　　圖11 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p><p>　　5.2.6校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量</p><p>　　當h=5時，查詢典型Ⅱ型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標的表格可以看出，不能滿足設(shè)計要求。實際上，上述表格是按照線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計算

36、超調(diào)量。此時超調(diào)量為：</p><p><b>　　能滿足設(shè)計要求。</b></p><p><b>　　6總結(jié)與體會</b></p><p>　　本設(shè)計是基于V-M調(diào)速系統(tǒng)的直流電機可逆雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)?？梢允闺妱訖C無靜差的運行，通過對給定電壓的調(diào)節(jié)可以準確快速的實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。電動機滿足設(shè)計要求所要求的各項性能指標

37、。</p><p>　　本課程設(shè)計綜合運用了自動控制原理、電力電子技術(shù)、電力拖動與控制技術(shù)等的知識，為了更好的完成設(shè)計，我又重新復(fù)習(xí)了一遍原來所學(xué)的知識，加深了對知識的理解，提高了對知識的應(yīng)用能力，同時使我認識到了各個課程之間是緊密聯(lián)系的，每門課程都要認真學(xué)習(xí)，平時要多問、多思考、做到理論聯(lián)系實際。在平時的學(xué)習(xí)中要注意細節(jié)的知識，往往細節(jié)決定著我們的成功與否。也使我意識到了合作的重要性，遇到不會的問題要主動向同學(xué)

38、、老師請求幫助，認真聽取他們的意見和建議，并認真改正自己的問題。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社，2007</p><p>　　楊蔭福、段善旭、朝澤云.電力電子裝置及系統(tǒng).北京：清華大學(xué)出版社，2006</p><p>