电力拖动与控制系统课程设计

《电力拖动与控制系统课程设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

江西理工大学课程设计目录摘要1第1章设计任务21.1技术要求21.2设计内容21.3技术数据2第2章主电路选型和闭环系统的组成32.1设计思路32.2主电路的确定32.3双闭环直流调速系统的静特性42.4闭环调速系统的组成52.4.1双闭环调速系统电路原理图62.4.2双闭环直流调速系统的稳态结构图62.4.3双闭环直流调速系统的数学模型7第3章调速系统主电路元部件的确定及参数计算83.1整流变压器容量计算83.1.1次级电压U283.1.2次级电流I2和变压器容量93.2晶闸管的电流及电压定额计算93.2.1晶闸管额定电压UTN93.2.2晶闸管额定电流IN93.3平波电抗器电感量计算103.4保护电路的设计计算103.4.1过电压保护设计103.4.2过电流保护设计12第4章驱动控制电路的选型设计14第5章双闭环系统调节器的动态设计155.1电流调节器的设计155.1.1时间常数的确定155.1.2电流调节器结构的选择155.1.3电流调节器的参数计算165.1.4近似条件校验165.1.5电流调节器的实现175.2转速调节器的设计175.2.1时间常数的确定175.2.2转速调节器结构的选择175.2.3转速调节器的参数计算185.2.4近似条件校验185.2.5转速调节器的实现185.2.6校核转速超调量18设计小结20参考资料21附录2221 江西理工大学课程设计摘要电力拖动自动控制系统是把电能转换成机械能的装置，它被广泛地应用于一般生产机械需要动力的场合，也被广泛应用于精密机械等需要高性能电气传动的设备中，用以控制位置、速度、加速度、压力、张力和转矩等。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到应用。晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管—电动机调速系统（简称V-M系统），和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。而转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。本次设计的课题是V-M双闭环不可逆直流调速系统，包括主电路和控制回路。主电路由晶闸管构成，控制回路主要由检测电路，驱动电路构成，检测电路又包括转速检测和电流检测等部分。按电机的类型不同,电气传动又分交流调速和直流调速。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。另一方面，需要指出的是电气传动与自动控制有着密切的关系。调速传动的控制装置主要是各种电力电子变流器，它为电动机提供可控的直流或交流电流，并成为弱电控制强电的媒介。可以说，电力电子技术的进步是电气传动调速系统发展的有力地推动。把这两者结合起来研究直流调速系统，更有利于对直流调速系统的全面认识.本设计报告首先根据设计要求确定调速方案和主电路的结构型式，主电路和闭环系统确定下来后，重在对电路各元件参数的计算和器件的选型，包括整流变压器、整流元件、平波电抗器、保护电路以及电流和转速调节器的参数计算。最后给出参考资料和设计体会。关键字：直流调速晶闸管双闭环不可逆21 江西理工大学课程设计第1章设计任务1.1技术要求1.该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作。2.系统静特性良好，无静差（静差率s≤2）。3.动态性能指标：转速超调量δn＜8%，电流超调量δi＜5%，动态速降Δn≤8-10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤1s。4.系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续。5.调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。1.2设计内容1.根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图。2.调速系统主电路元部件的确定及其参数计算（包括有变压器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等）。3.驱动控制电路的选型设计（模拟触发电路、集成触发电路、数字触发器电路均可）。4.动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。5.绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图）。6.整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。1.3技术数据晶闸管整流装置：Rrec=0.032Ω，Ks=45-48。负载电机额定数据：PN=90KW，UN=440V，IN=220A，nN=1800r/min，Ra=0.088Ω，λ=1.5。系统主电路：R∑=0.12Ω，Tm=0.1s。21 江西理工大学课程设计第2章主电路选型和闭环系统的组成2.1设计思路本设计中直流电动机由单独的可调整流装置供电，采用三相桥式全控整流电路作为直流电动机的可调直流电源。通过调节触发延迟角а的大小来控制输出电压Ud的大小，从而改变电动机M的电源电压。由改变电源电压调速系统的机械特性方程式:n=(Ud/CeФ)-(RO+Ra)T/CeCTФ2注解：Ud整流电压,R0为整流装置内阻由此可知，改变Ud，可改变转速n。2.2主电路的确定虽然三相半波可控整流电路使用的晶闸管个数只是三相全控桥整流电路的一半，但它的性能不及三相全控桥整流电路。三相全控桥整流电路是目前应用最广泛的整流电路，其输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广（将近50）。把该电路应用于本设计，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。三相全控桥整流电路实际上是组成三相半波晶闸管整流电路中的共阴极组和共阳极组串联电路。三相全控桥整流电路可实现对共阴极组和共阳极组同时进行控制，控制角都是。在一个周期内6个晶闸管都要被触发一次，触发顺序依次为：VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，6个触发脉冲相位依次相差60°。为了构成一个完整的电流回路，要求有两个晶闸管同时导通，其中一个在共阳极组，另外一个在共阴极组。为此，晶闸管必须严格按编号轮流导通。晶闸管与按A相，晶闸管与按B相，晶闸管与按C相，晶闸管接成共阳极组，晶闸管接成共阴极组。在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电路。如图2.1图2.1三相桥式全控整流电路原理图由于电网电压与工作电压（U221 江西理工大学课程设计）常常不一致，故在主电路前端需配置一个整流变压器，以得到与负载匹配的电压，同时把晶闸管装置和电网隔离，可起到降低或减少晶闸管变流装置对电网和其他用电设备的干扰。考虑到控制角α增大，会使负载电流断续，并且负载为直流电动机时，由于电流断续和直流的脉动，会使晶闸管导通角θ减少，整流器等效内阻增大，电动机的机械特性变软，换向条件恶化，并且增加电动机的损耗，故在直流侧串接一个平波电抗器，以限制电流的波动分量，维持电流连续。为了使元件免受在突发情况下超过其所承受的电压电流的侵害，电路中加入了过电压、过电流保护装置。2.3双闭环直流调速系统的静特性在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图2.2-（a）所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。在实际工作中,我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形如图2.2-（b）所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程(b)理想快速起动过程图2.2调速系统起动过程的电流和转速波形实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠21 江西理工大学课程设计电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。2.4闭环调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图2.3所示，即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单环系统就难以满足需要。这是就要考虑采用转速、电流双环控制的直流调速系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流。二者之间实行嵌套（串联）联接。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。图2.3转速、电流双闭环直流调速系统结构框图为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图2.3所示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，他们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。开环直流调速系统调节控制电压Uc就可改变电动机的转速。如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，但是，对静差率有较高要求时，开环调速系统往往不能满足要求。这时就要采用闭环调速系统。21 江西理工大学课程设计2.4.1双闭环调速系统电路原理图图2.4双闭环调速系统电路原理图++-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd++-R0R0RnCnASRACRLMTGVRP1UnU*iLMMUPPPEASR—转速调节器ACR—电流调节器，TG—测速发电机，TA—电流互感器，UPE—电力电子变换器，Un*—转速给定电压，Un—转速反馈电压，Ui*—电流给定电压，Ui—电流反馈电压2.4.2双闭环直流调速系统的稳态结构图首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图2.5所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳太特征。一般存在两种状况：饱和——输出达到限幅值；不饱和——输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳太时总是为零。Ksa1/CeU*nUctIdEnUd0Un++-ASR+U*i-IdRRbACR-UiUPE图2.5双闭环直流调速系统的稳态结构图实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。21 江西理工大学课程设计2.4.3双闭环直流调速系统的数学模型双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图2.6所示。图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流显露出来，如图2.6所示。U*naUct-IdLnUd0Un+--b-UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E图2.6双闭环直流调速系统的动态结构框图21 江西理工大学课程设计第3章调速系统主电路元部件的确定及参数计算3.1整流变压器容量计算3.1.1次级电压U2为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后，晶闸管交流侧的电压U2只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器次级电压U2。影响U2值的因素有：（1）U2值的大小首先要保证满足负载所需求的最大直流值Ud（2）晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降，用UT表示（3）变压器漏抗的存在会产生换相压降（4）平波电抗器有一定的直流电阻，当电流流经该电阻时就要产生一定的电压降（5）电枢电阻的压降综合以上因素得到的U2精确表达式为：式中：A=Ud0/U2，表示当控制角α=0°时，整流电压平均值与变压器次级相电压有效值之比。B=Uda/Ud0，表示控制角为α时和α=00时整流电压平均值之比。UK%—变压器的短路电压百分比，100千伏安以下的变压器取UK%=5，100~1000千伏安的变压器取UK%=5~8。ε为电网电压波动系数。根据规定，允许波动+5%~-10%，即ε=1.05~0.9C是与整流主电路形式有关的系数，表示电动机电枢电路总电阻的标么值，对容量为15~150KW的电动机，通常ra=0.08~0.04。表示电动机电枢电路总电阻的标么值，对容量为的电动机，通常。nUT—表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降。--负载电流最大值；所以,表示允许过载倍数。，，，,，（其中A、B、21 江西理工大学课程设计C可以查表3.1中三相全控桥）表3.1变流变压器的计算系数整流电路单相双半波单相半控桥单相全控桥三相半波三相半控桥三相全控桥带平衡电抗器的双反星形0.90.90.91.172.342.341.17C0.7070.7070.7070.8660.50.50.50.707110.5780.8160.8160.289对于本设计：为了保证电动机负载能在额定转速下运转,计算所得的U2应有一定的裕量,根据经验所知,公式中的控制角应取300为宜。ε=0.9,A=2.34,B=0，C=0.5，UK%=5，取U2=270V。3.1.2次级电流I2和变压器容量I2=KI2·Id,KI2为各种接线形式时变压器次级电流有效值和负载电流平均值之比。对于本设计KI2取0.816,且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗，因此可以得到：I2=0.816×220=179.52AS=1/2（S1+S2）=m1U1I1=m2U2I2=3×270×179.52=145.41KVA3.2晶闸管的电流及电压定额计算3.2.1晶闸管额定电压UTN晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压Um，考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽2~3倍的安全系数，即按下式选取UTN=（2~3）UM，式中系数2~3的取值应视运行条件，元件质量和对可靠性的要求程度而定。对于本设计，UM=U2，故计算的晶闸管额定电压为：UTN=（2~3）U2=（2~3）×270=1323～1984V,取1800V3.2.2晶闸管额定电流IN为使晶闸管元件不因过热而损坏，需要按电流的有效值来计算其电流额定值。即必须使元件的额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。可按下式计算：IN=(1.5~2)KfbIMAX式中计算系数Kfb=Kf/1.57Kb由整流电路型式而定，Kf为波形系数，Kb为共阴极或共阳极电路的支路数。当α=0时，三相全控桥电路Kfb=0.368，故计算的晶闸管额定电流为：IT（AV）=(1.5~2)KfbIMAX=(1.5~2)×0.368×(220×1.5)=182.16～242.88A，本设计中取200A。21 江西理工大学课程设计3.3平波电抗器电感量计算由于电动机电枢和变压器存在漏感，因而计算直流回路附加电抗器的电感量时，要从根据等效电路折算后求得的所需电感量中，扣除上述两种电感量。(1)电枢电感量LM按下式计算：P—电动机磁极对数KD—计算系数，对一般无补偿电机：D=8~12对于本设计，P=2，KD=10。(2)整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感LB按下式计算：U2—变压器次级相电压有效值Id—晶闸管装置直流侧的额定负载电流KB—与整流主电路形式有关的系数对于本设计，KB=3.9(3)变流器在最小输出电流Idmin时仍能维持电流连续时电抗器电感量L按下式计算：K是与整流主电路形式有关的系数，三相全控桥K取0.693(4)使输出电流连续的临界电感量L平：L平=L-LM-2LB=17.01-2.77-2×0.24=13.76(mH)电抗器电感量应大于15mH3.4保护电路的设计计算3.4.1过电压保护设计过电压保护可分为交流侧和直流侧过电压保护，前常采用的保护措施有阻容吸收装置、硒堆吸收装置、金属氧化物压敏电阻。这里采用金属氧化物压敏电阻的过电压保护。1．交流侧过电压保护压敏电阻采用由金属氧化物（如氧化锌、氧化铋）烧结制成的非线性压敏元件作为过电压保护，其主要优点在于：压敏电阻具有正反向相同的陡峭的伏安特性，在正常工作时只有很微弱的电流（1mA以下）通过元件，而一旦出现过电压时电压，压敏电阻可通过高达数千安的放电电流，将电压抑制在允许的范围内，并具有损耗低，体积小，对过电压反映快等优点。因此，是一种较好的过电压保护元件。本设计采用三相全控桥整流电路，变压器的绕组为△—Y联结，在变压器交流侧，采用压敏电阻的保护回路，如下图3.1所示。21 江西理工大学课程设计图3.1二次侧过电压压敏电阻保护（1）压敏电阻的额定电压选择可按下式：式中，------压敏电阻的额定电压，VYJ型压敏电阻的额定电压有：100V、200V、440、760V、1000V等。------变压器二次侧的线电压有效值，对于星形接法的线电压等于相电压，。（2）计算压敏电阻泄放电流初值，即三相变压器时：式中，------能量转换系数，------三相变压器空载线电流有效值（3）计算压敏电阻的最大电压的公式为式中，------压敏元件特性系数；------压敏元件非线性系数。一般在20～25之间，在取时，。2．直流侧过电压保护整流器直流侧在快速开关断开或桥臂快速熔断等情况，也会在A、B之间产生过电压，可以用非线性元气件抑制过电压，本设计压敏电阻设计来解决过电压时(击穿后)，正常工作时漏电流小、损耗低，而泄放冲击电流能力强，抑制过电压能力强，除此之外，它21 江西理工大学课程设计对冲击电压反应快，体积又比较小，故应用广泛。其电路图如右图3.2所示。压敏电阻的额定电压的选取可按下式计算：压敏电阻承受的额定电压峰值图3.2压敏电阻保护电路式中为压敏电阻的额定电压；为电网电压升高系数，一般取1.05～1.10。压敏电阻承受的额定电压峰值就是晶闸管控制角=300时输出电压。3．晶闸管的过电压保护晶闸管对过电压很敏感，当正向电压超过其断态重复峰值值电压一定值时，就会误导通，引发电路故障；当外加的反向电压超过其反向重复峰值电压一定值时，晶闸管将会立即损坏。因此，必须研究过电压的产生原因及抑制过电压的方法。过电压产生的原因主要是供给的电压功率或系统的储能发生了激烈的变化，使得系统来不及转换，或者系统中原来积聚的电磁能量不能及时消散而造成的。本设计采用如右图3.3阻容吸收回路来抑制过电压。通过经验公式：注释：图3.3阻容吸收回路3.4.2过电流保护设计过电流保护措施有下面几种，可以根据需要选择其中一种或数种。（1）在交流进线中串接电抗器或采用漏抗较大的变压器，这些措施可以限制短路短路电流。（2）在交流侧设置电流检测装置，利用过电压信号去控制触发器，使脉冲快速后移或对脉冲进行封锁。（3）交流侧经电流互感器接入过电流继电器或直流侧接入过电流继电器，可以在发生过电流时动作，断开主电路。（4）对于大容量和中等容量的设备以及经常逆变的情况，可以用直流快速开关进行过载或短路保护。直流开关的应根据下列条件选择：①快速开关的额定电流额定整流电流。②快速开关的额定电压≥额定整流电压。③快速开关的分断能力直流侧外部短路时稳态短路电流平均电流平均值21 江西理工大学课程设计。快速开关的动作电流按电动机最大过载电流整定式中，K为电动机最大过载倍数，一般不大于2.7；为直流电动机的额定电流。（5）快速熔断器它可以安装在交流侧或直流侧，在直流侧与元件直接串联。在选择时应注意以下问题：①快熔的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值。②熔断器的额定电流应大于溶体的额定电流。③溶体的额定电流可按下式计算：1．三相交流电路的一次侧过电流保护在本设计中，选用快速熔断器与电流互感器配合进行三相交流电路的一次侧过电流保护，保护原理图3.4如下：图3.4一次侧过电流保护电路（1）熔断器额定电压选择：其额定电压应大于或等于线路的工作电压。（2）熔断器额定电流选择：其额定电流应大于或等于电路的工作电流。2．晶闸管过电流保护晶闸管不仅有过电压保护，还需要过电流保护。由于半导体器件体积小、热容量小，特别像晶闸管这类高电压、大电流的功率器件，结温必须受到严格的控制，否则将遭至彻底损坏。当晶闸管中流过的大于额定值的电流时，热量来不及散发，使得结温迅速升高，最终将导致结层被烧坏。晶闸管过电流保护方法中最常用的是快速熔断器。快速熔断器由银质熔丝埋于石英砂内，熔断时间极短，可以用来保护晶闸管。21 江西理工大学课程设计第4章驱动控制电路的选型设计由于集成触发电路不仅成本低、体积小，而且还有调式容易、使用方便等优点，故本设计采用KJ041集成触发电路。KJ041为6路双脉冲形成器，它是三相全控桥式电路的触发器，它具有双脉冲形成和电子开关封锁等功能。KJ041内部实际是由12个二极管构成的6个或门，其作用是将6路单脉冲输入转换为6路双脉冲输出。移相触发器输出脉冲加到该器件的1~6端，器件内的输入二极管完成“或”功能，形成补脉冲，该脉冲经放大后分6路输出。当控制端7接逻辑“0”电平时，器件内的电子开关断开，各路输出触发脉冲。采用KJ041集成触发电路的同步电压应滞后于主电路电压180度。本设计主电路整流变压器采用D，y-11联结，同步变压器采用D，y-11，5联结。这时，同步电压选取的结果见表4.1表4.1三相全控桥各晶闸管的同步电压晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压+Ua-Uc+Ub-Ua+Uc-Ub同步电压-Usa+Usc-Usb+Usa-Usc+Usb21 江西理工大学课程设计第5章双闭环系统调节器的动态设计5.1电流调节器的设计电流调节器ACR的调节作用：电流环由ACR和电流负反馈组成的闭环。其主要作用是稳定电流。由于ACR为PI调节器。所以在稳态的时候，它的输入电压△Ui必须为0。即△Ui=Usi-§Id=0所以在稳态的时候Id=Usi/§此式的含义:当Usi一定的情况下，由于电流调节器ACR的调节作用，整流装置将保持在Usi/§的数值上。假设Id>Usi/§它的自动调节过程如下：它可以保持电流特性不便使得:自动限制最大电流,能有效抑制电网电压波动的影响。1.由于ASR有输出限幅,限幅值为Usim,这样电流的最大值为Im>Usim/§.当Id＞Im时.电流环将使电流下降.调节电位器RP3的电流反馈系数§或整定ASR限幅值Usim可以整定Im的数值.Im=2.0—2.5IN2.能够有效的抑制电网电压波动的影响。当电网电压波动引起的电流波动，通过电流调节器ACR的调节作用，使得电流很快的恢复原值。在双闭环调速系统中，电网电压波动对转速的影响很小，可以忽略。5.1.1时间常数的确定表5.1各种整流电路的失控时间（f=50Hz）整流电路形式最大失控时间Tsmax/ms平均失控时间Ts/ms单相半波2010单相桥式105三相半波6.673.33三相桥式3.331.67系统电磁时间常数Tl：由上可知LΣ=35.98mH，RΣ=0.5，整流装置滞后时间常数Ts：按表二，三相桥式电路的平均失控时间为Ts=0.0017s。电流滤波时间Toi：三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头，应有（1-2）Toi=3.33s，因此取Toi=2ms=0.002s。电流环小时间常数之和T∑i：按小时间常数近似处理，为了方便起见本设计中我们就取T∑i=Ts+Toi=0.0037s。5.1.2电流调节器结构的选择根据设计要求δi＜5%，并保证稳态电流无差，可按典型Ⅰ型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为：式中Ki—电流调节器的比例系数τi—电流调节器的超前时间常数检查对电源电压的抗扰性能：TL/T∑i=0.07S/0.0037=8.11，对照典型Ⅰ21 江西理工大学课程设计型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。图5.1电流环的动态结构框图5.1.3电流调节器的参数计算电流调节器超前时间常数τi=Tl=0.07s。电流开环增益：要求δi＜5%时，按表三应取KIT∑i=0.5，因此KI=0.5/T∑i=0.5/0.0037=135.1s-1。取Ks=48，而电流反馈系数β=10V/1.5IN=10/（1.5×220）=0.03V/A，于是，ACR的比例系数为==135.1*0.07*0.25/48*0.03=1.642表5.2典型Ⅰ型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系KT0.250.390.500.691.0阻尼比ξ1.00.80.7070.60.5超调量δ0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间tr∞6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间tp∞8.3T6.2T4.7T3.6T相对稳定裕度γ76.3°69.9°65.5°59.2°51.8°截止频率ωc0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T5.1.4近似条件校验电流环截止频率：ωci=KI=135.1s-1。(1)晶闸管整流装置传递函数的近似条件：=196.1>满足近似条件。(2)忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：=3*√￣1/0.1*0.07=11.34s-1满足近似条件。(3)电流环小时间常数近似处理条件：=1/3√￣1/0.0017*0.002=180.78s-1＞ωci满足近似条件。21 江西理工大学课程设计5.1.5电流调节器的实现按所用运算放大器取R0=40kΩ，各电阻和电容值为:Ri=KiR0=1.642×40=65.68kΩ，取65kΩ；Ci=τi/Ri=0.07/（65×103）=1.08μF，取1.1μF；Coi=4Toi/R0=4×0.002/40000=0.2×10-6f=0.2μF，取0.2μF。按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为δi=4.3%＜5%（见表三），满足设计要求。5.2转速调节器的设计速度调节器ASR的调节作用：S速度环是由ASR和转速负反馈组成的闭环。它的主要作用是驳斥转速稳定，并最后消除转速静差。由于ASR属于PI调节器，因此在稳态的时候△Un=Usn-＆n=0所以在稳态的时候，n=Usn/＆它表示当Usn一定时，ASR的作用，转速n稳定在Usn/＆，假设n＜Usn/＆。从上面的分析可以看出，当转速环要求电流迅速响应转速n的变化而变化的时候，而电流环则要维持电流不变，这种性能会不利于电流对转速变化的响应，有使静特性边软的趋势。但由于转速环是外环，电流环的作用只相当于转速环内部一种扰动。不起主导作用。只是转速环的开环放大倍数足够大，最后还是只靠ASR的积分作用，消除转速偏差。5.2.1时间常数的确定电流环等效时间常数已取KIT∑i=0.5，则1/KI=2T∑i=2×0.0037=0.0074s。转速滤波时间常数Ton：根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.01s。转速环小时间常数T∑n：按小时间近似处理,T∑n=1/KI+Ton=0.0074+0.01=0.0174s5.2.2转速调节器结构的选择按照设计要求，选用典型Ⅱ型系统的PI调节器,其传递函数为式中Kn—转速调节器的比例系数；τn—转速调节器的超前时间常数。21 江西理工大学课程设计图5.2转速环的动态结构框图5.2.3转速调节器的参数计算按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为τn=hT∑n=5×0.0174=0.087s，可求得转速环开环增益:KN=(h+1)/2*h2T∑n=396.4s-2其中：Ce=（UN-INRa）/nN=（440-220×0.088）/1000=0.234V.min/rα=10V/nN=10/1800=0.006V.min/r于是可得ASR的比例系数为：=3.365.2.4近似条件校验由式K=ω1ωc得转速环截止频率为ωcn=kNτn=396.4*0.087=34.5s-1。电流环传递函数简化条件1/3√￣KI/T∑i=63.7S-1>ωcn，满足简化条件。转速环小时间常数近似处理条件1/3√￣KI/TON=38.7s-1>ωcn，满足近似条件。5.2.5转速调节器的实现取R0=40kΩ，则Rn=KnR0=3.36×40=134.48kΩ，取1400kΩ；Cn=τn/Rn=0.087/（140×103）=0.621μF，取0.7μF；Con=4Ton/R0=4×0.01/（40×103）=1μF，取1μF。5.2.6校核转速超调量当h=5时，由表5.3查得，δn=37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于表四是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。表5.3典型Ⅱ型系统阶跃输入跟随性能指标（按Mmin准则确定参数关系）h345678910δ52.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%tr/T2.402.652.853.003.103.203.303.35ts/T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.2021 江西理工大学课程设计k32211111设理想空载起动时，负载系数z=0，已知λ=1.5，IN=220A，nN=1800r/min，Ce=0.234V.r/min，Tm=0.1s，T∑n=0.0174s。当h=5时，由表5.4查得，ΔCmax/Cb=81.2%，而调速系统开环机械特性的额定稳态速降ΔnN=INR∑/Ce=220×0.12/0.234=94.01r/min，当h=5时，由表四查得，σn=37.6%能满足设计要求。表5.4典型Ⅱ型系统动态抗扰性能指标与参数的关系h345678910ΔCmax/Cb72.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%tm/T2.452.702.853.003.153.253.303.40tv/T13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.8521 江西理工大学课程设计设计小结这次电力拖动自动控制系统设计历时三个星期，在整整三个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。1.学习是没有止境的。在做这个课程设计之前，我一直以为自己的理论知识学的很好了。但是在完成这个设计的时候，我总是被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，我都还不知道。其实在计算设计的时候，基础是一个不可缺少的知识，但是往往一些核心的高层次的东西更是不可缺少。2.多和同学讨论。我们在做课程设计的工程中要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向，并且这样也是为了方便最后程序和在一起。讨论不仅是一些思想的问题，他还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的人处理问题要快一些。3.多改变自己设计的方法。在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题。通过本次对一个V-M双闭环不可逆直流调速系统课程设计使我对电力电子技术电力拖动自动控制系统有了进一步的了解与认识。对所学内容有了更深刻的印象，并且进一步认识到工程设计时与实际相联系的重要性，比如在计算元件参数时计算出来的值往往与实际生产参数不符，这就需要根据实际情况对参数进行取舍。另外，做设计时信息十分重要，我运用文件检索工具查阅了大量的相关资料，这对设计大有益处。本次课程设计为对我将来的毕业设计和工作需要打下了扎实的基础。21 江西理工大学课程设计参考资料[1]王兆安，黄俊主编<<电力电子技术>>第四版,机械工业出版社，2003[2]杨威,张金栋主编<<电力电子技术>>,重庆大学出版社，2002[3]陈伯时，电力拖动自动控制系统——运动控制系统，第三版，机械工业出版社，2003[4]莫正康，电力电子应用技术，第三版，机械工业出版社，2000[5]张东力、陈丽兰、仲伟峰，直流拖动控制系统，机械工业出版社，1999[6]朱仁初、万伯任，电力拖动控制系统设计手册，机械工业出版社，1994[7]机械工程手册、电机工程手册编辑委员会，电机工程手册第九卷自动控制系统，机械工业出版社，1982[8]机械工程手册、电机工程手册编辑委员会，电机工程手册，第二版，基础卷（二），机械工业出版社，199621 江西理工大学课程设计21