电力拖动控制系统课程设计

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课程设计课程电力拖动控制系统班级电气自动化姓名学号指导教师二零一三年十13 一、转速、电流双闭环直流调速系统组成及原理1.1、转速、电流双闭环直流调速系统的组成对于经常正、反转运行的调速系统，利用双闭环调速系统具有十分明显的优势。它能充分利用电动的过载能力，在过渡过程中保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统以最大的加速度启动，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，从而转入稳定运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。为实现转速和电流两种负反馈分别作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套连接，如图1所示。把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流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。1.2、转速、电流双闭环直流调速系统的原理图13 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上图所示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压U为正电压的情况标出的并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压U决定了电流调节器ACR的最大给定电压，电流调节器ACR的输出限幅电压U限制了电力电子变换器的最大输出电压一、直流调速系统控制方案的对比2.1方案一:单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。在电动机周上装一台测速发动机，引出与转速成正比的电压给定电压比较后，得偏差电压ΔU，经放大器，产生触发装置的控制电压Uk，用于控制电动机的转速，如下图2.2方案二：双闭环直流调速系统13 该方案主要由给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。为了时转速反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环：转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭环调速系统。因转速换包围电流环节，故称电流环为内环，转速为外环。电路中，ASR和ACR串联，即把ASR的输出当做ACR的输入，再由ACR的输出去控制晶闸管整流器的触发器。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具有输入限幅功能的PI调节器，且转速和电流都采用负反馈闭环。该方案的原理框图如下图：2.3.方案论证方案一采用单闭环的速度反馈调节时整流电路的脉波数m = 2 ,3 ,6 ,12 , ⋯,其数目总是有限的,比直流电机每对极下换向片的数目要少得多。因此,除非主电路电感L = ∞,否则晶闸管电动机系统的电流脉动总会带来各种影响,主要有:(1) 脉动电流产生脉动转矩,对生产机械不利; (2)脉动电流(斜波电流) 流入电源,对电网不利,同时也增加电机的发热。并且晶闸管整流电路的输出电压中除了直流分量外,还含有交流分量。把交流分量引到运算放大器输入端,不仅不起正常的调节作用,反而会产生干扰,严重时会造成放大器局部饱和,从而破坏系统的正常工作。 方案二采用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求。2.4.直流调速系统控制方案的确定1.在单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，系统的动态性能不够好。 13 2.系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应，即最佳过渡过程。为了获得近似理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。所以本文选择方案二作为设计的最终方案。2.5.设计要求直流电动机设计双闭环直流晶闸管系统，技术要求如下：1.直流他励电动机：功率Pnom＝60kW，额定电压Unom＝220V，额定电流Inom＝305，磁极对数P＝2，,nnom＝1000rpm，Ra＝0.06Ω，Idmax＝400A，总电阻R＝0.18Ω，电磁时间常数Tl＝0.012s，机电时间常数Tm＝0.12s，晶闸管装置放大倍数Ks＝30，测速发电机:Pnom＝23.1W，Unom＝110V，Inom＝0.12A，nnom＝1900rpm。电流给定最大值10V，速度给定最大电压值10V。2.设计要求：稳定无静差，电流超调量σi%≤5：空载启动到额定转速时的转速超调σn%≤10%一、直流电动机的调速方式3.1.减弱励磁磁通Φ 保持电动机磁场为额定，改变电枢供电电压，实现电动机基速以下的转速无级调节，属恒转矩调速。对于要求有一定范围的无级平滑调速系统来说，此种方式最为常见。3.2.减弱励磁磁通Φ保持电动机端电压为额定，改变电动机励磁磁通Φ，实现电动机基速以上的转速无级调速，即恒功率调速。此种方式虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往与调压方式配合使用，在基速以上作小范围的升速。有些晶闸管直流调速系统，为了扩大系统的转速调节范围，又能充分利用电动机的容量，就需要采用调压和弱磁配合调速的方案，得到电动机在基速上下两个区域的转速调节，如初轧机主传动、连轧机以及龙门刨床主拖动系统，均可采用这种带有弱磁控制的直流调速系统二、主电路参数计算和保护环节设计4.1.整流变压器额定参数的计算13  单相晶闸管整流电路电压脉动大、脉动频率低。影响三相电网的平衡运行，一般多用于5KW以下的拖动系统。由本课题要求电动机容量是22KW，额定电压是220V，额定电流时116A，而三相全控桥的输出电压是220V—440V，输出电流是160A—300A，所以选择三相全控桥。整流变压器参数计算：查表得，A=2.345 C=0.5 4.2.主电路器件的计算与选择 正确合理地选择晶闸管元件是保证主电路可靠运行的重要条件之一。所谓正确合理地选择元件，是指晶闸管元件额定电流（通态平均电流）和额定电压一定要考虑合适的电流和电压裕量。从设计和使用的经验来看，其安全系数应适当选大些，以保证系统工作可靠，特别是对某些生产。整流元件的额定电压UTN              UTN=（2—3）UTm             UTM=2.45Ue 所以晶闸管额定电压是1078—1617V   同上可求得：ITN=64—85A 4.3.主电路保护环节的设计与计算由于晶闸管承受过电压和过电流的能力较差，所以短时间的过压或过流就会造成元件损坏。因此在系统主电路设计中，对晶闸管装置的各种保护措施及主要保护环节的设计与计算，应予以足够的重视。为使系统能长期可靠地运行，除了合理地选择晶闸管外，必须针对过电压、过电流和电压、电流上升率的发生原因采取恰当的保护措施。 4.3.1.晶闸管过电压保护直流侧与交流侧过电压保护方法相同，元件选择原则也相同。实际中采用压敏电阻保护较为合理。 为防止在换相过程中，被关断的晶闸管出现反向过压，而导致反向击穿。通常在晶闸管元件两端并联RC阻容吸收电路。电容的耐压一般选取晶闸管实际承受最大电压的1.1～1.5倍。由于上述所选晶闸管额定电流为85A，所以查表可知：C=0.25UF   R=20。4.3.2.整流以及晶闸管保护电路如下：13 4.4.电抗器参数计算与选择 对晶闸管直流调速系统，当负载电流较小，会出现电流断续的现象，使电动机的机械特性变软，影响系统的静、动态性能。电动机电枢电感一般较小，不能满足电流连续的要求，故必须在晶闸管输出电路中串入电抗器。 对于三相全控桥平波电抗器的大小选择为:Lcr=0.693（U2/Idmin）4.5确定时间常数(1)整流装置滞后时间常数。按表1，三相桥式电路的平均失控时间=0.0017s。(2)电流滤波时间常数。三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（1~2）=3.33ms，因此取=2ms=0.002s。(3)电流环小时间常数之近似处理，取=+=0.0037s。(4)电枢回路电磁时间常数＝L/R＝0.781/52.3＝0.015s(5)电力拖动系统时间常数由实验测得=40ms＝0.04s4.6计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：==0.015s。电流环开环增益：要求≤5％时，查表得=0.5，因此=0.5/0.0037s=135.1于是，ACR的比例系数为=R/=135.1×0.015×52.3/122.5×6.06＝0.14313 4.7.校验近似条件电流环截止频率：==135.1晶闸管整流装置传递函数近似条件1/3=1/3×0.0017s=191.6＞满足近似条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件=＝122.47＜满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件==180.8＞满足近似条件。一、调速系统控制单元的确定和调整5.1.检测环节 根据反馈控制原理为了构成闭环直流调速系统，提高系统运行指标，必须对系统控制对象的多种参量进行检测，其中最基本的是转速、电流、电压等反馈信号的检测。精确、快速地检测这些信号是调速系统可靠工作的基本保证5.1.1转速的检测常用的转速检测装置是各种测速发电机和脉冲测速装置。由于直流测速发电机无需另设整流装置，且无剩余电压，故在直流调速系统中转速反馈信号广泛采用直流测速发电机，将转速转换成电压。检测电路如下13 5.1.2.电流的检测电流反馈环节的输入信号是主电路的电流量，经变换后获得输出为直流电压的反馈量Ui，根据电流反馈环节的组成，常用的电流反馈方式和检测元件有下面几种：1.利用整流桥直流侧的电阻作检测元件2.以交流电流互感器作为检测元件3．以直流电流互感器作为检测元件4．以霍尔效应电流变换器作为检测元件 。对于本课题我的选择了第一种，其简单电路图如下一、电路设计6.1.可控整流变压器设计作为整流装置电源用的变压器称为整流变压器。一般的变压器有整流跟变压两项功能，其中整流是把交流变直流。选择一台主变压器计算如下：一次绕组为0.22kV二次绕组为0.232kV由直流发电机额定数据得：=0.185kW==0.185kW查附录表1得实验室小型电热设备的=1.0=0=×=0.185×0=0kVA=×=0.185×1.0=0.185kVA只装一台主变压器应全部满足用电设备总计算负荷的需要：即≈≥选择=0.2kV·A13 所以所选变压器的型号为：S9-0.2/0.38型。6.2.晶闸管的设计一、晶闸管的选择及参数计算=n+R=0.155×1600+1.1×52.3=305.53V=/2.34=305.53/2.34=130.57V=/R=305.53/52.3=5.84A=/3－1/2=3.37A(AV)=/1.57=2.15A=61/2=319.83V∴可选用的晶闸管为：KP5-8型[4]。表1晶闸管参数型号TypeKP5A通态平均电流(AV)A5正向电流有效值(AV)A8通态峰值电压≤2.2正反向重复峰值电压V200～2000正反向重复峰值电流mA≤8.0触发电流mA5～45触发电压V≤2.5维持电流A5~45断态电压临界上升率dv/dtV/µs≥500通态电流临界上升率di/dtA/µs/工作结温℃-40～+250结壳热阻℃/W≤3.0外型OutlineB1推荐散热器SZ136.3电流、转速调节器的设计电流、转速双闭环调速系统的动态结构图如图7所示：13 图7直流双闭环调速系统动态结构图[5]系统设计的一般原则是：先内环后外环。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。设计要求：系统给定：==10V=1.5==1.5A转速反馈系数：=/=10/1600=0.006V·min/r电流反馈系数：=/=10/1.1×1.5=6.06V/A超调量≤5％，尽量实现无静差调速[6]。6.4.电流调节器设计选择电流调节器结构根据设计要求≤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W(s)=(s+1)/s，电路图如图8所示[7]。检查对电源电压的抗干扰性能：13 /=0.015/0.0037=4.05，参照典型Ⅰ型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。图8电流调节器电路图一、稳压电源稳压电源输出稳定的±15V直流电源向所有需要直流电源的各控制单元供电，它由整流、滤波、稳压三个部分组成。整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导通作用，因此二极管是组成整流电路的关键元件。在小功率（1kW）整流电路中，常见的集中整流电路有单向半波、全波、桥式和倍压整流电路。本设计采用桥式整流电路，其主要特点如下：输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压较低，电源变压器充分利用效率高。滤波电路用于滤去输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两侧并联电容器；或在电路输出端与负载见串联电感L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路[10]。13 图12±15V电源电路13