電力拖動控制系統(tǒng)課程設(shè)計

1、<p><b>　　課程設(shè)計</b></p><p>　　課 程 電力拖動控制系統(tǒng) </p><p>　　班 級 電氣自動化 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　學 號 <

2、;/p><p>　　指導教師 </p><p><b>　　二零一三年十</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)組成及原理</p><p>　　1.1、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成</p><p>　　對于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng)，利用

3、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有十分明顯的優(yōu)勢。它能充分利用電動的過載能力，在過渡過程中保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)以最大的加速度啟動，到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)定運行。這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。</p><p>　　為實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套連

4、接，如圖1所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當做電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)：轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　1.2、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖</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，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原

5、理圖如上圖所示。圖中標出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓U為正電壓的情況標出的并考慮到運算放大器的倒相作用。圖中還表示了兩個調(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決定了電流調(diào)節(jié)器ACR的最大給定電壓，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓U限制了電力電子變換器的最大輸出電壓</p><p>　　直流調(diào)速系統(tǒng)控制方案的對比</p><p>

6、;　　2.1方案一:單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是指只有一個轉(zhuǎn)速負反饋構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在電動機周上裝一臺測速發(fā)動機，引出與轉(zhuǎn)速成正比的電壓給定電壓比較后，得偏差電壓ΔU，經(jīng)放大器，產(chǎn)生觸發(fā)裝置的控制電壓Uk，用于控制電動機的轉(zhuǎn)速，如下圖</p><p>　　2.2方案二：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　該方案主要由給定環(huán)節(jié)、

7、ASR、ACR、觸發(fā)器和整流裝置環(huán)節(jié)、速度檢測環(huán)節(jié)以及電流檢測環(huán)節(jié)組成。為了時轉(zhuǎn)速反饋和電流負反饋分別起作用，系統(tǒng)設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器ACR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR。電流調(diào)節(jié)器ACR和電流檢測反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速檢測反饋回路構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)，稱為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。因轉(zhuǎn)速換包圍電流環(huán)節(jié)，故稱電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速為外環(huán)。電路中，ASR和ACR串聯(lián)，即把ASR的輸出當做ACR的輸入，再由ACR的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)器。為了獲得良好

8、的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用具有輸入限幅功能的PI調(diào)節(jié)器，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負反饋閉環(huán)。該方案的原理框圖如下圖：</p><p><b>　　2.3.方案論證</b></p><p>　　方案一采用單閉環(huán)的速度反饋調(diào)節(jié)時整流電路的脈波數(shù)m = 2 ,3 ,6 ,12 , ?,其數(shù)目

9、總是有限的,比直流電機每對極下?lián)Q向片的數(shù)目要少得多。因此,除非主電路電感L = ∞,否則晶閘管電動機系統(tǒng)的電流脈動總會帶來各種影響,主要有:(1) 脈動電流產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩,對生產(chǎn)機械不利; (2)脈動電流(斜波電流) 流入電源,對電網(wǎng)不利,同時也增加電機的發(fā)熱。并且晶閘管整流電路的輸出電壓中除了直流分量外,還含有交流分量。把交流分量引到運算放大器輸入端,不僅不起正常的調(diào)節(jié)作用,反而會產(chǎn)生干

10、擾,嚴重時會造成放大器局部飽和,從而破壞系統(tǒng)的正常工作。 </p><p>　　方案二采用雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)方法，雖然相對成本較高，但保證了系統(tǒng)的可靠性能，保證了對生產(chǎn)工藝的要求的滿足，既保證了穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定，同時也兼顧了啟動時啟動電流的動態(tài)過程。在啟動過程的主要階段，只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋，不讓電流負反饋發(fā)揮主要作用，既能控制轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)，又能控制電流使系統(tǒng)在充分利用電機過載能力

11、的條件下獲得最佳過渡過程，很好的滿足了生產(chǎn)需求。</p><p>　　2.4.直流調(diào)速系統(tǒng)控制方案的確定</p><p>　　1.在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中用一個調(diào)節(jié)器綜合多種信號，各參數(shù)間相互影響，難于進行調(diào)節(jié)器動態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)的動態(tài)性能不夠好。 </p><p>　　2.系統(tǒng)中采用電流截止負反饋環(huán)節(jié)來限制啟動電流，不能充分利用電動機的過載能力獲得最快的動態(tài)

12、響應(yīng)，即最佳過渡過程。為了獲得近似理想的過度過程，并克服幾個信號綜合于一個調(diào)節(jié)器輸入端的缺點，最好的方法就是將被調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量電流分開加以控制，用兩個調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。所以本文選擇方案二作為設(shè)計的最終方案。</p><p><b>　　2.5.設(shè)計要求</b></p><p>　　直流電動機設(shè)計雙閉環(huán)直流晶閘管系統(tǒng)，技術(shù)要求

13、如下：</p><p>　　1.直流他勵電動機：功率Pnom＝60 kW，額定電壓Unom＝220 V，額定電流Inom＝305，磁極對數(shù)P＝2，,nnom＝1000 rpm，Ra＝0.06 Ω，Idmax＝400 A，總電阻R＝0.18 Ω，電磁時間常數(shù)Tl＝0.012 s，機電時間常數(shù) Tm＝0.12 s，晶閘管裝置放大倍數(shù) Ks＝30，測速發(fā)電機: Pnom＝23.1 W，Unom＝110 V，Inom＝0

14、.12 A，nnom＝1900 rpm。電流給定最大值10V，速度給定最大電壓值10V。</p><p>　　2.設(shè)計要求：穩(wěn)定無靜差，電流超調(diào)量σi%≤5：空載啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)σn%≤10 %</p><p>　　直流電動機的調(diào)速方式</p><p>　　3.1.減弱勵磁磁通Φ</p><p>　　保持電動機磁場為額定，改變電樞供

15、電電壓，實現(xiàn)電動機基速以下的轉(zhuǎn)速無級調(diào)節(jié)，</p><p>　　屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。對于要求有一定范圍的無級平滑調(diào)速系統(tǒng)來說，此種方式最為常見。</p><p>　　3.2.減弱勵磁磁通Φ</p><p>　　保持電動機端電壓為額定，改變電動機勵磁磁通Φ，實現(xiàn)電動機基速以上的轉(zhuǎn)速無</p><p>　　級調(diào)速，即恒功率調(diào)速。此種方式雖然能夠平滑調(diào)速

16、，但調(diào)速范圍不大，往往與調(diào)壓方</p><p>　　式配合使用，在基速以上作小范圍的升速。</p><p>　　有些晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)，為了擴大系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍，又能充分利用電動機的</p><p>　　容量，就需要采用調(diào)壓和弱磁配合調(diào)速的方案，得到電動機在基速上下兩個區(qū)域的轉(zhuǎn)速</p><p>　　調(diào)節(jié)，如初軋機主傳動、連軋機以及龍門刨床

17、主拖動系統(tǒng)，均可采用這種帶有弱磁控制</p><p><b>　　的直流調(diào)速系統(tǒng)</b></p><p>　　主電路參數(shù)計算和保護環(huán)節(jié)設(shè)計</p><p>　　4.1.整流變壓器額定參數(shù)的計算</p><p>　　單相晶閘管整流電路電壓脈動大、脈動頻率低。影響三相電網(wǎng)的平衡運行，一般多用于5KW以下的拖動系統(tǒng)。由本課題要

18、求電動機容量是22KW，額定電壓是220V，額定電流時116A，而三相全控橋的輸出電壓是220V—440V，輸出電流是160A—300A，所以選擇三相全控橋。</p><p>　　整流變壓器參數(shù)計算：</p><p>　　查表得，A=2.345 C=0.5 </p><p>　　4.2.主電路器件的計算與選擇 </p>&

19、lt;p>　　正確合理地選擇晶閘管元件是保證主電路可靠運行的重要條件之一。所謂正確合理地選擇元件，是指晶閘管元件額定電流（通態(tài)平均電流）和額定電壓一定要考慮合適的電流和電壓裕量。從設(shè)計和使用的經(jīng)驗來看，其安全系數(shù)應(yīng)適當選大些，以保證系統(tǒng)工作可靠，特別是對某些生產(chǎn)。</p><p>　　整流元件的額定電壓UTN </p><p>　　UTN=（2—3）UTm</p>

20、;<p>　　UTM=2.45Ue </p><p>　　所以晶閘管額定電壓是1078—1617V   </p><p>　　同上可求得：ITN=64—85A </p><p>　　4.3.主電路保護環(huán)節(jié)的設(shè)計與計算</p><p>　　由于晶閘管承受過電壓和過電流的能力較差，所

21、以短時間的過壓或過流就會造成元件損壞。因此在系統(tǒng)主電路設(shè)計中，對晶閘管裝置的各種保護措施及主要保護環(huán)節(jié)的設(shè)計與計算，應(yīng)予以足夠的重視。為使系統(tǒng)能長期可靠地運行，除了合理地選擇晶閘管外，必須針對過電壓、過電流和電壓、電流上升率的發(fā)生原因采取恰當?shù)谋Ｗo措施。 </p><p>　　4.3.1.晶閘管過電壓保護</p><p>　　直流側(cè)與交流側(cè)過電壓保護方法相同，元件選擇原則也相同。

22、實際中采用壓敏電阻保護較為合理。 為防止在換相過程中，被關(guān)斷的晶閘管出現(xiàn)反向過壓，而導致反向擊穿。通常在晶閘管元件兩端并聯(lián)RC阻容吸收電路。電容的耐壓一般選取晶閘管實際承受最大電壓的1.1～1.5倍。由于上述所選晶閘管額定電流為85A，所以查表可知：C=0.25UF   R=20。</p><p>　　4.3.2. 整流以及晶閘管保護電路如下：</p><

23、;p>　　4.4.電抗器參數(shù)計算與選擇</p><p>　　對晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)，當負載電流較小，會出現(xiàn)電流斷續(xù)的現(xiàn)象，使電動機的機械特性變軟，影響系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能。電動機電樞電感一般較小，不能滿足電流連續(xù)的要求，故必須在晶閘管輸出電路中串入電抗器。 </p><p>　　對于三相全控橋平波電抗器的大小選擇為:Lcr=0.693（U2/Idmin）</p>

24、<p><b>　　4.5確定時間常數(shù)</b></p><p>　　(1) 整流裝置滯后時間常數(shù)。</p><p>　　按表1，三相橋式電路的平均失控時間=0.0017s。</p><p>　　(2) 電流濾波時間常數(shù)。三相橋式電路每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（1~2）=3.33ms，因此取=2ms=0.002s

25、。</p><p>　　(3) 電流環(huán)小時間常數(shù)之近似處理，取=+=0.0037s。</p><p>　　(4) 電樞回路電磁時間常數(shù)</p><p>　?。絃/R＝0.781/52.3＝0.015s</p><p>　　(5) 電力拖動系統(tǒng)時間常數(shù)由實驗測得</p><p>　　=40ms＝0.04s</p&g

26、t;<p>　　4.6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)：==0.015s。</p><p>　　電流環(huán)開環(huán)增益：要求≤5％時，查表得=0.5，因此</p><p>　　=0.5/0.0037s=135.1</p><p>　　于是，ACR的比例系數(shù)為</p><p>　　=R

27、/=135.1×0.015×52.3/122.5×6.06＝0.143</p><p>　　4.7.校驗近似條件</p><p>　　電流環(huán)截止頻率：==135.1</p><p>　　晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件</p><p>　　1/3=1/3×0.0017s=191.6＞</p>

28、<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)影響的條件</p><p><b>　　=＝122.47＜</b></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<

29、;/p><p><b>　　==180.8＞</b></p><p><b>　　滿足近似條件。</b></p><p>　　調(diào)速系統(tǒng)控制單元的確定和調(diào)整</p><p><b>　　5.1.檢測環(huán)節(jié)</b></p><p>　　根據(jù)反饋控制原理為了構(gòu)成閉環(huán)

30、直流調(diào)速系統(tǒng)，提高系統(tǒng)運行指標，必須對系統(tǒng)控制對象的多種參量進行檢測，其中最基本的是轉(zhuǎn)速、電流、電壓等反饋信號的檢測。精確、快速地檢測這些信號是調(diào)速系統(tǒng)可靠工作的基本保證</p><p>　　5.1.1轉(zhuǎn)速的檢測</p><p>　　常用的轉(zhuǎn)速檢測裝置是各種測速發(fā)電機和脈沖測速裝置。由于直流測速發(fā)電機無需另設(shè)整流裝置，且無剩余電壓，故在直流調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速反饋信號廣泛采用直流測速發(fā)</

31、p><p>　　電機，將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓。檢測電路如下</p><p>　　5.1.2.電流的檢測</p><p>　　電流反饋環(huán)節(jié)的輸入信號是主電路的電流量，經(jīng)變換后獲得輸出為直流電壓的反饋量Ui，根據(jù)電流反饋環(huán)節(jié)的組成，常用的電流反饋方式和檢測元件有下面幾種：1.利用整流橋直流側(cè)的電阻作檢測元件2.以交流電流互感器作為檢測元件3．以直流電流互感器作為檢測元件4．以霍爾

32、效應(yīng)電流變換器作為檢測元件 。</p><p>　　對于本課題我的選擇了第一種，其簡單電路圖如下</p><p><b>　　電路設(shè)計</b></p><p>　　6.1.可控整流變壓器設(shè)計</p><p>　　作為整流裝置電源用的變壓器稱為整流變壓器。一般的變壓器有整流跟變壓兩項功能，其中整流是把交流變直流。

33、</p><p>　　選擇一臺主變壓器計算如下：</p><p>　　一次繞組為0.22kV 二次繞組為0.232kV</p><p>　　由直流發(fā)電機額定數(shù)據(jù)得：=0.185kW</p><p><b>　　==0.185kW</b></p><p>　　查附錄表1得實驗室小型電熱設(shè)備的=1

34、.0=0</p><p>　　=×=0.185×0=0kVA</p><p>　　=×=0.185×1.0=0.185kVA</p><p>　　只裝一臺主變壓器應(yīng)全部滿足用電設(shè)備總計算負荷的需要：</p><p><b>　　即≈≥</b></p><p>

35、;　　選擇=0.2kV·A</p><p>　　所以所選變壓器的型號為：S9-0.2/0.38型。</p><p>　　6.2.晶閘管的設(shè)計</p><p>　　一、晶閘管的選擇及參數(shù)計算</p><p>　　=n+R=0.155×1600+1.1×52.3=305.53V</p><p>

36、;　　=/2.34=305.53/2.34=130.57V</p><p>　　=/R=305.53/52.3=5.84A</p><p>　　=/3－1/2=3.37A</p><p>　　(AV)=/1.57=2.15A</p><p>　　=61/2=319.83V</p><p>　　∴可選用的晶閘管為：KP5

37、-8型[4]。</p><p><b>　　表1 晶閘管參數(shù)</b></p><p>　　6.3電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計</p><p>　　電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示：</p><p>　　圖7 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖[5]</p><p>　　系統(tǒng)設(shè)計的一般原則是：先內(nèi)

38、環(huán)后外環(huán)。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><b>　　設(shè)計要求：</b></p><p>　　系統(tǒng)給定：==10V =1.5 = =1.5A</p><p>　　轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：=/=10/1600=0.006V·min/r</p&g

39、t;<p>　　電流反饋系數(shù)：=/=10/1.1×1.5=6.06V/A</p><p>　　超調(diào)量≤5％，盡量實現(xiàn)無靜差調(diào)速[6]。</p><p>　　6.4.電流調(diào)節(jié)器設(shè)計</p><p><b>　　選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計要求≤5％，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可

40、按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為W(s)=(s+1)/s，電路圖如圖8所示[7]。</p><p>　　檢查對電源電壓的抗干擾性能：</p><p>　　/=0.015/0.0037=4.05，參照典型Ⅰ型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都是可以接受的。</p><p>　　圖8 電流調(diào)節(jié)器電路圖</p

41、><p><b>　　穩(wěn)壓電源</b></p><p>　　穩(wěn)壓電源輸出穩(wěn)定的±15V直流電源向所有需要直流電源的各控制單元供電，它由整流、濾波、穩(wěn)壓三個部分組成。</p><p>　　整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)ㄗ饔茫虼硕O管是組成整流電路的關(guān)鍵元件。在小功率（1kW）整流電路中，常見的集

42、中整流電路有單向半波、全波、橋式和倍壓整流電路。本設(shè)計采用橋式整流電路，其主要特點如下：輸出電壓高，紋波電壓小，管子所承受的最大反向電壓較低，電源變壓器充分利用效率高。</p><p>　　濾波電路用于濾去輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負載電阻兩側(cè)并聯(lián)電容器；或在電路輸出端與負載見串聯(lián)電感L，以及由電容、電感組合而成的各種復式濾波電路[10]。</p><p>　　圖12 &#