转速电流双闭环直流调速系统.doc

,课 程 设 计 说 明 书课程名称： 电力拖动自动控制系统 设计题目： 转速电流双闭环直流调速系统 院 系： 学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导教师： 2010年12 月30 日转速电流双闭环直流调速控制系统摘 要：此设计利用晶闸管、二极管等器件设计了一个转速、电流双闭环直流调速系统。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。关键词：双闭环，晶闸管，转速调节器，电流调节器目 录 第一章.直流拖动控制系统总体设计1一、直流调速系统拖动方案的对比1二、直流调速系统控制方案的确定2三、直流电动机的调速方式 2第二章.主电路参数计算和保护环节设计3一、整流变压器额定参数的计算3二、主电路器件的计算与选择3三、主电路保护环节的设计与计算3四、电抗器参数计算与选择4第三章.调速系统控制单元的确定和调整4一、检测环节4二、调节器的选择与调整5三、系统的给定电源 11第四章触发电路的设计12第五章.调速系统动态参数的工程计12心得体会12参考文献13附件.课程设计要求13,第一章直流拖动控制系统总体设计一直流调速系统控制方案的对比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。在电动机轴上装一台测速发电机 ,引出与转速成正比的电压与给定电压比较后,得偏差电压U ,经放大器 ,产生触发装置的控制电压Uk ,用以控制电动机的转速,如图下图：整流触发装置放大器给定电压 负载电动机速度检测2.方案二：双闭环直流调速系统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。为了使转速负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，故称电流环为内环，转速环为外环。在电路中，ASR和ACR串联，即把ASR的输出当做ACR的输入，再由ACR得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输出限幅功能的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图下图：电流检测整流触发装置ASRACR负载电压电动机速度检测 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。二、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。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。三、直流电动机的调速方式 1.减弱励磁磁通 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。 2.减弱励磁磁通 保持电动机端电压为额定，改变电动机励磁磁通，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。 第二章主电路参数计算和保护环节设计一、整流变压器额定参数的计算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220V440V，输出电流是160A300A，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=0.5二、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。 1.整流元件的额定电压UTN UTN=（23）UTm UTM=2.45Ue所以晶闸管额定电压是10781617V2.同上可求得：ITN=6485A三、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。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1.11.5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。2.整流以及晶闸管保护电路如下：四、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）第三章调速系统控制单元的确定和调整一、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。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：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：二、调节器的选择与调整1.电流调节器设计从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想堵转特性，可见采用典型的I系统就足够了。再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压的抗扰作用时次要的。为此电流环以跟随特性为主，应选用典型I系统。根据设计要求电流超调<5%，并保证稳态电流无差，也应选择典型I系统设计电流调节器。电流环可以选择PI型电流调节器，其传递函数如下：WACR（S）=Ki（TiS+1）/(Ti*S)(1)确定时间常数 1)整流装置滞后时间常数Ts。查表可得三相全控桥电路平均失控时间Ts=0.0017s。 2)电流滤波时间常数Toi。由题的三相桥式电路Toi=0.00235s 3)电流环小时间常数之和Ti=Toi+Ts=0.00405s(2)电流调节器的结构根据要求可知选择PI调节器。(3)流调节器参数电流调节器时间常数Ti=Tl=0.116s电流环开环增益：要求超调<5%时，查表应取KI*Ti=0.5所以 KI=0.5/Ti=0.5/0.00405=123.5 于是，ACR的比例系数为： Ki=KI*Ti*R/(KS*b)= 3.6 (b=10/(1.5*Ie)(4)近似条件电流环截止频率Wci=KI=123.5 晶闸管整流装置传递函数的近似条件 1/(3*T)=196.1>123.5 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 有公式计算的22.2<Wci 满足近似条件 电流环小时间常数近似处理条件 有公式计算的166.8>Wci满足近似条件(5) 调节器电容和电阻 按所使用的运算放大器取R0=40K，个电阻和电容值为： Ri=Ki*R0=144K 取150K Ci=Ti/Ri=0.8UF 取1UF Coi=4*Toi/R0=0.235UF 取0.3UF 按照上述参数，电流环可以达到动态跟随性能指标，满足设计要求。2转速调节器设计为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中。现在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传函应共有两个积分环节，所以设计成典型型调节系统，这样同时也能满足动态性能要求。至于其节约响应超调量较大，那是线性系统的计算数据，实际系统中转速调节器的饱和和非线性性质会使超调大大降低。由以上可知ASR也应该采用PI调节器，其传递函数如下：WASR（S）=Kn（TnS+1）/TnS转速环结构图可简化成图如下：<1>确定时间常数 电流环等效时间常数1/KI。由KI*T=0.5得 1/KI=2*T=0.0081 转速滤波时间常数Ton=0.00235s 转速环小时间常数之和Tn=1/KI+Ton=0.01045s<2>转速调节器的结构根据要求可知选择PI调节器。<3>计算转速调节器参数按跟随和扰动性能较好的原则，去h=5，则ASR的超前时间常数为 Tn=h*Tn=0.05 由此可求得转速开环增益为 KN=（h+1）/(2*h*h*Tn*Tn)=1098.9 于是，ACR的比例系数为： Kn=（h+1）*b*Ce*Tm/(2*h*a*R*Tn)= 32.0 (a=10/1500=0.007)<4>校验近似条件转速环截止频率Wcn=KN*Tn=55.0 电流环传递函数简化条件为 由公式计算得58.2>Wcn 满足近似条件 转速小时间常数处理条件 有公式计算得76.4<Wcn 满足近似条件<5>计算调节器电容和电阻 由图，按所使用的运算放大器取R0=40K，个电阻和电容值为： Rn=Kn*R0=1280K 取1300K Cn=Tn/Rn=39.06UF 取40UF Con=4*Ton/R0=0.005UF 取0.005UF 按照上述参数，电流环可以达到动态跟随性能指标，满足设计要求。转速调节器电路图如下：3）调节器的限幅调速系统中，为了保护电气设备和机械设备的安全，须限制电动机的最大电流、最大电压以及晶闸管变流装置的min和min角等，一般都要求对调节器输出限幅。调节器输出限幅值的计算与整定是系统设计和调试工作中十分重要的环节。实现限幅的方法大体有两类，即外限幅和内限幅。电路图如下：a）外限幅电路 b）内限幅电路综上调速系统的稳态结构框图如下图：三、系统的给定电源在双闭环调速系统中，转速总是紧紧地跟随给定量而变化。因此给定电源的质量是保证系统正常工作的重要组成部分，高精度的调速系统必须要有更高精度的给定稳压电源作保证。所以，设计系统控制方案、拟定控制电路时，必须十分注意对稳压电源的设计与选择。由三端集成稳压器件所组成的稳压电源，线路简单、性能稳定、工作可靠、调整方便，已逐渐取代分立元件，在生产实际中应用越来越广泛。系统中应尽量采用这种集成稳压源，以保证系统的可靠工作。为防止大幅度电网电压波动给稳压电源工作带来的困难，目前已普遍采用恒压变压器作为稳压电源的电源变压器。这些在设计时都需引起注意。系统给定电源电路图如下：第四章.触发电路的设计晶闸管的触发是保证整个直流调速系统能够稳定工作的前提条件。在晶闸管直流调速系统中，触发装置是十分重要的控制单元。目前触发装置的种类很多。具体电路各式各样，设计者必须根据系统实际需要合理地选择触发电路。第五章调速系统动态参数的工程设计对于调节器的动态工程设计，首先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需要的稳态精度。再选择调节器的参数，以满足动态性能指标。 设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐步向外扩展。在这里是：先从电流环入手，首先设计好电流调节器，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。 双闭环调速系统的动态结构图如下：心得体会 通过这次实训使我看清了自己许多不足的地方，也对自己的能力有了比较全面的认识和理解，知道了自己哪些不足，对于以后再学习应该往哪方面努力，有了更深刻的认识。，还有就是让我真真正正的了解到掌握集散控制是一件不容易的事，但我以后一定会努力，更好的去掌握集散控制，为以后工作打好基础！参 考 文 献1陈伯时. 电力拖动自动控制系统（第2版）. 机械工业出版，19912王兆安，等.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2000.3陈伯时，陈敏逊. 交流调速系统. 机械工业出版社，19974胡崇岳. 现代交流调速技术. 机械工业出版社，20015 李友善. 自动控制原理，北京：国防工业出版社，1981.6 周渊深. 交直流调速系统与MATLAB仿真.北京：中国电力出版社，2004.7 陈国呈. PWM变频调速及软件开关电力交换技术.北京：机械工业出版社，2001.8 陈伯时. 双闭环调速系统的工业设计（讲座）.冶金自动化.1983（1）.附件课程设要求直流他励电动机：功率Pe22KW，额定电压Ue=220V，额定电流Ie=116A，磁极对数P=2，ne=1500r/min,，励磁电压220V，电枢绕组电阻Ra=0.112,，电路总电阻R0.32，L37.22mH（电枢电感、平波电感和变压器电感之和），电磁系数Ce=0.138 Vminr，Ks=22，电磁时间常数Tl=0.116s，机电时间常数Tm=0.157s，滤波时间常数Ton=Toi=0.00235s，过载倍数1.5，电流给定最大值电压10V，速度给定最大值电压10V。