双闭环不可逆直流调速系统设计(共25页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上题 目：双闭环不可逆直流调速系统设计学生姓名： 学 号： 学 院： 设计依据1. 该调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽地转速调速范围（D10），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S2%）；3. 动态性能指标：转速超调量 n<8%，电流超调量i<5%，动态最大转速降n810%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts1s；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。6. 电力电子变流电路采用晶闸管构成的三相可控整流电路。第十三组：晶闸管整流装置：Rrec=0.2，Ks=70。负载电机额定数据：PN=44kW，UN=480V，IN=90A，nN=1600r/min，Ra=0.3，1.7。系统总电阻R=0.8，Tm=0.47S。设计要求及主要内容1. 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构形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（包括整流变压器、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调节器的结构形式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。5. 绘制VM双闭环直流不可逆调速系统电气原理总图（要求用计算机绘图）。（建立传递函数方框图），并研究参数变化时对直流电机动态性能的影响。6. 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。参考资料1. 陈伯时主编。电力拖动自动控制系统运动控制系统（第3版）北京：机械出版社，2003. 72. 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，19823. 朱仁初、万伯任，电力拖动系统设计手册，机械工业出版社，1994指导教师签字日期摘要51 双闭环直流调速系统61.1 闭环调速系统的组成61.2 转速电流双闭环直流调速系统的组成61.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性714 双闭环直流调速系统的数学模型82 转速调节器、电流调节器92.1 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形92 .2转速调节器的作用102.3电流调节器的作用103双闭环调速系统的主电路各器件的选择和计算113.1变流变压器二次相电压有效值的计算113.2  变流变压器容量的计算：12取为40KVA。 型号为SG-40133.3  晶闸管的电流、电压定额计算133.4 晶闸管额定电流（AV）133.5 直流侧电抗器的设计133.6限制输出电流脉动的电感量的计算133.7 变流器在最小输出电流时仍能维持电流连续时电抗器电感量按下式计算143.8 整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感按下式计算143.9 电动机电枢电感量按下式计算153.10 直流侧电抗器电感量L计算如下15为和中较大者的值，所以：154 保护电路的设计计算154.1 过电压保护：154.2 过电流保护185 电流调节器的设计185.1计算电流调节器参数185.2选择电流调节器的结构185.3计算电流调节器参数195.4效验近似条件195.5计算调节器电阻及电容196 转速调节器的设计206.1确定时间常数206.2计算调节器参数206.3检验近似条件216.3校核转速超调量217 MATLAB Simulink仿真227.1转速仿真图与分析237.2电枢电流仿真图与分析248设计总结259参考文献26摘要 许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。本设计根据设计要求确定调速方案和主电路的结构形式，主电路和闭环系统确定下来后，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。关键词 ：双闭环直流调速，转速调节器，电流调节器1 双闭环直流调速系统1.1 闭环调速系统的组成根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统可以大大减少转速降落。 图1.1 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图1.2 转速电流双闭环直流调速系统的组成 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1.2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。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。 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。 图1.2 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图1.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图3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。 Ks a 1/CeU*nUctIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R b ACR-UiUPE图1.3 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。14 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1.4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。U*na Uct-IdLnUd0Un+-b -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E图1.4 双闭环直流调速系统的动态结构图实际上，双闭环调速系统在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。（1）转速调节器不饱和在正常情况下，两个调节器都不饱和，稳态时，依靠调节器的调节作用，它们的输入偏差电压都是零，因此系统具有绝对硬的静特性，即由第一个关系式可得 (3-1)从而得到图3.3所示静特性的CA段。由于ASR不饱和，从上述第二个关系式可知。这表明，CA段特性从理想空载状态的一直延续到，而一般都是大于电动机的额定电流的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。（2）转速调节器饱和 当电动机的负载电流上升时，转速调节器的输出也将上升，当上升到某一数值（）时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时 (3-2) 其中，最大电流Idm是由设计者选定的，取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。所描述的静特性对应于图1.5中的AB段，它是一条垂直的特性。这样的下垂特性只适合于的情况，因为如果，则，ASR将退出饱和状态。 由以上分析可知，双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到时，对应于转速调节器ASR的饱和输出，这时，电流调节器ACR起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性要强得多。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大。静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图1.5中的虚线。总之，双闭环系统在突加给定信号的过渡过程中表现为恒值电流调节系统，在稳定和接近稳定运行中表现为无静差调速系统，发挥了转速和电流两个调节器的作用，获得了良好的静、动态品质。图1.5 双闭环直流调速系统的静特性2 转速调节器、电流调节器2.1 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形图2.1为突加给定电压U*n时，双闭环直流调速系统在带负载IdL 条件下起动过程的电流波形和转速波形。图2.1 起动过程的电流波形和转速波形 在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和（ I ）、饱和（ II ）、退饱和（ III ）三个阶段。 第I阶段 电流上升的阶段 （0 -t1） 突加给定电压 U*n 后，Id 上升，当 Id 小于负载电流 IdL 时，电机还不能转动。当 Id IdL 后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，ASR输入偏差电压仍较大， ASR很快进入饱和状态，而ACR一般不饱和。直到Id = Idm ， Ui = U*im 。特点：ASR由不饱和进入饱和状态，转速增加较慢、电流快速上升到Idm。第 II 阶段 恒流升速阶段 （t1 -t2）ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统为在恒值电流U*im 给定下的电流调节系统，基本上保持电流 Id 恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长，直到n =n* 。电机的反电动势E 也按线性增长，对电流调节系统来说，E 是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动， Ud0和 Uc 也必须基本上按线性增长，才能保持 Id 恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说， Id 应略低于 Idm。特点：ASR处于饱和状态转速环开环；电流无静差系统；转速线性上升；Id略小于Idm 第 阶段转速调节阶段（ t2 以后）ASR和ACR都不饱和，ASR起主导作用，ACR力图使 Id 尽快地跟随 U*i ，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。当n =n*时，ASR输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值U*im ，所以电机仍在加速，使n>n*。 ASR输入偏差电压变负，开始退出饱和， U*i 和 Id 很快下降。但是，只要 Id 仍大于负载电流 IdL ，转速就继续上升。直到Id = IdL时，转矩Te= TL ，则dn/dt = 0，转速n才到达峰值（t = t3时）。此后，电动机在负载的阻力下减速，在一小段时间内（ t3 t4 ）， Id < IdL ，直到稳定Id = IdL ， n =n* 。如果调节器参数整定得不够好，会有振荡过程。特点：ASR不饱和，起主要调节作用；ACR起跟随作用；转速有超调。起动过程的三个特点：（1）饱和非线性控制；（2）转速超调；（3）准时间最优控制(有限制条件的最短时间控制)2 .2转速调节器的作用使转速n跟随给定电压变化，当偏差电压为零时，实现稳态无静差；对负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定允许的最大电流。2.3电流调节器的作用在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压变化；对电网电压波动起及时抗扰作用；起动时保证获得允许的最大电流，使系统获得最大加速度起动；当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起大快速的安全保护作用。当故障消失时，系统能够自动恢复正常。3双闭环调速系统的主电路各器件的选择和计算3.1变流变压器二次相电压有效值的计算 一般情况下，晶闸管变流装置所要求的交流供电电压与电网电压是不一致的，所以需要用变流变压器。通过此变压器进行电压变换，并使装置与电网隔离，减少了电网与晶闸管变流装置的互相干扰，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。精确计算要考虑一下因素：1）不同主电路接线方式和负载性质。2）电网电压波动。3）变压器的漏抗。4）最大过载电流时，包括电动机电阻等的压降。其中=90*(0.8-0.3)/480=0.09375 ， ， ， =355.33V （应取360V）表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0.90.90.91.172.342.341.17C0.7070.7070.7070.8660.50.50.50.707110.5780.8160.8160.2893.2  变流变压器容量的计算：m1=m2=3 式中，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，对于本设计取0.816,且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗。）所以 取为40KVA。 型号为SG-403.3  晶闸管的电流、电压定额计算     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23倍的安全系数，即按下式选取，对于本设计， 3.4 晶闸管额定电流（AV）   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： 晶闸管额定电流取120A。3.5 直流侧电抗器的设计直流侧电抗器的主要作用为限制直流电流脉动；轻载或空载时维持电流连续；在有环流可逆系统中限制环流；限制直流侧短路电流上升率。3.6限制输出电流脉动的电感量的计算由相关数据得： 所以，3.7 变流器在最小输出电流时仍能维持电流连续时电抗器电感量按下式计算是与整流主电路形式有关的系数，三相全控桥取0.693取5%则 3.8 整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感按下式计算变压器次级相电压有效值晶闸管装置直流侧的额定负载电流与整流主电路形式有关的系数对于本设计，=3.9，U则3.9 电动机电枢电感量按下式计算式中，、为电动机额定电压和额定电流；n和p为电动机的额定转速和磁极对为计算系数，对有补偿电动机取56。则 所以，=3.10 直流侧电抗器电感量L计算如下为和中较大者的值，所以：则根据本设计所选电抗器电感量L取20mH。所以： 4 保护电路的设计计算4.1 过电压保护：交流侧过电压的保护采用RC过电压抑制电路如图3所示，在变压器次级并联RC电路，以吸收变压器铁心的磁场释放的能量，并把它转换为电容器的电场能而存储起来，串联电阻是为了在能量转换过程中可以消耗一部分能量并且抑制LC回路可能产生的震荡。本设计采用三相全控桥整流电路，变压器的绕组为Y联结，阻容保护装置采用三角形接法，故可按下式计算阻容保护元件的参数: 取60 取10表2 不同联结时的值变压器联接型式电容器三角形联结值电容器星型联结值Y/Y,初级中点不接地150450Y/, 初级中点不接地300900所有其他接法9002700直流侧的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。图4.1 压敏电阻保护电路晶闸管换相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。 图4.2 阻容吸收回路 取0.5uF 所以取2                    4.2 过电流保护 变压器一次侧保护 图4.3 一次侧过电流保护电路由之前计算可知： 熔断器保护 取70A晶闸管保护 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。5 电流调节器的设计5.1计算电流调节器参数 平均失控时间： 5.2选择电流调节器的结构 根据设计要求，并保证稳态电流无误差，可按典型行系统设计电流调节器。 5.3计算电流调节器参数 电流调节器超前时间常数： 电流环开环增益：要求时，应取 因此 电流反馈系数： 于是，ACR的比例系数为：5.4效验近似条件 电流环截止频率： （以上三个系数都满足要求）5.5计算调节器电阻及电容 按所用运算放大器取，各电阻和电容值为： 取 27 取 1 取 0.2按照上诉参 数，根据典型I型动态跟随性能指标和频域指标参数的关系（具体见下表）可知4.3%=5%，满足设计要求。参数关系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间tp8.3T   6.2T  4.7T3.6T相对稳定裕度76.3°69.9°65.5°59.2°51.8°截止频率c0.243/T0.367/T0.455/T 0.596/T  0.786/T6 转速调节器的设计 6.1确定时间常数1）电流环等效时间常数1/KI：已取KITi=0.5，则1/KI=2Ti=2×0.0037=0.0074s。2）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。3）按小时间近似处理, Tn=1/KI+Ton=0.0074+0.01=0.0174s 6.2计算调节器参数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：转数开环增益： =(110-860.5)/750=0.089则ASR的比例系数为： 6.3检验近似条件 转速环截止频率为：1） 电流环传递函数简化条件： （ 满足简化条件）2） 转速环小时间常数近似处理条件 （满足近似条件）原理图见下图：图6.3 转速原理图6.3校核转速超调量理想空载启动时设z=0，已知数据：，R=0.5，=86A，=750r/min,Ce=0.089V.min/r,Tm=0.22s,=0.0174s。当h=5时，由下表可知 =81.2% 图6.4 动态抗干扰则=2*0.812*1.5*483.1*0.0174/750/0.22=12.4%>8%,不满足设计要求当h=3时也不符合要求，这时应当引入转速微分负反馈调节，有效地抑制超调量，这里不再进行计算。调速系统开环机械转速稳态转速降：动态转速降：由已知得，h=5时，=81.2%，则因为最大转速降810%，满足条件当h=5时，查表可知则, 满足条件。7 MATLAB Simulink仿真采用了转速、电流反馈控制直流调速系统，设计者要学则ASR和ACR两个调节器的PI参数，有效的方法是使用调节器的工程方法。这样可使设计方法规范化，大大减少了设计工作量。但工程设计是在一定的近似条件下得到的，如果使用MATLAB仿真软件进行仿真，可以根据仿真结果对设计参数进行必要的修正和调整。校正后转速、电流环的动态结构框图经过化简和相关计算，在matlab中搭建好系统的模型，如下图：图16 转速、电流反馈控制直流调速系统仿真模型7.1转速仿真图与分析在电流上升阶段，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，电流调节器ACR起主要作用。转速一直上升。当到达恒流升速阶段时，ASR一直处于饱和状态，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统为恒值电流调节系统，因此，系统的加速度为恒值，电动机转速呈线性增长直至给定转速。使系统在最短时间内完成启动。当转速上升到额定转速时，ASR的输入偏差为0，但其输出由于积分作用仍然保持限幅值，这时电流也保持为最大值，导致转速继续上升，出现转速超调。转速超调后，极性发生了变化，则ASR推出饱和。其输出电压立即从限幅值下降，主电流也随之下降。此后，电动机在负载的阻力作用下减速，转速在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。当突加给定负载时，由于负载加大，因此转速有所下降，此时经过ASR和ACR的调节作用后，转速又恢复为先前的给定值，反映了系统的抗负载能力很强。7.2电枢电流仿真图与分析直流电机刚启动时，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，达到限幅值，迫使电流急速上升。当电流值达到限幅电流时，由于电流调节器ACR的作用使电流不再增加。当负载突然增大时，由于转速下降，此时转速调节器ASR起主要的调节作用，因此，电流调节器ACR电流有所下降，同启动时一样，当转速调节器ASR饱和，达到限幅值，使电流急速上升。但是由于电流值达到限幅电流时，电流调节器ACR的作用使电流不再增加。当扰动取电以后，电流调节器ACR电流又有所增加，此后，电动机在负载的阻力作用下减速，电流也在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。8设计总结 通过本次对双闭环不可逆直流调速系统课程设计使我对电力拖动自动控制系统有了进一步的了解与认识。为对我将来的毕业设计和工作需要打下了扎实的基础。”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。9参考文献1. 陈伯时主编。电力拖动自动控制系统（第2版）。北京：机械出版社，2000. 62. 陈伯时主编。电力拖动自动控制系统运动控制系统（第3版）北京：机械出版社，2003. 73. 黄俊主编。半导体变流技术（修订本）。北京：机械工业出版社，19864. 朱仁初、万伯任，电力拖动系统设计手册，机械工业出版社，19925. 张东力、陈丽兰、仲伟峰，直流拖动控制系统，机械工业出版社，19996. 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，19827. 机械工程手册、电机工程手册、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，19968. 阮毅、陈伯时主编。电力拖动自动控制系统运动控制系统（第4版）北京：机械出版社，2010. 1专心-专注-专业