VM雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)個(gè)人制作

1、電力拖動(dòng)綜合課程設(shè)計(jì) 專(zhuān) 業(yè)： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 設(shè)計(jì)題目：V-M雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng) 設(shè)計(jì)報(bào)告格式25分設(shè)計(jì)內(nèi)容45分答辯考勤總計(jì)得分封面3頁(yè)面布局5目錄格式3圖表質(zhì)量4間行距、字體5頁(yè)眉頁(yè)腳5設(shè)計(jì)題目分析5系統(tǒng)控制方案8設(shè)備計(jì)算、選型7電氣原理圖調(diào)節(jié)器參數(shù)整定或程序設(shè)計(jì)101020主電路5控制電路5總圖5 2011年1月目錄摘要II第一章 緒論- 1 -第二章 課程設(shè)計(jì)任務(wù)與要求- 2 -2.1 課程設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介- 2 -2.2 課程設(shè)計(jì)基本要求- 2 -第三章控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 3 -3.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成- 3 -3.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型-

2、4 -3.3系統(tǒng)的設(shè)計(jì)- 4 -電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)- 4 -轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)- 8 -第四章 心得體會(huì)- 12 -參考文獻(xiàn)- 13 -摘要 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置，它被廣泛地應(yīng)用于一般生產(chǎn)機(jī)械需要?jiǎng)恿Φ膱?chǎng)合，也被廣泛應(yīng)用于精密機(jī)械等需要高性能電氣傳動(dòng)的設(shè)備中，用以控制位置、速度、加速度、壓力、張力和轉(zhuǎn)矩等。 本文所論述的是“轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)述單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路設(shè)計(jì)與研究”。主電路設(shè)計(jì)是依據(jù)晶閘管-電動(dòng)機(jī)（VM）系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)由整流變壓器TR、晶閘管整流調(diào)速裝置、平波電抗器L和電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組等組成。整流變壓器TR和晶閘管整流調(diào)速裝置的功能是將輸入的

3、交流電整流后變成直流電；平波電抗器L的功能是使輸出的直流電流更平滑；電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組提供三相交流電源。關(guān)鍵字：直流調(diào)速 晶閘管 雙閉環(huán)第一章 緒論 直流調(diào)速系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用最廣的電氣傳動(dòng)裝置之一。廣泛地應(yīng)用于軋鋼機(jī)、冶金、印刷、金屬切削機(jī)床等許多領(lǐng)域的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。它通常采用三相全控橋式整流電路對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行供電，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，如晶體管、各種線性運(yùn)算電路等，在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求。 直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)相比，其制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高維修困難，需備有直流電源才能使用。但因直流電動(dòng)機(jī)具有寬廣的調(diào)速范圍，平滑的調(diào)速特性，較

4、高的過(guò)載能力和較大的起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此被廣泛地應(yīng)用于調(diào)速性能要求較高的場(chǎng)合。在工業(yè)生產(chǎn)中，需要高性能速度控制的電力拖動(dòng)場(chǎng)合，直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)揮著極為重要的作用，高精度金屬切削機(jī)床，大型起重設(shè)備、軋鋼機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)、城市電車(chē)等領(lǐng)域都廣泛采用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。特別是晶閘管一直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)，、具有自動(dòng)化程度高、控制性能好、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，易于實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。 本文主要是根據(jù)三相全波全控整流電路的原理，選擇合適的變壓器、晶閘管、平波電抗器以及晶閘管保護(hù)、觸發(fā)電路，組成整流電路。第二章 課程設(shè)計(jì)任務(wù)與要求2.1 課程設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介某電動(dòng)拖車(chē)， V-M雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，技術(shù)要求：1該調(diào)速系統(tǒng)

5、能進(jìn)行平滑的速度調(diào)節(jié)，負(fù)載電機(jī)不可逆運(yùn)行，具有較寬的調(diào)速范圍（D10），系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作。2系統(tǒng)靜特性良好，無(wú)靜差（靜差率s0.2）。3動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)速超調(diào)量n8%，電流超調(diào)量i5%，動(dòng)態(tài)速降n8-10%，調(diào)速系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間（調(diào)節(jié)時(shí)間）ts1s 。4系統(tǒng)在5%負(fù)載以上變化的運(yùn)行范圍內(nèi)電流連續(xù)。5調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置有過(guò)電壓、過(guò)電流等保護(hù)，并且有制動(dòng)措施。2.2 課程設(shè)計(jì)基本要求1根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)型式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫(huà)出系統(tǒng)組成的原理框圖。2調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計(jì)算（包括有變壓器、電力電子器件、平波電抗器與保護(hù)電路等）。3驅(qū)動(dòng)控制電路的

6、選型設(shè)計(jì)（模擬觸發(fā)電路、集成觸發(fā)電路、數(shù)字觸發(fā)器電路 均可）。4動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)技術(shù)要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正，確定ASR調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)型式及進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。5繪制V-M雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖（要求計(jì)算機(jī)繪圖）。6整理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)資料，課程設(shè)計(jì)總結(jié)，撰寫(xiě)設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)。技術(shù)數(shù)據(jù)：晶閘管整流裝置：Rrec=0.032，Ks=45-48。負(fù)載電機(jī)額定數(shù)據(jù)：PN=90KW，UN=440V，IN=220A，nN=1800r/min，Ra=0.088，=1.5。系統(tǒng)主電路：R=0.12，Tm=0.1s。第三章控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 轉(zhuǎn)速、電

7、流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成如圖3-1所示，轉(zhuǎn)速調(diào)速器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器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)系統(tǒng)。圖3-1 調(diào)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)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)的電路原理圖如圖3-2所示。圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們電力電子變換器的控制電壓Uc為正壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。圖3-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖3.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型在單閉環(huán)

8、直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖3-3所示。圖3-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3.3系統(tǒng)的設(shè)計(jì)按照“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)” 的設(shè)計(jì)原則，從內(nèi)環(huán)開(kāi)始，逐步向外擴(kuò)展。在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。3.3.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)一、電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn)在圖3-3點(diǎn)畫(huà)線框內(nèi)的電流環(huán)中，反電動(dòng)勢(shì)與電流反饋的作用相互交叉，這將給設(shè)計(jì)工作帶來(lái)麻煩。實(shí)際上，反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速成正比，它代表轉(zhuǎn)速對(duì)電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù)Tl遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm,因此，轉(zhuǎn)速的變化往

9、往比電流變化慢的多，對(duì)電流環(huán)來(lái)說(shuō)，反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化較慢的擾動(dòng)，在電流的瞬變過(guò)程中，可以認(rèn)為電動(dòng)勢(shì)基本不變，即E0。這樣，在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，也就是說(shuō)，可以暫且把反電動(dòng)勢(shì)的作用去掉，得到電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)款圖，如圖3-4所示。圖3-4 忽略反電動(dòng)勢(shì)的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效的移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)給成Ui*（s）/，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)。最后，由于Ts和Toi一般都比Tl小得多，可以當(dāng)作小慣性而近似的看作一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為T(mén)i=Ts+Toi,則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡(jiǎn)化成圖3-5所示。圖3-5 小慣性環(huán)節(jié)近

10、似處理后的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖二、電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇首先考慮應(yīng)把電流環(huán)校正成哪一類(lèi)典型系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無(wú)靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由3-5可以看出，采用I型系統(tǒng)就夠了。再?gòu)膭?dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)部允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要的因素。為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。圖3-5表明，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫(xiě)成WACR（s）=Ki（iS+1）iS則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成為圖3-6所示的典型形式，其中KI=

11、KiKsi圖3-6 校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖三、電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-7所示：圖3-7 模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖四、電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算 根據(jù)已知數(shù)據(jù)得電機(jī)額定電流：IN=PN/Un=90000/440=204.545(A)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)常數(shù)：Ce=(Un-INRa)/nN=(440-204.545x0.08)/1800=0.2435(V.min/r)電樞電流：IdN=IN=204.545（A）主電路總電感：L=0.639Ud/Idmin=(0.639*440)/20.4545=13.74563mH=0.0137H(Idmin=

12、10%IdN)1.確定時(shí)間常數(shù)1）電磁時(shí)間常數(shù):Tl=L/R=0.031416 (S)。2）三相橋式晶閘管整流電路的平均滯后時(shí)間Ts=0.0017s，取電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.002s,可得電流環(huán)的小時(shí)間常數(shù)為T(mén)i =Ts-Toi=0.0017s-0.002s=0.0037s。2.選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求i5%，并保證靜態(tài)電流無(wú)差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器。檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：Tl/Ti=0.031416/0.0037=8.11,參照典型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。3.計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù) 電流調(diào)節(jié)器

13、超前時(shí)間常數(shù)：i=Tl=0.03s電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求i5%時(shí)，按表3-1，應(yīng)取KITi =0.5，因此KI=0.5/Ti=0.5/0.0037=135.1s-1表3-1 典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調(diào)量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時(shí)間tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時(shí)間tp8.3T6.2T4.7T3.6T相角穩(wěn)定裕度76.369.965.559.251.8截止頻率c0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T于是，ACR的比例系數(shù)為

14、Ki=(KIiR)/(Ks)=1.0134.校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：ci=KI=135.1S-11）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件13Ts=196.1 S-1ci，滿足近似條件。2）忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件31TmTl=40.82 S-1ci，滿足近似條件。5.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容由圖3-7，按所用運(yùn)算放大器取R0=40K,各電阻和電容值為Ri=KiR0=40.52 K,取40 KCi=iRi=0.75x10-6F,取0.75FCoi=4ToiR0=0.2x10-6F，取0.2F按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為i=4.3%，滿足設(shè)計(jì)要求。3.3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

15、的設(shè)計(jì)一、轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn)用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖3-3中的電流環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖3-8所示。圖3-8 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后的轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改成Un*（s）/，再把時(shí)間常數(shù)為1/KI和Ton的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為T(mén)n的慣性環(huán)節(jié)，其中Tn=1KI+Ton，則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖可簡(jiǎn)化圖3-9。圖3-9 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性近似處理后的轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖二、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中?，F(xiàn)在在

16、擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。至于其階躍響應(yīng)超調(diào)量較大，那是按照線性系統(tǒng)理論計(jì)算的數(shù)據(jù)，實(shí)際系統(tǒng)中調(diào)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性性質(zhì)會(huì)使超調(diào)量大大降低。由此可見(jiàn)，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為WASR(s)=Kn(n+1)nS不考慮負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，校正后的調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖3-10所示。圖3-10 校正后成為典型系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖三、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)含給定濾波和反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-11所示。圖3-11 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器四、轉(zhuǎn)速

17、調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算1.確定時(shí)間常數(shù)1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/KI:1KI=2Ti=2x0.0037s=0.0074s2)轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton：根據(jù)所用測(cè)速發(fā)動(dòng)機(jī)紋波情況，取Ton=0.01S3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)：按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取Ti=1KI+Ton=0.0074s+0.01s=0.0174s2.計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，參考表3-2取h=5,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為表3-2 典型型系統(tǒng)系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)h34567891052.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%tr/T2.402.652.853.03.13.23.33

18、.5ts/T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111n=hTn=5x0.0174=0.087s轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益KN=h+12h*h*Tn*Tn=396.4S-2ASR的比例系數(shù)為Kn=（h+1）CeTm2hRTn=11.73.檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為Wcn=KNw1=34.5s-21） 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為13KITn=63.7S-1cn,滿足簡(jiǎn)化條件2)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為13KITOn=38.7S-1cn,滿足近似條件3計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容根據(jù)圖3-11，取R0=40K,則Rn=KnR0=468 K,取470 KCn=nRn=0.185x10-6F,取0.2FCon=4TonR0=1x10-6F，取1F第四章 心得體會(huì)這次電力拖動(dòng)自動(dòng)控制