電力拖動課程設(shè)計報告

電力拖動課程設(shè)計報告電力拖動課程設(shè)計報告組別：電XX班第XX組姓名：XXX學(xué)號：XXXXX同組成員：XXX,XXX,XXX,XXX2010年12月

目錄1.引言 11.1雙閉環(huán)系統(tǒng)核心 11.2雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 21.3雙閉環(huán)系統(tǒng)理論基礎(chǔ) 22.設(shè)計題目及要求： 32.1基本數(shù)據(jù) 32.2具體設(shè)計要求及指標(biāo) 33.設(shè)計原理 43.1.轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的組成 43.2.各主要環(huán)節(jié)及原理 43.2.1ACR(電流調(diào)節(jié)器) 43.2.2ASR(轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器) 53.2.3V-M系統(tǒng) 63.2.4限幅環(huán)節(jié) 63.2.5檢測環(huán)節(jié) 74.設(shè)計過程及參數(shù)整定 84.1控制對象固有參數(shù)計算 84.2ACR設(shè)計及參數(shù)計算 84.2.1電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化 84.2.2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 94.2.3電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算 94.2.4電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn) 104.3ASR設(shè)計及參數(shù)計算 104.3.1電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù) 104.3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 104.3.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇 114.3.4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(xiàn) 124.4校驗近似條件 124.5性能指標(biāo)校驗 135.系統(tǒng)仿真 136.轉(zhuǎn)速超調(diào)的抑制——轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的引入 156.1問題的提出 156.2帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋雙閉環(huán)系統(tǒng)的基本原理 156.3轉(zhuǎn)速微分反饋參數(shù)的工程設(shè)計方法 166.4帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抗擾性能 176.5小結(jié) 197結(jié)論及心得體會 20參考文獻(xiàn) 211.引言在許多應(yīng)用場合，為了充分發(fā)揮生產(chǎn)機(jī)械的效能，提高生產(chǎn)率，速度控制系統(tǒng)經(jīng)常處于起動、制動、反轉(zhuǎn)以及突加負(fù)載等過渡過程中。所以要求速度控制系統(tǒng)有較好的動態(tài)性能。對高性能動、靜態(tài)的速度控制系統(tǒng)的要求是具有快速跟隨特性（起制動）、較好的抗干擾特性和高可靠性（可瞬態(tài)過載但不過電流）。對比電流截止負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)討論為什么要引入轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。1.1雙閉環(huán)系統(tǒng)核心雙閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計核心就是設(shè)計轉(zhuǎn)矩控制環(huán)以獲得高性能的轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)。由機(jī)械子系統(tǒng)表達(dá)式可知,如果要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速最為有效的辦法是調(diào)節(jié)電樞電流也就是電磁轉(zhuǎn)矩。所以要獲得轉(zhuǎn)速的高性能動態(tài)響應(yīng),首先要做好電磁轉(zhuǎn)矩(電樞電流)的控制,即需要構(gòu)造轉(zhuǎn)矩控制環(huán)（torquecontrol），也就是電流環(huán)。以起動為例，如果系統(tǒng)中有電流控制環(huán)，則在過渡過程中可以始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值Idm，使拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動；而在電動機(jī)起動到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，電流控制環(huán)又讓電流（轉(zhuǎn)矩）立即降下來，使轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動過程如下圖b）所示，起動電流呈方波形，轉(zhuǎn)速是線性增長的。這種在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制條件下調(diào)速系統(tǒng)能得到最快啟動過程的控制策略稱為“最短時間控制”。圖1電機(jī)起動過程比較圖1.2雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)雙閉環(huán)系統(tǒng)采用兩級串聯(lián)校正以使系統(tǒng)完成不同的控制目標(biāo)。為了達(dá)到“通過調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速”的目的，必須在速度閉環(huán)的基礎(chǔ)上增設(shè)電流（轉(zhuǎn)矩）閉環(huán)。采用兩級串聯(lián)校正（cascadecompensation）的方法，將兩種不同作用的反饋分開控制。這里速度調(diào)節(jié)器（ASR，adjustablespeedregulator）的輸出就是為了消除速度誤差所需要的電磁轉(zhuǎn)矩指令。然后設(shè)置電流調(diào)節(jié)器（ACR，adjustablecurrentregulator）構(gòu)成電流閉環(huán)跟隨電流指令。這樣，兩個閉環(huán)及其各自的調(diào)節(jié)器就可以分別完成上述不同的控制目標(biāo)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流（轉(zhuǎn)矩）調(diào)節(jié)器的作用可以歸納如下：（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用：1.使電動機(jī)轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓Un*變化，保證輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無靜差。2.對負(fù)載擾動起到抑制（抗擾）作用。3.其輸出限幅（飽和）值決定允許的最大電流Uim*。該值決定了最大輸出轉(zhuǎn)矩、與電流環(huán)一起實現(xiàn)下述的第3、4條作用。（2）電流（轉(zhuǎn)矩）調(diào)節(jié)器的作用：1.在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流Id快速跟隨其給定電壓Ui*變化。2.對電網(wǎng)電壓等擾動及時地抑制（抗擾）作用。3.起動時保證獲得恒定的最大允許電流（最大允許轉(zhuǎn)矩，準(zhǔn)時間最優(yōu)控制）。4.當(dāng)電動機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起到快速的保護(hù)作用（挖土機(jī)特性）；而一旦過載消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常運(yùn)行。1.3雙閉環(huán)系統(tǒng)理論基礎(chǔ)雙閉環(huán)系統(tǒng)理論基礎(chǔ)就是現(xiàn)代控制理論中的狀態(tài)變量反饋（state-variablefeedback）。由控制理論知，理想的控制方案是對各個狀態(tài)變量（statevariable）實施反饋控制，這樣可以通過分別配置各個極點以得到理想的系統(tǒng)的動靜態(tài)特性。雙閉環(huán)系統(tǒng)的被控對象電機(jī)的狀態(tài)變量是電樞電流Id和轉(zhuǎn)速n，因此轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)就是實現(xiàn)了被控對象狀態(tài)變量的全反饋。2.設(shè)計題目及要求：2.1基本數(shù)據(jù)直流電動機(jī)=220V，=136A，=1460r/min，電樞電阻=0.2Ω，允許過載倍數(shù)λ=1.5；晶閘管裝置=0.00167s，放大系數(shù)=40；平波電抗器：電阻、電感；電樞回路總電阻R=0.5Ω；電樞回路總電感L=15mH；電動機(jī)軸上的總飛輪慣量GD2=22.5N·m2；電流調(diào)節(jié)器最大給定值=10.2V，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器最大給定值=10.5V；電流濾波時間常數(shù)=0.002s，轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)=0.01s。2.2具體設(shè)計要求及指標(biāo)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：轉(zhuǎn)速無靜差；動態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量；空載啟動到額定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速超調(diào)量；3.設(shè)計原理3.1.轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的組成圖2轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)組成圖雙閉環(huán)系統(tǒng)主要由以下幾部分組成，ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，ACR電流調(diào)節(jié)器，TG測速發(fā)電機(jī)，TA電流互感器，UPE電力電子變換器。系統(tǒng)中兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR嵌套（或稱串級）聯(lián)接，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(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。為了獲得良好的動、靜態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器通常都采用PI調(diào)節(jié)器，且兩個調(diào)節(jié)器輸出都是帶有限幅的，ASR的輸出限幅值Uim*，它決定了電流調(diào)節(jié)器ACR的給定電壓最大值Uim，對應(yīng)電機(jī)的最大電流；電流調(diào)節(jié)器ACR輸出限幅電壓Ucm，它限制了電力電子變換器的輸出最大電壓值Udm。3.2.各主要環(huán)節(jié)及原理把轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)分為ASR，ACR，V-M系統(tǒng)，限幅環(huán)節(jié)，檢測環(huán)節(jié)。3.2.1ACR(電流調(diào)節(jié)器)正如引言已經(jīng)提到的，為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動和堵轉(zhuǎn)時電流過大及實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的有效控制問題，系統(tǒng)中必須有自動調(diào)節(jié)電樞電流的環(huán)節(jié)。為了獲得較好的動、靜態(tài)性能，ACR一般采用PI調(diào)節(jié)器。圖3ACR基本組成及原理圖通過檢測得到電樞電流實際值對應(yīng)的電壓信號Ui，與ASR輸出的給定值Ui*做比較，得到偏差并進(jìn)行比例積分調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)整Uc的值，同時改變電機(jī)的供電電壓Ud0,使電樞電流朝相反的方向變化，則電樞電流最終穩(wěn)定在給定值上。（1）當(dāng)Ui<Ui*,ΔU=Ui*-Ui>0，Uc增大，Ud增大，電樞電流Id增大；（2）當(dāng)Ui=Ui*,ΔU=Ui*-Ui=0，Uc維持最大值，Ud也達(dá)到最大值，電樞電流Id最大值；（3）當(dāng)Ui>Ui*,ΔU=Ui*-Ui<0，Uc減小，Ud減小，電樞電流Id減?。蛔罱K調(diào)節(jié)的結(jié)果使電樞電流Id維持在給定值（ASR的輸出）上。3.2.2ASR(轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器)與ACR基本相同，只是把調(diào)節(jié)變量變?yōu)檗D(zhuǎn)速。為了獲得較好的穩(wěn)態(tài)性能及動態(tài)性能，采用PI調(diào)節(jié)器，根據(jù)實際轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電壓值Un和給定電壓值Un*之間的大小關(guān)系實現(xiàn)調(diào)速。當(dāng)Un<Un*時,ΔU=Un*-Un>0，ASR輸出變大，結(jié)果導(dǎo)致轉(zhuǎn)速n增大；當(dāng)Un=Un*時,ΔU=Un*-Un>0,ASR輸出維持不變，因此轉(zhuǎn)速n不變；當(dāng)Un>Un*時,ΔU=Un*-Un>0，ASR輸出減小，結(jié)果導(dǎo)致轉(zhuǎn)速n減??；最終結(jié)果使轉(zhuǎn)速n維持在給定電壓值Un*對應(yīng)的轉(zhuǎn)速上。3.2.3V-M系統(tǒng)圖4晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)圖晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)），圖中VT是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。經(jīng)濟(jì)性可靠性等有了很大提高，并且動態(tài)性很好，但也存在著一些問題，如晶閘管對過電流過電壓太敏感易損壞，以及造成電網(wǎng)電壓畸變對附近用電設(shè)備的損害等等。3.2.4限幅環(huán)節(jié)為了保證電樞電流不超過最大允許值，ASR輸出電壓為Ui的限幅是非常必要的。限幅的方法有兩種，分別為二極管鉗位的外限幅電路和穩(wěn)壓管鉗位的外限幅電路如下圖所示。其中對于穩(wěn)壓管鉗位的外限幅電路原理比較簡單，利用兩個穩(wěn)壓管對接，使正限幅電壓Uexm等于穩(wěn)壓管VS1的穩(wěn)壓值，負(fù)限幅電壓Uexm'等于穩(wěn)壓管VS2的穩(wěn)壓值。對于二極管鉗位的外限幅電路，通過電路分析可知，限幅范圍為Uexm=UM+ΔUD,負(fù)限幅電壓|Uexm'|=|UN|+ΔUD。其中UM和UN分別表示電位器滑動端M點和N點的電位，ΔUD為二極管壓降。圖5兩種限幅電路3.2.5檢測環(huán)節(jié)圖6電流檢測電路圖通過電流互感器TA檢測電樞電流，再將得到的二次側(cè)電流整流得到直流電流，再轉(zhuǎn)化為電壓信號。圖7轉(zhuǎn)速檢測電路圖根據(jù)直流電機(jī)E=CE*n的原理，反電動勢大小與轉(zhuǎn)速成正比，因此測速電機(jī)的電壓大小即反應(yīng)出電機(jī)實際的轉(zhuǎn)速大小。4.設(shè)計過程及參數(shù)整定一般按照“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)”的原則來設(shè)計雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，即先設(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。4.1控制對象固有參數(shù)計算由控制對象可得到以下固有參數(shù)，為調(diào)節(jié)器的設(shè)計及參數(shù)計算打好基礎(chǔ)。a.電動勢系數(shù)為b.轉(zhuǎn)矩系數(shù)為c.電磁時間常數(shù)為d.機(jī)電時間常數(shù)為4.2ACR設(shè)計及參數(shù)計算按照設(shè)計原則，首先設(shè)計ACR，設(shè)計過程如下。4.2.1電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化簡化內(nèi)容包括忽略反電動勢的動態(tài)影響，等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，小慣性環(huán)節(jié)近似處理。圖8電流環(huán)基本結(jié)構(gòu)圖4.2.2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，采用I型系統(tǒng)就夠了。從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時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，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，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)形式為其中,Ki為電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；τi為電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)，為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇4.2.3電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算取電動機(jī)起動電流為則電流反饋系數(shù)為至此ACR的被控對象參數(shù)均為已知。下面根據(jù)要求計算PI調(diào)節(jié)器參數(shù)Ki和τi。4.2.4電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)圖9含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器模擬電路可以選擇使R0=40KΩ,經(jīng)過計算得到Ri=40.52KΩ，則Ci=0.75μF，Coi=0.2μF。4.3ASR設(shè)計及參數(shù)計算4.3.1電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，為此，須求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)。忽略高次項，上公式可以簡化為這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。4.3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電路經(jīng)等效和小慣性處理后，得到的電路圖如下所示：圖10等效成單位負(fù)反饋和小慣性的近似處理為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中（見圖2-26b），現(xiàn)在在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型Ⅱ型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。為滿足穩(wěn)態(tài)要求，采用PI調(diào)節(jié)器其中，Kn為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；τn為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)，校正后為圖11校正為典型Ⅱ型系統(tǒng)后的轉(zhuǎn)速環(huán)示意其中，為開環(huán)放大倍數(shù)，為時間常數(shù)。4.3.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括Kn和