电力拖动自动控制系统课程设计(电气工程).doc

2009年度本科生电力拖动自动控制系统课程设计
转速、电流双闭环直流调速系统设计
院 － 系: 工 学 院
专 业： 电 气 工 程 及 其 自 动 化
年 级： 06 级
学生姓名： 柴 春 平
学 号： 200603050467
导师及职称： 段志梅（讲师）
2009年12月

电力拖动自动控制系统课程设计
摘 要
转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高,例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。
在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的,但它只能在超过临界电流值 Idcr 以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形.带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动电流达到最大值 Idm 后，受电流负反馈的作用降低下来,电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。按照反馈控制规律,采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程.
问题是，应该在起动过程中,只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，只要转速负反馈，没有电流负反馈。怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？
只用一个调节器显然是不可能的，为了解决单闭环调速系统存在的问题,可以采用转速、电流双闭环调速系统，采用两个调节器分别对转速和电流进行调节。
关键词：直流调速系统、电流调节器、转速调节器、
电力拖动自动控制系统课程设计
目录
课程设计任务书 1
第一章 双闭环直流调速系统的组成及原理 2
1. 双闭环直流调速系统的系统组成 2
2。 双闭环调速系统电路原理图 2
第二章 主电路及保护环节的设计 4
1。 主电路的选取方案 4
2。 主电路元件的选择 4
2。1 整流变压器的选择 4
2.2 晶闸管的选型 6
2.3 平波电抗器电感的计算 6
3. 保护电路的设计 7
3。1 过电压保护及其计算 7
3.2 过电流保护 8
第三章 电流、转速调节器的设计 10
1. 电流调节器的设计 10
1。1 确定时间常数 10
1.2 选择电流调节器结构 11
1。3 选择电流调节器参数 11
1.4 校验近似条件 11
1。5 计算调节器电阻和电容 12
2. 转速调节器的设计 12
2.1 确定时间常数 12
2。2 选择转速调节器结构 12
2.3 计算转速调节器参数 13
2。4 校验近似条件 13
2.5 计算调节器电阻和电容 13
2。6 校核转速超调量 14
第四章 总结 15
参考文献 16
附录A 17

电力拖动自动控制系统课程设计
课程设计任务书
(一) 课程设计题目
转速、电流双闭环直流调速系统设计
(二) 设计任务
直流他励电动机：功率Pe＝10KW，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。112Ω,主电路总电阻R＝0.32Ω,L∑＝37。22mH（电枢电感、平波电感和变压器电感之和)，电磁系数Ce=0.138 Vmin／r，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λ＝1.5,电流给定最大值，速度给定最大值
(三) 设计内容
1. 系统各环节选型
1) 主回路方案确定。
2) 控制回路选择：给定器、调节放大器、触发器、稳压电源、电流截止环节，调节器锁零电路、电流、电压检测环节、同步变压器接线方式（须对以上环节画出线路图，说明其原理)。
2. 主要电气设备的计算和选择
1) 整流变压器计算：变压器原副方电压、电流、容量以及联接组别选择。
2) 晶闸管整流元件：电压定额、电流定额计算及定额选择.
3) 系统各主要保护环节的设计：快速熔断器计算选择、阻容保护计算选择计算。
4) 平波电抗器选择计算。
3. 系统参数计算
1) 电流调节器ACR中计算。
2) 转速调节器ASR中计算。输入电阻均为40KΩ.
3) 动态性能指标计算(包括空载起动到额定转速超调量的计算和过渡过程的时间的计算以及空载起动到额定转速所需时间的计算）。
4. 画出双闭环调速系统电气原理图.
使用A1或A2图纸，并画出动态框图（在设计说明书中）.
第一章 双闭环直流调速系统的组成及原理
1. 双闭环直流调速系统的系统组成
图1—1 转速、电流双闭环直流调速系统
ASR—-—转速调节器 ACR--—电流调节器 TG-——测速发电机
TA-—-电流互感器 UPE—-—电力电子变换器 Un＊--—转速给定电压
Un--—转速反馈电压Ui*---电流给定电压Ui—-—电流反馈电压
为实现转速和电流两种负反馈分别作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈.二者之间实行嵌套连接，如图所示。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电力电子变换器UPE。从闭环结构上看,电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统.
2. 双闭环调速系统电路原理图
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PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图2-1所示。
图2—1 双闭环直流调速系统电路原理图
图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的,并考虑到运算放大器的倒相作用.还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。
第二章 主电路及保护环节的设计
1. 主电路的选取方案
三相可控整流电路的控制量可以很大,输出电压脉动较小,易滤波，控制滞后时间短，因此在工业中几乎都是采用三相可控整流电路。在电子设备中有时也会遇到功率较大的电源,例如几百瓦甚至超过1-2kw的电源，这时为了提高变压器的利用率，减小波纹系数，也常采用三相整流电路。另外由于三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次侧电流中含有直流分量，为此在应用中较少。而采用三相桥式全控整流电路,可以有效的避免直流磁化作用.虽然三相桥式全控整流电路的晶闸管的数目比三相半波可控整流电路的多，但是三相桥式全控整流电路的输出电流波形变得平直，当电感足够大时，负载电流波形可以近似为一条水平线。
2. 主电路元件的选择
2.1 整流变压器的选择
因为晶闸管整流装置所要求的交流供电电压与电网不一致，为此需要配置整流变压器.整流变压器使整流主电路与电网隔离，减少了电网与整流装置的相互干扰。整流变压器根据主电路的型式、负载额定电压和额定电流，算出整流变压器二次侧相电压、一次与二次额定电流以及容量。
图2—1 整流变压器环节
2.1.1 二次相电压
平时我们在计算是在理想条件下进行的,但实际上许多影响是不可忽略的。如电网电压波动、管子本身的压降以及整流变压器等效内阻造成的压降等.所以设计时应按下式计算：
所以根据已知的参数及查表得：
2.1.2 一次与二次额定电流及容量计算
如果不计变压器的励磁电流，根据变压器磁动势平衡原理可得一次和二次电流关系式为:
式中 、——变压器一次和二次绕组的匝数；
K——变压器的匝数比。
由于整流变压器流过的电流通常都是非正弦波,所以其电流、容量计算与线路型式有关。三相桥式可控整流电路计算如下:
大电感负载时变压器二次电流的有效值为
U2=110V
由一次侧和二次侧电压得：
故=27.5A
变压器一次侧容量为；

变压器二次侧容量为：

考虑励磁功率,
取 ,
，
，
，
。
2.2 晶闸管的选型
图2—2 晶闸管整流环节
根据任务书的给定参数，由于三相全控桥式整流电路阻感性负载移相范围为0º～90º，所以,当α=0º时：
取110V
由于三相桥式全控整流电路带阻感性负载时，晶闸管可能承受的最大正反向电压均为：

取为650V
当=116A时，流过每个晶闸管的电流有效值为：

2.3 平波电抗器电感的计算
为了使负载得到平滑的直流，通常在整流输出端串入带有气隙铁心的电抗器，也称平波电抗器。这里主要计算在保证负载电流连续和输出电流脉动系数达到一定要求的条件下所需的平波电抗器电感量。
图2-3 平波电抗器
对于直流电动机负载的可控整流电路,为了使直流电动机在最轻负载下()，也能工作在其机械特性的电流直线段上，要求电枢回路的临界电感量为:
查表得，取 ，则

式中：——与整流电路形式有关的系数,查表可得。
-—最小负载电流，常取电动机额定电流的5％～10％计算。
3. 保护电路的设计
在电力电子器件电路中,除了电力电子器件参数要选择合适外，还应采用合适的过电压保护，过电流保护等.
3.1 过电压保护及其计算
3.1.1 交流侧过电压保护措施—-阻容吸收
阻容保护，即在变压器二次侧并联电阻和电容进行保护,通常采用三角形接法，如图2-4所示。
图2—4 交流侧阻容吸收环节
其电容、电阻的计算及选择：
1) 电容C

电容C的耐压
式中 S-—变压器容量（AV）；
—-变压器二次侧相电压有效值（V）；
——变压器励磁电流百分数，10-100Kv·A的变压器，对应的；
——阻容两端正常工作时交流电压峰值（V）.
由公式计算出的电容量一般偏大,所以这里选CZJD-2型电容器，电容量50，耐压250V。
2) 电阻R

式中 -—变压器的短路比,10—100kV·A的变压器，对应的;
这里选2Ω、25W的电阻。
3.1.2 晶闸管两端的过电压保护措施
抑制晶闸管的关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路的方法,如图2—5所示。
图2-5 晶闸管两端阻容保护电路接法
电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值的1。1—1。5倍。
电容C的耐压
阻容保护的数值一般根据经验选定，这里根据晶闸管的额定电流选:

选CZJD-2型电容器,电容量0。2，耐压800V.

取，1。5W金属膜电阻。
3.2 过电流保护
采用快速熔断器(简称快熔）是电力电子装置中最有效,应用最广泛的一种过电流保护措施，如图2-6所示。
图2-6 快速熔断器的接法
在选择快速熔断器时应考虑:
1、快速熔断的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值。
2、快速熔断熔体的额定电流应小于。同时又应大于正常运行时晶闸管通过的电流有效值，即:

而
故选择熔断器的型号为RL2-70，熔体电流为70A.
第三章 电流、转速调节器的设计
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：先从电流环人手,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绘于图3-1，其中的滤波环节 包括电流滤波、转速滤波和两个给定.由于电流检测信号中常含有交流分量须加低通滤波，其滤波时间常数按需要选定.滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加人一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。
图3-1 双闭环直流调速系统的动态结构图
由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用表示 。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道中也配上时间常数为的给定滤波环节。
1. 电流调节器的设计
1.1 确定时间常数
1) 整流滤波时间常数Ts，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s；
2) 电流滤波时间常数Toi，三相桥式电路每个波头的时间是3。33ms，为了基本虑平波头，应有（1~2）Toi=3.33ms，因此取Toi=0.00235s；
3) 电流环小时间常数T∑i，按小时间常数近似处理,取T∑i=Ts+Toi=0。00405s.
1.2 选择电流调节器结构
由设计要求：σi％≤5%，而且：
因此可按典型I型系统设计,电流调节器选用PI型，其传递函数为:
(s)=
1.3 选择电流调节器参数
电流调节器超前时间常数:；
电流反馈系数：
转速反馈系数:
电流环开环增益：要求σi％≤5%时，应取，因此：
于是，ACR的比例系数为：

1.4 校验近似条件
1) 电流环截止频率；
晶闸管装置传递函数近似条件为：
2) ，
满足近似条件。
3) 忽略反电动势对电流环影响的条件为：

满足近似条件.
4) 小时间常数近似条件处理条件为：

满足近似条件。
1.5 计算调节器电阻和电容
电流调节器原理如图3－2所示，按所用运算放大器取R0=40kΩ，各电阻和电容值计算如下:
图3—2 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器
，取
，取
，取
按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为：σi%=4。3%<5％(查表可知），满足设计要求.
2. 转速调节器的设计
2.1 确定时间常数
1) 电流环等效时间常数为

2) 转速滤波时间常数Ton =0。00235
3) 转速环小时间常数。按小时间常数近似处理,取

2.2 选择转速调节器结构
按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为:
2.3 计算转速调节器参数
按跟随和抗干扰性能较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为：

转速环开环增益：
于是,ASR的比例系数为
2.4 校验近似条件
由转速截止频率：
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为
满足简化条件.
2.5 计算调节器电阻和电容
转速调节原理图如图3－3所示,取,则
，取
，取；
，取。
图3-3 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器
2.6 校核转速超调量
当h=5时，查表得,，不能满足设计要求，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量.
当h=5时，查表得，，则
满足设计要求。
总之,多环系统的设计思想是：以稳为主，稳中求快.如果主要追求的目标是快速响应，那还不如采用单闭环系统，只要用别的措施解决限流保护等问题就可以了。
第四章 总结
经过这次课程设计，我对电力拖动自动控制系统这门课程及相关知识有了更深刻的理解和体会，同时还学到了许多在课本上学到的知识.
在做该设计之前，我认真查资料，认真学习和理解课本内容。通过设计，我对整流电路及保护电路有了进一步了解；更深的理解了电流调节器（ACR）、转速调节器(ASR）的结构和类型；电流环校正成典型Ⅰ型系统，转速环校正成典型Ⅱ型系统。
我要特别感谢段老师在做课程设计期间对我的耐心指导，同时引导我把书本上学到的理论知识灵活的运用到实际中去，因此我才能圆满完成了此次课程设计.
参考文献
[1] 陈伯时。拖动自动控制系统-运动控制系统［M］。 机械工业出版社，2007。
［2] 石新春。电力电子技术［M］。中国电力出版社，2006.
［3］ 石 玉.电力电子技术题例与电路设计指导［M].机械工业出版社,1999。
附录A
11