1、 函授專升本電氣工程自動(dòng)化課程設(shè)計(jì)課 程 電力拖動(dòng)控制系統(tǒng) 班 級(jí) 電氣自動(dòng)化 姓 名 胡 濤 學(xué) 號(hào) 1213030045 指導(dǎo)教師 張 智 靚 二零一三年十一、 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)組成及原理 1.1、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 對(duì)于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，利用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。它能充分利用電動(dòng)的過載能力，在過渡過程中保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)以最大的加速度啟動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)定運(yùn)行。這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)

2、調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套連接，如圖1所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)做電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流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)調(diào)速系統(tǒng)。1.2、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖為了獲得良好的靜、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)的電路原理圖如上圖所示。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，它們是按照電力電子變換器的控制電壓U為正電壓的情況標(biāo)出的并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。圖中還表示了兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸

3、出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U決定了電流調(diào)節(jié)器ACR的最大給定電壓，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓U限制了電力電子變換器的最大輸出電壓二、 直流調(diào)速系統(tǒng)控制方案的對(duì)比2.1方案一:單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是指只有一個(gè)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在電動(dòng)機(jī)周上裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)動(dòng)機(jī)，引出與轉(zhuǎn)速成正比的電壓給定電壓比較后，得偏差電壓U，經(jīng)放大器，產(chǎn)生觸發(fā)裝置的控制電壓Uk，用于控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，如下圖2.2方案二：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)該方案主要由給定環(huán)節(jié)、ASR、ACR、觸發(fā)器和整流裝置環(huán)節(jié)、速度檢測(cè)環(huán)節(jié)以及電流檢測(cè)環(huán)節(jié)組成。為了時(shí)轉(zhuǎn)速反饋和電流負(fù)反饋分別起作用，系統(tǒng)設(shè)

4、置了電流調(diào)節(jié)器ACR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR。電流調(diào)節(jié)器ACR和電流檢測(cè)反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速檢測(cè)反饋回路構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)，稱為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。因轉(zhuǎn)速換包圍電流環(huán)節(jié)，故稱電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速為外環(huán)。電路中，ASR和ACR串聯(lián)，即把ASR的輸出當(dāng)做ACR的輸入，再由ACR的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)器。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)器一般都采用具有輸入限幅功能的PI調(diào)節(jié)器，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負(fù)反饋閉環(huán)。該方案的原理框圖如下圖： 2.3.方案論證方案一采用單閉環(huán)的速度反饋調(diào)節(jié)時(shí)整流電路的脈波數(shù)m = 2 ,3 ,6 ,12

5、 , ,其數(shù)目總是有限的,比直流電機(jī)每對(duì)極下?lián)Q向片的數(shù)目要少得多。因此,除非主電路電感L = ,否則晶閘管電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的電流脈動(dòng)總會(huì)帶來各種影響,主要有:(1) 脈動(dòng)電流產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩,對(duì)生產(chǎn)機(jī)械不利; (2)脈動(dòng)電流(斜波電流) 流入電源,對(duì)電網(wǎng)不利,同時(shí)也增加電機(jī)的發(fā)熱。并且晶閘管整流電路的輸出電壓中除了直流分量外,還含有交流分量。把交流分量引到運(yùn)算放大器輸入端,不僅不起正常的調(diào)節(jié)作用,反而會(huì)產(chǎn)生干擾,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成放大器局部飽和,從而破壞系統(tǒng)的正常工作。 方案二采用雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)方法，雖然相對(duì)成本較高，但保證了

6、系統(tǒng)的可靠性能，保證了對(duì)生產(chǎn)工藝的要求的滿足，既保證了穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定，同時(shí)也兼顧了啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流的動(dòng)態(tài)過程。在啟動(dòng)過程的主要階段，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用，既能控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)，又能控制電流使系統(tǒng)在充分利用電機(jī)過載能力的條件下獲得最佳過渡過程，很好的滿足了生產(chǎn)需求。2.4.直流調(diào)速系統(tǒng)控制方案的確定1.在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中用一個(gè)調(diào)節(jié)器綜合多種信號(hào)，各參數(shù)間相互影響，難于進(jìn)行調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不夠好。 2.系統(tǒng)中采用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)來限制啟動(dòng)電流，不能充分利用電動(dòng)機(jī)的過載能力獲得最快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即最佳過渡過程。為了獲得近

7、似理想的過度過程，并克服幾個(gè)信號(hào)綜合于一個(gè)調(diào)節(jié)器輸入端的缺點(diǎn)，最好的方法就是將被調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量電流分開加以控制，用兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。所以本文選擇方案二作為設(shè)計(jì)的最終方案。2.5.設(shè)計(jì)要求 直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)雙閉環(huán)直流晶閘管系統(tǒng)，技術(shù)要求如下：1.直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)：功率Pnom60 kW，額定電壓Unom220 V，額定電流Inom305，磁極對(duì)數(shù)P2，,nnom1000 rpm，Ra0.06 ，Idmax400 A，總電阻R0.18 ，電磁時(shí)間常數(shù)Tl0.012 s，機(jī)電時(shí)間常數(shù) Tm0.12 s，晶閘管裝置放大倍數(shù) Ks30，測(cè)速發(fā)電機(jī): Pnom2

8、3.1 W，Unom110 V，Inom0.12 A，nnom1900 rpm。電流給定最大值10V，速度給定最大電壓值10V。2.設(shè)計(jì)要求：穩(wěn)定無靜差，電流超調(diào)量i%5：空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)n%10 %三、 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式3.1.減弱勵(lì)磁磁通 保持電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)為額定，改變電樞供電電壓，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)基速以下的轉(zhuǎn)速無級(jí)調(diào)節(jié)，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。對(duì)于要求有一定范圍的無級(jí)平滑調(diào)速系統(tǒng)來說，此種方式最為常見。3.2.減弱勵(lì)磁磁通保持電動(dòng)機(jī)端電壓為額定，改變電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁磁通，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)基速以上的轉(zhuǎn)速無級(jí)調(diào)速，即恒功率調(diào)速。此種方式雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往與調(diào)壓方式配合使用，在

9、基速以上作小范圍的升速。有些晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)，為了擴(kuò)大系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍，又能充分利用電動(dòng)機(jī)的容量，就需要采用調(diào)壓和弱磁配合調(diào)速的方案，得到電動(dòng)機(jī)在基速上下兩個(gè)區(qū)域的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，如初軋機(jī)主傳動(dòng)、連軋機(jī)以及龍門刨床主拖動(dòng)系統(tǒng)，均可采用這種帶有弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)四、 主電路參數(shù)計(jì)算和保護(hù)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)4.1.整流變壓器額定參數(shù)的計(jì)算  單相晶閘管整流電路電壓脈動(dòng)大、脈動(dòng)頻率低。影響三相電網(wǎng)的平衡運(yùn)行，一般多用于5KW以下的拖動(dòng)系統(tǒng)。由本課題要求電動(dòng)機(jī)容量是22KW，額定電壓是220V，額定電流時(shí)116A，而三相全控橋的輸出電壓是220V440V，輸出電流是160A300A，所以選擇三相全控

10、橋。整流變壓器參數(shù)計(jì)算：查表得，A=2.345 C=0.5 4.2.主電路器件的計(jì)算與選擇 正確合理地選擇晶閘管元件是保證主電路可靠運(yùn)行的重要條件之一。所謂正確合理地選擇元件，是指晶閘管元件額定電流（通態(tài)平均電流）和額定電壓一定要考慮合適的電流和電壓裕量。從設(shè)計(jì)和使用的經(jīng)驗(yàn)來看，其安全系數(shù)應(yīng)適當(dāng)選大些，以保證系統(tǒng)工作可靠，特別是對(duì)某些生產(chǎn)。整流元件的額定電壓UTN              UTN=（23）UTm &

11、#160;           UTM=2.45Ue 所以晶閘管額定電壓是10781617V   同上可求得：ITN=6485A 4.3.主電路保護(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與計(jì)算由于晶閘管承受過電壓和過電流的能力較差，所以短時(shí)間的過壓或過流就會(huì)造成元件損壞。因此在系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)中，對(duì)晶閘管裝置的各種保護(hù)措施及主要保護(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與計(jì)算，應(yīng)予以足夠的重視。為使系統(tǒng)能長期可靠地運(yùn)行，除了合理地選擇晶閘管外，必須針對(duì)過電壓、過電流和電壓、電流上升率的發(fā)生原因

12、采取恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。 4.3.1.晶閘管過電壓保護(hù)直流側(cè)與交流側(cè)過電壓保護(hù)方法相同，元件選擇原則也相同。實(shí)際中采用壓敏電阻保護(hù)較為合理。 為防止在換相過程中，被關(guān)斷的晶閘管出現(xiàn)反向過壓，而導(dǎo)致反向擊穿。通常在晶閘管元件兩端并聯(lián)RC阻容吸收電路。電容的耐壓一般選取晶閘管實(shí)際承受最大電壓的1.11.5倍。由于上述所選晶閘管額定電流為85A，所以查表可知：C=0.25UF   R=20。4.3.2. 整流以及晶閘管保護(hù)電路如下：4.4.電抗器參數(shù)計(jì)算與選擇  對(duì)晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)載電流較小，會(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù)的現(xiàn)象，使電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變軟

13、，影響系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能。電動(dòng)機(jī)電樞電感一般較小，不能滿足電流連續(xù)的要求，故必須在晶閘管輸出電路中串入電抗器。 對(duì)于三相全控橋平波電抗器的大小選擇為:Lcr=0.693（U2/Idmin）4.5確定時(shí)間常數(shù)(1) 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)。按表1，三相橋式電路的平均失控時(shí)間=0.0017s。(2) 電流濾波時(shí)間常數(shù)。三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（12）=3.33ms，因此取=2ms=0.002s。(3) 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之近似處理，取=+=0.0037s。(4) 電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)L/R0.781/52.30.015s(5) 電力拖動(dòng)系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)由實(shí)驗(yàn)

14、測(cè)得=40ms0.04s4.6計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：=0.015s。電流環(huán)開環(huán)增益：要求5時(shí)，查表得=0.5，因此=0.5/0.0037s=135.1于是，ACR的比例系數(shù)為=R/=135.1×0.015×52.3/122.5×6.060.1434.7.校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：=135.1晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件1/3=1/3×0.0017s=191.6滿足近似條件。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=122.47滿足近似條件。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件=180.8滿足近似條件。五、 調(diào)速系統(tǒng)控制單元的確定和調(diào)整5.1

15、.檢測(cè)環(huán)節(jié) 根據(jù)反饋控制原理為了構(gòu)成閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，提高系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)，必須對(duì)系統(tǒng)控制對(duì)象的多種參量進(jìn)行檢測(cè)，其中最基本的是轉(zhuǎn)速、電流、電壓等反饋信號(hào)的檢測(cè)。精確、快速地檢測(cè)這些信號(hào)是調(diào)速系統(tǒng)可靠工作的基本保證5.1.1轉(zhuǎn)速的檢測(cè)常用的轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置是各種測(cè)速發(fā)電機(jī)和脈沖測(cè)速裝置。由于直流測(cè)速發(fā)電機(jī)無需另設(shè)整流裝置，且無剩余電壓，故在直流調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)廣泛采用直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓。檢測(cè)電路如下5.1.2.電流的檢測(cè)電流反饋環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)是主電路的電流量，經(jīng)變換后獲得輸出為直流電壓的反饋量Ui，根據(jù)電流反饋環(huán)節(jié)的組成，常用的電流反饋方式和檢測(cè)元件有下面幾種：1.利用整

16、流橋直流側(cè)的電阻作檢測(cè)元件2.以交流電流互感器作為檢測(cè)元件3以直流電流互感器作為檢測(cè)元件4以霍爾效應(yīng)電流變換器作為檢測(cè)元件 。對(duì)于本課題我的選擇了第一種，其簡單電路圖如下六、 電路設(shè)計(jì)6.1.可控整流變壓器設(shè)計(jì)作為整流裝置電源用的變壓器稱為整流變壓器。一般的變壓器有整流跟變壓兩項(xiàng)功能，其中整流是把交流變直流。選擇一臺(tái)主變壓器計(jì)算如下：一次繞組為0.22kV 二次繞組為0.232kV由直流發(fā)電機(jī)額定數(shù)據(jù)得：=0.185kW=0.185kW查附錄表1得實(shí)驗(yàn)室小型電熱設(shè)備的=1.0=0=×=0.185×0=0kVA=×=0.185×1.0=0.185

17、kVA只裝一臺(tái)主變壓器應(yīng)全部滿足用電設(shè)備總計(jì)算負(fù)荷的需要：即選擇=0.2kV·A所以所選變壓器的型號(hào)為：S9-0.2/0.38型。6.2.晶閘管的設(shè)計(jì)一、晶閘管的選擇及參數(shù)計(jì)算=n+R=0.155×1600+1.1×52.3=305.53V=/2.34=305.53/2.34=130.57V=/R=305.53/52.3=5.84A=/31/2=3.37A(AV)=/1.57=2.15A=61/2=319.83V可選用的晶閘管為：KP5-8型4。表1 晶閘管參數(shù)型號(hào)TypeKP5A通態(tài)平均電流(AV) A5正向電流有效值(AV) A8通態(tài)峰值電壓2.2正反向重復(fù)峰

18、值電壓 V2002000正反向重復(fù)峰值電流 mA8.0觸發(fā)電流 mA545觸發(fā)電壓 V2.5維持電流 A545斷態(tài)電壓臨界上升率dv/dt V/µs500通態(tài)電流臨界上升率di/dt A/µs/工作結(jié)溫 -40+250結(jié)殼熱阻 /W3.0外型OutlineB1推薦散熱器SZ136.3電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示：圖7 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖5系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則是：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。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。設(shè)計(jì)要求：系統(tǒng)給定：=10V =1.5 = =1.5A轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：=/=10/1600=0.006V·min/r電流反饋系數(shù)：=/=10/1.1×1.5=6.06V/A超調(diào)量5，盡量實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速6。6.4.電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求5，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型型系統(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，其傳遞函數(shù)為W(s)=(s+1)/s，電路圖如圖8所示7。檢查對(duì)電源電壓的抗干擾性能：/=0.015/0.0037=4.05，參照典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。圖8 電流調(diào)節(jié)器電路圖七、 穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓電源輸出穩(wěn)定的±15V直流