电力拖动自动控制系统课程设计

黑龙江大学课程设计说明书学院：机电工程学院专业：电气工程及其自动化课程名称：电力拖动自动控制系统设计题目：双闭环调速系统ASR和ACR结构及参数设计(5)姓名：刘铁生学号：20122153指导教师：袁明成绩：1双闭环调速系统ASR和ACR结构及参数设计(5)一、设计目的：掌握用工程设计方法设计双闭环调速系统的转速调节器和电流调节器，加深对双闭环直流调速系统理解。二、设计内容：有一个转速、电流双闭环直流调速系统，采用三相桥式全控整流装置供电，已知电动机数据如下：550kW，750V，780A，375r/min，Ce=1.92V·min/r，允许电流过载倍数1.5，主回路总电阻R=0.1Ω，Ks=75，TL=0.03s,Tm=0.084s,电流反馈滤波时间常数Toi=0.002s,转速反馈滤波时间常数Ton=0.02s,ASR最大最大给定值和输出限幅值为12V,ACR最大输出限幅值为12V。设计要求：稳态无静差，动态指标：电流超调量i≤5%，电机空载起动到额定转速时的转速超调量n≤10%，ASR按典型Ⅰ型系统设计，并取KT＝0.5。三、时间安排：6.22—6.23查阅相关资料；6.24—6.25按要求设计相关内容，完成设计文本6.26考核答辩四、参考书目：1.《电力拖动自动控制系统》（第3版）陈伯时主编机械工业出版社2.《电力电子技术》（第4版）王兆安黄俊主编机械工业出版社3.《自动控制理论》刘丁主编机械工业出版社4.《电机及拖动基础》（第3版）顾绳谷主编机械工业出版社2目录一、绪论......................................................................................................................31.1双闭环调速系统介绍......................................................................................31.2双闭环调速系统的动态结构图......................................................................31.3电流调节器的作用..........................................................................................41.4转速调节器的作用..........................................................................................5二、电流调节器的设计..............................................................................................52.1电流环结构框图化简......................................................................................52.2电流调节器结构的选择..................................................................................72.3电流调节器的参数计算..................................................................................82.4电流调节器的实现........................................................................................10三、转速调节器的设计............................................................................................113.1电流环的等效闭环传递函数.........................................................................113.2转速调节器结构的选择.................................................................................123.3转速调节器的参数计算.................................................................................133.4转速调节器的实现.........................................................................................15四、心得与体会........................................................................................................173一、绪论1.1双闭环调速系统介绍自70年代以来，国外在电气传动领域内，大量地采用了“晶闸管直流电动机调速”技术（简称KZ—D调速系统），尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中KZ—D系统的应用还是占有相当的比重。在工程设计与理论学习过程中，会接触到大量关于调速控制系统的分析、综合与设计问题。传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。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。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止至负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。1.2双闭环调速系统的动态结构图在单闭环直流调速系统动态模型的基础上，考虑双闭环的控制结构，即可描绘出双闭环直流调速系统的动态结构框图，如图1-1所示。图中WASR(s)和WACR(s)4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图中必须把电枢电流Id显露出来。图1-1双闭环直流调速系统动态结构框图双闭环调速系统的实际动态结构框图如图1-2所示，它与课程中学习的图1-1不同之处在于增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可以用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数Toi按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定通道上加入一个同等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相同的延时，使二者在时间上的到恰当的配合，从而带来设计上的方便。图1-2工程上双闭环调速系统的动态结构框图1.3电流调节器的作用（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟5随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。1.4转速调节器的作用（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。二、电流调节器的设计2.1电流环结构框图化简在图1-2点画线框内的电流环中，反电动势与电流反馈作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际上，反电势与转速成正比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，系统的电磁时间常数Tl远小于机电时间常数Tm，因此，转速的变化往往比电流的变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个比较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即ΔE≈0。这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，也就是说，可以暂且把反电势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如图2-1所示。可证明（见附录1），忽略反电动势对电流环的近似条件是lmciTT13式中ωci———电流环开环频率特性的截止频率。图2-1如果把给定滤波和反馈滤波两个环节等效地移到环内，同时把给定信号改成Ui*(s)/β，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图2-2所示，从这里可以看出两6个滤波时间常数取值的方便之处。图2-2最后，由于Ts和Toi一般都比Tl小的多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为TΣi=Ts+Toi则电流环结构框图最终化简成图2-3。根据3231TTc，简化的近似条件为oisciTT131图2-3根据本课题的具体要求，我们进行时间常数的确定1）整流装置之后时间常数Ts。按表2-1，三相桥式电路平均失控时间Ts=0.0017s。整流电路形式最大失控时间)(maxmsTs平均失控时间)(msTs单相半波单相桥式（全波）三相全波三相桥式、六相半波20106.673.331053.331.67表2-1各种整流电路的失控时间（ƒ=50Hz）72）电流滤波时间常数Toi。三相桥式电路每个波头的时间3.3ms，为了基本滤平波头，应有(1~2)Toi=3.33ms，因此取Toi=2ms=0.002s。3）电流环小时间常数之和TΣi。按小时间常数近似处理，取TΣi=Ts+Toi=0.0037s。2.2电流调节器结构的选择首先考虑应把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图2-3可以看出，采用I型系统就够了。再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要因素。为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用I型系统。图2-3表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型的I型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成ssKsWiiiACR)1()(式中Ki——电流调节器比例系数；τi——电流调节器超前时间常数。为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择τi=Tl则电流环的动态结构框图便成为图2-4所示的典型形式，其中RKKKisiI图2-5绘出了校正后电流环的开环对数幅频特性。图2-4校正后典型I型系统电流环动态结构图上述结