电力拖动自动控制系统课程设计(3)

11已知条件及控制对象的基本参数：1)技术数据：直流电动机：PN=3KW,UN=220V,IN=17.5A,nN=1500r/min,Ra=1.25Ω堵转电流Idbl=2IN,截止电流Idcr=1.5IN，GD2=3.53N.m2三相全控整流装置：Ks=40,Rrec=1.3Ω平波电抗器：RL=0.3Ω电枢回路总电阻R=2.85Ω，总电感L=200mH,电动势系数：(Ce=0.132V.min/r)系统主电路：(Tm=0.16s，Tl=0.07s)滤波时间常数：Toi=0.002s,Ton=0.01s,其他参数：Unm*=10V,Uim*=10V,Ucm=10V，σi≤5%,σn≤102)技术指标稳态指标：无静差（静差率s≤10%,调速范围D≥20）动态指标：转速超调量δn≤10%，电流超调量δi≤5%，动态速降Δn≤10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤0.5s。3)根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图。4)调速系统主电路元部件的确定及其参数计算（包括有变压器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等）。5)动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。22双闭环调速系统的总体设计改变电枢两端的电压能使电动机改变转向。尽管电枢反接需要较大容量的晶闸管装置，但是它反向过程快，由于晶闸管的单向导电性，需要可逆运行时经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电；反转时，由反组晶闸管装置VR供电。如图1所示两组晶闸管分别由两套触发装置控制，可以做到互不干扰，都能灵活地控制电动机的可逆运行，所以本设计采用两组晶闸管反并联的方式。并且采用三相桥式整流。虽然两组晶闸管反并联的可逆V-M系统解决了电动机的正、反转运行的问题，但是两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，，称作环流，一般地说，这样的环流对负载无益，只会加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率。环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。为了防止产生直流平均环流，应该在正组处于整流状态、Udof为正时，强迫让反组处于逆变状态、使Udor为负，且幅值与Udof相等，使逆变电压Udor把整流电压Udof顶住，则直流平均环流为零。于是dofdorUU又由于rdodorfdodofUUUUcoscosmaxmax其中，rf和分别为VF和VR的控制角。由于两组晶闸管装置相同，两组的最大输出电压maxdoU是一样的，因此，当直流平均环流为零时，应有180coscosrffr如果反组的控制角用逆变角r表示，则rf按照这样控制就可以消除环流。3图1两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路系统设计的一般原则为：先内环后外环。即从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，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。图2为转速、电流双闭环调速系统的原理图，图3为双闭环调速系统的结构图。图中两个调节器ASR和ACR分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把电流调节器的输出作为转速调节器的输入，再用转速调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。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；转速调节器ASR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。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。其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。4图3双闭环调速系统结构框图-IdLUd0Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*iUcKsTss+1Id1Ce+ET0is+11T0is+1ASR1T0ns+1T0ns+1U*nn图2双闭环调速系统电路原理图++-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd++-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMUPE53主电路的设计3.1主电路电气原理图及其说明主电路采用转速、电流双闭环调速系统，使电流环(ACR)作为控制系统的内环，转速环(ASR)作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。二者串级连接，即把电流调节器的输出作为转速调节器的输入，再用转速调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从而改变电机的转速。通过电流和转速反馈电路来实现电动机无静差的运行。图4系统电气原理框图3.2平波电抗器参数的计算：Ud=2.34U2cosUd=UN=220V,取=0°U2=VUd0171.9434.22200cos34.26Idmin=(5%-10%)IN,这里取10%则L=0.693mHIUd2308.375.171.00171.94693.0min20067.0150010*NnmnU2857.05.172102*NimIU3.3变压器参数的计算变压器副边电压采用如下公式进行计算：NshTdIICUAnUUU2minmaxcosVUCIIUAnVUVUNshTd110)105.05.09848.0(9.034.2122205.0105.0109.034.221,220222minmax则取已知因此变压器的变比近似为：45.311038021UUK一次侧和二次侧电流I1和I2的计算I1=1.05×287×0.861/3.45=75AI2=0.861×287=247A变压器容量的计算S1=m1U1I1=3×380×75=85.5kVAS2=m2U2I2=3×110×247=81.5kVAS=0.5×(S1+S2)=0.5×(85.5+81.5)=83.5kVA7因此整流变压器的参数为：变比K=3.45，容量S=83.5kVA3.4晶闸管元件参数的计算晶闸管的额定电压通常选取断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。晶闸管的额定电流一般选取其通态平均电流的1.5-2倍。在桥式整流电路中晶闸管两端承受的最大正反向电压均为22U，晶闸管的额定电压一般选取其最大正反向电压的2-3倍。带反电动势负载时，变压器二次侧电流有效值I2是其输出直流电流有效值Id的一半，而对于桥式整流电路，晶闸管的通态平均电流IVT=22I，则在本设计中晶闸管的额定电流IVT(AV)=523-698A本设计中晶闸管的额定电压UN=311-466V3.5保护电路的设计对于过电压保护本设计采用RC过电压抑制电路，该装置置于供电变压器的两侧或者是电力电子电路的直流上，如图5所示。对于过电流保护本设计采用在电力变压器副边每相母线中串接快速熔断器的方法来保护电路图5过压保护电路84电流调节器设计4.1电流环结构框图的化简电流环结构图的简化分为忽略反电动势的动态影响、等效成单位负反馈系统、小惯性环节的近似处理等环节。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变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，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，即E≈0。这时，电流环如图6所示。图6忽略反电动势动态影响的电流环动态结构图如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成U*i(s)/，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图7所示。图7等效成单位负反馈系统的电流环的动态结构图+-ACRUc(s)Ks/R(Tls+1)(Tis+1)+1)Id(s)U*i(s)T0is+1Ud0(s)+-Ui(s)ACR1/RTls+1U*i(s)Uc(s)KsTss+1Id(s)T0is+11T0is+19最后，由于Ts和T0i一般都比Tl小得多，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T∑i=Ts+Toi则电流环结构图最终简化成图84.2电流环参数的计算4.2.1确定时间常数1)整流装置滞后时间常数Ts。按表1，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s。2)电流滤波时间常数本设计初始条件已给出，即Toi=0.002s。3)电流环小时间常数之和T∑=Ts+Toi=0.0037s表1各种整流装置的失控时间4.2.2电流调节器结构的选择从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用I型系统就够了。+-ACRUc(s)Ks/R(Tls+1)(Tis+1)Id(s)U*i(s)+-ACRUc(s)Ks/R(Tls+1)(Tis+1)Id(s)U*i(s)图8电流环的简化结构图整流电路形式最大失控时间Tsmax（ms）平均失控时间Ts（ms）单相半波单相桥式（全波）三相半波三相桥式、六相半波20106.673.331053.331.6710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的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型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式中Ki—电流调节器的比例系数；i—电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能：9189.180037.007.0ilTT，参照典型Ⅰ型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表格，可以看出各项指标都是可以接受的。4.2.3计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：i=Tl=0.07s。电流环开环增益：要求δi＜5%时，应取KIT∑i=0.5，因此于是，ACR的比例系数为：3585.22857.04085.207.01.135siIiKRKK4.2.4校验近似条件电流环截止频率：ci=KI=135.1s-1。晶闸管整流装置传递函数的近似条件：1.1960017.03131sT满足近似条件忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件11.1350037.05.05.0sTKiIssKsWiiiACR)1()(113473.2807.016.01313lmTT满足近似条件电流环小时间常数近似处理条件8.180002.00017.01131oisTT满足近似条件4.2.5计算调节器电阻和电容由图9，按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为kkkRKRii9534.94403585.20取FFFRCiii75.07368.0109507.03取FFFRTCoioi2.02.01040002.04430取按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为δi=4.3%5%,满足设计要求。125转速调节器的设计5.1转速环结构框图的化简电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为Ui*(s),因此电流环在转速环中应等效为用电流环的等效环节代替电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图9所示和电流环一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成U*n(s)/，再把时间常数为1/KI和T0n的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中图9用等效环节代替电流环的转速环的动态结构图最后转速环结构简图为图10111)()()(Icli*idsKsWsUsIn(s)+-Un(s)ASRCeTmsRU*n(s)Id(s)T0ns+11T0ns+1U*n(s)111sKI+-IdL(s)onIn1TKT13图10等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理的转速环结构框图5.2转速环参数的计算5.2.1确定时间