电力拖动自动控制系统课程设计报告

-1-一．课程设计的目的与内容1．1课程设计的目的电力拖动自动控制系统课程设计是自动化专业的一门专业课，它是一次综合性的理论与实际相结合的训练，也是本专业的一次基本技能训练，其主要目的是：（1）理论联系实际，掌握根据实际工艺要求，设计直流拖动自动控制系统的基本方法；（2）对典型的直流拖动自动控制系统进行综合性的实验，掌握各部件和整个系统的调试步骤与方法，加强基本技能训练；（3）掌握参数变化对系统性能影响的规律，培养灵活运用所学理论解决控制系统中各种实际问题的能力；(4)培养分析问题、解决问题的能力，学会实验数据的分析与处理，编写设计说明和技术总结报告。1．2课程设计的内容本课程的具体对象是直流调速系统，其主要内容为：（1）测定综合实验中所用控制对象的参数；（2）根据给定指标设计调速系统的调节器，并选择各环节参数；（3）按设计结果组成系统，进行系统调试以满足给定指标；（4）研究参数变化对系统性能的影响；（5）在不可逆系统调试的基础上，组成可逆系统并进行调试；（6）设计并计算主回路参数；（7）书写课程设计论文一份（6000-10000字），绘制双闭环逻辑无环流可逆调速系统原理图一张（2#图）。-2-二．主电路的设计2．1主电路电气原理图及说明主电路采用转速电流双闭环调速系统，是电流环（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地运行。2．2整流变压器参数的选择变压器副边电压采用如下公式进行计算：已知Udmax=220V,取Ut=1V,n=2,A=2.34In/I2n=1C=0.5则U2=110V由此得：变压器的变化为：K=U1/U2=380/110=3.45一次侧电流和二次侧电流I1、I2的计算：I1=1.05*287*0.861/3.45=75AI2=0.861*287=247A-3-变压器容量的选择：S1=M1U1I1=85.5KVAS2=M2U2I2=81.5KVAS=0.5*(S1+S2)=83.5KVA因此整流变压器的参数为：变化K=3.45，容量S=83.5KVA2．3平波电抗器参数的确定Ud=2.34U2cosαUd=Un=220V,取α=0U2=Ud/2.34cos0=94.0171VIdmin=(5%-10%)In,这里取10%，则有：L=0.693*U2/Idmin=37.2308mHα=U*min/nN=0.0067β=U*im/2In=0.28752．4晶闸管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和反向重复电压URRM中较小的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压电流的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T2U2，晶闸管的额定电压一般选取最大正反向电压的2-3倍。带反电动势负载时，变压器二次侧电流有效值I，是其输出直流电流有效值Id的一般，而对于桥式整流电路，晶闸管的通态平均电流Ivt=2/2I,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=311~466V2．5晶闸管整流电路保护措施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2-2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。-4-2．6晶闸管调速系统主电路及控制原理图晶闸管整流电路原理图如下图2-3，其中整流变压器以Y/Y连接图2-3实验系统原理图三相桥式主控整流电路的特点：（1）2管同时导通形成回路，其中分共阴极组和共阳极组，且不能为同一相器件；（2）对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60°，共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120°，共阳极组VT2、VT4、VT6也依次差120°，同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6,VT5与VT2，脉冲相差180°。（3）Ud一个周期脉冲6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲，可采用两种方法：一种是宽脉冲触发；一种是双脉冲触发。-5-（5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。2．7双闭环系统动态结构图双闭环调速系统动态结构图如下图所示图2-4双闭环直流调速系统的动态结构图2．8晶闸管调速系统设备明细表实验所需挂件及附件如下表2-1表2-1设备明细表序号型号备注1DJK01电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块2DJK02晶闸管主电路3DJK02-1三相晶闸管触发电路该挂件包含“触发电路”“正反桥功放”等几个模块4DJK04电机调速控制实验I该挂件包含“给定”、“调节器I”、“调节器Ⅱ”、“转速变换”、“电流反馈与过流保护”、“电压隔离器”5DJK08可调电阻、电容箱6DD03-3电机导轨、光码盘测速系统及数显转速表7DJ13-1直流发电机8DJ15直流并励电动机9D42三相可调电阻-6-10慢扫描示波器11万用表-7-三．调节器的设计3．1晶闸管直流调速系统主要单元的测试3．1.1调节器I的调试（1）调节器的调零将DJK04中“调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电子110k接到“调节器I”的“4”、“5”两端，用导线将“5”“6”端短接，使“调节器I”成为比例调节器。用万用表的毫伏档测量“调节器I”的“7”端的输出，调节器面板上的调零电位器RP3，使之输出尽可能等于0。（2）调整输出正、负限幅值将“5”“6”短接线去掉，将DJK08中可调电容0.47μF接入“5”“6”两端，使调节器成为比例积分调节器，将“调节器I”的所有输入端的接地线去掉，将DJK04的给定端输出接到“调节器I”的“3”端，当加+5V的正给定电压时，调节负限幅电位器RP2，观察调节器负电压输出的变化规律；当调节器输入端加-5V的负给定电压时，调整正限幅电位器RP1，观察调节器电压输出的变化规律。（3）测定输入输出特性将反馈网络中的电容短接，使“调节器I”为比例调节器，同时将正负限幅电位器RP1和RP2均逆时针旋到底，在调节器的输入端分别逐渐加入正负电压，测出相应的输出电压变化，直至输出限幅值，并画出对应的曲线。（4）观察PI特性拆除短接线“5”“6”，给调节器突加给定电压，用慢扫描示波器观察输出电压的变化规律。改变调节器的外接电阻和电容值，观察输出电压的变化。3．1.2调节器Ⅱ的调试将DJK08的可调电阻调节为40K，调节方法与调节步骤同调节器I的调试均相同。3．1.3反号器的调试测定输入输出的比例，将反号器输入端“1”接“给定”的输出，调节“给定”输出电压为6V，用万用表测量“2”端输出是否等于-6V电压，如果两者不等，则通过调节RP1，使输出等于负的输入。再调节“给定”电压使输出为-6V电压，观察反号器的输出是否为6V。-8-附：当DJK08中的可调电阻为40K时，ASR中Ug与Uc的关系如下表3-1表3-1Ug-3.00-2.50-2.00-1.5-1.0-0.500.51.01.52.002.503.00Uc5.934.984.003.012.001.020-1.0-1.99-2.97-3.96-4.94-5.91附：当DJK08中的可调电阻为40K时，ACR中Ug与Uc的关系如下表3-2表2-3Ug-3.00-2.50-2.00-1.5-1.0-0.500.51.01.52.002.503.00Uc5.884.913.932.951.970.980-0.98-1.95-2.93-3.90-4.88-5.863．2参数的测定3．2.1电枢回路总电阻R的测定电枢回路的总电阻R包括电机的电枢电阻Ra、平波电抗器的直流电阻Rl，及整流装置的内阻Rn，即R=Ra+Rl+Rn。由于阻值较小，不易用欧姆表或电桥测量，因是小电阻检测，接触电阻影响很大，故常用直流伏安法。为测出晶闸管整流装置的电源内阻须测量整流装置的理想空载电压Udo，而晶闸管整流电源是无法测量的，为此应用伏安法，实验线路如下图所示。图3-1伏安法比较实验线路图将变阻器R1、R2接入被测系统的主电路，测试时电动机不加励磁，并使电机堵转，合上S1、S2，调节给定使输出直流电压Ud在3%Ued~70%Ued范围内，然后调整R2使电枢电流在80%Ied~90%Ied范围内，读取电流表A和电压表V2的数值为U1、I1.，则此时整流装置的理想空载电压为Udo=I1R+U1.调节R1使之与R2的电阻值相近，拉开开关S2，在Ud的条件下读取电流表，电压表的数值I2、U2，则-9-Udo=I2R+U2求解，可得电枢回路总电阻：R=（U2-U1）/(I1-I2)如按电机的电枢两端短接，重复上述实验，可得Rl+Rn=(U2’-U1’)/(I1’-I2’)则电机的电枢电阻为：Ra=R-（Rl-Rn）经实验，我们测得了如下数据，如表3-3表3-3U2/VI/AU1/V151V0.17154145V0.32151152V0.33152156V0.17156数据处理得：R=（U2-U1）/(I1-I2)=40欧Rl+Rn=(U2’-U1’)/(I1’-I2’)=25欧Ra=R-（Rl-Rn）=15欧3.2.2电枢回路电感L的测定电枢回路电总感包括电机的电枢电感La、平波电抗器电感Ld和整流变压器漏感LB，由于LB数值很小，可以忽略，故电枢回路的等效电感为L=La+Ld电感的数值可用交流伏安法测定。实验时应给电动机加励磁，并使电机堵转，实验线路如图3-2所示。图3-2测量电枢回路电感的实验线路图-10-实验时交流电压由DJK01电源输出，接DJK01的高压端，从低压端输出接电机的电压，用交流电压表和电流表分别测出电枢两端和电抗器上的电压值Ua和Ul及电流I，从而得到交流阻抗Za和Zl，计算出电感值La和Ld，计算公式如下：Za=Ua/IZl=Ul/ILa=Ld=实验数据：U1=57.9V，I1=1.481A数据处理：3．2.3直流电动机-发电机-测速发电机组的飞轮惯量GD测定电力拖动系统的运动方程为：电机空载自由停车时，T=0，Tz=Tk,则运动方程为：从而有：Tk可由空载功率Pk(w)求出：dn/dt可以从自由停车时所得的曲线n=f(t)求得，其线路图如图3-3图3-3测定GD时的实验线路图-11-电动机加额定励磁，将电机空载启动至稳定转速后，测量电枢电压Ua和电流Iao，然后断开给定，用数据存储示波器记录n=f(t)曲线，即可求取某一转速时的Tk和dn/dt。由于空载转矩不是常数，可以以转速n为基准选择若干个点，测出相应的Tk和dn/dt，以求得GD的平均值。由于本实验装置的电机容量比较小，应用此法测GD时有一定的误差。经实验，我们测得数据如下：Ua=203V,Iao=0.11A断开给定，当转速从n=1300r/min降为0时，需要1.99s数据处理：Pk=22.15wTk=0.141GD3．2.4主电路电磁时间常数Td的测定采用电流波形法测定电枢回路电磁时间常数Td，电枢回路突加给定电压时，电流Id按指数规律上升其中电流变化曲线如图3-4所示，当t=Td时，有图3-4电流上升曲线实验线路图如图3-5所示，电机不加励磁，调节给定使电机电枢电流在5%Ied~90%Ied范围内。然后保持Ug不变，将给定的S2拨到接地位置，然后拨动给定S2从接地刀正电压阶跃信号，用数字存储示波器几句id=f(t)的波形。在波形图上测量出当电流上升至稳定值的63.2%的时间，即为电枢回路的电磁时间常数Td。-12-图3-5测定Td的实验线路图此实验因实验设施限制未能进行，我们取三相桥式平均失控时间0.0017s，故而Td=0.0017s.3．2．5电动机电势常数Ce和转矩时间常数Cm的测定将电