吴志海电拖课程设计.doc

太原理工大学阳泉学院 电力拖动自动控制系统课程设计 设计题目：某电力拖车双闭环逻辑无环流可逆直流调速系统电流调节器及转速调节器的设计专 业： 06电气工程及其自动化班 级： 本 科 二 班 学 号： 060713045 姓 名： 吴 志 海 指导老师： 王 明 菊 课程设计题目 课程设计（论文）工作起止日期 专业班级 姓名 指导老师 课程设计评语：课程设计成绩：报告格式（20分）设计内容（60分）考勤总分字数(5)排版(5)装订(5)摘要(5)题目分析(10)控制方案(10)总体设计(10)总原理图 (10)调节器设计(10)调节器参数整定 (10)以签到为准(20) 评语教师签名：电力拖动自动控制系统课程设计任务书课程设计题目：某电力拖车双闭环逻辑无环流可逆直流调速系统电流调节器及转速调节器的设计一、课程设计目的、要求及原始技术资料：1.任务的提出为某电力拖车设计一个调速范围宽、起制动性能好的直流双闭环调速系统，且拟定该系统由大功率晶体管调制放大器给电动机供电。2.课程设计的目的课程设计的宗旨在于综合、深化和运用本课程所学知识，从整体上全面掌握电力传动系统的工程设计基本步骤，了解工程设计的基本要求，为将来进一步掌握该类系统的分析与研究、设计和调试，以及运行维护、检修等打下坚实的基础。3.课程设计的预备知识本课程前具有高等数学，大学物理，电路原理，模拟电子技术，数字电子技术，电机拖动基础，自动控制原理，电力电子技术和自动控制系统等方面的知识基础。4.课程设计要求完成控制系统设计。选择控制系统的控制方案。画出系统控制图并计算有关参数。设计电流调节器、转速调节器，选择相关的电路元件。如果采用微机控制，则要求确定算法及软件流程图。设计认真，独立按时完成全部设计，内容完整，分析计算正确，层次清晰，没有错误，说明简要透彻，排版规范，语言通顺流畅，绘制符合工程要求，标注齐全。文字6000 8000字，装订成册,最后给出参考资料和设计体会。5.技术要求该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D10），系统在工作范围内能稳定工作。系统静特性良好，无静差（静差率s0.2）。态性能指标：转速超调量n8%，电流超调量i5%，动态速降n8-10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts1s 。系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续。调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。6.技术数据晶闸管整流装置：Rrec=0.032，Ks=45-48。负载电机额定数据：Pn=90KW，Un=440V，In=220A，nN=1800r/min，Ra=0.088，=1.5。系统主电路：R=0.12，Tl=0.017s, Tm=0.1s 。电流反馈系数：=0.05V/A（10V/1.5In）；转速反馈系数：=0.007 min/r（10V/ nn）。二、课程设计进度：序 号设计内容时 间1认真阅读课程任务书和相关资料，查找相关资料，分析设计任务2天2计算相关参数，确定选择系统方案，列出设计大体步骤1天3主回路参数计算，控制单元设计，系统动态参数计算，教师辅导，并画相关电路图及系统图，5天4编写课程设计报告初稿，查漏补缺1天5编写形成最后设计报告，并装订成册1天三、主要参考文献（资料）：1陈伯时主编，电力拖动自动控制系统，北京：机械工业出版社，2003年2童福尧，电力拖动自动控制系统习题例题集，北京：机械工业出版社，1996年3阎石主编，数字电子技术基础第4版，北京：高等地育出版社，1993年4邱关源原著，电路第5版，北京：高等教育出版社，2006年5王兆安，黄俊主编，电力电子技术第4版，北京：机械工业出版社，2000年6谢克明主编，自动控制原理，北京：电子工业出版社，2004年7李发海，朱东起主编，电机学第4版，北京：科学出版社，2007年8杨拴科主编，模拟电子技术基础，北京：高等教育出版社，2003年目录摘要1一、 设计任务分析与系统概述21 设计任务简要22 设计任务分析23 系统概述3二、 任务具体设计41主电路选型和闭环系统的组成和分析42双闭环系统调节器的动态设计及参数计算5三、 设计心得总结 9参考文献10摘要本文所论述的是“某电力拖车双闭环逻辑无环流可逆直流调速系统电流调节器及转速调节器的设计”。主电路选择设计是基于以下原因：直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速；采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性；转速、电流调速系统可以实现在允许条件下的最快起动，可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。采用逻辑电路控制可以实现无环流控制，即用逻辑切换装置封锁不工作组晶闸管的触发脉冲，开放工作组晶闸管的触发脉冲，在任何时候不准两组晶闸管都有脉冲，从而切断了产生环流的通路，实现了无环流控制。关键词：主电路 逻辑无环流双闭环可逆直流调速系统 电流调节器 转速调节器 一、设计任务分析与系统概述1设计任务简要任务为某电力拖车设计一个调速范围宽、起制动性能好的直流双闭环调速系统，且拟定该系统由大功率晶体管调制放大器给电动机供电。技术要求该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D10），系统在工作范围内能稳定工作。系统静特性良好，无静差（静差率s0.2）。动态性能指标：转速超调量n8%，电流超调量i5%，动态速降n8-10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts1s 。系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续。调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。技术数据晶闸管整流装置：Rrec=0.032，Ks=45-48。负载电机额定数据：Pn=90KW，Un=440V，In=220A，nN=1800r/min，Ra=0.088，=1.5。系统主电路：R=0.12，Tl=0.017s, Tm=0.1s 。电流反馈系数：=0.05V/A（10V/1.5In）；转速反馈系数：=0.007 min/r（10V/ nn）。2设计任务分析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。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。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如下图所示。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。图中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Uim*决定后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限制电压Ucm 限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。图1 双闭环直流调速系统电路原理图3系统概述电力拖车，又叫电力电缆放线，电缆放线车，电缆盘拖车。在全国性的农网、城网改造工程中许多电力线路需要报废、迁移、新架及更换大的导线型号。这些工程中存在三个工作形式：收线、放线、换线-收放线，电信电力工程施工中装卸运输电缆线轴。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广泛的直流调速系统，采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流调速系统可以实现在允许条件下的最快起动，可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。当一组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路。这就是逻辑控制的无环流系统。它的特点是：用逻辑切换装置封锁不工作组晶闸管的触发脉冲，开放工作组晶闸管的触发脉冲，在任何时候不准两组晶闸管都有脉冲，从而切断了产生环流的通路，实现了无环流控制。在实际生产中，有许多机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地启动和制动，逻辑无环流直流调速系统设计即可较好地实现这些功能，并具有较好的动态性能和能量利用 率。因此，我们选择这样的系统不仅可节省成本，而且增强了系统的可靠性。二、任务具体设计1主电路选型和闭环系统的组成和分析系统方案图及原理如下： 逻辑无环流可逆调速系统的主回路由两组反并联得到三相全控整流桥VF、VR组成，两组可控整流桥之间可省去限制环流的均衡电抗器，电枢回路仅串接一个平波电抗器L。控制系统主要由给定器G，零速封锁器DZS，转速调机器ASR,电流调节器ACR，反号器AR，转矩极性鉴别器DPT，零电流检测器DPZ，无环流逻辑控制器DLC，触发器GT，电流变换器FBR，过流保护器FA，速度变换器FBS，正反组脉冲放大器AP1、AP2等组成。图2 系统方案图 正向启动时，给定电压为正电压，无环流逻辑控制器DLC的输出端为“0”态，开放正组桥触发脉冲，正组桥工作，主回路流过正向电流，使电动机正向运行。与此同时， 为“1”态，封锁反组桥触发脉冲。减小给定时，使反向，整流装置进入本桥逆变状态，使主回路电流减小。电流过零后，输出状态转换，变为“1”态，为“0”态，即进入它桥制动状态，使电动机降到设定转速后再切换成正向运行。如果，则电动机停止运行。 反向运行时，为“1”态，为“0”态，反向桥工作，电动机反向运行。无环流逻辑控制器DLC的输出保证在任何情况下两组桥都不会同时触发，始终是一组工作，另一组封锁，系统工作过程中不会出现环流。2双闭环系统调节器的动态设计及参数计算电流调节器的设计及参数计算 电流环的动态结构框图,如图3Ud0(s)+-Ui (s)ACR1/RTl s+1U*i(s)Uc (s)Ks Tss+1Id (s)b T0is+11 T0is+1图3 电流环的动态结构框图电流调节器原理图图4 电流调节器原理图含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器原理图如图4所示。图中为电流给定电 压，-为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。电流调节器参数选择 A.确定时间常数a.整流装置滞后时间常数，即三相桥式电路的平均失控时间=0.0017s。b.电流滤波时间常数=0.002s。c.电流环小时间常数之和，取=+=0.0037s。B.选择电流调节器结构根据设计要求5%，并保证稳态无静差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数：(s)=检查对电源电压的抗扰性能：，参照典型I型系统动态抗扰性能指标与参数，各项指标都是可以接受的。C.计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：=0.017s。电流环开环增益：要求5%时，应取=0.5，因此=于是，ASR的比例系数为 D.校验近似条件电流环截止频率：a.闸管整流装置传递函数的近似条件满足近似条件。b.忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件3满足近似条件。c.电流环小时间常数近似处理条件满足近似条件。E.计算调节器电阻和电容由图3-2，按所用运算放大器取，各电阻和电容值为，取5，取3.5 ，取0.2按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为=4.3%5%，满足设计要求。转速调节器的设计及参数计算 转速环的动态结构框图，如图5图5 转速环的动态结构框图转速调节器原理图图6 转速调节器原理图含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器原理图如图6所示，图中为转速给定电压，-为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压。转速调节器参数选择 A.确定时间常数a.电流环等效时间常数：b.转速滤波时间常数：c.转速环小时间常数之和，取B.选择转速调节器结构根据设计要求，选择PI型调节器，其传递函数： C.计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为转速环开环增益： 可得ASR的比例系数为： D.校验近似条件转速环截止频率：a.电流环传递函数简化条件为满足简化条件。b.转速环小时间常数近似处理条件为满足近似条件。 E.计算调节器电阻和电容由图3-4，取，则，取1100，取0.1，取1F.校核转速超调量当h=5时，=37.6%，不能满足设计要求。应按ASR退饱和的情况重新计算超调量。 G.按ASR退饱和重新计算超调量 =能满足设计要求三、设计心得总结：课程设计是培养我们学生将课内所学的理论与实践相结合能力的一个很重要的环节，也是提高我们自学能力的一个有效途径，所以我们对此过程必须认真对待。通过此次近两周的电力拖动自动控制系统的课程设计，我在不知不觉中有了很大的提高。首先，看到“双闭环逻辑无环流可逆直流调速系统”像这样当时在课程中抽象非常的理论在设计过程中自然地被合理应用，以及电流调节器和转速调节器在系统中的作用，等等，这些专业知识竟生动地在我们的知识体系中形成有序的排列，这是在以往纯理论的学习中没有过的。其次，课程设计也让我进一步地熟悉了有些相关软件，这对以后的学习有很大的好处。最重要的是我们学会了自已动手，主动求学这一根本的学习方法，这是重中之重。最后，对在此次课程设计中给予我指导和帮助的