电力拖动自动控制系统课程设计

电力拖动自动控制系统课程设计双闭环系统的最佳工程设计- 18 -1. 电力拖动自动控制系统课程设计任务书一 设计准备本课程设计涉及：电力拖动自动控制系统，自动控制原理，电力电子技术，电机拖动基础，控制系统建模与仿真，电子电路Protel二 设计题目双闭环系统的最佳工程设计三 设计任务1.1系统设计性能指标1) 调速范围D102) 静差率s5%3) 电流超调量5%4) 空载起动到额定转速的超调量10%，调整时间1s5) 当负载变化20%的额定值，电网波动10%额定值时，最大动态速降10%,动态恢 复时间0.3s1.2设计内容1） 设计双闭环调速系统原理图2） 整流电路的设计3） 电动机的选择及参数计算4） 电流环的设计及其特性分析5） 转速环的设计及其特性分析6） 系统动态结构图及其仿真分析四 应完成的技术文件 1）设计说明书 2）设计计算书 3）系统原理图五 已知参数1）直流电动机 2）晶闸管整流电源（采用三相全波整流）电源电阻 放大倍数 3） 固有参数的设计计算给定电压最大值 调节器限幅电压 电枢回路总电感 电枢回路总电阻 R=1.63634）预选参数调节器输入阻抗 电流反馈滤波时间常数 转速反馈滤波时间常数 六 设计时间一周七 参考资料1 王兆安等 电力电子技术 西安交通大学2 胡寿松 自动控制原理 科学出版社3 陈伯时 电力拖动自动控制系统 机械工业出版社4 控制系统仿真 西安电子科技大学出版社5 童福尧 电力拖动自动控制系统习题例题集 机械工业出版社6 顾绳谷 电机及拖动基础 机械工业出版社7 Protel DXP原理与应用 冶金工业出版社2课程设计说明书2.1综述（双闭环控制的作用；主要动态性能；设计目的）2.2双闭环控制电路的工作原理2.2.1 双闭环控制电路的稳态工作原理的分析2.2.2 双闭环控制电路起动过程的分析第I阶段：第II阶段：第III阶段:双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：（1）:（2）:（3）:2.2.3 双闭环动态抗扰性能的分析2.3整流电路3. 设计计算书3.1整流装置的计算3.1.1变压器副方电压为了减小电网与整流装置的相互干扰,使整流主电路与电网隔离,为此需要配置整流装置。但由于电网电压波动、管子本身的压降以及整流变压器等效内阻造成的压降等。所以设计时应按下式计算: 式中：为负载的额定电压，取220V 为整流元件的正向导通压降，取1V n为电流回路所经过的整流元件的个数，桥式电路取2 A为理想情况下时，取2.34 B为实际电压与理想空载电压比，取0.93为最小移相角，取 C为线路接线方式系数，取0.5 为变压器阻抗电压比，取0.05 为二次侧允许出现的最大电流与额定电流之比，取0.816所以将数据代入 3.1.2变压器和晶闸管的容量(1)变压器容量 理想条件下变压器二次容量为(2) 晶闸管容量 晶闸管额定电压应选等于元件实际承受最大峰值电压的(23)倍 考虑3倍的过压容量,取 晶闸管额定电流:有效值 3.1.3平波电抗器的电感量 为了使负载电流得到平滑的直流,通常在整流输出端串入带有气隙铁心的电抗器。 = mh， 1-87一般取为电动机额定电流的5%到10%。上式取电动机额定电流10%3.1.4晶闸管保护电路(1)晶闸管关断过电压保护为了避免晶闸管两端在关断过程中出现瞬时反向过电压尖峰波形,最常用的保护方式是在晶闸管两端并接RC吸收元件。选择：电阻 电容电阻功率（2）交流侧过电压保护为了避免接通、断开交流侧电源时出现暂态过程而引起的过电压，故采用阻容吸收电路电容电阻 (3)直流侧过电压保护 直流侧由于是电感性负载,故在某种情况下,会发生浪涌过电压.如电压过高的话,有可能会造成晶闸管硬开通而损坏。为避免它，故在直流负载两端并接压敏电阻来保护。 选择根据标准电压和通流容量通过查表可得出： 通流容量选择 故查表得压敏电阻型号规格为（4）过电流保护 造成晶闸管过电流的主要原因是：电网电压波动太大、电动机轴上拖动的负载超过允许值、电路中管子误导通以及管子击穿短路等。为了避免这些影响，通常采取快速熔断器来起到过电流的保护作用。快速熔断器接法有三种，本设计采用接入桥臂与晶闸管串联的方法。 选择根据的计算公式来进行选择 本设计中，所以查表得型号为(5) 电压上升率和电流上升率 避免晶闸管由于正向电压上升率过大,而引起的晶闸管误导通,造成快熔或晶闸管烧坏。通常限制措施是在每一个晶闸管桥臂中串接一个空芯小电感（电感量约为2030H）。本设计选择（6）选择触发电路 主电路变压器选择的联结组别 同步变压器一组选择、另一组选择的联结组别3.2 控制电路的计算3.2.1已知参数（1）直流电动机 （2）晶闸管整流电源电源电阻 放大倍数 时间常数 3.2.2固有参数的设计计算（1） 给定电压最大值 （2） 调节器限幅电压 （3） 参数计算如下电动机电磁时间常数 电动机电势常数:电动机转矩常数 :电动机机电时间常数 :转速惯量 : 3.2.3预选参数（1） (1) 调节器输入阻抗 （2） 电流反馈系数 （3） 转速反馈系数 （4） 电流反馈滤波时间常数 （5） 转速反馈滤波时间常数 （6） 电流给定滤波时间常数 （7） 转速给定滤波时间常数 3.2.4最佳典型I型电流环的计算（1） 简化系统并确定时间常数：略去反电势对电流变化的影响。合并小惯性环节，包括晶闸管延迟和反馈滤波环节。电流环小时间常数之和为： （2） 求出固有部分的传递函数，画出简化后的电流环结构图固有部分的传递函数为：简化后的电流环结构图1.1所示为：ACR -图1.1（3） 选择电流调节器结构根据设计要求，并保证稳态电流无差，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，其传递函数为（4） 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数： 电流环开环增益：要求时，参照表2-2，应取，因此 ACR的比例系数为 （5） 检验近似条件电流环截止频率：（A） 晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件（B） 忽略反电势变化对电流环动态影响的条件 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（6） 计算调节器电阻和电容运算放大器，各电阻和电容值为 ， 取 , 取 ， 取 3.2.5最佳典型II型速度环的计算（1） 确定时间常数（A） 电流环等效时间常数 （B） 转速环小时间常数 （2） 选择转速调节器结构 按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为（3） 计算转速调节器参数 按跟随和抗扰动性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为 转速开环增益为 ASR的比例系数为 （4） 检验近似条件转速环截止频率为（A） 电流环传递函数简化条件为 ，满足近似条件（B） 转速环小时间常数近似处理条件为 ，满足近似条件（5） 计算调节器电阻和电容运算放大器，各电阻和电容值为 ,取 ，取 ，取 3.3系统性能指标的分析计算3.3.1静态指标的计算（A）典型I型系统 给定阶跃输入： （B）典型II型系统 给定阶跃输入： 3.3.2动态跟随指标的计算（1）电流环可以达到的动态跟随性能指标为（2）空载起动到额定转速的最大超调量 ,在饱和非线性下,以ASR“退饱和超调”符合系统实际。 3.3.3动态抗扰动指标的计算(1)负载变化20%额定负载时17.4069(2)电网电压波动10%额定值时（A）电流环（B）速度环4.系统仿真实现分析 系统动态结构图4.1 电流环的对数频率特性仿真分析（附原代码）:电流环开环传递函数：num=187.27;den=0.00267 1 0;G=tf(num,den);margin(G)4.2 转速环的对数