《电力拖动与控制系统》课程设计-带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统设计

1、武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书摘要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，并且直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，是研究其它调速系统的基础。在直流电动机中，带电流截止负反馈直流调速系统应用也最为广泛，其广泛应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切割机床等很多领域的自动控制。为了提高直流调速系统的动态、静态性能，通常采用闭环控制系统（主要包括单闭环、双闭环）。而在对调速指标要求不高的场合，采用单闭环即可。闭环系统较之开环系统能自动侦测把输出信号的一部分拉回到输入端，与输入信号相比较，其差值作为实际的输入信号；能自动调节输入量，能提高系统稳定性。在对调速系统性能有较高要求

2、的领域常利用直流电动机，但直流电动机开环系统稳定性不能够满足要求，可利用转速单闭环提高稳态精度，而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统静差，可采用积分调节器代替比例调节器。课程设计是我们在校期间的一次综合训练，它将从思想方法、理论知识以及动手能力方面给予我们严格的要求。使我们的综合能力有一个整体的提高。它不但使我们巩固了本专业所学的知识，还使我们了解、熟悉了国家能源开发策略和有关的技术规程、规范以及各种设备的图形、符号等。它将为我们以后的学习、工作打下良好的基础。本次课设就带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统进行参数的设计。本次设计主要介绍了单闭环不可逆直流调速系统的方案

3、比较及其确定，主电路设计控制电路等。设计的内容符合国家有关经济技术政策，包括可靠性、经济性等方面。全套设计加扣 3346389411或3012250582II目录1反馈调速及控制系统11.1闭环调速控制系统11.2带电流截止负反馈闭环控制系统11.3调节器设定41.4控制及驱动电路设计52主电路的设计72.1变压器参数的设计与计算72.2平波电抗器参数的设计与计算72.3晶闸管元件参数的计算82.4保护电路的设计93参数计算103.1基本参数计算103.2电流截止负反馈环节参数计算与设计113.3调节器的参数设计与计算123.4调节器串联校正设计154 总电气图175心得体会18参考资料19带

4、电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统设计1反馈调速及控制系统1.1闭环调速控制系统将开环系统校正为单闭环转速负反馈调速系统，采用PI调节器，就能保证动态性能，又能作到转速无静差，较好的解决开环系统的不足，此闭环系统的工作原理是：将直流电动机转速变化信号反馈到触发环节，来自动增大或减小触发角来自动调节整流输出电压Uds，即可达到稳定,其系统原理框图如图1-1所示。图1-1 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图1.2带电流截止负反馈闭环控制系统在转速反馈控制直流调速系统中存在一个问题，在起动、制动过程和堵转状态时，电枢电流会过大。为了解决转速反馈闭环调速系统起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须

5、有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么，引入电流负反馈，应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。通过对电流负反馈和转速负反馈的分析。考虑到，限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减，采用电流截止负反馈的方法，则当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。电流截止负反馈环节如图2-2中的（a）（b）（c）图所示。 （a）利用独立直流电源作比较电压 （b）利用稳压管产生比较电压（c）封锁运算放大器的电流截止负反馈环节图1-2电流截止负反馈的环节 图（a

6、）中用独立的直流电源作为比较电压Ucom，其大小可用电位器调节，相当于调节截止电流。图（b）中利用稳压管VS的击穿电压Ubr作比较电压Ucom，线路要简单得多，但不能平滑的调节电流值。图（c）是反馈环节与运放的连接电路。由系统稳态结构可写出该系统两段静特性的方程式：当IdIdcr时，电流负反馈被截止，静特性与只有转速负反馈调速系统的静特性相同， （1-1）当时，引入电流负反馈，静特性变为： （1-2） 对应于式1-1和1-2的静特性如图1-3所示。 静特性的几个特点：（1）电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻Kp Ks Rs ，因而稳态速降极大，使特性急剧下垂。（2）比较电压 Uco

7、m与给定电压 Un* 的作用一致， 好像把理想空载转速提高到 图1-3带电流截止负反馈比例控制闭环直流调速系统的静特性（3）这样的两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性。当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，即使电动机停转，电流也不过是堵转电流，在式（1-2）中，令 n = 0，得（1-3）一般,因此（1-4）（4）最大截止电流，由给定条件知堵转电流 Idbl=2IN =35A, 截止电流 Idcr=1.5IN=26.25A。（5）带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态系统结构框图及结构图如图1-4及图1-5。图1-4带电流截止负反馈的闭环直流调速系统稳态结构框图图1-5带电流截止的无静差直流调速系统1

8、.3调节器设定如图1-6微PI调节器即比例积分调节器既结构图用于实现系统的无静差调速系统图1-6比例积分（PI）调节器线路图 比例积分调节器的控制传递函数为： （1-5）式中，KpPI调节器的比例放大系数，PI调节器的积分时间常数比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。积分调节器到稳态时Un =0，只要历史上有过Un ，其积分就有一定数值，足以产生稳态运行所需要的控制电压。如图1-7为采用PI调节器单闭环调速系统动态校正特性图1-7转速反馈控制直流调速系统的动态结构框图1.4控制及驱动电路设计晶闸管触发电路类型很多，有分立式、集成式和数字式，分

9、立式相控同步模拟电路相对来说电路比较复杂；数字式触发器可以在单片机上来实现，需要通过编程来实现，本设计不采用。由于集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便，所以本设计采用的是集成触发器，选择目前国内常用的KJ、KC系例，本设计采用KJ004集成块和KJ041集成块。对于三相全控整流或调压电路，要求顺序输出的触发脉冲依次间隔60°。本设计采用三相同步绝对式触发方式。根据单相同步信号的上升沿和下降沿，形成两个同步点，分别发出两个相位互差180°的触发脉冲。然后由分属三相的此种电路组成脉冲形成单元输出6路脉冲，再经补脉冲形成及分配单元形成补脉冲并按顺序输出6路脉冲。

10、本设计课题是三相全桥控桥整流电路中有六个晶闸管，触发顺序依次为：VT1VT2VT3VT4VT5VT6，晶闸管必须严格按编号轮流导通，6个触发脉冲相位依次相差60O，可以选用3个KJ004集成块和一个KJ041集成块，即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，就可以构成三相全控桥整流电路的集成触发电路如图1-8。图1-8 三相全控桥整流电路的集成触发控制电路2主电路的设计2.1变压器参数的设计与计算变压器副边电压采用如下公式进行计算： （2-1）已知取则因此变压器的变比近似为： （2-2）一次侧和二次侧电流I1和I2的计算 I1=1.05×287×0.861/3.45=

11、75A （2-3） I2=0.861×287=247A （2-4）变压器容量的计算 S1=m1U1I1=3×380×75=85.5kVA （2-5） S2=m2U2I2=3×110×247=81.5kVA （2-6） S=0.5×(S1+S2)=0.5×(85.5+81.5)=83.5kVA （2-7）因此整流变压器的参数为：变比K=3.45，容量S=83.5kVA。连结方式为：/Y。2.2平波电抗器参数的设计与计算在V-M系统中，脉动电流会增加电机的发热，同时也产生脉动转矩，对机械产生不利，为了避免或减轻这种影响，须采用抑

12、制电流脉动的措施，在本设计中采用设置平波电抗器的方法。Ud=2.34U2cosUd=UN=220V, 取=0°得： 一般取Idmin为电动机额定电流的5%-10%,这里取10% 则 U2= （2-8）Idmin=(5%-10%)IN,这里取10% 则 L=0.693 （2-9） （2-10）2.3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，考虑到要留有一定的裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍；据有效值相等的原则，晶闸管的额定电流一般选取其通态平均电流的1.52倍。在

13、三相桥式全控整流电路中，带纯阻性负载时，晶闸管两端承受的最小峰值为U;带反电动势负载时，晶闸管两端承受的最大正反向峰值为；晶闸管的通态平均电流。则据, ，。在本设计中，晶闸管的额定电流=167334A 晶闸管的额定电压=5391617V2.4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2-1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2-1过压保护电路3参数计算3.1基本参数计算（1）额定负载时的稳态速降应为: （3-1）（2）闭环系统应有的开环放大系数：计算电动机的电

14、动势系数： （3-2）开环系统额定速降为： （3-3）闭环系统的开环放大系数为： （3-4）（3）计算转速负反馈环节的反馈系数和参数 设在额定转速下稳态时的给定电压为，则须有 故转速反馈环节的放大系数 （3-5）（4) 计算运算放大器的放大系数和参数运算放大器放大系数Kp为: （3-6）（5)判断系统的稳定性计算：由已知平波电抗器：RL=0. 3。电枢回路总电阻 R=2.85 ，总电感 L=200mH所以系统中各环节的时间常数：电磁时间常数: （3-7）机电时间常数Tm: （3-8）晶闸管装置的滞后时间常数Ts:0.00167S （3-9）计算出开环放大系数应满足的稳定条件为K98.67，又因

15、为K=122.48，所以系统不稳定。3.2电流截止负反馈环节参数计算与设计如图3-1是电流截止的无静差直流调速系统，采用PI调节器以实现无静差，采用电流截止环节来限制电枢电流。TA为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号。当电流达到截止电流：利用独立的直流电源作为比较电压，其大小可用电位器调节，相当于可调截至（保护）电流值时，高于稳压管VS的击穿电压，使晶闸管VT导通，忽略晶体管VT的导通压降，则PI调节器的输出电压=0为零，电力电子变换器UPE的输出电压=0，达到限制电流的目的。按照运算放大器的输入-输出关系，得出：式中：。 由,得到,取606。由公式可得。图3-1电流截止负反馈环节

16、3.3调节器的参数设计与计算在设计闭环调速系统时，常常会遇到动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾的情况，这时，必须设计一个合适的动态校正装置，用它来改造系统，使它同时满足动态稳定性和稳态性能指标两方面要求。动态校正的方法很多，而且对于一个系统来说，能够符合要求的校正方案也不是唯一的。在电力拖动自动控制系统中，最常用的是串联校正和反馈校正。串联校正比较简单，也容易实现。对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统，由于其传递函数的阶次较低，一般采用PID调节器的串联校正方案就能完成动态校正的任务。PID调节器中有PD、PI和PID三种类型。由于PD调节器构成的超前校正，可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快

17、速性，但稳定精度可能受到影响；由PI调节器构成的滞后校正，可以保证稳定精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的。一般调速系统的要求以动态稳定性和稳态精度为主，对快速性要求差一些，所以采用PI调节器。如图3-1所示：图3-2比例积分（PI）调节器线路图现在我们利用PI调节器来校正，原系统的传递函数如下 （3-10）其中， ，由于因此分母中的二次项可以分解成两个一次项之积， （3-11）编写Matlab程序如下 k=122.47/(0.00167*0.161*0.07);z= ; p=-1/0.0067 -1/0.07 -1/0.161; num,den=zp2tf(z,p,k);bode(nu

18、m,den);margin(num,den);grid 其所得伯德图如图3-3所示3-3系统校正前bode图 （3-12）由于原始系统不稳定，表现为放大系数K过大，截止频率过高，应该设法把他们压下来。因此，把校正环节的转折频率设置在远低于原始系统截止频率处,令,使校正装置的比例微分项与原始系统中时间常数最大惯性环节对消,从而选定。其次，为了使校正后的系统具有足够的稳定裕度，它的对数幅频特性应以的斜率穿越线，将原始的对数幅频和相频特性压低，使校正以后系统的对数幅频和相频特性的截止频率。这样，在处，应有根据以上两点，校正环节添加部分的对数特性就可以确定下来了： （3-13）取，为了使，取，在伯德图

19、上查得相应的，因而。因为 ，所以 ，于是PI调节器的传递函数为： （3-14）最后选择PI调节器的阻容参数，选取，则，取，取3.4调节器串联校正设计校正后系统开环传递函数为 （3-15）编写Matlab程序如下：k=502/(0.00167*0.65*0.07);z= ;p=-1/0.00167 -1/0.07 0;num,den=zp2tf(z,p,k);bode(num,den);margin(num,den);grid所得伯德图如图3-4所示。由图3-4可以看出，校正后系统的幅值裕度和稳定裕度都满足稳定的条件，但截至频率变低，快速性被压低，显然这是一个稳定的方案，最终能使系统稳定。综上所述，转速调节器的类型和参数选择是正确的，即选为PI调节器，参数为，。图3-4校正后bode图4 总电气图本电气原理图由AUTOCAD中制成截图。设计完成后其电气