1、電力拖動自動控制系統課程設計報告班級： 自動1102姓名： 張 晨學號： 111401217指導老師： 謝 勇揚州大學信息工程學院自動化專業部2014年12月29日至2015年1月4日目 錄一 課程設計目的和意義 （）二 技術指標和設計要求 （）2.1. 技術數據2.2. 設計要求三 系統方案選擇 （）四 電路的設計 （）4.1. 主電路設計 （）4.2. 觸發電路設計 （）4.3. 調節器參數設計 （）4.4. 保護電路設計 （）五 系統電路圖及電路工作原理 （）六 系統仿真模型 （）6.1.雙閉環直流調速系統仿真電路圖 （）6.2. 斷開速度環后系統的仿真波形 （）七 心得體會 （）八 參

2、考書目 （） 一 課程設計目的和意義1. 熟悉自動控制系統設計的一般原則、設計內容以及設計程序的要求，掌握工程設計的方法。2. 掌握自動控制系統的計算機仿真技術3學會收集、分析、運用自動控制系統設計的有關資料和數據4通過對系統的設計、仿真調試, 培養獨立工作能力、分析問題解決問題的能力。5. 培養編制技術總結報告的能力。二 技術指標和設計要求2.1. 技術數據直流電動機額定參數為：Unom=220V, Inom=100A, Nnom=1470r/min,Ra=0.26， =16N.m2, =1.5，勵磁電壓Uf=220V，勵磁電流If=1.5A。給定電壓最大值為10V。晶閘管整流裝置：Ks=3

3、0。系統主電路。2.2. 技術要求1該調速系統能進行平滑的速度調節，負載電機不可逆運行，具有較寬的調速范圍（D10），系統在工作范圍內能穩定工作 2系統靜特性良好，無靜差（靜差率s0.03） 3動態性能指標：空載起動到額定轉速時轉速超調量n10%，電流超調量i5%，動態速降n8-10% 4系統在5%負載以上變化的運行范圍內電流連續 5調速系統中設置有過電壓、過電流等保護6. 分析當速度環斷開后系統工作情況2.3. 設計內容1根據題目的技術要求，確定調速系統方案，畫出系統組成的原理框圖。2調速系統主電路元部件的確定及其參數計算（包括有變壓器、電力電子器件、平波電抗器與保護電路等） 3動態設計計算

4、：根據技術要求，對系統進行動態校正，確定ASR調節器與ACR調節器的結構型式及進行參數計算，使調速系統工作穩定，并滿足動態性能指標的要求 4分析當速度環斷開后系統工作情況5對設計的系統進行計算機仿真6. 整理設計數據資料，撰寫課程設計報告。三 系統方案選擇在直流電機調速中主要有單閉環、雙閉環的兩種方案，單閉環結構簡單，它采用轉速負反饋和PI調節器可以在保證系統穩定的前提下實現轉速無靜差。但是，如果對系統的動態性能要求較高，例如：要求快速起制動，突加負載動態速降小等等，單閉環系統就難以滿足需要。是因為在單閉環系統中不能隨心所欲地控制電流和轉矩的動態過程。在單閉環直流調速系統中，電流截止負反饋環節

5、是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態波形。根據帶電流截止負反饋的單閉環直流調速系統起動過程，起動電流達到最大值后，受電流負反饋的作用降低下來，電機的電磁轉矩也隨之減小，加速過程延長。理想起動過程的起動電流呈方形波，轉速按線性增長。這是在最大電流（轉矩）受限制時調速系統所能獲得的最快的起動過程。為了實現在允許條件下的最快起動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程。按照反饋控制規律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負反饋應該能夠得到近似的恒流過程。所以起動過程，采用電流負反饋，而在穩態

6、運行時只采用轉速負反饋，這就是轉速、電流雙閉環系統。為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統中設置兩個調節器，分別調節轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯接，這樣構成的雙閉環直流調速系統比單閉環系統有更好的動靜態性能。由于本課題既要求系統穩態無靜態，又有較高的動態性能指標，因而選用雙閉環調速系統。轉速、電流雙閉環直流調速系統的方框圖如圖1所示。圖1 轉速、電流雙閉環直流調速系統TA-電流互感器 ACR-電流調節器 TG-測速發電機ASR-轉速調節器 UPE-電力電子變換器 Un* -轉速給定電壓 Un -轉速反饋電壓 Ui* -電流給定電壓Ui

7、-電流反饋電壓四 電路的設計雙閉環調速系統的動態結構框圖如圖2所示。在雙閉環系統中，按照設計多環控制系統原則（先內環后外環），應該首先設計電流調節器，然后把整個電流內環看作是轉速調節器中的一個環節，再設計轉速調節器。在設計的過程中需對電流環和轉速環進行近似處理和結構化簡，從而確定調節器的結構，以利于后續的模擬電路設計和參數計算。圖2 雙閉環調速系統的動態結構框圖4.1、主電路設計設計思路本設計中直流電動機由單獨的可調整流裝置供電，三相全控橋整流電路是目前應用最廣泛的整流電路，其輸出電壓波動小，適合直流電動機的負載，并且該電路組成的調速裝置調節范圍廣（將近50）。把該電路（如圖3所示）應用于本設

8、計，能實現電動機連續、平滑地轉速調節、電動機不可逆運行等技術要求。通過調節觸發延遲角的大小來控制輸出電壓Ud的大小，從而改變電動機M的供電電壓。由改變電樞電壓調速系統的機械特性方程式  n=( Ud/Ce)-(RO+Ra)T/ CeCT2 （1）式中：Ud  整流電壓，RO 整流裝置內阻，由式（1）可知，改變Ud，即可改變轉速n。圖3 三相全控橋整流電路4.1.2、整流變壓器容量計算1、變壓器次級電壓 為了保證負載能正常工作，當主電路的接線形式和負載要求的額定電壓確定之后，晶閘管交流側的電壓U2只能在一個較小的范圍內變化，為此必須精確計算整流變壓器次級電

9、壓U2。影響U2值的因素有：（1）U2值的大小首先要保證滿足負載所需求的最大直流值Ud；（2）晶閘管并非是理想的可控開關元件，導通時有一定的管壓降，用UT表示；（3）變壓器漏抗的存在會產生換相壓降；（4）平波電抗器有一定的直流電阻，當電流流經該電阻時就要產生一定的電壓降；（5）電樞電阻的壓降。綜合以上因素得到的U2精確表達式為：上式為變壓器二次側相電壓U2的較精確表達式，在要求不太精確的情況下，變壓器二次側相電壓U2可由簡化式確定。 （2）式中UD是電動機的額定電壓；系數可由參考資料1中的表6-1查得A=2.34。計算得：U2在112.8141之間，取U2=120V。2、次級電流I2和變壓器容

10、量I2=KI2·Id , KI2為各種接線形式時變壓器次級電流有效值和負載電流平均值之比。對于本設計KI2取0.816,且忽略變壓器一二次側之間的能量損耗，故I2=0.816×150=122.4A 變壓器變比K=U1/U2=380/120=3.2；取K=3。同樣，由參1表6-1查得變壓器二次和一次繞組的相數m2=3，m1=3所以 二次容量 一次容量 S1= m1* U1* I1=3*380*40.8=44KW S=（S1+S2）/2=44KW4.1.3 晶閘管參數計算三相全控橋整流電路實際上是組成三相半波晶閘管整流電路中的共陰極組和共陽極組串聯電路，如圖3所示。三相全控橋整

11、流電路可實現對共陰極組和共陽極組同時進行控制，控制角都是60度。在一個周期內6個晶閘管都要被觸發一次，觸發順序依次為：VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，6個觸發脈沖相位依次相差60度。為了構成一個完整的電流回路，要求有兩個晶閘管同時導通，其中一個在共陽極組，另外一個在共陰極組。晶閘管額定電壓必須大于元件在電路中實際承受的最大電壓Um，考慮到電電網電壓的波動和操作過電壓等因素，還要放寬23倍的安全系數，即按下式選取UTN=（23）UM，式中系數23的取值應視運行條件，元件質量和對可靠性的要求程度而定。對于本設計，UM=6 U2，故計算的晶閘管額定電壓為UTN=（23）6 U2=（2

12、3） ×294=588882V, 取1000V為使晶閘管元件不因過熱而損壞，需要按電流的有效值來計算其電流額定值。即必須使元件的額定電流有效值大于流過元件實際電流的最大有效值。可按下式計算：IT（AV）=(1.52)KfbIMAX，式中計算系數Kfb=Kf/1.57Kb由整流電路型式而定，Kf為波形系數，Kb為共陰極或共陽極電路的支路數。當=00時，三相全控橋電路Kfb=0.368，故計算的晶閘管額定電流為IT（AV）=(1.52)KfbIMAX =(1.52) ×0.368×(100×1.5)=82.8110.4A，取100A.4.1.4 電抗器電感量

13、計算由于電動機電樞和變壓器存在漏感，因而計算直流回路附加電抗器的電感量時，要從根據等效電路折算后求得的所需電感量中，扣除上述兩種電感量。使輸出電流連續的臨界電感量的計算公式： （3）式中 u2為晶閘管裝置交流側的電流相電壓有效值， Id min 為要求連續的最小負載電流平均值，K l 為與整流主電流形式有關的系數，查參考資料1中的表6-6中的序號2。 （4）但在電機回路中包括電機電感和變壓器每相的漏感，實際外加電感比(4)式要求的小。電機電感公式如下： （5）式中UD和ID為電動機的額定電壓和額定電流， n和p為電動機的額定轉速和磁極對數，KD為計算系數，對于一般無補償電機KD=8212，LD

14、-為單位為mH很明顯 N nom=1470r/min時，p=2 （6）折合到變壓器二次每相的漏感LB計算公式 （7）式u2-晶閘管裝置交流側的電流相電壓有效值Id-晶閘管裝置直流側的額定負載電流uk%-變壓器的短路比，按參1中的6-1計算KB-與整流主電路形式有關的系數，查參1表6-6中的序號3LB-單位為mH （8）與負載串聯的限制電流脈動的實際臨界電感量 （9） 最后算得使輸出電流連續的臨界電感量 ：L = 15.8mH4.2、觸發電路設計  由于集成觸發電路不僅成本低、體積小，而且還有調式容易、使用方便等優點，故本設計采用KJ041集成觸發電路。KJ041為6路雙脈沖形成器，它

15、是三相全空橋式電路的觸發器，它具有雙脈沖形成和電子開關封鎖等功能。KJ041實用電路如圖4所示，移相觸發器輸出脈沖加到該器件的16端，器件內的輸入二極管完成“或”功能，形成補脈沖，該脈沖經放大后分6路輸出。當控制端7接邏輯“0”電平時，器件內的電子開關斷開，各路輸出觸發脈沖。采用KJ041集成觸發電路的同步電壓應滯后于主電路電壓180度。本設計主電路整流變壓器采用D，y-11聯結，同步變壓器采用D，y5-11聯結。這時，同步電壓選取的結果見表一。圖4 觸發電路  表一  各晶閘管的同步電壓晶閘管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主電路電壓+Ua-Uc+Ub-Ua

16、+Uc-Ub同步電壓-Usa+Usc-Usb+Usa-Usc+Usb4.3. 調節器參數設計電流調節器的設計根據設計要求i5%，而且，可按典型I型系統設計，電流調節器選擇PI型，其傳遞函數如下：1、 電流調節器參數計算三相橋式電路每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭應有（12）Toi=3.33ms,因此取Toi=0.002s，查參2中表1-2得，三相橋式電路的平均失控時間TS=0.0017s，Ti=Ts+ Toi=0.0037s，其他參數如下：，電流調節器超前時間常數：電流環開環增益：要求i5%時，按參2表2-2，應取KITi=0.52. 校核驗近似條件：電流環截止頻率： (1) 晶閘

17、管整流裝置傳遞函數的近似條件 滿足近似條件(2) 忽略反電動勢變化對電流環動態影響的條件 滿足近似條件 (3) 電流環小時間常數近似處理條件 滿足近似條件按照以上參數，電流環可以達到的動態指標為：i%=4.3%<5%。滿足要求。4.3.2 速度調節器的設計 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5；根據所測測速發電機紋波情況，取Ton=0.01s；電流環等效時間常數為；由于設計要求無靜差，轉速調節器必須含有積分環節；又根據動態要求，應按典型型系統設計轉速環。故ASR選用PI調節器，其傳遞函數為1、 速度調節器參數計算 2、 校核驗近似條件：轉速環截止頻率為 （1）電流環傳遞函數簡化條件為

18、滿足簡化條件 （2）轉速環小時間常數近似處理條件為 滿足簡化條件3、 校核轉速超調量當h=5時，而，因此滿足設計要求4.4、保護電路設計1、過電流保 在電路中串接的器件是快速熔斷器，這是一種最簡單有效而應用最普遍的過電流保護元件，其斷流時間一般小于10ms，熔斷器與每一相串聯，可靠的保護晶閘管元件。圖5 過流保護熔體額定電流Ikr的選取,可以取=170A, 額定電壓選500伏。2、過壓保護（1）交流側過壓保護如圖6所示，用三組阻容（R1C1）串聯構成的Y鏈接，電阻電容計算如下：，耐壓為，電阻功率：,其中上面公式中，STM為變壓器每相平均計算容量（VA），U2為變壓器二次相電壓有效值（

19、V），i0%為勵磁電流百分數，當STM小于幾百伏安時i0%為10，當STM大于一千伏安時i0%為3到5。Uk%為變壓器的短路比，當變壓器容量在10至1000KVA時，Uk%在5到10。STM=44/3=14.7KVA， C1取25微法。電容器的耐壓UC1>1.5*1.414*120=254.52（V）， 取500V。電阻的功率可選用2.5歐姆50瓦功率電阻。圖6 過壓保護（2）晶閘管換相過電壓保護這種保護可用RC與晶閘管并聯如圖6中所示，由參考資料1中 表6-4查得： R=10，C=0.5。五 系統電路圖及電路工作原理為了獲得良好的靜、動態性能，轉速和電流兩個調節器一般都采用PI調節器。

20、兩個調節器的輸出都是帶限幅作用的，轉速調節器ASR的輸出限幅電壓Uim*決定了電流給定電壓的最大值，電流調節器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子電換器的最大輸出電壓Udm。系統組成的原理框圖如下：圖7 系統電路原理圖ASR轉速調節器，ACR電流調節器， TG測速發電機，TA電流互感器，UPE電力電子變換器，Un*轉速給定電壓，Un轉速反饋電壓，Ui*電流給定電壓，Ui電流反饋電壓電路工作原理：雙閉環控制直流調速系統的特點是電動機的轉速和電流分別是由兩個獨立的調節器來控制，且轉速調節器的輸出就是電流調節器的給定，因此電流環能夠隨轉速的偏差調節電動機電樞的電流。當轉速低于給定轉速時，轉速調節

21、器的積分作用是輸出增加，即電流給定上升，并通過電流環調節使電動機電流增加，從而使電動機獲得加速轉矩，電動機轉速上升。當實際轉速高于給定轉速時，轉速調節器的輸出減小，即電流給定減小，并通過電流調節是電流下降，電動機將會因為電磁轉矩下降而減速，在當轉速調節器飽和輸出達到限幅值時，電流環即以最大電流I dm實現電動機的加速，是電動機的啟動時間最短，在可逆調速系統中實現電動機的快速制動。在不可逆調速系統中，由于晶閘管整流器不能通過反向電流，因此不能產生反向制動轉矩而使電動機快速制動。六 系統仿真6.1. 雙閉環直流調速系統仿真電路圖在MATLAB的simulink中搭建雙閉環調速系統仿真模型如圖8所示

22、，模型由晶閘管-直流電動機組成的主回路和轉速電流調節器組成的控制回路兩部分組成。其中的主電路部分、交流電源、晶閘管整流器、觸發器、移相控制環節和電動機等環節使用POWER SYSTEM模型庫中的模塊；控制回路主體是轉速和電流兩個調節器以及反饋濾波環節。模型中轉速反饋和電流反饋均取自電動機測量單元的轉速和電流輸出端，電流調節器的輸出端接移相特性模塊shifter的輸入端，而電流調節器的輸出限幅就決定了控制角的范圍。圖9至圖12分別為圖8的仿真結果，其中圖9為電動機轉速曲線，圖10 為電動機電樞電流波形，圖11的上圖為速度環調節器限幅輸出，圖11的下圖為速度環誤差信號波形，圖12的上圖為電流環調節

23、器限幅輸出，圖12的下圖為電流環誤差信號。從轉速和電流波形可以看到，在啟動階段電動機以恒流啟動，大約在1.4秒時啟動結束，電樞電流下降到零，轉速上升到1500r/min。盡管轉速已經超調，電流給定已經變負，但是本系統為不可逆調速系統晶閘管整流裝置不能產生反向電流，這時電樞電流為零，電動機的電磁轉矩也為零（如圖13所示），沒有反向制動轉矩，又因為是在理想空載啟動狀態，所以電動機保持在最高轉速狀態。在2.5秒時加上負載（圖8中Ramp框圖，斜率為100/s，限幅在140），電動機轉速下降，ASR開始退飽和，電流環發揮調節作用，經過1.4秒電動機開始穩定在給定轉速上。6.2. 斷開速度環后的調速系統仿真在圖8的仿真模型圖中，用一個開關串在速度反饋通道中，當開關閉合時系統為速度、電流雙閉環系統，當開關斷開時系統處于速度開環而電流閉環的情況，這可以研究速度開環時系統運行狀態，圖14為速度環斷開后的系統仿真圖。圖15、圖16表示仿真停止時間為12秒時的速度環斷環后的波形，速度環在4.5秒斷環后，電流環給定為最大，由于電流環仍然是閉環的