电力拖动自动控制系统课程设计.docx
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电力拖动自动控制系统课程设计
基于双闭环的直流电机调速系统调节器设计
一、设计总体要求:
要求设计双闭环直流脉宽调速系统,可完成以下任务:
(1)该调速系统能进行平滑的速度调节具有较宽的调速范围,系统在工作范围内能稳定工作。
(2)系统静特性良好,无静差。
(3)动态性能指标:
转速超调量δ<10%,电流超调量δ<5%。
(4)调速系统中设置有过电压、过电流等保护,并且有制动措施。
电路设计及分析
根据设计任务可知,要求系统在稳定的前提下实现无静差调速,并要求较好的动态性能,可选择PI控制的转速、电流双闭环直流调速系统,以完全达到系统需要。
双闭环直流调速系统原理框图如下图1-1所示
图1-1转速、电流双闭环调速系统系统框图
两个调节器的输出均带限幅作用的,转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值,电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子电换器的最大输出电压。
双闭环直流调速系统原理框图如下图1-2所示
图1-2双闭环直流调速系统原理框图
二.基本参数的测定与ACR,ASR调试
1.记录实验数据
①电枢及电抗器内阻Ra+RL测量:
测量电路如图:
调节Ug,使V1=200V后保持不变,改变R,测电流表值A与电压表值V2,则可得Ra+RL=V2/A。
将记录数据填入下表:
L=100mH
U2/v
10
12
13
15
I/A
0.5
0.59
0.64
0.69
②整流装置内阻Rn测量:
测量电路如图:
调节Ug,使电压表示数V=200V,然后Ug不动,改变R,读电压表示数V和电流表示数A,其中A不能超过1.5A。
将记录结果填入下表:
U2/v
200
199
198
197
196
I/A
0.44
0.58
0.72
0.92
1.05
③晶闸管整流器放大倍数Kv测量:
测量电路如图:
将Ug从0开始逐渐调大,读取Ug和电压表示数V的值,V的值不得超过220V。
将记录结果填入下表:
Ug/v
2.5
2.82
3.02
3.48
3.81
4.01
U/v
27
49
64
101
125
140
④电机时间常数Tm:
电路如图:
理论转速与时间关系:
结果:
⑤负载转矩TL:
电路如图:
2、实验数据处理:
①:
Ra+RL=
≈22.73Ω;
②:
将V和A的数据画出直角坐标系,取两点,进行差值运算,最终
得:
Rn=
≈6.67Ω
③:
同上将Ug与Ud的数据画出直角坐标系,取斜率一定段的两点,
进行差值运算,最终可得:
Kv=
≈71.5
④:
Tm=
≈0.0549
⑤:
La+L=
≈0.7794
TL=
≈0.0259
3.设备调试
(1)调节器的调零:
将DJK04中“调节器I”所有输入端接地,再将DJK08中的可调电阻120K接到“调节器I”的“4”、“5”两端,用导线将“5”、“6”短接,使“调节器I”成为P (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,调节面板上的调零电位器RP3,使之电压尽可能接近于零。
将DJK04中“调节器II”所有输入端接地,再将DJK08中的可调电阻13K接到“调节器II”的“8”、“9”两端,用导线将“9”、“10”短接,使“调节器II”成为P(比例)调节器。
用万用表的毫伏档测量调节器II的“11”端,调节面板上的调零电位器RP3,使之输出电压尽可能接近于零。
(2)调节器正、负限幅值的调整
把“调节器I”的“5”、“6”短接线去掉,将DJK08中的可调电容0.47uF接入“5”、“6”两端,使调节器成为PI(比例积分)调节器,将“调节器I”所有输入端的接地线去掉,将DJK04的给定输出端接到调节器I的“3”端,当加+5V的正给定电压时,调整负限幅电位器RP2,使之输出电压为-6V,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,使之输出电压尽可能接近于零。
把“调节器II”的“9”、“10”短接线去掉,将DJK08中的可调电容0.47uF接入“9”、“10”两端,使调节器成为PI(比例积分)调节器,将“调节器II”的所有输入端的接地线去掉,将DJK04的给定输出端接到调节器II的“4”端。
当加+5V的正给定电压时,调整负限幅电位器RP2,使之输出电压尽可能接近于零;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,使调节器I的输出正限幅为Uctmax。
(3)电流反馈系数的整定
直接将“给定”电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端,整流桥输出接电阻负载R,负载电阻放在最大值,输出给定调到零。
按下启动按钮,从零增加给定,使输出电压升高,当Ud=220V时,减小负载的阻值,调节“电流反馈与过流保护”上的电流反馈电位器RP1,使得负载电流Id=l.3A时,“2”端If的的电流反馈电压Ufi=6V,这时的电流反馈系数β=Ufi/Id=3.47V/A。
(4)转速反馈系数的整定
直接将“给定”电压Ug接DJK02-1上的移相控制电压Uct的输入端,“三相全控整流”电路接直流电动机负载,Ld用DJK02上的200mH,输出给定调到零。
按下启动按钮,接通励磁电源,从零逐渐增加给定,使电机提速到n=150Orpm时,调节“转速变换”上转速反馈电位器RP1,使得该转速时反馈电压Ufn=-6V,这时的转速反馈系数α=Ufn/n=0.003V/(rpm)。
4.测得参数汇总:
已知参数和计算所得参数:
晶闸管装置放大系数:
Ks=71.5
电枢回路总电阻:
R=22.73Ω;
时间常数:
Tl=0.0259,Tm=0.0549
电流反馈系数:
β=3.47V/A。
转速反馈系数:
α≈0.003V/(rpm);
反馈电阻:
R0=20KΩ;
转速滤波时间常数Ton=0.01s;
三、电流调节器设计
电流调节器使电流紧紧跟随其给定电压(即外环调节器的输出量)变化。
对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
在转速动态过程中,保证获得电机允许的最大电流,从而加快动态过程。
由于电流检测中常常含有交流分量,为使其不影响节器的输入,需加低通滤波。
转速调节器是调速系统的主导调节器,它使转速n很快地跟随给定电压变化,稳态时可减小转速误差,如果采用PI调节器,则可实现无静差。
它对负载变化起抗扰作用。
其输出限幅值决定电机允许的最大电流。
由于测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波,因此也需要滤波。
图1-2系统实际动态原理框图
Ⅰ.电流环的简化
在图1-2虚线框内的电流环中,反电动势与电流反馈的作用相互交叉,这将给设计工作带来麻烦。
实际中,对电流环来说,反电动势是一个变化比较慢的扰动,在电流的瞬变过程中,可以认为电动势基本不变,即ΔE≈0,其中忽略反电动势对电流环影响的近似条件是
ωci——电流环开环频率特性的截止频率。
如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内,同时把给定信号改为U*I(s)/β则电流环便等效成单位负反馈系统,如图1—3b所示,从这里可以看出两个滤波时间常数取值相同的方便之处。
最后,由于Ts和Toi一般都比Tl小得多,可以当作小惯性群而近似看作是一个惯性环节,其时间常数为
则电流环结构框图最终简化成图1—3c所示。
简化的近似条件为
(a)忽略反电动势的动态影响
(b)等效成单位负反馈
(c)小惯性环节近似处理
图1—3电流环的动态结构框图及其简化
Ⅱ.电流调节器参数计算
电流反馈系数:
β=Ufi/Id=3.47V/A
1、确定时间常数:
(1)整流装置滞后时间常数Ts。
查表可得,三相桥式电路的平均失控时间:
Ts=0.0017s。
(2)电流滤波时间常数Toi,Toi=0.002s。
(3)电流小环节时间常数之和T∑i=Ts+Toi=0.0037s。
2、选择电流调节器结构:
根据设计要求δi<5%,并保证无静差,按典Ⅰ型系统设计电流调节器。
电流
环控制对象是双惯性的,因此可用PI型电流调节器。
传递函数为
检查对电源电压的抗扰性能:
Tl/T∑i≈0.0259/0.0037≈7。
参看书P70表3-1的典Ⅰ型系统动态抗性能,各项指标都可以接受。
3、计算电流调节器参数:
电流调节器超前时间常数:
τ1=T1=0.0259S
电流开环增益:
要求δi<5%,Kl∑i=0.5,因此kl=1/2T∑i≈135.1
于是,ASR的比例系数
≈0.32
4、校验近似条件:
电流环截止频率:
ωCI=KL=135.1s-1
(1)校验晶闸管整流装置传递函数的近似特殊条件
Ωci≤1/(3Ts)≈196.1s-1满足近似条件
(2)校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件
=79.588满足近似条件
(3)校验忽略电流环小时间常数近似处理条件
满足近似条件
5、计算调节器电阻和电容
电流调节器原理如图所示,其中Ro=20KΩ,各电阻,电容计算如下
Ri=KiRo=0.32×20KΩ=6.4KΩ,取Ri=7KΩ
Ci=τi/Ri=0.031/7KΩ≈4.43e-6F,取4.43uF
Coi=4Toi/Ro=(4*0.002)/(4*104),取0.2uF
按照上述参数,电流环可以达到的动态跟随性能指标为
σi=4.3%<5%
σi满足设计要求。
三、转速调节器的设计:
把电流环的等效环节接入转速环后,整个转速控制系统的动态结构框图如图1—6a所示。
和电流环中一样,把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内,同时
将给定信号改成U*(s)/α,再把时间常数为1/Kl和Ton的两个小惯性环节合并起来,近似成一个时间常数为TΣn的惯性环节,其中
TΣn=Ton+1/KI
Ⅰ.转速环结构简化
由于需要实现转速无静差,而且在后面已经有一个积分环节,因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节,所以应该设计成典型Ⅱ型系统,这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。
由此可见,ASR也应该采用PI调节器,其传递函数为
式中
Kn—转速调节器的比例系数;
τn—速调节器的超其时间常数。
(a)用等效环节代替电流环小惯性系统的近似处理
(b)等效成单位负反馈系统和
(c)校正后成为典型Ⅱ型系统
图1—6转速环的动态结构框图及其简化
这样,调速系统的开环传递函数为
不考虑负载扰动时,校正后的调速系统动态结构框图如图1—6c所示。
Ⅱ.转速环参数计算
β=U*im/Idm=3.47V/A。
转速反馈系数:
α=U*nm/Nmax≈0.003V/(rpm)
1、确定时间常数
(1)电流环等效时间常数1/KΙ。
1/KΙ=2T∑Ι=0.0074s
(2)转速滤波时间常数Ton=0.01s
(3)转速环小时间常数T∑n。
按小时间常数近似处理,取
TΣn=1/Ki+Ton=0.0074s+0.02s=0.0174s
2、选择转速调节器结构
按设计要求,选用PI调节器,其传递函数为
3、计算转速调节器参数
按跟随和抗扰性能都较好的原则,取h=0.5,则ASR的超前时间常数
开环增益:
ASR的比例系数:
4、检验近似条件
转速环截止频率:
1)电流环传递函数简化条件
>ωcn满足简化条件
2)转速环小时间常数近似处理条件
满足近似条件
5、计算调节器电阻和电容
转速调节器原理图如图所示,取Ro=40kΩ
Rn=KnR=11.56×20kΩ=231kΩ取Rn=231KΩ
Cn=τn/Rn=0.087/231kΩ=0.37uF取Cn=0.37uF
Con=4Ton/Ro=1uF取1μF
6、校核转速超调量
当h=5时,由课本P75表3-4查得,δ=37.6%,不能满足要求。
实际上表
3-4是按线性计算的,而突加给定时,ASR饱和,不符合线性系统的前提,
应按ASR退饱和的情况重新计算。
7、退饱和计算
Ce=(Un-IdRa)/nN=(220-1.2×22.73)/1600=0.1204
σn=2×81.2%×(1.2-0)×(1.2×22.73÷0.1204)÷1600×0.0174÷0.0549≈8.7%<10%
σn满足设计要求
四.按照所设计思路调节设备
按照上图连接实验装置上的各模块,分别调节ACR和ASR上的外接电容,电阻,注意先调节电流环,再调节速度环,直到调出符合设计要求的波形图为止。
记录此时的外接电容电阻,并分析波形。
五.图形处理结果;
调试后的波形图:
1.加给定电压Ud
2.速度出现超调
3.电流退饱和超调
4.速度升到1500rpmin后,电机稳定工作
5.移除给定电压
根据上面实验结果图计算超调量:
σn=4.17%
σn=4.55%
ACR和ASR的Ri,Ci
Ri
Ci
调试后的值
设计的值
调试后的值
设计的值
ACR
7KΩ
9KΩ
3.97uF
4.43uF
ASR
140KΩ
231KΩ
3.97uF
0.37uF
实验结果分析:
电流环的调试结果与设计结果相差较小,速度环的偏差较大。
实验误差分析:
1.波形调试不到位,没有达到较理想的状态;
2.转速滤波时间常数Ton默认取了0.01S;
3.电流环Ci的读取有误;
4.实验装置本身导致的误差;
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