《2024年《電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 2.docx》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2024年《電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 2.docx（19頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)趨R文網(wǎng)上搜索。

1、電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書目錄 摘要 2 1計(jì)任務(wù)及要求 3 1.1初始條件 3 1.2 設(shè)計(jì)要求 3 1.2.1技術(shù)要求 3 1.2.2設(shè)計(jì)內(nèi)容 3 2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 4 2.1 原理框圖 4 2.2穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 5 3調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 6 3.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 7 3.1.1電流調(diào)節(jié)器的工作原理及作用 7 3.1.2電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化 8 3.1.3時(shí)間常數(shù)的計(jì)算 9 3.1.4選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 9 3.1.5計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 10 3.1.6檢驗(yàn)近似條件 10 3.1.7計(jì)算電流調(diào)節(jié)器電阻和電容 11 3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 12 3.2.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的工作原理及作用 12 3.2.2

2、電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù) 12 3.2.3 時(shí)間常數(shù)的計(jì)算 13 3.2.4選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 14 3.2.5轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算 15 3.2.6檢驗(yàn)近似條件 15 3.2.7檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量 16 3.2.8計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電阻和電容 17 4 系統(tǒng)建模與仿真實(shí)驗(yàn) 17 4.1 MATLAB仿真軟件Simulink 仿真環(huán)境 17 4.2雙閉環(huán)模型的建立 18 4.3雙閉環(huán)系統(tǒng)的仿真 20 4.4系統(tǒng)的電氣原理總圖 23 5總結(jié)與體會(huì) 24 參考文獻(xiàn) 25 附錄 26摘要 直流調(diào)速系統(tǒng)憑借優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、范圍寬、精度高、過(guò)載能力大、動(dòng)態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，能滿足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系

3、統(tǒng)中各種不同的特殊運(yùn)行要求，所以在電氣傳動(dòng)中獲得了廣泛應(yīng)用。本次采用的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是從內(nèi)環(huán)到外環(huán)，即先設(shè)計(jì)好電流環(huán)后將其等效成速度環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再對(duì)速度環(huán)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)好之后，我們采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。計(jì)算機(jī)仿真可以不運(yùn)行實(shí)際系統(tǒng)，只要在計(jì)算機(jī)上建立數(shù)字仿真模型，模仿被仿真對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)及其隨時(shí)間變化的過(guò)程。 關(guān)鍵詞：調(diào)速 反饋 模擬 仿真 V.M雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 建模與仿真2 1計(jì)任務(wù)及要求 1.1初始條件 技術(shù)數(shù)據(jù)及技術(shù)指標(biāo)如下： 直流電動(dòng)機(jī)：PN=55KW , UN=220V , IN=287A , nN=15r/min , Ra=0.1 最大允許電流：Idbl=

4、1.5IN ,三相全控整流裝置：Ks=30 , 電樞回路總電阻：R=0.15 ，系統(tǒng)主電路： Tm=0.12s ，Tl=0.012s 濾波時(shí)間常數(shù)：Toi=0.2s , Ton=0.012s, 其他參數(shù)：Unmx=8V , Uimx=8V , Ucm=8Vi5% , n10% 1.2 設(shè)計(jì)要求 1.2.1技術(shù)要求 (1) 該調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑的速度調(diào)節(jié)，負(fù)載電機(jī)不可逆運(yùn)行，具有較寬的調(diào)速范圍（D10），系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作。 (2) 系統(tǒng)在5%負(fù)載以上變化的運(yùn)行范圍內(nèi)電流連續(xù) 。1.2.2設(shè)計(jì)內(nèi)容 (1) 根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)型式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組

5、成的原理框圖 。(2) 根據(jù)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖分析轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的作用。(3) 對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),通過(guò)MATLAB對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和參數(shù)的調(diào)節(jié)。(4) 繪制V.M雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖。(5) 整理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)資料，課程設(shè)計(jì)總結(jié)，撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 2.1 原理框圖 V.M雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)使用比例積分調(diào)節(jié)器，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無(wú)靜差調(diào)速。采用電流截止負(fù)載環(huán)節(jié)，限制了起（制）動(dòng)時(shí)的最大電流。但電流環(huán)只是在超過(guò)臨界電流值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖 2.

6、1（a）所示。當(dāng)電流從最大值降低下來(lái)以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，起動(dòng)（調(diào)整時(shí)間ts）的時(shí)間就比較長(zhǎng)。在實(shí)際工作中為了盡快縮短過(guò)渡時(shí)間，使起動(dòng)的電流保護(hù)在最大允許值上，并且始終允許最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動(dòng)過(guò)程波形如圖 2.1（b）所示，這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過(guò)程。 IdL n t Id O Idm IdL n t Id O Idmn n (a) (b) (a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程

7、(b)理想快速起動(dòng)過(guò)程 圖2.1調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形 實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能突變，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過(guò)程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過(guò)程。問(wèn)題是希望在啟動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主作用。為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器。分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行嵌套連接，如圖3.2所示

8、。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速,電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜，動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。 圖2.2 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制 直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 原理如圖2.2所示，ASR是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，ACR是電流調(diào)節(jié)器，TG是測(cè)速發(fā)電機(jī)， TA是電流互感器，UPE是電力電子變換器，Unx是轉(zhuǎn)速給定電壓，Un是轉(zhuǎn)速反饋電壓，Uix是電流給定電壓，Ui是電流反饋電壓。2.2穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2.3所示，兩個(gè)調(diào)節(jié)器均采用帶限幅作用的PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓Uimx決定了電流給定的最大值，電流

9、調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm，圖中用帶限幅的輸出特性表示PI調(diào)節(jié)器的作用。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出達(dá)到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其作用是輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)為零。為了實(shí)現(xiàn)電流的實(shí)時(shí)控制和快速跟隨，希望電流調(diào)節(jié)器不要進(jìn)入飽和狀態(tài)，因此，對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器有飽和和不飽和兩種情況。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要作用，Unx=Un=n。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到Idm時(shí)對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為飽和輸出Uimx，這時(shí)，電

10、流調(diào)節(jié)器起主要作用Id=Uimx/=Idm，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差，起到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)作用。圖2.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù) 3調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)是從內(nèi)環(huán)到外環(huán)，即先設(shè)計(jì)好電流環(huán)后將其等效成速度環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再對(duì)速度環(huán)進(jìn)行設(shè)計(jì)。雙閉環(huán)電流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。系統(tǒng)外環(huán)是速度環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，分別對(duì)轉(zhuǎn)速和電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，兩者之間實(shí)行串行聯(lián)接。用于串聯(lián)校正和改變系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性以及綜合輸入和反饋信號(hào)。 圖3.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖 3.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 3.1.1電流調(diào)節(jié)器的工作原理及作用 電流調(diào)節(jié)器有兩個(gè)輸入信號(hào)。一個(gè)是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸

11、出反映偏差大小的主控信號(hào)Uix，一個(gè)是由交流互感器測(cè)出的反映主回路電流反饋信號(hào)Ui，當(dāng)突加一個(gè)很大的給定速度輸入值，其輸出整定在最大飽和值上，與此同時(shí)電樞電流為最大值，從而電動(dòng)機(jī)在加速過(guò)程中始終保持在最大轉(zhuǎn)距和最大加速度，使起、制動(dòng)過(guò)程時(shí)間最短。如果電網(wǎng)電壓發(fā)生突變（如降低）時(shí)，整流器輸出電壓也會(huì)隨之變化（降低），引起主回路電流變化（減小），由于快速性好，立即使調(diào)節(jié)器的輸出變化（增大），則也變化（變小），最后使整流器輸出電壓又恢復(fù)（增加）至原來(lái)的數(shù)值，這就抑制了主回路電流的變化。也就是說(shuō)，在電網(wǎng)電壓變化時(shí)，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化之前，電流的變化首先被抑制了。同樣，如果機(jī)械負(fù)載或電樞電流突然發(fā)生很大的

12、變化，由于采用了頻率響應(yīng)較好的快速電流負(fù)反饋，當(dāng)整流器電流側(cè)發(fā)生類似短路的嚴(yán)重故障時(shí)，電流負(fù)反饋也及時(shí)的把電流故障反饋到電流控制回路中去，以便迅速減小輸出電壓，從而保護(hù)晶閘管和電流電動(dòng)機(jī)不致因電流過(guò)大而損壞。綜上所述，電流調(diào)節(jié)器ACR的主要作用如下：(1) 對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起抗干擾作用 ； (2) 啟動(dòng)時(shí)保證獲得容許的最大電流 Idm； (3) 在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中，使電樞電流跟隨給定電壓變化 ； (4) 當(dāng)電機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，可以限制電樞電流的最大值，從而起到快速 的過(guò)流安全保護(hù)，如故障消失，系統(tǒng)能自動(dòng)恢復(fù)工作。3.1.2電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖如圖4.2所示。 圖3.2電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

13、 由于突加給定階躍后，速度調(diào)節(jié)器輸出馬上達(dá)到飽和限幅值，電流環(huán)投入工作使電機(jī)電樞電流很快上升，相對(duì)電流來(lái)說(shuō)，速度變化很緩慢。因此，可以認(rèn)為反電勢(shì)產(chǎn)生的影響很小，令E=0，則圖4.2通過(guò)結(jié)構(gòu)圖變換，簡(jiǎn)化為圖3.3。圖3.3電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng) 查表得三相橋式全控平均失控時(shí)間Ts=0.17s，電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi 0.2s ，電磁 時(shí)間常數(shù)Tl 0.012s，Ts和Toi都比Tl小得多，可以當(dāng)作小慣性環(huán)節(jié)處理，看成一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，取 則電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡(jiǎn)化成圖3.4.圖3.4電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖小慣性環(huán)節(jié)近似處理 3.1.3時(shí)間常數(shù)的計(jì)算 （1）三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ts 三相橋式

14、電路晶閘管最大失控時(shí)間在00.33s之間隨機(jī)分布，取其平均值，即Ts 0.17s （2）電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi 0.2s （3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)Ti 按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 0.17sx0.2s0.37s （4）電磁時(shí)間常數(shù)Tl 0.012s （5）ACR超前時(shí)間常數(shù) Tl0.012s 3.1.4選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 電流環(huán)的一項(xiàng)重要作用就是保持電樞電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)容許值，因而在突加控制作用時(shí)不希望有超調(diào)，或者超調(diào)量越小越好?？呻娏鳝h(huán)還有另一個(gè)對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)及時(shí)調(diào)節(jié)的作用，因此還要提高其抗擾性能。由于設(shè)計(jì)要求超調(diào)量i5并且保證系統(tǒng)在5%負(fù)載以上變化的運(yùn)行范圍內(nèi)電流連續(xù)，有好的動(dòng)態(tài)性能，我

15、們采用典型 型來(lái)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器選用PI型。令電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能當(dāng)KT=0.5時(shí)，得各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。3.1.5計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù) ACR超前時(shí)間常數(shù)Tl0.012s 由于超調(diào)量i5，取 = 0.5 因此，電流環(huán)的開環(huán)增益為電流反饋系數(shù)，電流調(diào)節(jié)器限幅值為8V，則 =8/（1.5x287）=0.019 V/A 于是ACR的比例系數(shù)為3.1.6檢驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率， 晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：，滿足近似條件； 忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件：， 滿足近似條件； 小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：，=， 滿足近似條件。由于 =0.5 電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：，也滿足設(shè)計(jì)要求。3.1.7計(jì)算電流調(diào)節(jié)器電阻和電容 含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖3.5所示。圖3.5含給定濾波及反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器 其中，UGi為電流調(diào)節(jié)器的給定電壓，Id為電流負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是觸發(fā)裝置的控制電壓UK。按所用運(yùn)算放大器取R040K，各電阻和電容值計(jì)算如下RiKi R00.42740 K17.8K(取18 K) ( 取0.68F)( 取0.2F )3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 3.