电力拖动自动控制系统课程设计报告

一．课程设计的目的与内容

1．1课程设计的目的

电力拖动自动控制系统课程设计是自动化专业的一门专业课，它是一次综合性的理论与实际相结合的训练，也是本专业的一次基本技能训练，其主要目的是：（1）理论联系实际，掌握根据实际工艺要求，设计直流拖动自动控制系统的基本方法；

（2）对典型的直流拖动自动控制系统进行综合性的实验，掌握各部件和整个系统的调试步骤与方法，加强基本技能训练；

（3）掌握参数变化对系统性能影响的规律，培养灵活运用所学理论解决控制系统中各种实际问题的能力；

(4)培养分析问题、解决问题的能力，学会实验数据的分析与处理，编写设计说明和技术总结报告。

1．2课程设计的内容

本课程的具体对象是直流调速系统，其主要内容为：

（1）测定综合实验中所用控制对象的参数；

（2）根据给定指标设计调速系统的调节器，并选择各环节参数；

（3）按设计结果组成系统，进行系统调试以满足给定指标；

（4）研究参数变化对系统性能的影响；

（5）在不可逆系统调试的基础上，组成可逆系统并进行调试；

（6）设计并计算主回路参数；

（7）书写课程设计论文一份（6000-10000字），绘制双闭环逻辑无环流可逆调速系统原理图一张（2#图）。

二．主电路的设计

2．1主电路电气原理图及说明

主电路采用转速电流双闭环调速系统，是电流环（ACR）作为控制系统的内环，转速环（ASR）作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。二者串级连接，即把电流调节器的输出作为转速调节器的输入，再用转速调节器的输出控制电力电子变换器UPE，从而改变电机的转速，通过电流和转速反馈电路来实现电动机无静差地运行。

2．2整流变压器参数的选择

变压器副边电压采用如下公式进行计算：

已知Udmax=220V,取Ut=1V,n=2,A=2.34

In/I2n=1 C=0.5 则U2=110V

由此得：变压器的变化为：K=U1/U2=380/110=3.45

一次侧电流和二次侧电流I1、I2的计算：

I1=1.05*287*0.861/3.45=75A

I2=0.861*287=247A

变压器容量的选择：

S1=M1U1I1=85.5KV A

S2=M2U2I2=81.5KV A

S=0.5*(S1+S2)=83.5KV A

因此整流变压器的参数为：变化K=3.45，容量S=83.5KV A

2．3平波电抗器参数的确定

Ud=2.34U2cosα

Ud=Un=220V, 取α=0

U2=Ud/2.34cos0=94.0171V

Id min=(5%-10%)In,这里取10%，则有：

L=0.693*U2/I d min=37.2308mH

α=U*min/n N=0.0067

β=U*im/2In=0.2875

2．4晶闸管参数的计算

晶闸管的额定电压通常选取断态重复峰值电压U DRM和反向重复电压U RRM 中较小的值作为该器件的额定电压。晶闸管的额定电流一般选取其通态平均电压电流的 1.5-2倍。在桥式整流电路中晶闸管两端承受的最大正反向电压均为T2U2，晶闸管的额定电压一般选取最大正反向电压的2-3倍。

带反电动势负载时，变压器二次侧电流有效值I，是其输出直流电流有效值Id的一般，而对于桥式整流电路，晶闸管的通态平均电流Ivt=2/2I,则在本设计中晶闸管的额定电流Ivt(av)=523~698A。

本设计中晶闸管的额定电压Un=311~466V

2．5晶闸管整流电路保护措施的设计

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2-2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。

2．6晶闸管调速系统主电路及控制原理图

晶闸管整流电路原理图如下图2-3，其中整流变压器以Y/Y连接

图2-3 实验系统原理图

三相桥式主控整流电路的特点：

（1）2管同时导通形成回路，其中分共阴极组和共阳极组，且不能为同一相器件；

（2）对触发脉冲的要求：

按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60°，共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120°，共阳极组VT2、VT4、VT6也依次差120°，同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6,VT5与VT2，脉冲相差180°。

（3）Ud一个周期脉冲6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。

（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲，可采用两种方法：一种是宽脉冲触发；一种是双脉冲触发。

（5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。

2．7双闭环系统动态结构图

双闭环调速系统动态结构图如下图所示

图2-4 双闭环直流调速系统的动态结构图

2．8晶闸管调速系统设备明细表

实验所需挂件及附件如下表2-1

表2-1 设备明细表

三．调节器的设计

3．1晶闸管直流调速系统主要单元的测试

3．1.1调节器I的调试

（1）调节器的调零

将DJK04中“调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电子110k接到“调节器I”的“4”、“5”两端，用导线将“5”“6”端短接，使“调节器I”成为比例调节器。用万用表的毫伏档测量“调节器I”的“7”端的输出，调节器面板上的调零电位器RP3，使之输出尽可能等于0。

（2）调整输出正、负限幅值

将“5”“6”短接线去掉，将DJK08中可调电容0.47μF接入“5”“6”两端，使调节器成为比例积分调节器，将“调节器I”的所有输入端的接地线去掉，将DJK04的给定端输出接到“调节器I”的“3”端，当加+5V的正给定电压时，调节负限幅电位器RP2，观察调节器负电压输出的变化规律；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，观察调节器电压输出的变化规律。（3）测定输入输出特性

将反馈网络中的电容短接，使“调节器I”为比例调节器，同时将正负限幅电位器RP1和RP2均逆时针旋到底，在调节器的输入端分别逐渐加入正负电压，测出相应的输出电压变化，直至输出限幅值，并画出对应的曲线。

（4）观察PI特性

拆除短接线“5”“6”，给调节器突加给定电压，用慢扫描示波器观察输出电压的变化规律。改变调节器的外接电阻和电容值，观察输出电压的变化。3．1.2调节器Ⅱ的调试

将DJK08的可调电阻调节为40K，调节方法与调节步骤同调节器I的调试均相同。

3．1.3反号器的调试

测定输入输出的比例，将反号器输入端“1”接“给定”的输出，调节“给定”输出电压为6V，用万用表测量“2”端输出是否等于-6V电压，如果两者不等，则通过调节RP1，使输出等于负的输入。再调节“给定”电压使输出为-6V电压，观察反号器的输出是否为6V。

附：当DJK08中的可调电阻为40K时，ASR中Ug与Uc的关系如下表3-1

表3-1

附：当DJK08中的可调电阻为40K时，ACR中Ug与Uc的关系如下表3-2

表2-3

3．2参数的测定

3．2.1电枢回路总电阻R的测定

电枢回路的总电阻R包括电机的电枢电阻Ra、平波电抗器的直流电阻Rl，及整流装置的内阻Rn，即R=Ra+Rl+Rn。

由于阻值较小，不易用欧姆表或电桥测量，因是小电阻检测，接触电阻影响很大，故常用直流伏安法。为测出晶闸管整流装置的电源内阻须测量整流装置的理想空载电压Udo，而晶闸管整流电源是无法测量的，为此应用伏安法，实验线路如下图所示。

图3-1 伏安法比较实验线路图

将变阻器R1、R2接入被测系统的主电路，测试时电动机不加励磁，并使电机堵转，合上S1、S2，调节给定使输出直流电压Ud在3%Ued~70%Ued范围内，然后调整R2使电枢电流在80%Ied~90%Ied范围内，读取电流表A和电压表V2的数值为U1、I1.，则此时整流装置的理想空载电压为Udo=I1R+U1.

调节R1使之与R2的电阻值相近，拉开开关S2，在Ud的条件下读取电流表，电压表的数值I2、U2，则

Udo=I2R+U2

求解，可得电枢回路总电阻：

R=（U2-U1）/(I1-I2)

如按电机的电枢两端短接，重复上述实验，可得

Rl+Rn=(U2’-U1’)/(I1’-I2’)

则电机的电枢电阻为：

Ra=R-（Rl-Rn）

经实验，我们测得了如下数据，如表3-3

表3-3

数据处理得：

R= （U2-U1）/(I1-I2)=40欧

Rl+Rn=(U2’-U1’)/(I1’-I2’)=25欧

Ra=R-（Rl-Rn）=15欧

3.2.2电枢回路电感L的测定

电枢回路电总感包括电机的电枢电感La、平波电抗器电感Ld和整流变压器漏感L B，由于L B数值很小，可以忽略，故电枢回路的等效电感为L=La+Ld

电感的数值可用交流伏安法测定。实验时应给电动机加励磁，并使电机堵转，实验线路如图3-2所示。

图3-2 测量电枢回路电感的实验线路图

实验时交流电压由DJK01电源输出，接DJK01的高压端，从低压端输出接电机的电压，用交流电压表和电流表分别测出电枢两端和电抗器上的电压值Ua 和Ul及电流I，从而得到交流阻抗Za和Zl，计算出电感值La和Ld，计算公式如下：

Za=Ua/I

Zl=Ul/I

La=

Ld=

实验数据：U1=57.9V ，I1=1.481A

数据处理：

3．2.3直流电动机-发电机-测速发电机组的飞轮惯量GD 测定

电力拖动系统的运动方程为：

电机空载自由停车时，T=0，Tz=Tk,则运动方程为：

从而有：

Tk可由空载功率Pk(w)求出：

dn/dt可以从自由停车时所得的曲线n=f(t)求得，其线路图如图3-3

图3-3 测定GD 时的实验线路图

电动机加额定励磁，将电机空载启动至稳定转速后，测量电枢电压Ua和电流Iao，然后断开给定，用数据存储示波器记录n=f(t)曲线，即可求取某一转速时的Tk和dn/dt。由于空载转矩不是常数，可以以转速n为基准选择若干个点，测出相应的Tk和dn/dt，以求得GD 的平均值。由于本实验装置的电机容量比较小，应用此法测GD 时有一定的误差。

经实验，我们测得数据如下：Ua=203V,Iao=0.11A

断开给定，当转速从n=1300r/min降为0时，需要1.99s

数据处理：Pk=22.15w

Tk=0.141

GD

3．2.4主电路电磁时间常数Td的测定

采用电流波形法测定电枢回路电磁时间常数Td，电枢回路突加给定电压时，电流Id按指数规律上升

其中电流变化曲线如图3-4所示，当t=Td时，有

图3-4 电流上升曲线

实验线路图如图3-5所示，电机不加励磁，调节给定使电机电枢电流在

5%Ied~90%Ied范围内。然后保持Ug不变，将给定的S2拨到接地位置，然后拨动给定S2从接地刀正电压阶跃信号，用数字存储示波器几句id=f(t)的波形。在波形图上测量出当电流上升至稳定值的63.2%的时间，即为电枢回路的电磁时间常数Td。

图3-5 测定Td的实验线路图

此实验因实验设施限制未能进行，我们取三相桥式平均失控时间0.0017s，故而Td=0.0017s.

3．2．5电动机电势常数Ce和转矩时间常数Cm的测定

将电动机加额定励磁，使其空载运行，改变电枢电压Ud，测得相应的n，即可由下式算出Ce：

转矩常数Cm的单位为N m/A.Cm可由Ce求出：

Cm=9.55Ce

经实验，我们得到如表3-4的数据：

表3-4

数据处理：

Ce=

Cm=

3．2.6系统机电时间常数Tm的测定

系统的机电时间常数可由下式计算：

3．3工程设计方法的计算

3．3.1电流调节器的设计

（1）确定时间常数

①整流装置滞后时间常数Ts，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s

②电流尾波时间常数Toi，三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（1~2）Tot=3.33ms，因此取Toi=2ms=0.002s

③电流环小时间常数之和T∑i，按小时间常数近似处理，

取T∑i=Ts+Toi=0.0037s

（2）选择电流调节器的结构

根据设计要求σ≤5%，并保持稳态电流无差，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环节，因此可用PI型电流调节器，其传递函数式为：

（3）计算电流调节器参数

电流调节器超前时间参数：

电流环开环增益：

比例系数为：

（4）校验近似条件

电流环截止频率

①校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件

②校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

③校验电流环小时间常数近似处理条件

（5）计算调节器电阻和电容

电流掉节气原理图如图3-6所示，按所用运算放大器取Ro=40 ，各电阻电容的值如下：

Ri=

Ci=

Coi=

图3-6 含给定滤波和反馈滤波的PI型ACR

3．3.2转速调节器的设计

（1）确定时间常数

①电流环等效时间常数，已取

②转速滤波时间常数Ton

根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.01s

③转速环小时间常数

按小时间常数近似处理，取

（2）选择转速调节器结构

按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数式为：

（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=s，则ASR的超前时间常数为求得转速开环增益

ASR的比例系数为

（4）校验近似条件

转速环截止频率为Wcn=

①电流环传递函数简化条件

②转速环时间常数近似处理条件

（5）计算调节器电阻和电容

转速调节器原理图如图3-7所示，取Ro=40 ，则

Rn=KnRo=299.06

Cn=

Con=

图3-7 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器

四．系统的调试

4．1单闭环不可逆直流调速系统的调试

4．1.1开环外特性的测定

（1）Uct不变时的直流电机开环特性的测定

①按图4-1的接线图接线，DJK02-1上的移相控制电压Uct由DJK04上的“给定”输出Ug直接接入，直接发电机负载电阻R，Ld用DJK02上200mH，将给定的输出调到零。

②先闭合励磁电源开关，按下DJK01电源控制屏“启动”按钮，使主电路输出三相交流电源，然后从零开始逐渐增加“给定”电压Ug，使电动机慢慢启动并使转速n达到1200rpm。

③改变负载电阻R的阻值，使电动机的电枢电流从空载直至Ied。

即可测出在Uct不变时的直流电动机开环外特性n=f(Id)，测量并记录数据于下表4-1。

表4-1

图4-1 开环系统原理图

Uc不变时直流开环特性如下图4-2

（2）Ud不变时直流开环外特性的测定

①控制电压Uc由DJK04由DJK04上的“给定”输出Ug直接接入，直接发电机负载电阻R，Ld用DJK02上200mH，将给定的输出调到零。

②按下DJK01电源控制屏“启动”按钮，使主电路输出三相交流电源，然后从零开始逐渐增加“给定”电压Ug，使电动机慢慢启动并使转速n达到1200rpm。

③改变负载电阻R的阻值，使电动机始终保持Ud不变，测出在Ud不变时直流电动机的开环外特性n=f(Id),并记录于下表4-2。

表4-2

Ud不变时开环特性如下图4-3

图4-3 Ud不变时直流开环特性

4．1.2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，输出给定值跳到零。

按下启动按钮，从零增加给定，是输出电压升高，当Ud=220V时，减小负载的阻值，调节“电流反馈与过流保护”上的电流反馈调节器RP1，使得负载电流Id=1A时，“2”端If的电流反馈电压Ufi=6V,这时的电流反馈系数β=6V/A。4．1.3转速反馈系数的整定

将给定输出Ug接DJK02-1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＝200mH，调节Ug为0。

按下启动按钮，接通励磁电源，从零逐渐增加给定，是电机提速到n＝1500rpm，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=0.004v/(rpm),

4．1.4转速单闭环直流调速系统

（1）按图4-4接线，在本实验中，DJK04的“给定”电压Ug为负给定，转速反馈为正电压，将“调节器I”接成P调节器或PI调节器。直流发电机接负载电阻R，Ld用DJK02上200mH，给定输出调到零。

（2）直流发电机先轻载，从零开始逐渐调大“给定”电压Ug，使电动机的转速接近n=1200rpm。

（3）由小到大调节直流发电机负载R，测出电动机的电枢电流Id和电机的转速n，直至Id=Ied，即可测得系统静态特性曲线n=f(Id)。

图4-4 转速单闭环系统原理图

测量并记录数据于下表4-3

表4-3

系统静态特性曲线n=f(Id)如下图4-5

图4-5 转速单闭环直流调速系统静态特性曲线

（1）按图4-6接线，在本实验中，“给定”电压Ug为负给定，电流反馈为正电压，将“调节器Ⅱ”接成P调节器或PI调节器。直流发电机接负载电阻R，Ld用DJK02上200mH，给定输出调到零。

（2）直流发电机先轻载，从零开始逐渐调大“给定”电压Ug，使电动机的转速接近n=1200rpm。

（3）由小到大调节直流发电机负载R，测出电动机的电枢电流Id和电机的转速n，直至Id=Ied，即可测得系统静态特性曲线n=f(Id)。

图4-6 电流单闭环系统原理图

测量并记录数据于下表4-4

表4-4

系统静态特性曲线n=f(Id)如下图4-7

图4-7电流单闭环直流调速系统静态特性曲线

实验内容：

（1）各控制单元调试。

（2）测定电流反馈系数β、转速反馈系数α。

（3）测定开环机械特性及高、低转速时系统闭环静态特性n=f(Id)。

（4）闭环控制特性n=f(Ug)的测定。

（5）观察、记录系统动态波形。

图4-8 双闭环直流调速系统原理框图

按图4-8接线，DJK04的给定电压Ug输出为正给定，转速反馈电压为负电压。直流发电机接负载电阻R，Ld用DJK02的200mH，负载电阻放在最大值，给定的输出调到零，将“调节器I”、“调节器Ⅱ”都调成P调节器后，接入系统，形成双闭环不可逆系统，按下启动按钮，接通励磁电源，增加给定，观察系统能否正常运行。确认整个系统的接线正确无误后，将“调节器I”、“调节器Ⅱ”恢复成PI调节器，构成实验系统。

（1）机械特性的测定

A发电机先空载，从零开始逐渐增大给定电压Ug，使电动机转速接近