双闭环控制系统设计

电力拖动自动控制系统课程设计报告课程设计名称：电力拖动自动控制系统课程设计题目：双闭环控制系统设计学生姓名：董长青专业：电气自动化技术专业班级：Z070303学号：Z07030330指导教师：姬宣德日期：2010年03月10日摘要随着现代工业的发展，在调速领域中，双闭环控制的理念已经得到了越来越广泛的认同与应用。

相对于单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程的弱点。

双闭环控制则很好的弥补了他的这一缺陷。

双闭环控制可实现转速和电流两种负反馈的分别作用，从而获得良好的静，动态性能。

其良好的动态性能主要体现在其抗负载扰动以及抗电网电压扰动之上。

正由于双闭环调速的众多优点，所以在此有必要对其最优化设计进行深入的探讨和研究。

本次课程设计目的就是旨在对双闭环进行最优化的设计。

SummaryWith the development of modern industry, in the speed area, the concept of dual-loop control has been increasingly widespread recognition and application.Relative to the single closed-loop system can not arbitrarily control the dynamic process of current and torque weakness. Double closed-loop control is very good to make up for this shortcoming of his.Double-loop speed and current control can achieve the difference of two negative feedback effect, thus get a good static and dynamic performance. The good dynamic performance mainly reflected in its anti-disturbance and anti-grid load over voltage disturbance. Precisely because of the many advantages of Double Closed Loop, so here it is necessary to optimize the design of its depth discussion and study. This course is designed to designed to optimize the double loop design.目录一．课程设计设计说明书41.1系统性能指标1.2整流电路41.3触发电路的选择和同步51.4双闭环控制电路的工作原理6二. 设计计算书72.1整流装置的计算72.1.1变压器副方电压72.1.2变压器和晶闸管的容量82.1.3平波电抗器的电感量82.1.4晶闸管保护电路92.2 控制电路的计算102.2.1已知参数102.2.2预选参数112.2.3最佳典型II型速度环的计算142.3系统性能指标的分析计算152.3.1静态指标的计算152.3.2动态跟随指标的计算162.3.3动态抗扰动指标的计算16三、心得体会四、附录五．参考文献18一、课程设计设计说明书1.1系统性能指标调速范围D>10静差率s<5%电流超调量<5%空载起动到额定转速的超调量<10%，调整时间<1s当负载变化20%的额定值，电网波动10%额定值时，最大动态速降<10%,动态恢复时间<0.3s1.2整流电路本次课程设计的整流主电路采用的是三相桥式全控整流电路，它可看成是由一组共阴接法和另一组共阳接法的三相半波可控整流电路串联而成。

共阴极组VT1、VT3和VT5在正半周导电，流经变压器的电流为正向电流；共阳极组VT2、VT4和VT6在负半周导电，流经变压器的电流为反向电流。

变压器每相绕组在正负半周都有电流流过，因此，变压器绕组中没有直流磁通势，同时也提高了变压器绕组的利用率。

三相桥式全控整流电路多用于直流电动机或要求实现有源逆变的负载。

为使负载电流连续平滑，有利于直流电动机换向及减小火花，以改善电动机的机械特性，一般要串入电感量足够大的平波电抗器，这就等同于含有反电动势的大电感负载。

三相桥式全控整流电路的工作原理是当o 0=α时的工作情况。

触发电路先后向各自所控制的6只晶闸管的门极（对应自然换相点）送出触发脉冲，即在三相电源电压正半波的1、3、5点（正半波自然换相点）向共阴极组晶闸管VT1、VT3、VT5输出触发脉冲；在三相电源电压负半波的2、4、6点（负半波自然换相点）向共阳极组晶闸管VT2、VT4、VT6输出触发脉冲。

以下三点是三相桥式全控整流电路所要遵循的规律：1）三相桥式全控整流电路任一时刻必须有两只晶闸管同时导通，才能形成负载电流，其中一只在共阳极组，另一只在共阴极组。

2）整流输出电压波形是由电源线电压UV u 、UW u 、VW u 、VU u 、WU u 和WV u 的轮流输出所组成的，各线电压正半波交点1~6分别是VT1~VT6的自然换相点。

3）六只晶闸管中每管导通o 120，每间隔o60有一只晶闸管换流。

综上所述，三相桥式全控整流电路的整流输出电压脉动小，脉动频率高，基波频率为300Hz ，所以串入的平波电抗器电感量较小。

在负载要求相同的直流电压下，晶闸管承受的最大电压，将比采用三相半波可控整流电路要减小一半，且无需要中线，谐波电流也小。

所以，广泛应用于大功率直流电动机调速系统。

如果为了省去整流电压器，可以选用额定电压为440V 的直流电动机。

相比其他各类整流电路而言，再根据其优点，所以采用三相桥式全控整流电路。

本次本次课程设计的变压器联结组别采用的是主变压器为Yd11和同步变压器为Yy4。

当然不同的联结组别的选择会产生不同的效果和作用。

三相变压器的绕组联结时应注意利用单相变压器接成三相变压器组时，要注意绕组的极性。

把三相心式变压器的一、二次侧三相绕组接成星形或三角形时，其首端都应为同名端；一、二次绕组相序要一致。

1.3触发电路的选择和同步晶闸管的电流容量越大，要求的触发功率越大。

对于大中电流容量的晶闸管，为了保证其触发脉冲具有足够的功率，往往采用由晶体管组成的触发电路。

本次课程设计的触发电路采用的是锯齿波同步的触发电路，该电路由五个部分组成，分别为同步环节；锯齿波形成及脉冲移相环节；脉冲形成、放大和输出环节；双脉冲形成环节；强触发环节。

选择好触发电路后，就要考虑同步的问题。

实现同步的主要方法是通过同步变压器TS 的不同联结组别向各触发单元提供不同相位的交流电压，确保变流装置中各晶闸管能按规定的顺序和时刻获得触发脉冲并有序地工作。

通常，同步变压器的联结组别与主电路整流变压器联结组别、主电路形式、负载性质以及采用何种触发电路均有关系。

实际上所谓三相触发电路同步定相，就是在主电路整流变压器联结组别、主电路形式、负载提出的所需移相范围以及触发电路均已确定的条件下，如何经过简便的方法来确定同步变压器联结组别并给各触发单元选取相应的同步电压。

由于同步变压器二次电压要分别接到各单元触发电路，而各单元触发电路又均有公共“接地”端点，所以同步变压器的二次侧选择星形联结。

由于整流变压器与同步变压器一次绕组总是接在同一的三相电源上，所以对同步变压器联结组别的确定可以采用简化的电压相量图解方法。

1.4双闭环控制电路的工作原理首先是对双闭环控制电路的稳态工作原理的分析，可以根据系统的稳态结构框图来分析，分析稳态工作原理的关键是要了解PI调节器的稳态特征，一般都会存在着两种状况：饱和——输出达到限幅值，不饱和——输出未达到限幅值。

当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。

当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压在稳态时总为零。

在实际的正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。

因此，只有转速调节器饱和和不饱和两种情况。

当转速调节器不饱和时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。

而当转速调节器饱和时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。

双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。

在稳态工作点上，转速是由给定电压决定的，ASR的输出量是由负载电流决定的，而控制电压的大小则同时取决于转速和负载电流。

PI调节器的输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。

双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。

当负载电流达到Idm时，对应于转速调节器的饱和输出，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。

这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。

这样的静特性比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。

最后是对其动态抗扰性能的分析，对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。

主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。

负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR 来产生抗负载扰动的作用。

就静特性而言，系统对它们的抗扰效果是一样的。

但从动态性能上看，由于扰动作用点不同，存在着能否及时调节的差别。

负载扰动能够比较快地反映到被调量n 上，从而得到调节，而电网电压扰动的作用电力被调量稍远，调节作用受到延滞，因此单闭环调速系统抑制电压扰动的性能要差一点。

综上所述，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗绕性能大有改善。

因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。

二、 设计计算书2.1整流装置的计算2.1.1变压器副方电压为了减小电网与整流装置的相互干扰,使整流主电路与电网隔离,为此需要配置整流装置。

但由于电网电压波动、管子本身的压降以及整流变压器等效内阻造成的压降等。

所以设计时U2φ应按下式计算:)(cos 22min 2n dl T dn I I CU AB U n U U -∆+=αφ式中：Udn 为负载的额定电压，取220VΔUt 为整流元件的正向导通压降，取1Vn 为电流回路所经过的整流元件的个数，桥式电路取2A 为理想情况下 0=α时20U U d ，取2.34B 为实际电压与理想空载电压比，取0.93min α为最小移相角，取 10C 为线路接线方式系数，取0.5dl U 为变压器阻抗电压比，取0.05 NI I 2为二次侧允许出现的最大电流与额定电流之比，取0.816 所以将数据代入V U 3.106)816.005.05.098.0(93.034.2122202=⨯⨯-⨯⨯⨯+=φ2.1.2变压器和晶闸管的容量(1)变压器容量理想条件下变压器二次容量为KVAI U I U S N 617.10816.0332222=⨯⨯==φ(2) 晶闸管容量 晶闸管额定电压应选等于元件实际承受最大峰值电压TM U 的(2～3)倍 V U U U TM Tn 66.30022)3~2(2=⨯⨯==φ考虑3倍的过压容量,取V 98.901晶闸管额定电流:有效值A I I N VT .55.233==平均值24.1215)57.1()(=≥==N VT AT VT KI I I 考虑(1.5～2))(AT VT I 的过流裕量,取A 28.242.1.3平波电抗器的电感量为了使负载电流得到平滑的直流,通常在整流输出端串入带有气隙铁心的电抗器。