电气传动1.docx
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电气传动1
一、课程设计任务书:
双闭环(转速环、电流环)直流调速系统是一种当前应用广泛,经济,适用的电力传动系统。
它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。
本次实验将利用实验台已有设备和示波器、万用表等测试电机及晶闸管的电气参数,设计电流调节器和转速调节器以达到设计一个直流双闭环调速系统的任务。
二、课题的发展情况研究意义:
随着各种处理器的出现和发展,国外对直流调速系统的研究也在不断的进步和完善,80年代该方面的研究达到最盛的时期。
大型的直流电动机的调速系统一般均采用晶闸管触发脉冲,研究人员对控制算法作了大量的研究:
提出模糊PID算法、自适应PID算法、内模控制的算法和I-P控制器取代PI调节器的算法等。
目前,国外一些电气公司,如瑞典的ABB,德国的西门子、AEG,日本的三菱、东芝,美国的GE、西屋等,均已开发出多个数字直流调速装置,有较成熟的标准化、系列化、模板化的应用产品。
从20世纪60年代初随着我国第一只硅晶闸管试制成功以来,双闭环直流调速系统的设计与仿真得到了广泛的应用和迅速的发展。
双闭环直流调速系统是性能很好,应用最广的直流调速系统。
采用该系统可获得优良的静、动态调速特性。
此系统的控制规律,性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。
通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解,使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容,在对其各种性能加深了解的同时,能够发现其缺陷之处,通过对该系统不足之处的完善,可提高该系统的性能,使其能够适用于各种工作场合,提高其使用效率。
并以此为基础,再对交流调速系统进行研究,最终掌握各种交、直流调速系统的原理,使之能够应用于国民经济各个生产领域。
三、设备选型:
直流电机参数:
型号:
130SZ01
产品类型:
有刷直流电动机
额定电压:
110V
额定电流:
4.4A
额定功率:
355W
额定转速:
1500rpm
额定转矩:
2.256NM
外形尺寸:
直径130mm
允许顺逆转速差:
0.28r/min
市场价格:
元
四、实验台各个模块及功能简介:
4.
1ASR和ACR原型模块
图PI型电路调节器的组成
如上图所示,为需要设计的电流调节器和转速调节器的模型图,只要计算得到电阻和电容即可构造调节器。
由放大器的反馈环节R_i和C_i知道该调节器为比例积分调节器,通过PI控制简单方便易于计算和控制。
4.2转速检测电路设计
转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号,滤除交流分量,为系统提供满足要求的转速反馈信号。
转速检测电路主要由测速发电机组成,将测速发电机与直流电动机同轴连接,测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号,经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统。
其原理图如图3.2所示。
图转速检测电路原理图
4.3电流检测电路设计
电流检测电路的主要作用是获得与主电路电流成正比的电流信号,经过滤波整流后,用于控制系统中。
该电路主要由电流互感器构成,将电流互感器接于主电路中,在输出端即可获得与主电路电流成正比的电流信号,起到电气隔离的作用。
其电路原理图如图3.3所示。
图电流检测电路原理图
4.4.过电压保护和du/dt限制
凡是超过晶闸管正常工作是承受的最大峰值电压的都算过电压。
产生过压的原因是电路中电感元件聚集的能量骤然释放或是外界侵入电路的大量电荷累积。
按过压保护的部位来分,有交流侧保护,直流侧保护和元件保护。
元件保护主要是通过阻容吸收电路,连线如图4.4所示。
阻容吸收电路的参数计算式根据变压器铁芯磁场释放出来的能量转化为电容器电场的能量存储起来为依据的。
由于电容两端的电压不能突变,所以可以有效的抑制尖峰过电压。
串阻的目的是为了在能量转化过程中能消耗一部分能量,并且抑制LC回路的振荡。
4.5安全保护措施:
过电流保护和di/dt限制
由于晶闸管的热容量很小,一旦发生过电流时,温度就会急剧上升可能烧坏PN结,造成元件内部短路或开路。
晶闸管发生过电流的原因主要有:
负载端过载或短路;某个晶闸管被击穿短路,造成其他元件的过电流;触发电路工作不正常或受干扰,使晶闸管误触发,引起过电流。
晶闸管允许在短时间内承受一定的过电流,所以过电流保护作用就在于当过电流发生时,在允许的时间内将过电流切断,以防止元件损坏。
五测试
在设计转速、电流双闭环调速系统时,要先进行参数测定、系统调试、限幅值修改等工作,具体工作有电机开环机械特性测试、点数回路电阻测定、机电时间常数测定、Ks、α、β等参数的确定。
(1)测开环机械特性
测量电机的开环机械特性电路图如图:
图测开环机械特性电路图
相关实验数据表
Ud=110V
电枢电流
空载
1.94
2.5
3.0
4.0
转速
1574
1217
1150
1090
1009
Ud=55V
电枢电流
空载
1.5
2.0
2.5
3.5
转速
704
682
630
578
487
在坐标系下画出图形大致是:
图机械特性图
(2)测电枢回路电阻
测量电机的电枢回路电阻电路图如图:
图测电枢电阻电路图
相关实验数据表:
电枢电压59V
I
1.09
1.33
1.64
2.8
V
52.8
51.4
49.6
41
去掉电机
I
1.10
1.40
2.20
3.20
V
55.7
54.7
51.3
46.8
去掉电抗
I
1.11
1.33
1.64
2.00
v
55.8
54.4
53.4
50.5
由公式
可以得出电枢总电阻为
R总=6.9Ω。
(3)测量机电时间常数Tm
实验电路图如图,实验数据如下:
1500r/min时,Ud=98.5V,Io=0.5A,R=6.9Ω,dt=4.6s;
1600r/min时,dt=4.8s,取平均值,dt=4.7s。
根据公式:
可以求得飞轮距
又有实验数据得
因此
(4)系统参数
电路图如图,实验数据如下表:
Ud/V
94.9
98.5
87.8
Uct/V
4.76
4.92
4.52
Ks
19.94
20.02
19.42
U/V
1
2.4
2.93
3.07
3.92
4.8
n/r/min
300
770
960
1100
1270
1500
α/×10-3
3.33
3.12
3.05
2.79
3.08
3.20
U/mV
397
414
440
467
I/mA
390
410
450
470
β
1.01
1.01
0.97
0.99
由以上实验数据可以得出:
六设计
完成以上实验后,开始搭建转速、电流双闭环调速系统,电路图如下:
图转速电流双闭环调速系统结构图
根据设计要求,电流环超调量小于5%,转速换超调量小于10%,因此先设计电流环,再设计转速环。
6.1电流调节器
在按动态性能设计电流环时,可以暂不考虑反电动势变化的动态影响,即DE≈0。
这时,电流环如图所示:
经过小惯性环节近似处理之后,最终简化为
图小惯性环节近似处理
其中,时间常数的计算
1)直流电机参数见五;
2)整流装置滞后时间常数;
3)电流滤波时间常数;
4)电流环小时间常数之和
5)电枢回路电磁时间常数
6)电力拖动系统机电时间常数
要求电流无静差,实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调,以保证电流在动态过程中不超过允许值,而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素,为此,电流环应以跟随性能为主,应选用典型I型系统。
电流环的控制对象是双惯性型的,要校正成典型I型系统,显然应采用PI型的电流调节器,其传递函数可以写成
式中—电流调节器的比例系数;
—电流调节器的超前时间常数。
电流调节器超前时间常数:
故
经过近似条件校验,满足近似条件。
图PI电流调节器组成
按所用运算放大器取,各电阻和电容值为:
6.2转速调节器
图等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理的转速环结构框图
其中,时间常数的计算:
1)电流环等效时间常数。
由电流环参数可知,则
2)转速滤波时间常数。
根据已知条件可知
3)转速环时间常数
为了实现转速无静差,在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节,它应该包含在转速调节器ASR中,现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节,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—转速调节器的比例系数;
—转速调节器的超前时间常数。
按跟随和抗扰性能都较好的原则,取h=5,则ASR的超前时间常数为:
转速环开环增益为:
ASR的比例系数为:
因此
经过近似条件校验,满足近似条件。
图PI转速调节器组成
取,则
七调试
在设计好转速电流双闭环系统之后,在matlab中用simulink进行了仿真,发现曲线不符合要求,随后进行了调试和修改,形成了下面的结构框图:
图转速电流双闭环simulink仿真结构图
得到的曲线分别是
图转速输出波形
图
电流输出波形
八实验结果
九实验室安全及实验过程注意事项
1.不用潮湿的手接触电器。
2.实验时,应先连接好电路后才接通电源。
实验结束时,先切断电源再拆线路。
3.修理或安装电器时,应先切断电源。
4.遇到突发事故,安全员需要迅速断电。
5.手上有水或潮湿请勿接触电器用品或电器设备;严禁使用水槽旁的电器插座(防止漏电或感电)。
6.实验室内的专业人员必须掌握本室的仪器、设备的性能和操作方法,严格按操作规程操作。
7.机械设备应装设防护设备或其它防护罩。
8.电器插座请勿接太多插头,以免电荷负荷不了,引起电器火灾。
9.如电器设备无接地设施,请勿使用,以免产生触电。
十总结
本次实验我们小组一共四个人,每个组员都有着明确的分工。
我是我们组的安全员,首先要负责整个试验台的上电、断电,什么时候上弱电什么时候上强电,在遇到元器件报警装置报警时及时掉电以保证组员们安全,然后负责调节给定电压。
并且和张钟玉一起负责线路连接和检测。
闫昶负责记录数据和实验中所遇到的问题,李浩同学负责完成电脑仿真并进行电流与转速环的参数计算。
最后我们四人一同完成最后的调试过程,实验圆满完成。
课程设计给我们一个复习利用并融会贯通所学内容的机会。
在电气传动的课程上我们学习了电流转速双闭环调速系统的构成和设计,也就是工程设计法,但没有自行设计完整的实验过程。
在这次学习中,我们将所学知识加以利用,自行在实验中测得数据,经过仿真和工程设计法,计算出适合我们自己实验台的数据,并进行实际操作进行调试来达到我们的理想目标,自行排除故障问题,解决数据问题,最后完成这次课程设计。
在这次课程设计中我们也遇到了很多问题,比如元器件的损坏,实验中无论如何增大给定电压转速只能达到1140r/min,电压只能达到74.4V,经检查电阻箱出现问题,更换之后问题得到了解决。
参考文献
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【2】王兆安,等.电力电子技术[M].北京:
机械工业出版社,2000.
【3】胡崇岳. 现代交流调速技术. 机械工业出版社,2001
【4】李友善. 自动控制原理,北京:
国防工业出版社,1981.
【5】 周渊深. 交直流调速系统与MATLAB仿真.北京:
中国电力出版社,2004
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