電力電子運(yùn)動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　電力電子與運(yùn)動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)報(bào)告書</p><p><b>　　學(xué)院：電氣工程學(xué)院</b></p><p>　　一．課程性質(zhì)、作用、教學(xué)目標(biāo)</p><p>　　本課程為自動(dòng)化專業(yè)“電力電子技術(shù)” 、“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”兩門課程的綜合性課程設(shè)計(jì),通過指導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立完成由IGBT組成的某不可逆直流PWM雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中主電路、控制器

2、設(shè)計(jì)及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能仿真,以使學(xué)生掌握電力電子裝置設(shè)計(jì)的方法和運(yùn)用工程設(shè)計(jì)方法進(jìn)行實(shí)際自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法、步驟,提高電力電子系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)能力和綜合運(yùn)用“電力電子技術(shù)” 、“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”, “自動(dòng)控制理論”、 “建模與仿真”等課程所學(xué)知識(shí)的能力,促進(jìn)理論聯(lián)系實(shí)際和解決問題能力的提高。</p><p>　　二．課程設(shè)計(jì)的基本要求 </p><p>　　1．根據(jù)課程設(shè)計(jì)任

3、務(wù)書的給定條件和技術(shù)指標(biāo)，在教師指導(dǎo)下，獨(dú)立完成設(shè)計(jì)方案的選擇與論證、主電路設(shè)計(jì)、控制器設(shè)計(jì)、系統(tǒng)建模與仿真。</p><p>　　2．獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告的撰寫。</p><p>　　3．要求會(huì)查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)、資料。</p><p>　　4．掌握電力電子裝置設(shè)計(jì)的方法和運(yùn)用工程設(shè)計(jì)方法進(jìn)行實(shí)際自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法、步驟。</p><p>

4、;<b>　　三．課程設(shè)計(jì)說明書</b></p><p>　　(一)設(shè)計(jì)題目和給定條件、技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　1．設(shè)計(jì)題目：直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　2．給定條件、技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　系統(tǒng)形式：不可逆（無制動(dòng)功能）直流PWM雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　直流

5、電動(dòng)機(jī)（他勵(lì)，勵(lì)磁電路參數(shù)略）：</p><p>　　額定功率PN為22kW 、額定轉(zhuǎn)速nN為1500 r/min、額定電流IN 為113.24A、</p><p>　　額定電壓UN為220V、電樞電阻 Ra為0.14Ω、允許過載倍數(shù)λ=1.5</p><p>　　系統(tǒng)總飛輪矩GD2 : 26.95Nm2 </p><p>　　測(cè)速發(fā)

6、電機(jī):額定轉(zhuǎn)速為1900 r/min、額定電壓為110V、額定電流為0.21A</p><p>　　電流檢測(cè)：采用霍爾電流傳感器</p><p>　　電樞回路總電阻（計(jì)及整流器的等效內(nèi)阻等）：R=3Ra</p><p>　　脈寬調(diào)制器的調(diào)制波周期TPWM設(shè)計(jì)值（建議）為100μs</p><p><b>　　系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo):</

7、b></p><p>　　調(diào)速范圍D=25、靜差率s ≤0.05、電流超調(diào)量σi %≤5%、</p><p>　　空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量σn%≤10%</p><p>　　最小不間斷電樞電流IMIN=5%IN</p><p>　　技術(shù)方案的論證與說明</p><p>　　1.若采用G-M系統(tǒng)獲得穩(wěn)壓直流

8、電源，則系統(tǒng)需要的設(shè)備較多而且設(shè)備體積大、噪聲重、實(shí)現(xiàn)費(fèi)用高，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的效率也低下，況且設(shè)備維護(hù)不方便，系統(tǒng)的時(shí)間滯后為s級(jí)。</p><p>　　2.若采用V-M系統(tǒng)獲得穩(wěn)壓直流電源，則系統(tǒng)的時(shí)間滯后常數(shù)為ms級(jí)，較G-M系統(tǒng)有了很大的進(jìn)步。但是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的諧波和無功功率，對(duì)電網(wǎng)造成較大危害，就是我們所說的 “電力公害”。晶閘管對(duì)過電壓、過電流都敏感，保護(hù)措施要求很高。此外，電路中直流脈動(dòng)也較

9、大。</p><p>　　3.若采用二極管進(jìn)行不控整流，然后通過IGBT進(jìn)行降壓斬波，以得到合適的電壓。斬波過程采用PWM控制方式。此種方法的時(shí)間滯后就只是μs級(jí)，則系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。且主電路電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用功率器件也較少，成本也較低。IGBT開關(guān)頻率高最大能夠達(dá)到20KHz，使電流易于連續(xù)，諧波少，功率因數(shù)高，對(duì)電網(wǎng)的影響小。系統(tǒng)的低速性能好，調(diào)速范圍寬，抗擾能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是容量上不去，適用于中小容量的場(chǎng)合。但較

10、之前兩者此種方法已經(jīng)有了很大的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于此次設(shè)計(jì)要求也是能夠滿足，從而選用它。</p><p>　　4.控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方案：雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流分別由兩個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)器分別控制，且轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出就是電流調(diào)節(jié)器的給定，因此電流環(huán)能夠隨轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電樞的電流。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于給定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分作用使輸出增加，即電流給定上升，并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電動(dòng)機(jī)電流增加，從

11、而使電動(dòng)機(jī)獲得加速轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升。當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速高于給定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出減小，并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電動(dòng)機(jī)電流下降，電動(dòng)機(jī)將因?yàn)殡姶呸D(zhuǎn)矩的減小而減速。在當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和輸出達(dá)到限幅值時(shí)，電流環(huán)即以最大電流限制Idm實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的加速，使電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)間最短。</p><p>　　（三）設(shè)計(jì)計(jì)算的公式、數(shù)據(jù)以及結(jié)果</p><p><b>　　1.電勢(shì)系數(shù)Ce</b>

12、;</p><p>　　UN=Ce*nN+IN*Ra（UN=220V,Ra=0.14Ω,IN=113.24）</p><p>　　求得：Ce=0.1361V.min/r</p><p><b>　　轉(zhuǎn)矩系數(shù)Cm</b></p><p>　　Cm=60Ce/（2π）=1.2997</p><p>&

13、lt;b>　　機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm</b></p><p>　　Tm＝==0.1706s</p><p>　　最大轉(zhuǎn)速給定電壓Un*max（也即等于最大轉(zhuǎn)速反饋電壓Unmax）</p><p>　　Un*max=80％Usc=0.8*5=4V（說明：這里轉(zhuǎn)速給定電壓通過SG3524的16號(hào)+5V電源引腳輸出，但是為了一定余量和便于調(diào)節(jié)的范圍取它的80%

14、）</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α</b></p><p>　　α=Un*max/ nN=4/1500=0.0027V.min/r</p><p>　　測(cè)速發(fā)電機(jī)電勢(shì)系數(shù)Cctg</p><p>　　Cctg=110/1900=0.0579V.min/r</p><p>　　最大電流給

15、定電壓Ui*max（也即等于最大轉(zhuǎn)速反饋電壓Uimax）</p><p>　　同Un*max的取法，這里也取Ui*max=80％Usc=0.8*5=4V</p><p><b>　　8.電流反饋系數(shù)β</b></p><p>　　β=Ui*max/Imax（Imax=λ*IN）=4/（1.5*113.24）=0.0235V/A</p>

16、;<p>　　9.測(cè)速發(fā)電機(jī)分壓電阻電位器RP</p><p>　　輸出電位器RP2的分壓系數(shù)α2=α/ Cctg =0.0466</p><p>　　RRP=Cctg*nN /（0.2*INtg）=2067≈2.1K（這里取測(cè)速發(fā)電機(jī)額定電流的20%為較合適的電流）</p><p>　　WRP= Cctg*nN*0.2*INtg=3.645W，為了不

17、致使電位器溫度很高，實(shí)際電位器的瓦數(shù)應(yīng)為所消耗的一倍以上，所以我們選用RP為10W，2.1kΩ</p><p>　　整流器的輸出電壓Us、三相變壓器、三相橋式整流二極管選取</p><p>　?。?）0.9*0.9*Us=3Ra*λ*IN</p><p>　?。ǖ谝粋€(gè)0.9表示考慮有電網(wǎng)電壓波動(dòng)下滑90%，第二個(gè)0.9表示控制IGBT的PWM占空比最大值）</

18、p><p>　　求得Us=340.12V，所以三相變壓器二次側(cè)相電壓U2=Us/2.34=145.35V</p><p>　　則三相變壓器二次側(cè)線電壓為U2=251.75V，根據(jù)網(wǎng)上三相變壓器資料，取250V的二次側(cè)線電壓，故重新求得U2=144.34V，Us=337.75V</p><p>　?。?）額定負(fù)載電流Id=IN=113.24A，三相橋式整流電路變壓器二次側(cè)

19、線電流I2=Id，所以變壓器容量SN=3U2*I2==40K.VA（三相變壓器一次側(cè)額定電壓380V，二次側(cè)額定電壓250V）</p><p>　?。?）電力電子中，三相橋式整流電路每個(gè)橋臂通過的有效電流IVT=Id=65.38A，則通過的平均電流IVT（AV）=IVT/1.57=41.64A,故整流二極管取三倍的電流值為125A，經(jīng)過查閱資料，選取ZK200-ZL20型整流二極管（其整流平均電流IF(AV)=2

20、00A，反向重復(fù)峰值電壓范圍VRRM為500-2000V）</p><p>　　11.電樞回路電抗器電感L及電磁時(shí)間常數(shù)TL</p><p>　　L=0.125*Us*Tpwm/Idmin=0.125*337.75*10-4/（5%*113.24）=0.746mH</p><p>　　電磁時(shí)間常數(shù)TL=L/R=0.000746/0.42=0.0018s</p&

21、gt;<p>　　整流裝置放大系數(shù)Ks</p><p>　　Ks=Udm/Uc=337.75*0.9/3.5=86.85</p><p>　　這里取PWM占空比為0.9時(shí)的整流輸出電壓對(duì)應(yīng)著最大的控制電壓Ucmax，而根據(jù)SG3524的內(nèi)部三角波幅值決定了電流調(diào)節(jié)器輸出（也即整流裝置的最大控制電壓Ucmax）應(yīng)在3.5V以內(nèi)。</p><p><

22、b>　　電流環(huán)計(jì)算</b></p><p>　　整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts=TPWM=10-4</p><p>　　電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi=3Ts=3*10-4</p><p>　　電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和T∑i=Ts+Toi=4*10-4</p><p>　　要求電流超調(diào)量δi≤5%，并保證電流無靜差，用PI型電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)

23、WACR(s)=Ki(τi*s+1)/( τi*s)檢查電源電壓抗干擾性能TL/T∑i=4.5，可以接受。</p><p><b>　　電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算</b></p><p>　　電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)τi=TL=0.0018</p><p>　　電流環(huán)開環(huán)增益KI：要求δi≤5%，KI*T∑i=0.5，所以KI=1250</p>

24、;<p>　　所以ACR的比例系數(shù)==0.463</p><p><b>　　校驗(yàn)近似條件</b></p><p>　　電流環(huán)截止頻率ωci=KI=1250s-1</p><p>　　PWM整流裝置傳遞函數(shù)近似條件</p><p>　　忽略反電勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響條件</p><p>　　

25、電流環(huán)小時(shí)間近似條件</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器電阻和電容計(jì)算 </p><p><b>　　取R0=40 kΩ</b></p><p>　　Ri=Ki*R0=18.52 kΩ,取Ri=18.7 kΩ（標(biāo)稱值）</p><p>　　Ci=τi/ Ri=0.09uF取0.1uF（標(biāo)稱值）</p><

26、;p>　　Coi=4*Toi/ R0=0.03uF</p><p>　　Rbal=R0∥Ri=18.2kΩ</p><p><b>　　14.轉(zhuǎn)速環(huán)計(jì)算</b></p><p>　　電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù) 1/KI=2 T∑i=0.0008s</p><p>　　轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù) Ton

27、=0.01s</p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù) TΣn=1/KI+Ton=0.0108s</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇PI調(diào)節(jié)器 WASR(s)=Kn(τn*s+1)/( τn*s)</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算</b></p><p>　　取中頻寬h=5則ASR超前時(shí)間

28、常數(shù)τn=h*TΣn=0.054s</p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益KN==1028.8</p><p><b>　　ASR比例系數(shù)</b></p><p><b>　　檢驗(yàn)近似條件</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率ωcn=KN/ω1==KN*τn=55.55s-1</p>

29、<p>　　電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件：</p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理：</p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電阻和電容計(jì)算</p><p><b>　　取R0=40 kΩ</b></p><p>　　Rn=Kn*R0=1069 kΩ,取Rn=1MΩ（標(biāo)稱值）</p><p>　

30、　Cn=τn/ Rn=0.054uF,取0.051uF（標(biāo)稱值）</p><p>　　Con=4*Ton/ R0=1uF（標(biāo)稱值）</p><p>　　Rbal=R0∥Ri=38.3kΩ（標(biāo)稱值）</p><p><b>　　電氣原理圖</b></p><p>　　總的電氣原理圖如附圖，現(xiàn)將各個(gè)子模塊展示如下：</

31、p><p>　　1.主回路電路圖如下：</p><p>　　圖一、直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主回路原理圖</p><p>　　2.電源模塊分為+5V，+15V，-15V，+20V，分別如下：</p><p>　　圖、電源模塊的+5V、+20V子模塊</p><p>　　圖二、電源模塊的+15V、-15V子模塊</p>

32、<p>　　3.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器子塊如下：</p><p>　　圖三、ASR和ACR</p><p>　　4.PWM脈波產(chǎn)生電路及IGBT驅(qū)動(dòng)電路如下：</p><p>　　圖四、PWM脈波產(chǎn)生電路及IGBT驅(qū)動(dòng)電路</p><p><b>　　仿真模型</b></p><p>

33、　　圖五、直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng)框圖</p><p>　　圖六、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR內(nèi)部結(jié)構(gòu)（內(nèi)置抗飽和內(nèi)限幅電路）</p><p>　　圖七、電流調(diào)節(jié)器ACR內(nèi)部結(jié)構(gòu)（一般不會(huì)飽和所以沒有像ASR內(nèi)部那樣接法）</p><p><b>　　六．仿真結(jié)果及分析</b></p><p>　　1）起動(dòng)：階躍給定轉(zhuǎn)速分別為190 r

34、/min、375 r/min、750 r/min 、1500 r/min；</p><p>　　給定轉(zhuǎn)速190r/min時(shí)波形：</p><p>　　圖八、給定轉(zhuǎn)速190r/min轉(zhuǎn)速電流波形</p><p>　　峰值：210.3r/min</p><p>　　穩(wěn)態(tài)值：190r/min</p><p>　　超調(diào)量σ%：

35、10.6%</p><p>　　上升時(shí)間tr：1.186s</p><p>　　峰值時(shí)間他tp：1.216s</p><p>　　給定轉(zhuǎn)速375r/min時(shí)波形：</p><p>　　圖九、給定轉(zhuǎn)速375r/min轉(zhuǎn)速電流波形</p><p>　　峰值：395.3r/min</p><p>　　

36、穩(wěn)態(tài)值：375r/min</p><p>　　超調(diào)量σ%：5.41%</p><p>　　上升時(shí)間tr：1.367s</p><p>　　峰值時(shí)間他tp：1.396s</p><p>　　給定轉(zhuǎn)速750r/min時(shí)波形：</p><p>　　圖十、給定轉(zhuǎn)速750r/min轉(zhuǎn)速電流波形</p><p&

37、gt;　　峰值：770.3r/min</p><p>　　穩(wěn)態(tài)值：750r/min</p><p>　　超調(diào)量σ%：2.71%</p><p>　　上升時(shí)間tr：1.732s</p><p>　　峰值時(shí)間他tp：1.761s</p><p>　　給定轉(zhuǎn)速1500r/min時(shí)波形：</p><p>

38、;　　圖十一、給定轉(zhuǎn)速1500r/min轉(zhuǎn)速電流波形</p><p>　　峰值：1520r/min</p><p>　　穩(wěn)態(tài)值：1500r/min</p><p>　　超調(diào)量σ%：1.33%</p><p>　　上升時(shí)間tr：2.463s</p><p>　　峰值時(shí)間他tp：2.492s</p><

39、p>　　將四個(gè)給定轉(zhuǎn)速作在一張圖上：</p><p>　　圖十二、四種給定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速電流波形綜合</p><p>　　第一階段是電流上升階段：突加給定電壓，由于轉(zhuǎn)速很小，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出保持限幅值，強(qiáng)迫電流Id迅速上升，直到Id=Idm,</p><p>　　第二階段恒流升速階段：ASR始終飽和，Id保持恒定，轉(zhuǎn)速線性增長(zhǎng)。</p><p&

40、gt;　　第三階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段：當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值，由于ASR的積分作用，仍在加速，轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸出為負(fù)，開始退飽和，由于Id仍大于負(fù)載電流，轉(zhuǎn)速仍然增加，直到Id等于負(fù)載電流，轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值。然后在負(fù)載的作用下，轉(zhuǎn)速下降，經(jīng)過一段時(shí)間調(diào)整，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，電流也達(dá)到穩(wěn)定。</p><p>　　作比較一下四種給定轉(zhuǎn)速列表如下</p><p>　　簡(jiǎn)析：隨著給定轉(zhuǎn)速增加超調(diào)量逐漸減小，動(dòng)態(tài)時(shí)間

41、過程變長(zhǎng)。</p><p>　　2）抗擾：給定轉(zhuǎn)速n*為1300 r/min，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩階躍變化。</p><p>　　仿真方法：先空載啟動(dòng)，再到2s時(shí)給額定負(fù)載運(yùn)行（這為一個(gè)負(fù)載擾動(dòng)），再到7s時(shí)減小負(fù)載（也為一個(gè)負(fù)載擾動(dòng)）仿真得到下圖：</p><p>　　圖十三、2s和7s時(shí)給定兩個(gè)負(fù)載擾動(dòng)波形</p><p>　　負(fù)載擾