运动控制系统课程设计指导书.doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上华南理工大学广州学院电信工程学院自动化专业自动控制系统课程设计任务书(题目号)一课程设计题目： 晶闸管转速、电流双闭环调速系统设计二课程设计内容：设计一转速、电流双闭环直流调速系统，采用他励直流电动机、晶闸管三相全控桥式整流电路，其数据如下： 直流电动机电流过载系数取*，电枢电阻计算系数取*，电机轴上总转动惯量*; 晶闸管触发与整流装置的放大系数 =* ；三相供电线电压380V，相电压220V，电网波动系数b=*； 额定转速时的给定电压=* V； 调节器饱和输出电压*V； 调速范围 D=*; 系统的静、动态性能指标：无静差，电流超调量,空载起动到*%额定转速时的转速超

2、调量。三课程设计要求：1. 进行晶闸管整流器主电路形式选择、整流变压器的选择(二次电压、电流、变压器视在功率)、整流器件的选择、平波电抗器的选择、触发电路的选择；2.系统各主要参数的估计与计算（整流器内阻、平均失控时间、电枢回路总阻、电枢回路总电感、电机电势常数、转矩常数、电磁时间常数、机电时间常数、电流反馈滤波时间常数、转速反馈滤波时间常数、转速反馈系数、电流反馈系数）3设计电流调节器并作性能指标校验；4设计转速调节器并作性能指标校验；5计算空载起动到最低转速时的转速超调量；6. 对设计的系统进行MATLAB仿真；7绘制系统线路图（主电路、触发电路、控制电路）。四 设计完成后应缴交设计说明书

3、一分，包括上述设计基本内容、计算过程、线路图、结论及心得体会。五 设计完成期限：本设计任务书于*年*月*日发出，*年*月*日上交设计说明书。 设计者： 专业教研组主任：* 批准；指导教师：* 签发 晶闸管双闭环直流调速系统课程设计全程序一晶闸管整流器设计1. 进行主电路形式选择：整流器主电路联结形式的确定：整流器主电路联结形式多种多样，选择时应考虑以下情况：（1）.可供使用的电网电源相数及容量；（2）.传动装置的功率；（3）.允许电压和电流脉动率；（4）. 传动装置是否要求可逆运行，是否要求回馈制动；本设计任务已规定采用晶闸管三相全控桥式整流电路，具有以下特点：变压器利用率直流侧脉动情况元件利

4、用率（导通角）直流磁化波形畸变（畸变系数）应用场合三相全控桥式好（0.95）较小（m=6）较好（120）无较小（0.955）应用范围广三相全控桥式计算系数整流变压器二次相电流计算系数=0.816换相电抗压降系数=0.5一次相电流计算系数=0.816整流电压计算系数=2.34视在功率计算系数=1.05晶闸管电压计算系数=2.45漏抗计算系数=1.22电流计算系数=0.367漏抗折算系数=2电阻折算系数=22整流变压器的选择：整流变压器一次侧接交流电网，二次侧连接整流装置。整流变压器的选择主要内容有连接方式、额定电压、额定电流、容量等。（1）整流变压器的作用和特点1） 整流变压器的作用：变换整流器

5、的输入电压等级。由于要求整流器输出直流电压一定，若整流桥路的交流输入电压太高，则晶闸管运行时的触发延迟角需要较大；若整流器输入电压太低，则可能在触发延迟角最小时仍不能达到负载要求的电压额定值。所以，通常采用整流变压器变换整流器的输入电压等级，以得到合适的二次电压。实现电网与整流装置的电气隔离，改善电源电压波形，减少整流装置的谐波对电网的干扰。2）整流变压器的特点：由于整流器的各桥臂在一周期内轮流导通，整流变压器二次绕组电流并非正弦波（近似方波），电流含有直流分量，而一次电流不含直流分量，使整流变压器视在功率比直流输出功率大。当整流器短路或晶闸管击穿时，变压器中可能流过很大的短路电流。为此要求变

6、压器阻抗要大些，以限制短路电流。整流变压器由于通过非正弦电流引起较大的漏抗压降，因此它的直流输出电压外特性较软。整流变压器二次侧可能产生异常的过电压，因此要有很好的绝缘。3）整流变压器的联结方式（2）.整流变压器二次相电压的计算1）整流变压器的参数计算应考虑的因素。由于整流器负载回路的电感足够大，故变压器内阻及晶闸管的通态压降可忽略不计，但在整流变压器的参数计算时，还应考虑如下因素：a)最小触发延迟角：对于要求直流输出电压保持恒定的整流装置，应能自动调节补偿。一般可逆系统的取3035，不可逆系统的取1015。b)电网电压波动：根据规定，电网电压允许波动范围为+5%-10%，考虑在电网电压最低时

7、，仍能保证最大整流输出电压的要求，通常取电压波动系数b=0.91.05。c)漏抗产生的换相压降。d)晶闸管或整流二极管的正向导通压降。2)二次相电压的计算a)用于转速反馈的调速系统的整流变压器式中 变压器二次相电压（V）; 电动机的额定电压（V）; 整流电压计算系数； b电压波动系数，一般取b=0.901.05； 晶闸管的最小触发延迟角；换相电感压降计算系数；变压器阻抗电压比，100KVA以下取0.05，容量越大，越大（最大为0.1）;变压器的最大工作电流,它与电动机的最大工作电流相等（A）；电动机的额定电流（A）。电动机的电枢电阻（），必须根据给出的电机额定参数和电枢电阻计算系数先求出（见二

8、 .系统各主要参数的估计与计算部分）。b)要求不高的场合，还可以采用简便计算，即c)当调速系统采用三相桥式整流电路并带转速负反馈时，一般情况下变压器二次侧采用Y联结，也可按下式估算：对于不可逆系统：对于可逆系统：(3)二次相电流的计算 式中 二次相电流计算系数； 整流器额定直流电流（A）。 当整流器用于电枢供电时，一般取。在有环流系统中，变压器通常设有两个独立的二次绕组，其二次相电流为 式中平均环流，通常。(4)一次相电流计算 式中 一次相电流计算系数； 变压器的电压比。 考虑变压器自身的励磁电流时，应乘以1.05左右的系数。(5)变压器的容量计算 一次容量：二次容量：平均总容量： 式中 、变

9、压器一次、二次绕组相数，对于三相全控桥； 一次相电流计算系数； 整流器空载电压（V）; 二次相电流计算系数； 整流电压计算系数。3.整流器件的选择：晶闸管选择：晶闸管的选择主要是根据整流的运行条件，计算晶闸管电压、电流值，选出晶闸管的型号规格。在工频整流装置中一般选择KP型普通晶闸管，其主要参数为额定电压、额定电流值。（1） 额定电压选择应考虑下列因素：1） 分析电路运行时晶闸管可能承受的最大电压值。2） 考虑实际情况，系统应留有足够的裕量。通常可考虑23倍的安全裕量。即 式中 晶闸管可能承受的最大电压值（V）.当整流器的输入电压和整流器的连接方式已确定后，整流器的输入电压和晶闸管可能承受的最

10、大电压有固定关系，常采用查计算系数表来选择计算，即 式中 晶闸管的电压计算系数； 整流变压器二次相电压（V）。 3)按计算值换算出晶闸管的标准电压等级值。 （2）额定电流选择：晶闸管是一种过载能力较小的元件，选择额定电流时，应留有足够的裕量，通常考虑选择1.52倍的安全裕量。 1）通用计算式：式中 流过晶闸管的最大电流有效值（A）。2）实际计算中，常常是负载的平均电流已知，整流器连接及运行方式已经确定，即流过晶闸管的最大电流有效值和负载平均电流有固定系数关系。这样通过查对应系数使计算过程简化。当整流电路电抗足够大且整流电流连续时，可用下述经验公式近似地估算晶闸管额定通态平均电流。 式中 晶闸管

11、电流计算系数； 整流器输出最大平均电流（A）;当采用晶闸管作为电枢供电时，取为电动机工作电流的最大值。整流二极管计算与选择和晶闸管方法相同。4.平波电抗器的选择：平波和均衡电抗器在主回路中的作用及布置晶闸管整流器的输出直流电压是脉动的，为了限制整流电流的脉动、保持电流连续，常在整流器的直流输出侧接入带有气隙的电抗器，称作平波电抗器。在有环流可逆系统中，环流不通过负载，仅在正反向两组变流器之间流通，可能造成晶闸管过流损坏。为此，通常在环流通路中串入环流电抗器（称均衡电抗器），将环流电流限制在一定的数值内。电抗器在回路中位置不同，其作用不同。对于不可逆系统，在电动机电枢端串联一个平波电抗器，使得电

12、动机负载得到平滑的直流电流，取合适的电感量，能使电动机在正常工作范围内不出现电流断续，还能抑制短路电流上升率。(1)平波电抗器选择电抗器的主要参数有额定电抗、额定电流、额定电压降及结构形式等。计算各种整流电路中平波电抗器和均衡电抗器电感值时，应根据电抗器在电路中的作用进行选择计算。a)从减少电流脉动出发选择电抗器。b)从电流连续出发选择电抗器。c)从限制环流出发选择电抗器。此外，还应考虑限制短路电流上升率等。由于一个整流电路中，通常包含有电动机电枢电抗、变压器漏抗和外接电抗器的电抗三个部分，因此，首先应求出电动机电枢（或励磁绕组）电感及整流变压器漏感，再求出需要外接电抗器的电感值。1） 直流电

13、动机电枢电感：mH式中 直流电动机的额定电压（V）; 直流电动机的额定电流（A）; 直流电动机的额定转速（rpm/min）; P直流电动机的磁极对数； 计算系数。一般无补偿电动机取812，快速无补偿电动机取68，有补偿电动机取56。 2）整流变压器的漏感。整流变压器折合二次侧的每相漏感： （mH）式中 计算系数，三相全桥取3.9，三相半波取6.75； 整流变压器短路电压百分比，一般取0.050.1； 整流变压器二次相电压（V）; 直流电动机额定电流（A）。3）保证电流连续所需电抗器的电感值。当电动机负载电流 小到一定程度时，会出现电流断续的现象，将使直流电动机的机械特性变软。为了使输出电流在最

14、小负载电流时仍能连续，所需的临界电感值可用下式计算：（mH）式中 临界计算系数，单相全控桥取2.87，三相半波1.46，三相全控桥0.693； 整流变压器二次相电压（V）; 电动机最小工作电流（A）,一般取电动机额定电流的5%10%。 实际串联的电抗器的电感值式中 N系数，三相桥取2，其余取1。4）限制电流脉动所需电抗器的电感值。由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，该脉动电流可以看成是一个恒定直流分量和一个交流分量组成的。通常负载需要的是直流分量，而过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加。因此，应在直流侧串联平波电抗器以限制输出电流的脉动量。将输出电流的脉动量限制在要求的范围内所需要的最

15、小电感量：（mH）式中 临界计算系数，单相全控桥4.5，三相半波2.25，三相全控桥1.045； 电流最大允许脉动系数，通常单相电路取20%，三相电路取5%10%； 整流变压器二次侧相电压（V）; 电动机最小工作电流（A）,取电动机 额定电流的5%10%。 实际串接的电抗器的电感值： (mH)式中 N系数，三相桥取2，其余取1。(2) 均衡电抗器选择:限制环流所需的电抗器的电感值：（mH）式中 计算系数，单相全控桥2.87，三相半波1.46，三相全控桥0.693； 环流平均值（A）; 整流变压器二次侧相电压（V）。 实际串接的均衡电抗器的电感值： （mH）5.触发电路的选择：简单触发电路：单结

16、晶体管组成的触发电路；同步信号为锯齿波的触发电路；正弦波同步触发电路；集成元件组成的触发电路；集成化触发电路；同步电压的选择。二 .系统各主要参数的估计与计算系统的许多参数，要靠现场实验测定。具备测试条件，当然很好。这里介绍的则是不具备测试条件时，如何进行估算的方法。1. 最低限度须掌握的原始数据：实际上大体为电动机铭牌数据：2 .派生参数:式中：每周期换流次数； 整流变压器短路电压比，在铭牌数据标有，也可由电工手册查，一般约为0.05； 整流变压器二次绕组相电压（V）; 整流变压器二次绕组相电流（A）。式中：电枢回路总电感量（H）; 电枢回路总电阻值（）。3.系统参数 晶闸管整流器放大系数；

17、 晶闸管整流器失控时间（s），可查教材表1-2； 转速滤波时间常数（s）;电流滤波时间常数（s）;系统最大运行速度（r/min）;电动机允许最大电流（A）;电动机允许最大过载系数；转速给定信号最大值（V）;电流给定信号最大值（V）；速度反馈系数（Vs/min）;电流反馈系数（V/A）;三 电流调节器和转速调节器的工程设计思路转速、电流负反馈双闭环调速系统的组成图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构 ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机 TA电流互感器 UPE电力电子变换器为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用 P I 调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的

18、电路原理图示于下图。两个调节器的输出都是带限幅作用的。转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系： 上述关系表明，在稳态工作点上， 转速 n 是由给定电压U*n决定的； ASR的输出量U*i是由负载电流 IdL 决定的；控制电压 Uc 的大小则同时取决于 n 和 Id，或者说，同时取决于U*n 和 IdL。转速反馈系数 电流反馈系数 图2-22 双闭环调速系统的动态结构图 系统设计的一般原则：“先内环后外环”。即从内环开始

19、，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。（一）电流调节器的设计电流调节器的设计分为以下几个步骤：1.电流环结构图的简化：简化内容：（1）忽略反电动势的动态影响；（2）等效成单位负反馈系统：（3）小惯性环节近似处理：由于Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为Ti = Ts + Toi 简化的近似条件为 电流环结构图最终简化成图2-23c。 2.电流调节器结构的选择：从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图2-23c可以看出，采用 I 型系统就够了。从动

20、态要求上看，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。图2-23c表明，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 Ki 电流调节器的比例系数； ti 电流调节器的超前时间常数。3.电流调节器的参数计算为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择则电流环的动态结构图便成为图3-20a所示的典型形式，其中 在一般情况下，希望电流超调量si 5%，由教材表2-2，可选 x =0.70

21、7，KI TSi =0.5，则4.电流调节器的实现U*i 为电流给定电压； bId 为电流负反馈电压； Uc 电力电子变换器的控制电压。（二）转速调节器的设计转速调节器的设计设计分为以下几个步骤：1.电流环的等效闭环传递函数：电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。由图2-24a可知 忽略高次项，上式可降阶近似为 近似条件式中 wcn 转速环开环频率特性的截止频率。接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U*i(s)，因此电流环在转速环中应等效为 2.转速调节器结构的选择转速环的动态结构系统等效和小惯性的近似处理：和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环

22、内，同时将给定信号改成 U*n(s)/a，再把时间常数为 1 / KI 和 T0n 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为其和的惯性环节，其中转速环结构简化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（见图2-26b），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 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 Kn 转速调节器的比例系数； t n 转速调节器的超前时间常数。 这样，调速系统的开环传递函数为令转速环开环增益为3.转速调节器参数的选择转速调节器的参数包括 Kn 和 tn。按照典型型系统的参数关系，由式(2-38) 再由式（2-39） 因此 式中选4.转速调节器的实现 图2-25含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器 U*n 为转速给定电压， -a n 为转速负反馈电压， U*i 调节器的输出是电流调节器的给定电压。 (三) 校验1.近似条件校验：2.性能指标校验：1）.ASR退饱和超调量计算：2）.起动时间计算3.MATLAB结构图仿真专心-专注-专业