交直流调速系统课程设计.doc

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1、 交直流调速系统课程设计说明书 转速、电流双闭环控制直流调速系统设计院 部：电气与信息工程学院学生姓名： 李 旭 指导教师： 李建军老师 专 业： 自动化 班 级： 自本1001 完成时间： 2013年12月 摘 要转速、电流双闭环控制直流调速系统的性能很好，具有调速范围广、精度高、 双闭环调速系统中设置了两个调节器，即转速调节器（ASR）和电流调节器（ACR），分别调节转速和电流。本文对直流双闭环调速系统的设计进行了分析，对直流双闭环调速系统的原理进行了一些说明，介绍了其主电路、检测电路的设计，详细介绍了电流调节器和转速调节器的设计以及一些参数的选择和计算，使其满足工程设计参数标准。关键词：

2、直流双闭环 调速系统 电流调节器 转速调节器ABSTRACT Speed and current double closed-loop control dc speed control system performance is very good, has a wide speed range, high accuracy, good dynamic performance and the advantages of easy to control, so has been widely used in the electric drive system. Dc double closed

3、loop speed regulation system set up two regulator, speed regulator (ASR) and current regulator (ACR), adjusting the rotational speed and current respectively. In this paper, the design of dc double closed loop speed regulation system is analyzed, the principle of dc double closed loop speed regulati

4、on system with some instructions, introduces the design of main circuit, detection circuit, the design of the current regulator and speed regulator is introduced and some parameters selection and calculation, to make it satisfy the standard of engineering design parameters. Keywords: current regulat

5、or dc double closed loop speed regulation system of speed regulator 绪 论采用转速负反馈和PI调节的单闭环调速系统可以实现转速的无静差，如果附带电流截止负反馈作限流保护可以限制电流的冲击，但并不能控制电流的动态波形。我们希望系统在启动时，一直能有电机过载能力允许条件下的最大电流，电机有最大的启动转矩和最短的启动时间。这一点利用电流截止负反馈是很难实现的。另外，在单闭环调速系统中，用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器的参数调速。例如，在带电流截止负反馈的转速负反馈的单闭环系统中，同一调节器担负着正常负载时的

6、速度调节和过载时的电流调节，调节器的动态参数无法保证两种调节过程均具有良好的动态品质为了解决单闭环调速系统存在的问题，可以采用转速、电流双闭环直流调速系统，采用两个调节器分别对转速和电流进行调节。目 录第一章 课程设计任务书11.1设计任务11.2设计要求1第二章 转速、电流双闭环直流调速系统的组成及原理22.1系统的组成22.2系统的原理22.3系统的动态结构框图3第三章 器件的选择及参数的计算33.1可控整流变压器的选择及计算33.2晶闸管选择及计算63.3平波电抗器电感的选择及计算73.4晶闸管的保护73.4.1过流保护83.4.2过压保护83.5触发电路9第四章 按工程设计方法设计系统

7、调节器ACR、ASR104.1电流调节器ACS的设计104.2转速调节器ASR的设计124.3系统总体结构图15第五章 工程设计调节器需注意的问题165.1转速的退饱和超调量与稳态转速有关165.2反电动势对转速环和转速超调量的影响165.3内外环开环对数幅频特性比较16总结18参考文献19III第一章 课程设计任务书1.1设计任务直流他励电动机：功率PN145KW，额定电压UN=220V，额定电流IN=6.5A,磁极对数P=1，nN=1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻Ra=3.7,主电路总电阻R7.4，Ks=27，电磁时间常数TL=0.033ms，机电时间常数Tm=0.26m

8、s，滤波时间常数Toi=0.0031s，Ton=0.01s，过载倍数1.5，电流给定最大值，速度给定最大值，设计要求：稳态无静差，电流超调量；空载启动到额定转速时的转速超调量1.2设计要求1. 系统各环节选型1) 主回路方案确定。2) 控制回路选择：给定器、调节器、触发器、电流检测环节、（须对以上环节画出线路图，说明其原理）。2. 主要电气设备的计算和选择整流变压器计算：变压器原副边电压、电流、容量。1) 晶闸管整流元件：电压定额、电流定额计算及定额选择。2) 系统各主要保护环节的设计：快速熔断器计算选择、阻容保护选择。3) 平波电抗器选择计算。3. 系统参数计算1) 电流调节器ACR中计算。

9、2) 转速调节器ASR中计算。输入电阻均为40K。3) 动态性能指标计算（包括空载起动到额定转速超调量的计算和过渡过程的时间的计算以及空载起动到额定转速所需时间的计算）。4. 画出双闭环调速系统电气原理图，并画出动态框图和波德图。第二章 转速、电流双闭环直流调速系统的组成及原理2.1系统的组成为实现转速和电流两种负反馈分别作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套连接，如图所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形

10、成了转速、电流双闭环调速系统。如图2-1所示： 图2-1双闭环直流调速系统组成图2.2系统的原理 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PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图2-2。 图2-2双闭环直流调速系统原理图 两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压决定后了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制电压 限制了电力电子变换器的最大输出电压2.3系统的动态结构框图由于电流检测信号中常含有交流分量，须加低通滤波，其滤波时间常数按需要选定。滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来了延滞。为了平衡这一延

11、滞作用，在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其作用是：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。动态结构框图如2-3： 图 2-3双闭环直流调速系统动态结构框图第三章 器件的选择及参数的计算3.1可控整流变压器的选择及计算作为整流装置电源用的变压器称为整流变压器。一般的变压器有整流跟变压两项功能,其中整流是把交流变直流。整流的过程中, 采用三相桥式二极管整流电路。因为二极管整流装置所要求的交流供电电压与电网不一致，为此需要配置整流变压器。整流变压器使整流主电路与电网隔离，减少了电网与整流装置的相互干扰。整流变压器根据主

12、电路的型式、负载额定电压和额定电流，算出整流变压器二次侧相电压、一次与二次额定电流以及容量。三相桥式全控整流电路原理如图3-1： 图3-1三相桥式全控整流及控制电路双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为 当时，电机正转；当时，电动机反转；当时，电动机停止。平时我们在计算是在理想条件下进行的，但实际上许多影响是不可忽略的。如电网电压波动、管子本身的压降以及整流变压器等效内阻造成的压降等。所以设计时应按下式计算：式中 负载的额定电压； 整流元件的正向导通压降，一般取1V； 电流回路所经过的整流元件（VT及VD）的个数（如桥式=2，半波电路=1）； A理想情况下=0时与的比值，查表可知； 电网电

13、压波动系数，一般取0.9； 最少移相角，在自动控制系统中总希望值留有调节余量，对于可逆直流调速系统取3035，不可逆直流调速系统取1015； C线路接线方式系数，查表三相桥式C取0.5V； 变压器阻抗电压比，100KV及其以下，取=0.05，100KVA以上，取=0.050.1； 二次侧允许的最大电流与额定电流之比。对于一般三相桥式可控整流电路供电的直流调速系统，计算也可以采不可逆调速系统 =（0.530.58）可逆调速系统 =（0.580.64）式中整流变压器二次相电压有效值；直流电动机额定电压。所以根据已知的参数及查表得：一次侧与二次额定电流计容量的计算如果不计变压器的励磁电流，根据变压器

14、磁动势平衡原理可得一次和二次电流关系式为： 式中 、变压器一次和二次绕组的匝数； K变压器的匝数比。 由于整流变压器流过的电流通常都是非正弦波，所以其电流、容量计算与线路型式有关。三相桥式可控整流电路计算如下：大电感负载时变压器二次电流的有效值为 U2=27.93V由一次侧和二次侧电压得： 故=1.755A变压器一次侧容量为；变压器二次侧容量为： 考虑励磁功率，取，。3.2晶闸管选择及计算 直流他励电动机：功率PN145KW，额定电压UN=220V，额定电流IN=6.5A,磁极对数P=1，nN=1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻Ra=3.7,主电路总电阻R7.4，Ks=27，电

15、磁时间常数TL=0.033ms，机电时间常数Tm=0.26ms，滤波时间常数Toi=0.0031s，Ton=0.01s，过载倍数1.5，电流给定最大值，速度给定最大值.由于三相全控桥式整流电路阻感性负载移相范围为090。所以，当=0时：由Ud=2.34U2cos得 取94V由于三相桥式全控整流电路带阻感性负载时，晶闸管可能承受的最大正反向电压均为：取为576V当=6.5A时，流过每个晶闸管的电流有效值为： 取，经查表可知，选择晶闸管型号为：DD023.3平波电抗器电感的选择及计算为了使负载得到平滑的直流，通常在整流输出端串入带有气隙铁心的电抗器，也称平波电抗器。这里主要计算在保证负载电流连续和

16、输出电流脉动系数达到一定要求的条件下所需的平波电抗器电感量。对于直流电动机负载的可控整流电路,为了使直流电动机在最轻负载下()，也能工作在其机械特性的电流直线段上，要求电枢回路的临界电感量为：查表得，取，则式中：与整流电路形式有关的系数，查表可得。 最小负载电流，常取电动机额定电流的510计算。3.4晶闸管的保护晶闸管的保护电路，大致可以分为两种情况：一种是在适当的地方安装保护器件，例如，R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态

17、，从而抑制过电压或过电流的数值。 3.4.1过流保护晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类:一类是由于整流电路内部原因；另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，另外，如整流变压器中心点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥对地短路。 1.对于第一类过流，即整流桥的内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地时，可以采用第一种保护措施，最常见的就是接入快速熔断器的方式。2.对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。 在选择快速熔断器时应考虑：1、快速熔断的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值。2、快速熔断熔体的额定电流应小于。同时又应

18、大于正常运行时晶闸管通过的电流有效值，即：3.为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。快速熔断器的保护方式分为全保护和短保护两种。全保护是指无论过载还是短路均由快速熔断器进行保护。短路保护方式是快速熔断器只要短路电流较大的区域内起保护作用，此方式需与其他过电流保护措施相配合。快熔电流容量选择查表可得。经查表，选择熔断器的型号为RLS-50。3.4.2过压保护晶闸管设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。 1.过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑

19、制。2.过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。3.5触发电路此设计选用SG3524作为触发电路的主要器件，SG3524是通用型脉宽调制器（PWM），属于数子、模拟混合型集成电路，占空比可在0100%之间调节。图3-5-1 触发电路图在上图中，ACR的输出Uc可以调节占空比在0100%内变化。使整流器的输出电压在0UN内变化，电机对应的转速也跟其变化。如果电机转速由于外界机械原因发生改变，对应测速发电机的输出也跟随变化。测速发电机输出的变化直接影响ASR的调节，从而Uc的大小，Uc大小的变化改变GS3524输出波形的占空比，从而使斩波电路的输出电压平均值改变，使电机转速返回到预先设定的值

20、。触发电路通过Uc的变化，可以得到不同占空比的PWM波，波形如：图 3-5-2触发电路输出波形第四章 按工程设计方法设计系统调节器ACR、ASR设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐步向外扩展。首先设计好电流调节器，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。4.1电流调节器ACS的设计转速反馈系数： 电流反馈系数： 电机的电动势系数：1. 确定时间常数1) 整流装置滞后时间常数H型双极式PWM电路的平均失控时间 2) 电流滤波时间常数 S3) 电流环小时间常数按小时间常数近似处理，取 S2. 选择电流调节器结构根据工程设计的一般要求：，并且保证稳态电流无

21、差，由于 ，因此电流环可按典型型系统设计。电流调节器选用PI型，其传递函数为 3. 计算选择电流调节器参数1) ACR超前时间常数： S2) 电流环开环增益：要求时，应取,因此 于是，ACR的比例系数为4. 校验近似条件电流环截止频率 1) 晶闸管装置传递函数近似条件： 满足近似条件。2) 忽略反电动势对电流环影响的条件： , 满足近似条件。3) 电流环小时间常数近似处理条件： ， 满足近似条件。5. 计算调节器电阻和电容按所用运算放大器取，各电阻和电容值计算如下 因为 ，所以,取72 因为 ，所以,取0.079 因为 ，所以，取0.3 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为：，满足

22、设计要求。 图4-1含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器4.2转速调节器ASR的设计1. 电流环的等效把电流环简化后看作是转速环中的一个环节，为此，须求出它的等效传递函数。电流环的闭环传递函数为经过降阶、近似以后，电流环在转速环中等效为：2. 确定时间常数1) 电流环等效时间常数,由于在电流调节器中，已取， 则，2) 转速滤波时间常数3) 转速环小时间常数3. 选择转速调节器结构由于设计要求无差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型型系统设计转速环。故ASR选用PI调节器，其传递函数为 速系统的开环传递函数为：4. 计算选择转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5

23、，则ASR的超前时间常数为 则转速开环增益ASR的比例系数为 5. 校验近似条件转速环截止频率为 ：1) 电流环传递函数简化条件： ，满足简化条件。2) 时间常数近似处理条件： ，满足简化条件。6. 计算调节器电阻和电容按所用运算放大器取，各电阻和电容值计算如下 因为，所以 ,取556 . 因为，所以 ,取0.2 因为，所以 ,取1 7. 校核转速超调量当h=5时，由表查得，不能满足要求。实际上，以上计算是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。 =25% 能满足设计要求。 上升时间t： 由以上计算可得，转速调节器的结构如图

24、4-2：图4-2含给定滤波与反馈滤波的PI型电压调节器4.3系统总体结构图 图4 3总体结构图第五章 工程设计调节器需注意的问题5.1转速的退饱和超调量与稳态转速有关按线性系统计算转速超调量时，当h选定后，不论稳态转速有多大，超调量的百分数都是一样的。但是，按照退饱和过程计算超调量，其具体数值与有关。5.2反电动势对转速环和转速超调量的影响在设计电流环时已经算出，而，所以反电动势对电流环来说可以忽略。但是，因而对于转速环来说，忽略反电动势的条件就不成立了。实际上，考虑到反电动势的影响，转速超调量将比上面的计算值更小，更能满足设计要求。5.3内外环开环对数幅频特性比较 图5-3， ， 。以上频率

25、一个比一个小，从计算过程可以看出，这是必然的规律。因此，这样设计的双闭环系统，外环一定比内环慢。一般来说，。从外环的响应速度受到限制，这是按上述方法设计多环控制系统时的缺点。然而，这样一来，每个环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。总之，多环系统的设计思想是：以稳为主，稳中求快。总结经过此次课程设计，我对交直流调速控制系统这门课程及相关知识有了更深刻的理解和体会，同时也很好的把理论知识与实际相结合，在这之中我学到了更多的知识。更进一步的懂得了该课程的重要性。在做该设计之前，我认真查阅资料，向老师提出了难点重点，对于如何对:调节器进行设计，通过给定的有关参数的计算对晶闸管行选型，计算变压器的一次、二次侧电压，电流及其容量等内容进行分析，计算，总结。进一步提高了对该课程学习，分析，解决问题的能力。在此，我们要特别感谢李老师在本次课程设计期间对我的耐心指导，同时引导我们把书本上学到的理论知识灵活的运用到实际中去，圆满完成了此次课程设计的内容。参考文献1.电力电子技术 石新春编，中国电力出版社，20062.图解电力拖动系统电路 徐占国主编，人民邮电出版社，20063.电力电子技术题例与电路设计指导 石玉主编，机械工业出版社，19994.电机与拖动唐 介主编，高等教育出版社，20035.电力拖动自动控制系统运动控制系统 陈伯时主编，机械工业出版社，第三版 18