《电力拖动自动控制系统--运动控制系统》课程设计-直流双闭环有环流可逆调速系统设计.doc

电力拖动自动控制系统运动控制系统课程设计 0 课程设计报告书课程设计报告书 题题 目目 直流双闭环有环流可逆调速系统设计直流双闭环有环流可逆调速系统设计 院院 系系 信信 息息 工工 程程 系系 专专 业业 自自 动动 化化 班班 级级 姓姓 名名 学学 号号 指导教师指导教师 2011 年6月14日 电力拖动自动控制系统运动控制系统课程设计 1 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名：学生姓名： 专业班级：专业班级： 自动化自动化 10811081 指导教师：指导教师： 工作单位：工作单位： 信息工程系信息工程系 题题 目目: : 直流双闭环有环流可逆调速系统设计 初始条件：初始条件： 1.直流电动机额定参数为： un220v，in136a，ce0.132 v.min/r，ra0.5 2.电机过载倍数 1.5，ks40，tl0.03 s，tm0.18 s， 调节 0.07 v.min/r,=0.05 v/a 3.测速发电机参数：23w，110v，0.21a，1900 r/min，永磁式 4.主电路采用三相全控桥，反并联连接，进线交流电源：三相 380v 要求完成的主要任务要求完成的主要任务: : （包括课程设计工作量及其技术要求，说明书撰写等具体要求） 1.转速调节器 asr 及电流调节器 acr 的设计 2.转速反馈和电流反馈电路设计 3.集成触发电路设计 4. 主电路及其保护电路设计 课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。满足如下要 求： 1采用 配合控制，能够实现可逆运行，转速和电流稳态无差，电流超调量 小于 5，转速超调量小于 10。 2. 对系统设计方案的先进性、实用性和可行性进行论证，说明系统工作原理。 3. 画出单元电路图，说明工作原理，给出系统参数计算过程。 4. 画出整体电路原理图，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。 时间安排：时间安排： 2011.6.132011.6.15 收集课程设计相关资料 2011.6.162011.6.23 系统设计 2011.6.242011.6.26 撰写课程设计及答辩 指导教师签名：指导教师签名： 年年 月月 日日 电力拖动自动控制系统运动控制系统课程设计 2 系主任（或责任教师）签名：系主任（或责任教师）签名： 年年 月月 日日 摘要 直流调速1是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上 看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械 特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流调速系统具有调速范围 广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。本文从直流电动 机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和 动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，在理论分析和 仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电 路、触发电路及控制电路的具体实现。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调 速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。 关键词 直流电机 直流调速系统 速度调节器 电流调节器 双闭环系统 仿真 电力拖动自动控制系统运动控制系统课程设计 0 电力拖动自动控制系统运动控制系统课程设计 0 目录 第一章第一章 直流调速系统设计直流调速系统设计1 1 1.11.1 直流调速系统的调速原理直流调速系统的调速原理1 1 1.21.2 电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析2 2 1.2.1 双闭环调速的工作过程和原理 2 1.2.2 双闭环直流调速系统的组成及其静特性 2 1.31.3 双闭环直流调速系统的数学模型双闭环直流调速系统的数学模型5 5 1.41.4 调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法5 5 1.51.5 电流环、速度环的设计电流环、速度环的设计6 6 第二章第二章 触发电路设计触发电路设计 9 9 2.12.1 tc787tc787 介绍介绍 9 9 2.22.2 触发电路的设计触发电路的设计9 9 第三章第三章 晶闸管保护电路设计晶闸管保护电路设计 1111 3.13.1 晶闸管过电压保护电路设计晶闸管过电压保护电路设计1111 3.23.2 晶闸管过电流保护电路设计晶闸管过电流保护电路设计1313 设计总结与体会设计总结与体会1414 参考文献参考文献1515 附录附录1616 电力拖动自动控制系统运动控制系统课程设计 0 第一章 直流调速系统设计 1.1 直流调速系统的调速原理 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广范围内平滑调速，所以由晶闸管直流电动机 (vm)组成的直流调速系统是目前应用较普遍的一种电力传动自动化控制系统。它在理论上实践上 都比较成熟，而且从闭环控制的角度看，它又是交流调速系统的基础1，6。 从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统（伺服 系统） 、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现 的，因此，调速系统是最基本的电力拖动控制系统。直流电动机的转速和其它参量的关系和用式 （21）表示 （21） e k iru n 式中 n电动机转速； u电枢供电电压； i电枢电流； r电枢回路总电阻，单位为 由电机机构决定的电势系数。 e k 在上式中， 是常数，电流 i 是由负载决定的，因此，调节电动机的转速可以有三种方法： e k （1）调节电枢供电电压 u； （2） 减弱励磁磁通； （3） 改变电枢回路电阻 r。 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式最好。改变电阻 只能实现有级调速；减弱励磁磁通虽然能够平滑调速，但调速的范围不大，往往只是配合调压方案， 在基速（额定转速）以上做小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以改变电压调 速为主。 电力拖动自动控制系统运动控制系统课程设计 1 1.2 电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析 1.2.1 双闭环调速的工作过程和原理 双闭环调速系统的工作过程和原理: 电动机在启动阶段,电动机的实际转速(电压)低于给定值, 速度调节器的输入端存在一个偏差信号,经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环 状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器, 此时则以最大电流给定值使电流调 节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值, 电动机以最大电流恒 流加速启动。电动机的最大电流(堵转电流)可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在电动 机转速上升到给定转速后, 速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器 退出饱和状态,闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动,速度调节器输入端产生的偏差信号将 随时通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压相应变化,从 而校正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数, 还能够对因电网波动引起的电动 机电枢电流的变化进行快速调节,可以在电动机转速还未来得及发生改变时,迅速使电流恢复到原来 值,从而使速度更好地稳定于某一转速下运行1，5， ，6，8。 1.2.2 双闭环直流调速系统的组成及其静特性 一、双闭环直流调速系统的组成 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，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。两者之间实行嵌套连接，如图 24 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。这就形成了转速、电流双闭环调速系 统。 电力拖动自动控制系统运动控制系统课程设计 2 图 24 转速、电流双闭环直流调速系统 其中：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 -转速给定电压 un-转速反馈电压 -电流给定电压 -电流反馈电压 * un * uiui 二、 双闭环直流调速系统的静特性分析 图 25 双闭环直流调速系统的稳态结构框图 分析静特性的关键是掌握 pi 调节器的稳态特征，一般使存在两种状况：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 u 在稳态时总为零。 实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有 转速调节器饱和与不饱和两种情况1，5， ，6，8。 1转速调节器不饱和 这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此， = = * ununn0 n = = * uiuid i 由第一个关系式可得：n= * n u 0 n 电力拖动自动控制系统运动控制系统课程设计 3 从而得到图 2-5 所示静特性曲线的 ca 段。与此同时，由于 asr 不饱和，可知 * ui * im u d i ，这就是说，ca 段特性从理想空载状态的 id=0 一直延续到=。而，一般都是大于额 dm i d i dm i dm i 定电流的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。 dn i 2转速调节器饱和 这时，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。 * im u 双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时： = d i * im u dm i 其中，最大电流取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度，由上式可得 dm i 静特性的 ab 段，它是一条垂直的特性。这样是下垂特性只适合于的情况，因为如果,则 0 nn 0 nn ,asr 将退出饱和状态. * nn uu 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差,这时,转速负反馈起主 dm i 要的调节作用,但负载电流达到时,对应于转速调节器的饱和输出,这时,电流调节器起主要 dm i * im u 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。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，因此，静特性的两段 实际上都略有很小的静差。 三、 各变量的稳态工作点和稳态参数计算 由双闭环直流调速系统的稳态结构图可知，双闭环调速系统在稳态工作时，当两个调节器都不 饱和时，各变量之间有以下关系： = * ununn0 n = * i u i u d i dl i = c u s d k u 0 s de k rinc s dl ne k ri uc 上述关系表明，在稳态工作点上，转速 n 是由给定电压决定，asr 的输出量是由负载 * un * i u 电流决定的，而控制电压的大小则同时取决 于 n 和，或者说，同时取 dl i c u d i 决于 和。pi 调节器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 * undl i 出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要 pi 调节器提供多么大的输出 值，它就能提供多少，直到饱和为止。鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有 电力拖动自动控制系统运动控制系统课程设计 4 静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关 的反馈系数。 转速反馈系数：= /; * nm u max n 电流反馈系数：= /; * im u dm i 两个给定电压的最大值、由设计者给定，受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限 * nm u * im u 制。 1.3 双闭环直流调速系统的数学模型 双闭环直流调速系统数学模型的建立涉及到可控硅触发器和整流器的相关内容，这里仅作简单 介绍，具体的内容将在第三章内加以说明。全控式整流在稳态下，触发器控制电压 uct 与整流输出 电压 ua0 的关系为： )cos(cos 220cta kuauauu 其中：a-整流器系数； -整流器输入交流电压； -整流器触发角； 2 u -触发器移项控制电压；k-触发器移项控制斜率； ct u 整流与触发关系为余弦，工程中近似用线性环节代替触发与放大环节，放大系数为：k= 。 cta uu/ 0 绘制双闭环直流调速系统的动态结构框图如下： 图 27 双闭环直流调速系统的动态结构框图 1.4 调节器的工程设计方法 pi 调节器的结构如下图所式1，2，3： 电力拖动自动控制系统运动控制系统课程设计 5 由图可得： dtuukdtu cr u r r u ininpiininex 11 100 1 ：pi 调节器比例部分的放大系数 pi k ：pi 调节器积分时间常数 pi 调节器的传递函数为： s kw pi 1 1.5 电流环、速度环的设计 本设计为双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式全控整流电路基本数据如下： 1)晶闸管装置放大系数：=40 s k 2)电枢回路总电阻：r=0.5 3)时间常数：电磁时间常数=0.03s l t 机电时间常数=0.18s m t 4)调节器输入电阻=20 0 r k 设计指标： 静态指标：无静差； 动态指标：电流超调量%5%；空载起动到额定转速时的转速超调量%15%。 i n 计算反馈关键参数：0.07 v.min/r,=0.05 v/a 一. 电流环的设计 （1）确定时间常数 a)整流装置滞后时间常数；（见附录表一） sts0017 . 0 电流滤波时间常数=0.002 s（三相桥式电路每个波头是时间是 3.3ms，为了基本滤平波头， oi t 应有（12）=3.33ms，因此取=2ms=0.002s） oi t oi t 电力拖动自动控制系统运动控制系统课程设计 6 电流环小时间常数之和 按小时间常数近似处理。(和一般都比小得多,可以当作小 sttt ois i 0037 . 0 s t oi t l t 惯性群近似地看作是一个惯性环节) （2）选择电流调节器结构 根据设计要求：%5%，且，可按典型型设计电流调节器。电 i 1086 . 2 0042 . 0 012 . 0 i l t t 流环控制对象是双惯性型的,所以把电流调节器设计成 pi 型的. 检查对电源电压的抗扰性能: 1024 . 3 0037 . 0 012 . 0 s s t t i l 由附录表二,各项指标可接受. （3）选择电流调节器的参数 acr 超前时间常数=0.012s；电流环开环时间增益， i l t 1 1 . 135 0037 . 0 5 . 05 . 0 s st k i i acr 的比例系数。 37 . 0 026 . 0 30 18 . 0 012 . 0 1 . 135 s i ii k r kk （4）校验近似条件 电流环截止频率， 1 1 . 135 ski ci a)晶闸管装置传递函数近似条件：，现为，满 s ci t3 1 1 . 135 1 . 196 0017 . 0 3 1 3 1 sts 足近似条件； b)忽略反电动势对电流环影响的条件：现为 , 1 3 lm ci tt ，满足近似条件； ci lm s tt 1 0012 . 0 12 . 0 1 06.793 1 3 c)小时间常数近似处理条件：，现为= ois ci tt 1 3 1 oist t 1 3 1 ，满足近似条件。 ci s 1 69.161 0025 . 0 0017 . 0 1 3 1 电流环可以达到的动态指标为：，也满足设计要求。 %5%3 . 4% 二. 速度环的设计 （1）确定时间常数 电流环等效时间常数：= i k 1 i k 1 st i 0074 . 0 0037 . 0 22 电力拖动自动控制系统运动控制系统课程设计 7 转速滤波时间常数： ston014 . 0 转速环小时间常数近似处理：。 sttt on in 0214 . 0 014 . 0 0074 . 0 2 （2）选择转速调节器结构 按跟随和抗扰性能都能较好的原则,在负载扰动点后已经有了一个积分环节,为了实现转速无静 差,还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节,因此需要由设计要求，转速调节器必须含有积分 环节，故按典型型系统选用设计 pi 调节器。典型型系统阶跃输入跟随性能指标见附录表三。 （3）选择调节器的参数 sht n n 107 . 0 0214 . 0 5 转速开环增益： 2 2222 03.262 0214 . 0 52 15 2 1 s th h k n n asr 的比例系数： 48 . 6 0214 . 0 18 . 0 015 . 0 52 12 . 0 2 . 0026 . 0 6 2 1 n me n rth tch k （4）近似校验 转速截止频率为： 11 1 03.28107 . 0 03.262 ssk k nn n cn 电流环传递函数简化条件：，满足条件； cn i s t 1 05.54 0037 . 0 5 1 5 1 转速环小时间常数近似处理条件： cn on i ss tt 11 75.32 014 . 0 0037 . 0 2 1 3 1 2 1 3 1 （5）检验转速超调量 当 h=5 时，,不能满足要求.按 asr 退饱和的情况计算超调量: % 6 . 37 n %, 2 . 81% max b c c ，满足设计要求。 min 5 . 274 2 . 0 18 . 0 305 r c ri n e d n 电力拖动自动控制系统运动控制系统课程设计 8 第二章 触发电路设计 2.1 tc787 介绍 一、管脚介绍 用独有的先进 ic 工艺技术，并参照最新集成移相触发集成电路而设计的单片集成电路，它可 单电源工作，亦可双电源工作，主要适用于三相晶闸管移相触发和三相功率晶体管脉宽调制电路， 以构成多种交流调速和交流装置，他们是目前国内市场上广泛流行的 tca785 及 kj(或 kc)系列移相 触发集成电路的换代产品，与 tca785 及 kj(或 kc)系列集成电路相比，具有功耗小、功能强、输入 阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点，而且装调简便、使用可靠，只需一个这 样的集成电路，就可完成 3 只 tca785 与 1 只 kj041、1 只 kj042 或 5 只 kj(3 只 kj004，1 只 kj041，1 个 kj042)(或 kc)系列器件组合才能具有的三相移相功能，因此，tc787 可广泛应用于三 相半控、三相全控、三相过零等电力电子、机电一体化产品的移相触发系统，为提高整机寿命，缩 小体积，降低成本提供了一种新的、更加有效的途径。其管脚图如图 2 所示。 图 2 tc787 管脚图 2.2 触发电路的设计 (1) tc787 适用于主功率器件是晶闸管的三相全控桥或其他拓扑结构电路的系统中作为晶闸 管的移相触发电路。而 tc788 适用于以功率晶体管(gtr)或绝缘栅双极晶体管(igbt)为功率单元的 三相全桥或其他拓扑结构电路的系统中作为脉宽调制波产生电路，且任一种芯片均可同时产生六路 相序互差的输出脉冲。60o (2) tc787/tc788 在单、双电源下均可工作，使其适用电源的范围较广泛，它们输出三相触发 电力拖动自动控制系统运动控制系统课程设计 9 脉冲的触发控制角可在 0180范围内连续同步改变。它们对零点的识别非常可靠，使它们可方便 地用作过零开关，同时器件内部设计有移相控制电压与同步锯齿波电压交点(交相)的锁定电路，抗 干扰能力极强。电路自身具有输出禁止端，使用户可在过电流、过电压时进行保护，保证系统安全。 (3) tc787/tc788 可方便地通过改变引脚 6 的电平高低，来设置其输出为双脉冲列还是单。 二、具体设计电路图 图 3 由 tc787 构成的三相六脉冲触发电路 电力拖动自动控制系统运动控制系统课程设计 10 第三章 晶闸管保护电路设计 3.1 晶闸管过电压保护电路设计 正常工作时，晶闸管承受的最大峰值电压为，超过此峰值电压的就算过电压。在整流装置 m u 中，任何偶然出现的过电压均不应超过元件的不重复峰值电压，而任何周期性出现的过电压 dsm u 则应小于元件的重复峰值电压。这两种过电压都是经常发生和不可避免的。抑制暂态过电压 rsm u 的方法一般有三种：用电阻消耗过电压的能量；用非线性元件限制过电压的幅值；用储能元 件吸收过电压的能量。若以过电压保护装设的部位来分，有交流保护，直流保护，直流侧保护和元 器件保护 3 种。 一、交流侧过电压保护 交流侧过电压一般都是外因过电压，在抑制外因过电压的措施中，采用 rc 过电压抑制电路是 最为常见的。通常是在变压器次级(元件侧)并联 rc 电路，以吸收变压器铁心的磁场释放的能量， 并把它转化为电容器的电场能而储存起来。串联电阻是为了在能量转换过程中可以消耗一部分能量 并且抑制 lc 回路可能产生的振荡。当整流器容量较大时，rc 电路也可以接在变压器的电源侧。 图 4 阻容过电压保护电路 rc 参数计算 变压器每相平均计算容量为 33 tm 1 s20 106.67 10 (va) 3 (1) 电容器的计算 由得： 取=20。 tm a0 2 2 s c6i %( f) u 3 a 2 6.67 10 c6 819.85( f) 127 a cf 电容器的耐压值为 a c 根据得： a c2 u1.5 2u (v) a c u1.52220446.7(v) 电力拖动自动控制系统运动控制系统课程设计 11 取 500。故选择参数为 20，500的电容。vfv (2) 电阻值计算 由得： 2 2k a tm0 uu % r2.3( ) si % 2 a 3 1275 r2.32.93( ) 10 108 考虑到所取电容已大于计算值，故电阻可适当取小些。取=2。 a c a r a r 正常工作时，rc 支路始终有交流电流过，过电压总是短暂的，所以可按长期发热来确定电阻的功 率。rc 支路电流可由式(2.13)确定，即 c i 由得： a 6 cac i2 fc u10 (a) 6 c i250 203 127 101.38(a) 电阻的功率为 a r 由得： a 2 rc p(3 4)i r(w) a 2 r p(3 4) 1.382(1115)(w) 故选用 2，50的电阻。w 式中 变压器每相平均计算容量。 tm s(va) 变压器二次相电压有效值。 2 u(v) 励磁电流百分数 0 i % 当几百伏安时=10，当1000 伏安时=35。 tm s 0 i % tm s 0 i % 变压器的短路比，当变压器容量为 101000时，=510。 k u %kva k u % ，当正常工作时电流电压的有效值。 c i a c u a r(a,v) 三、晶闸管换相过电压的保护 由于晶闸管在实际应用中一般只承受换相过电压，没有关断过电压问题，关断时也没有较大的 ，所以晶闸管的缓冲电路就简化为了晶闸管的换相过电压保护，即采用 rc 吸收电路即可。du dt 其电路图如图 5 所示。 图 5 晶闸管换相过电压保护电路图 电容 c 的选择为 33 tav c(2 4)i10(2 4) 50 10(0.1 0.2)( f) 电力拖动自动控制系统运动控制系统课程设计 12 取 c=0.2，电阻一般取 40。f 3.2 晶闸管过电流保护电路设计 变流装置发生过电流的原因归纳起来有如下几个方面： (1) 外部短路：如直流输出端发生短路。 (2) 内部短路：如整流桥主臂中某一元件被击穿而发生的短路。 (3) 可逆系统中产生换流失败和环流过大。 (4) 生产机械发生过载或堵转等。 晶闸管元件承受过电流的能力也很低，若过电流数值较大而切断电路的时间又稍长，则晶闸管 元件因热容量小就会产生热击穿而损坏。晶闸管变流装置可能采用的过流保护措施有：交流断路 器；进线电抗器；灵敏过电流继电器；断路器；电流反馈控制电路；直流快速开关； 快速熔断器。 本设计采用的晶闸管过电流保护措施是快速熔断器保护方法，其参数的选择为： 因工作时电压为 380，取。v rn u500v 流过快速熔断器的电流的有效值为 r i rd 11 ii5531.75(a) 33 快速熔断器的额定电流为 rnia r ik k i1.5 1.2 31.7557.15(a) 选取。 rn i80a 电力拖动自动控制系统运动控制系统课程设计 13 设计总结与体会 刚拿道题目时，觉得还比较简单，想想无非是课本上的知识，算一算就好了，可真正开始进行 设计时便遇见了困难。课本上的知识都是在理想