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自动控制系统课程设计报告课程名称：自动控制系统课程设计报告 设计题目：可控环流可逆调速系统设计 院 系： 电气工程系 班 级： 0802302 设 计 者： 杨玉琳 学 号： 080230201 同 组 人： 李聪 刘兴华 赵杰 指导教师： 张扬 设计时间： 2011年11月 课程设计（论文）任务书专 业电气工程及其自动化班 级0802302学 生杨玉琳指导教师张扬题 目可控环流可逆调速系统设计子 题设计时间2011年 10 月28 日 至 2011年 11 月 11 日 共 2 周设计要求设计目的：1. 通过课程设计掌握基本的可逆调速系统的分析与设计方法。2. 掌握有环流可逆调速系统的制动和反向过程，了解可控环流可逆调速系统的应用场合，优缺点和工作原理。3. 掌握设计的一般方法。设计内容：1. 根据给定指标设计调速系统的各种调节器，并选择各环节参数。2. 按设计结果组成系统，说明环流被遏制的条件。4. 研究参数变化对系统性能的影响。5. 设计并计算主回路参数。设计结论： 通过分析计算，成功完成ASR和ACR调速器参数的设计，并完成整个控制电路和主电路图的绘制任务。并且我们得知环流被彻底遏制的条件是：当整流电流增大到空载给定环流的（2+R1/R0）倍，直流环流等于0。参考文献：1） 电力拖动自动控制系统 上海大学 陈伯时 主编 2） 自动控制系统实验指导书 哈尔滨工业大学（威海） 刘芳 蔡春伟 编4） 电力电子技术 机械工业出版社 王兆安 黄俊编指导教师签字： 系（教研室）主任签字：年 月 日目录1设计目的12设计内容13设计思路23.1原理分析23.1.1可控环流可逆调速系统概述23.1.2有环流可逆调速系统的制动过程23.2电流调节器的设计43.2.1电流调节器作用43.2.2确定时间常数43.2.3电流调节器参数计算：53.2.4校验近似条件53.3转速调节器的设计53.3.1确定时间常数53.3.2选择转速调节器结构53.3.3计算转速调节器参数63.3.4校验近似条件63.3.5校验转速超调量63.4平波电抗器的设计73.5可控环流部分设计73.5.1环流给定环节73.5.2环流遏制回路73.5.3可控环流电阻的设计83.6触发电路设计93.6.1芯片介绍93.6.2触发电路103.6.3触发电路的定向103.7主电路113.7.1整流电路123.7.2过电压保护电路123.7.3电流反馈和过电流保护133.7.4晶闸管参数设计144设计原理图145设计过程问题分析156设计结论157参考文献15摘 要电力拖动自动控制系统是把电能转换成机械能的装置，它被广泛地应用于一般生产机械需要动力的场合，也被广泛应用于精密机械等需要高性能电气传动的设备中，用以控制位置、速度、加速度、压力、张力和转矩等。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到应用。晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管电动机调速系统（简称V-M系统），和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。而转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。直流可逆调速系统一般采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统，如果两组装置的整流电压同时出现，两组直流平均电压正负相连，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流Ih，称作环流。一般情况，这样的环流对负载无益，会加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率。当环流太大时，会导致晶闸管损坏，应予以抑制或消除，元器件容量适当增大。但是只要合理的对环流进行控制，保证晶闸管的安全工作，可以利用环流作为流过晶闸管的基本负载电流，使电动机在空载或轻载时可工作在晶闸管装置的电流连续区，以避免电流断续引起的非线性对系统性能的影响。1 设计目的1. 通过课程设计掌握基本的可逆调速系统的分析与设计方法。2. 掌握有环流可逆调速系统的制动和反向过程，了解可控环流可逆调速系统的应用场合，优缺点和工作原理。3. 掌握设计的一般方法。2 设计内容1. 根据给定指标设计调速系统的各种调节器，并选择各环节参数。2. 按设计结果组成系统，说明环流被遏制的条件。3. 研究参数变化对系统性能的影响。4. 设计并计算主回路参数。参数选择：由晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路。基本参数如下：直流电动机：220V，136A，1000r/min，Ce=0.132Vmin/r，允许过载倍数=1.5。晶闸管装置放大系数：Ks=40。电枢回路总电阻：R=0.5。时间常数：Tl=0.03s，Tm=0.18s。电流反馈系数：=0.05V/A（10V/1.5Inom）。转速反馈系数：=0.007Vmin/r（10V/Nnom）。3 设计思路3.1 原理分析开环直流调速系统调节控制电压Uc就可改变电动机的转速。如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，但是，对静差率有较高要求时，开环调速系统往往不能满足要求。这时就要采用闭环调速系统。采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单环系统就难以满足需要。这时就要考虑采用转速、电流双环控制的直流调速系统。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。二者之间实行嵌套（串联）联接。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。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Uim*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限制了电力电子电换器的最大输出电压Udm。在直流可逆调速系统的工作原理之下，结合环流的正面作用，在双闭环可逆调速系统的基础之上，增加对环流进行控制环节，有用时引入，无用时遏制环流，利用环流作为流过晶闸管的基本负载电流，使电动机在空载或轻载时可工作在晶闸管装置的电流连续区，以避免电流断续引起的非线性对系统性能的影响。3.1.1 可控环流可逆调速系统概述在配合控制的有环流系统中，总是设法避免出现直流环流。直流环流加重了可控硅和变压器的负担，消耗无用的功率，这是它有害的一面。然而直流环流也有它有利的一面。它可使电流反向时没有死区，有助于缩短过渡过程。另外，少量直流环流的存在，成为晶闸管装置的基本负载，则实际的负载电流可以越过断续区，对调速系统的静、动态性能都是有利的。于是从利用直流环流的目的出发，提出了一种“给定环流可逆调速系统”，采用的控制方式。这种根据负载实际情况来控制环流的大小和有无的系统就是“可控环流可逆调速系统”。这样，更能有效的发挥直流环流的作用，而尽量减小它的不利影响。在可逆系统中，总有一组可控硅要在逆变状态下工作，所以须有限制min的保护，以防逆变颠覆。3.1.2 有环流可逆调速系统的制动过程可以分为两个主要阶段，其中还有一些子阶段。主要阶段分为：本组逆变阶段和它组制动阶段。（1） 本组逆变阶段电流由正向负载电流下降到零，方向没变，只能通过正组VF流通，具体过程如下：a) 发出停车（或反向）指令后，转速给定电压突变为零（或负值）；b) ASR输出跃变到正限幅值 ；c) ACR输出跃变成负限幅值 ；VF由整流状态很快变成的逆变状态，同时反组VR由待逆变状态转变成待整流状态。在VF-M回路中，由于VF变成逆变状态，极性变负，而电机反电动势 E 极性未变，迫使电流迅速下降，主电路电感迅速释放储能，企图维持正向电流，这时：由于电流的迅速下降，这个阶段所占时间很短，转速来不及产生明显的变化。（2）它组逆变阶段主电路电流下降过零，本组逆变终止，第 I 阶段结束，转到反组 VR 工作，开始通过反组制动，直到制动过程结束，统称“它组制动阶段”。它组制动阶段又可分成三个子阶段：1) 它组建流子阶段Id 过零并反向，直至到达 - Idm 以前，ACR并未脱离饱和状态，其输出仍为 - Ucm 。这时，VF和 VR 输出电压的大小都和本组逆变阶段一样，但由于本组逆变停止，电流变化延缓。反组VR由“待整流”进入整流，向主电路提供 Id 。 反组整流电压 Ud0r 和反电动势 E 极性相同，反向电流很快增长，电机处于反接制动状态，转速明显降低，又称“它组反接制动状态”。2) 它组逆变子阶段当反电流达到 Idm 并略有超调时，ACR输出电压 Uc 退出饱和，其数值很快减小，又由负变正，然后再增大，使VR回到逆变状态，而 VF 变成待整流状态。此后，在ACR的调节作用下，力图维持接近最大的反向电流 Idm。电机在恒减速条件下回馈制动，把动能转换成电能，通过 VR 逆变回馈电网3) 反向减流子阶段这阶段，转速下降很低，无法维持 -Idm，于是电流立即衰减。在电流衰减过程中，电感 L上的感应电压支持着反向电流，并释放出存储磁能，与电动机断续释放出的动能一起通过VR逆变回馈电网。如果电机随即停止，整个制动过程到此结束。否则电机将会继续反向运行。图1制动过程响应曲线3.2 电流调节器的设计3.2.1 电流调节器作用（1）对电网电压起及时抗扰作用；（2）启动时保证获得允许的最大电流；（3）在转速调节器过程中，使其跟随给定电压变化；（4）当电动机过载或堵转时，限制其最大电流，起到限流保护作用。3.2.2 确定时间常数查表可知，三相桥式电路平均失控时间,电流滤波时间常数应满足因此取；则电流环小时间常数之和为：选择电流调节器结构如图： 图2电流调节器3.2.3 电流调节器参数计算： 3.2.4 校验近似条件经过检验，系统满足近似条件，可将此电流环节近似调节成最佳一阶系统。按照上述参数，电流环可以达到的动态性能指标为。3.3 转速调节器的设计3.3.1 确定时间常数1) 电流环等效时间常数。由上述可得2) 转速滤波时间常数,根据所用测速发电机波纹情况，取。3) 转速环小时间常数之和，按小时间常数近似处理，取。 图3电流调节器3.3.2 选择转速调节器结构根据设计要求,选用PI型电流调节器，传递函数为。3.3.3 计算转速调节器参数按照跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=3，则ASR的超前时间常数为由此可得转速开环增益于是，可得ASR的比例系数为3.3.4 校验近似条件转速环截止频率（1） 电流环传递函数简化条件为,满足简化条件。（2）转速环小时间常数近似处理条件,满足近似条件。3.3.5 校验转速超调量3.4 平波电抗器的设计按照抑制电流脉动的要求，对于三相桥式整流电路取为电动机额定电流的5%, ，则,取.则 取3.5 可控环流部分设计3.5.1 环流给定环节图4环流给定环节图3.5.2 环流遏制回路图5环流遏制回路C1对遏制环流的过渡过程起加快作用；R1将被阻挡信号引到ACR输入端，抵消-Uic的作用。对于正组1ACRUi* = -，D1导通，利用KCL列方程，稳态时，Ci相当于开路对于反组2ACRUi*= +，D2截止，稳态时：设两组的电流反馈系数均为则: 电机停止时，Ui*=0，则 这就是环流给定值。当电机正转，负载增大到一定程度，环流完全被遏制住。代入前面式，说明：当整流电流增大到空载给定环流的倍时，直流环流就等于0。3.5.3 可控环流电阻的设计因为当负载电流大到空载给定电流的（2+R1/R0）倍时，环流开始消失。所以，如果最大给定环流等于额定电流的5%，并要求当负载电流大到15%的额定电流时，环流消失。则环流给定电压应整定为：3.6 触发电路设计3.6.1 芯片介绍本设计含有两套触发装置：正向触发（GTF）和反向触发（GTR）。两组触发器采用锯齿波触发装置。本设计采用的是TC787是采用独有的先进IC工艺技术，并参照国外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变流装置。它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，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只KJ042)(或KC)系列器件组合才能具有的三相移相功能，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。管脚功能(1) 同步电压输入端：引脚1(Vc)、引脚2(Vb)及引脚18(Va)为三相同步输入电压连接端。应用中，分别接经输入滤波后的同步电压，同步电压的峰值应不超过TC787的工作电源电压VDD。图6管脚图(2) 脉冲输出端：在半控单脉冲工作模式下，引脚8(C)、引脚10(B)、引脚12(A)分别为与三相同步电压正半周对应的同相触发脉冲输出端，而引脚7(-B)、引脚9(-A)、引脚11(-C)分别为与三相同步电压负半周对应的反相触发脉冲输出端。当TC787被设置为全控双窄脉冲工作方式时，引脚8为与三相同步电压中C相正半周及B相负半周对应的两个脉冲输出端；引脚12为与三相同步电压中A相正半周及C相负半周对应的两个脉冲输出端；引脚11为与三相同步电压中C相负半周及B相正半周对应的两个脉冲输出端；引脚9为与三相同步电压中A相同步电压负半周及C相电压正半周对应的两个脉冲输出端；引脚7为与三相同步电压中B相电压负半周及A相电压正半周对应的两个脉冲输出端；引脚10为与三相同步电压中B相正半周及A相负半周对应的两个脉冲输出端。应用中，均接脉冲功率放大环节的输入或脉冲变压器所驱动开关管的控制极。 (3) 控制端 引脚4(Vr)：移相控制电压输入端。该端输入电压的高低，直接决定着TC787输出脉冲的移相范围，应用中接给定环节输出。 引脚5(Pi)：输出脉冲禁止端。该端用来进行故障状态下封锁TC787的输出，高电平有效，应用中，接保护电路的输出。 引脚6(Pc)：TC787工作方式设置端。当该端接高电平时，TC787输出双脉冲列；而当该端接低电平时，输出单脉冲列。 引脚13(Cx)：该端连接的电容Cx的容量决定着TC787或输出脉冲的宽度，电容的容量越大，则脉冲宽度越宽。 引脚14(Cb)、引脚15(Cc)、引脚16(Ca)：对应三相同步电压的锯齿波电容连接端。该端连接的电容值大小决定了移相锯齿波的斜率和幅值，应用中分别通过一个相同容量的电容接地。 (4) 电源端 TC787/可单电源工作，亦可双电源工作。单电源工作时引脚3(VSS)接地，而引脚17(VDD)允许施加的电压为818V。双电源工作时，引脚3(VSS)接负电源，其允许施加的电压幅值为-4-9V，引脚17(VDD)接正电源，允许施加的电压为+4+9V。3.6.2 触发电路如图6所示图7 TC787连接电路图3.6.3 触发电路的定向向晶闸管整流电路供电的交流侧电源通常来自电网，电网的频率不是固定不变的，而是会在允许内有一定的波动。触发电路除了应当保证工作频率与主电路交流电源的频率一致外，还应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系。一旦确定了整流变压器和同步变压器的接法，即可选定每一个晶闸管的同步图9同步变压器和整流变压器的接法及矢量图图8三相全控桥中主电路电压与同步电压关系示意图电压信号。图9给出了变压器接法的一种情况及相应的矢量图，其中主电路整流变压器为Dy11联结，同步变压器为Dy5y11联结。这时，同步电压选取的结果如表1所示。表1三相全控桥各晶闸管的同步电压3.7 主电路主电路包括直流电机，整流电路（三相全控），测速电机，励磁回路，电流反馈环节以及主电路的保护措施部分。3.7.1 整流电路如图10所示，可逆直流调速系统采用两组晶闸管装置反并联构成可逆线路VT4VT6VT2VT5VT3VT1VT2VT6VT4VT5VT1VT3图10电机反并联可逆线路图3.7.2 过电压保护电路（1）晶闸管的过电压保护主要考虑换向过电压抑制，在元件两端并联RC回路来保护晶闸管，如图11所示。图11晶闸管过电压保护电路（2）使用RC吸收电路可以把变压器绕组释放的电磁能量转化为电场能量储存起来故可以抑制过电压，串联电阻可以消耗部分吸收的能量。如图12所示LCRUPECRCCRR图123.7.3 电流反馈和过电流保护（1）电流反馈和