《自动控制系统》课程设计设计报告-直流双闭环调速系统设计

直流双闭环调速系统课程设计I自动控制系统自动控制系统课程设计课程设计设计报告设计报告直流双闭环调速系统设计直流双闭环调速系统设计学院电气工程与自动化学院专业自动化班级07-8学号310708020814学生姓名李晓宇指导老师罗宇锋日期20101212直流双闭环调速系统课程设计II摘要直流双闭环调速系统的性能很好，具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统中得到了广泛的应用。直流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，介绍了其半控桥主电路、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指标。关键词：关键词：直流双闭环调速系统电流调节器转速调节器，三相半控桥直流双闭环调速系统课程设计III目录摘要摘要.II目目录录.III1研究双闭环直流调速系统的目的和意义研究双闭环直流调速系统的目的和意义.42设计指标及要求设计指标及要求.43调速系统总体设计调速系统总体设计.44直流双闭环调速系统电路设计直流双闭环调速系统电路设计.64.1晶闸管-电动机主电路的设计.64.1.1主电路设计.64.1.2主电路参数计算.74.2保护电路的设计.94.3转速、电流调节器的设计.114.3.1电流调节器.114.3.2转速调节器.134.4转速检测电路设计.164.5电流检测电路设计.165小结与体会小结与体会.166参考文献参考文献.17直流双闭环调速系统课程设计41研究双闭环直流调速系统的目的和意义转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。首先，应掌握转速、电流双闭环直流调速系统的基本组成及其静特性；然后，在建立该系统动态数学模型的基础上，从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的作用；第三，研究一般调节器的工程设计方法，和经典控制理论的动态校正方法相比，得出该设计方法的优点，即计算简便、应用方便、容易掌握；第四，应用工程设计方法解决双闭环调速系统中两个调节器的设计问题，等等。通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个生产领域。2设计指标及要求(一)控制对象参数直流他励电动机：功率Pe22KW，额定电压Ue=220V，额定电流Ie=116A磁极对数P=2，ne=1500rmin励磁电压220V电枢绕组电阻Ra=0.112主电路总电阻R0.32，L37.22mH(电枢电感、平波电感和变压器电感之和)，电磁系数Ce=0.138Vminr，Ks=22，电磁时间常数TL=0.0116s，机电时间常数Tm=0.157s，滤波时间常数Ton=Toi=0.00235s，过载倍数1.5，电流给定最大值，速度给定最大值10VUim10VUn(二)系统的技术指标要求1.调速范围D：82.无静差3电流超调量%5i4空载启动到额定转速时超调量%10n直流双闭环调速系统课程设计53调速系统总体设计直流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，且都带有输出限幅电路。转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子imUcmU变换器的最大输出电压。dmU由于调速系统的主要被控量是转速故把转速负反馈组成的环作为外环以保证电动机的转速准确跟随给定电压把由电流负反馈组成的环作为内环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，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。如图3-1所示：图3-1直流双闭环调速系统为了获得良好的静、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。其原理图如图3-2所示：直流双闭环调速系统课程设计6图3-2直流双闭环调速系统原理图直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相半控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。4直流双闭环调速系统电路设计4.1晶闸管-电动机主电路的设计4.1.1主电路设计晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）主电路原理图如图4-1所示：图4-1V-M系统主电路原理图图中VT是晶闸管可控整流器，它由三相半控桥式整流电路组成，如图3-2所示：直流双闭环调速系统课程设计7图4-2三相半控桥式整流电路通过调节触发装置GT的控制电压来移动脉冲的相位，即可改变平均整流电压，cUdU从而实现平滑调速。4.1.2主电路参数计算)(cos22minmax2NkVTddIICuAUnRIUUVV116)105.05.0985.0(9.034.212116112.0220所以变压器电压比为：90.111622021UU二次侧相电流：AAIIINd9522.111622.122.12一次侧相电流：AIId5022.190.111二次容量：kVAVAIUmS339511632222一次容量：kVAVAIUmS335022031111平均计算容量：kVASSS33)(2121直流双闭环调速系统课程设计8变压器二次侧相电压VU1162，负载最大电流AAIINd1741165.1，又查表3-3知，因此VUUTm28462368.0fbK，因此VVUUTmTN852568284)32()32(AAITN12896174368.0)25.1(取VUTN700，AITN100，选择KP100-7晶闸管3只。取VUTN600，AITN100，选择IDW100E60二极管3只。临界电感量计算公式为：crL)(86.135%1161160.693=)(min2mHmHIUKLdcrcr式中，为晶闸管装置交流侧电源相电压有效值（V）；为要求连续的最小负载2UmindI电流平均值（A）；为与整流电路形式有关的系数，crK限制输出电流脉动电感量mL为了使系统能正常工作，提高运行的可靠性，必须在主电路中与负载串联电抗器，其电感量为mL)(6.1011604.030021168.010)(2103223mHmHISUfUULdiddmm式中，为脉动输出电压中最低频率的电压幅值与交流侧星形联结时相电2UUdmdmU压有效值之比，见表3-5序号1；为整流电路输出电流的最低谐波频率（Hz），见表2Udf3-5序号1；为额定负载电流平均值；为电流脉动系数，由运行要求提出。单相整流dIiS电路0.2；三相整流电路。iS05.0iS以上计算的使电流连续的临界电感量和限制电流脉动的电感量都是指电流路径crLmL中所有的电感量，其中包括变压器折算到二次侧每相的漏电感量和电动机电枢的电感量lL。所以，为了准确设计电抗器，计算所得和应该扣除（+）。aLcrLmLlLaL折算到变压器二次侧的每相漏电感量为lL直流双闭环调速系统课程设计9)(1965.005.09.3)(2mHmHIUuKLdkll式中，为变压器二次相电压有效值（V）；为直流侧额定负载电流（A）；为2UdIlK与整流电路形式有关的系数，见表3-5序号3。电动机电枢电感量为)(4.2150011644002201.19)(2101.193mHmHCnpIULlaNNNa式中，为电动机极数；为电动机额定电压（V）；为电动机额定电流（A）；p2NUNI为电动机额定转速（rmin）；为电枢电感系数，无补偿电动机为0.4，有补偿电NnlaClaC动机为0.1。laC满足设计要求的平波电抗器)(067.111965.024.286.13)(maxmHLLLLLlacrmp应当注意，对三相桥式系统，计算时，变压器漏电感量应代求。lL2pL计算反馈关键参数：058.01165.110nIUim007.0150010Unnmn直流双闭环调速系统课程设计104.2保护电路的设计（1）阻容保护阻容保护是在整流变压器二次侧并联电阻和电容，其接线方式见图4-2，计算单相变压器交流侧过电压保护电容C和电阻R的公式为FUSiCf14711633000106%6222耐压1.5Um=1.51162=246.036V由公式计算出电容量一般偏大，实际选用时还可参照过去已使用装置情况来确定保护电压的容量，这里选CZJD-2型金属化纸介电容器，电容量147uF，耐压250V。66.0105330001163.2%3.2222fkiuSUR，取0.5式中，S为单相变压器的平均计算容量；为变压器二次相电压有效值（V）；)(AV2U为变压器励磁电流百分比，的变压器，对应的；%fiAkV100010410%fi为变压器的短路电压百分比，的变压器，对应的；C%kuAkV100010105%ku为电容；R为电阻。)(F)(IC=2fCUC10-6=25014710-6116=5.36APR(34)IC2R=(34)（5.36）20.5=43.157.46W图4-2阻容保护的接法a）单相b）三相变压器二次测Y联结，阻容Y联结c）三相变压器二次测Y联结，阻容D联结d）三相整流式阻容保护的接法直流双闭环调速系统课程设计11选取0.5，60W的金属氧化膜电阻。（2）快速熔断保护图3-9快速熔断器的接法a)交流侧快速熔断器b)与器件串联快速熔断器c)直流侧快速熔断器选配与元件串联的快速熔断器，其熔体的额定电流一般按下式选择NI，式中，为晶闸管的额定电流；为熔体的额定电流；为实TmNTNIII57.1TNINITmI际流过晶闸管的最大电流有效值。由晶闸管的选择可知AITN100，因此，取64TmIA15764NAIA，选取RS3-100100NIA4.3转速、电流调节器的设计转速、电流双闭环调速系统的动态结构图如图4-3.1所示：图4-3.1直流双闭环调速系统动态结构图由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定，以滤oiT平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，直流双闭环调速系统课程设计12为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用表示，根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为的给定onTonT滤波环节。系统设计的一般原则是：先内环后外环。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。4.3.1电流调节器4.3.1.1电流调节器设计含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器如图4-3.2所示：图4-3.2含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器其中为电流给定电压，为电流负反馈电压，为电力电子变换器的控制电iUdIcU压。4.3.1.2电流调节器参数选择1）确定时间常数已知，所以电流环小时间常数sTs0017.0sToi0.00235=0.0017s+0.00235s=0.00405S。oisiTTT2）选择电流调节器的结构根据设计要求：%5l，而且直流双闭环调速系统课程设计130.01162.9100.00405liTT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ssKsWiiiACR1)(3）电流调节器参数计算：电流调节器超前时间常数=0.0116s，又因为设计要求电流超调量，ilT%5i查得有=0.5，所以=，所以ACR的比例系数iITKIKiT5.015.1230.004055.0S=。siIiKRKK123.50.1120.01160.125220.0584）校验近似条件电流环截止频率=123.5。ciWIK1S晶闸管整流装置传递函数的近似条件：，满足条件。11.1960017.03131STsciW忽略反电动势变化对电流环动态影响条件：，满足条件。1113370.30.1570.0116cimlSWTT电流环小时间常数近似处理条件：，满足条件。oisTT131ciWS18.16600235.00017.01315）计算调节器的电阻和电容取运算放大器的=40，有=0.12540=50Rk0RKRiik，取2.2，0.01162.325iiiCFRkF，取2.2。0440.002351.885oioiTCFRkF故sKsWiiiACR10.1250.011610.0116ss直流双闭环调速系统课程设计144.3.2转速调节器4.3.2.1转速调节器设计含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器如图4-3.3所示：图4-3.3含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器其中为转速给定电压，为转速负反馈电压，：调节器的输出是电流调节器nUniU的给定电压。4.3.2.2转速调节器参数选择1）确定时间常数：有则，已知转速环滤波时间常5.0iITKssTKiI0081.000405.0221数=0.00235s，故转速环小时间常数。onTsTKTonIn01045.000235.00081.012）选择转速调节器结构：按设计要求，选用PI调节器ssKsWnnnASR13）计算转速调节器参数：按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=5则ASR的超前时间常数为：，shTnn0523.001045.05直流双闭环调速系统课程设计15转速环开环增益。122228.109801045.052621sThhKnNASR的比例系数为：。03.9201045.0112.0007.052157.0138.0058.0621nmenRThTChK4）检验近似条件转速环截止频率为。46.570523.08.10981nNNcnKWKW电流环传递函数简化条件为，满足条件。cniIWsTK121.5800405.05.1233131转速环小时间常数近似处理条件为：，满足cnonIWsTK141.7600235.05.1233131近似条件。5）计算调节器电阻和电容：取=40，则，取3700。0RkkRKRnn2.36814003.920k，取0.020.05230.01413700nnnCFRkF630440.00235100.2350.224010ononTCFFFR取故。ssssKsWnnnASR0523.010523.003.9216）校核转速超调量：mnnombnTTnnzCCmax)(2)(当时，5h%2.81maxbCC而min2.141min138.0112.0174rrCRInednomnom因此%10%53.1157.001045.015002.1415.12%2.81n能满足设计要求。直流双闭环调速系统课程设计164.4转速检测电路设计转速的检测可把接到一个测速发电机上即可检测转速，如图4-4所示：nUTGU2UnRP4.图4-4转速检测电路4.5电流检测电路设计使用霍尔电流传感器可以检测电流，把接到霍尔传感器上。霍尔效应传感器，可以iU测量任意波形的电流和电压。输出端能真实地反映输入端电流或电压的波形参数。如图4-5所示：图4-5电流检测电路5小结与体会通过本次课程设计，首先对直流双闭环调速系统有了更深的认识，加深了理解，是对课堂所学知识的一次很好的应用。学会了转速、电流双闭环直流调速系统的设计，并能熟练地掌握转速和电流调节器参数的选择和计算，在设计的基础上更加认识到直流双闭环调速系统的应用之广泛。直流双闭环调速系统课程设计176参考文献1陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社，200