直流双闭环有环流可逆调速系统设计-课程设计说明书

课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 直流双闭环有环流可逆调速系统设计 初始条件：1.直流电动机额定参数为： UN220V，IN136A，Ce0.132 v.min/r，Ra0.52.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: （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、元器件符指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日引 言20世纪60年代发展起来的电力电子技术，使电能可以变换和控制，便产生了现代各种高效、节能的新型电源和交直流调速系统，为工业生产自动化，楼宇、办公自动化等提供了技术基础；提高了市场效率和改善了人们的生活质量，使人类社会生产、生活发生了翻天覆地的变化。随着新型电力电子器件和先进控制技术的不断发展，运动控制系统及电力电子装置的性能也将不断地优化和被改善。由这种变化而产生的影响将会越来越明显。如今，晶闸管电动机调速系统（简称V-M 系统）已经成为直流调速系统的主要形式。在许多大型的钢铁行业和材料生产行业中，为获得良好的控制性能，大量使用直流电动机调速系统，尤其是直流双闭环调速系统，它具有调速性能好，调速范围宽，动态性能好等优点。此次，我就选择用逻辑无环流控制的可逆晶闸管电动机调速系统来调节电动机的速度以满足生产工艺要求。运动控制系统是自动化专业的主干专业课，具有很强的系统性、实践性和工程背景。运动控制系统课程设计的目的在于培养学生运用本课程的知识和理论来分析和解决运动控制系统设计的实际问题，使学生建立正确的设计思路，并掌握实际工程设计的方法及其规范，提高学生查阅文献及正确使用技术资料、标准、手册等工具书的能力；理解、分析、制定设计方案的能力；实验研究及系统调试及编写说明书的能力。我相信通过此次课程设计将大大提高我们将理论应用于生产实际和将生产实际联系理论的能力。目 录摘要 11、电流调节器与转速调节器的设计2 1.1、电流环结构框图的化简2 1.2、电流调节器的参数计算2 1.3、电流环的校正2 1.4、ASR的设计32、主电路及其保护电路的设计62.1、主电路框图6 2.2、开关切换的可逆线路62.3、保护电路63、V-M有环流可逆直流调速系统的控制73.1、=配合控制原理73.1.1、环流的概念73.1.2、直流平均环流与配合控制73.2、实现= 配合控制83.3、=配合控制中的瞬时脉动环流及其抑制84、触发装置的设计94.1、触发装置的应用94.2、触发电路的设计95、自然环流可逆调速系统原理框图105.1、有环流可逆V-M系统的原理框图106、总结127、参考文献13 附录144摘 要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，利用Simulink对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。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。采用MATLAB软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计,并用SIMULINK进行动态数字仿真,同时查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行.关键词 直流调速系统 电流调节器 转速调节器 双闭环有环流可逆系统 直流双闭环有环流可逆调速系统设计 1、 电流调节器与转速调节器的设计1.1、电流环结构图的简化电流环的动态结构图简化框图如图12所示。根据设计要求电流超调量i5，并保证稳态电流无静差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性的，因此用PI 型电流调节器，其传递函数为： 。式中Ki 为电流调节器的比例系数；ti为电流调节器的超前时间常数。图12 电流环的动态结构图简化框图1.2、电流调节器参数的计算三相桥式电路的平均失控时间Ts =0.0017s; 三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（12）T0i =3.3 ms, 因此取T0i =0.002s。按小时间常数近似处理，取Ti=Ts+T0i =0.0037s。电流调节器超前时间常数：= Tl =0.00888。设计要求i5，取KI Ti=0.5,因此KI =0.5/0.0037=135.1s-1=wci。由式子得： 得 = 0.789。1.3、校正后的电流环晶闸管整流装置传递函数的近似条件:1/3Ts=196s-1wci ，满足近似条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响 的条件：=75s-1，满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件：=180.8s-1，满足近似条件。满足所有近似条件。PI型电流调节器如图1所示。按所用运算放大器取 R0 =40KW ，各电阻和电容值为： Ri =KiR0=31.56 KW Ci =/ Ri =0.28 Coi=4Toi/ Ro =0.2图1 PI型电流调节器按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为： i =4.35满足设计要求。 校正后电流环的动态结构如图2所示。图2 校正后电流环的动态结构1.4、ASR的设计ACR已经设计好。电流环等效环节的输入量为U*i(s)，输出量为Id(s)，因此电流环在转速环中可等效为。原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。这就表明，电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。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，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。转速环的动态结构经过小惯性的近似处理等效成单位负反馈系统如图3所示。从框图可以看出我们接下来要设计ASR。图3 转速环的动态结构简化框图技术指标要求实现转速静态无静差，空载起动至额定转速时的转速超调量n10，所以ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为： 。式中Kn为转速调节器的比例系数；t n为转速调节器的超前时间常数。 根据测速发动机纹波情况，转速滤波时间常数取为0.01s。按小时间常数近似处理，转速环小时间常数为：=0.0174s。按跟随和抗扰性能都较好的原则，取，则ASR的超前时间常数为：=50.0174=0.087 s转速开环增益为：=396.4s-2ASR的比例系数为：=4.5校验近似条件：wcn=396.40.087= 34.5 s-1电流环传递函数简化条件为： =63.7 s-1 满足近似条件 转速环小时间常数近似处理条件为：=38.7 s-1 满足近似条件PI型转速调节器如图4所示。按所用运算放大器取 R0 =40KW ，则有： Rn=KnR0=180KW Cn =/ Rn =0.483 Con=4Ton/ Ro =1 图16 PI型转速调节器空载起动至额定转速时的转速超调量为： 系统经校正后的动态结构如图17所示。其为典型II型系统，满足各项性能指标。 图4 系统校正后的动态结构2、主电路及其保护电路的设计2.1、主电路框图两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能灵活地控制电动机的起、制动和升、降速。但是，不允许让两组晶闸管同时处于整流状态，否则将造成电源短路。2.2、开关切换的可逆线路接触器开关切换的可逆线路 晶闸管开关切换的可逆线路KMF闭合，电动机正转； VT1、VT4导通，电动机正转；KMR闭合，电动机反转。 VT2、VT3导通，电动机反转。两组晶闸管装置反并联可逆线路较大功率的可逆直流调速系统多采用晶闸管-电动机系统。由于晶闸管的单向导电性，需要可逆运行时经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路2.3、保护电路采用熔断器串入主电路的方法来保护电路。3、V-M有环流可逆直流调速系统的控制3.1、=配合控制原理3.1.1、环流的概念：不流过电动机或负载，而直接在两组晶闸管之间流动的短路电流称作环流 Ic。 缺点：徒然加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。 优点：可作为晶闸管的基本负载电流使得电流连续，避免电流断续引起的非线性影响。 Id：负载电流 Ic:环流 Rrec：整流装置内阻在不同情况下，会出现下列不同性质的环流： （1）静态环流:两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流。直流平均环流：由晶闸管装置输出的直流平均电压差所产生的环流称作直流平均环流。瞬时脉动环流：两组晶闸管输出的直流平均电压差虽为零，但因电压波形不同，瞬时电压差仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。（2）动态环流：仅在可逆V-M系统处于过渡过程中出现的环流。 3.1.2、直流平均环流与配合控制 在两组晶闸管反并联的可逆V-M系统中，如果让正组VF 和反组VR都处于整流状态，两组的直流平均电压正负相连，必然产生较大的直流平均环流。为了防止直流平均环流的产生，需要采取必要的措施，比如： 采用封锁触发脉冲的方法，在任何时候，只允许一组晶闸管装置工作； 采用配合控制的策略，使一组晶闸管装置工作在整流状态，另一组则工作在逆变状态。3.2、实现= 配合控制将两组晶闸管装置的触发脉冲零位都定在90，即当控制电压 Uc =0时，使电机处于停止状态。增大Uc时，使两组触发装置的控制电压大小相等符号相反。 正组VF整流，应接收正的Uc，所以f 减小而r增大或r减小，使正组整流而反组逆变，在控制过程中始终保持f=r。反转时，应保持r=f。= 配合控制电路 触发装置的移相控制特性为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中逆变角太小而导致换流失败，出现“逆变颠覆”现象，必须在控制电路中进行限幅，形成最小逆变角min保护。与此同时，对角也实施min保护，以免出现 -udor的情况，仍能产生瞬时的脉动环流。这个瞬时脉动环流是自然存在的，因此=配合控制有环流可逆系统又称作自然环流系统。为了抑制瞬时脉动环流，可在环流回路中串入电抗器，叫做环流电抗器，或称均衡电抗器。4、触发装置的设计4.1、触发装置的应用集成触发电路具有可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便等优点。晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取代分立式电路。正组晶闸管VF，由GTF控制触发，正转时，VF整流；反转时，VF逆变。反组晶闸管VR，由GTR控制触发，反转时，VR整流；正转时，VR逆变。4.2、触发电路的设计3个KJ004（KC04）集成块和1个KJ041（KC41C）集成块，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可。 三相全控桥整流电路的集成触发电路单结晶体管触发电路结构简单，调节方便，输出脉冲前沿陡，抗干扰能力强，对于控制精度要求不高的小功率系统，可采用单结晶体管触发电路来控制；对于大容量晶闸管一般采用晶体管或集成电路组成的触发电路。计算机数字触发电路常用于控制精度要求较高的复杂系统中。各类触发电路有其共同特点，一般由同步环节、移相环节、脉冲形成环节和功率放大输出环节组成。5、自然环流可逆调速系统原理框图5.1、有环流可逆V-M系统的原理框图电动机正常运行时，一组晶闸管装置处于整流状态，另一组晶闸管装置处于“待逆变状态”电动机若需要制动，整流组晶闸管进入“待整流状态”，待逆变组晶闸管真正开始逆变，电动机回馈电能配合控制时，只有一组晶闸管装置投入使用，另一组处于等待工作状态 有环流可逆V-M系统的原理框图6、总结在这两周的课程设计中，我觉得自己从中学到了许多东西。首先，对双闭环直流调速系统有一个全面而又较深刻的认识，掌握了该系统各个模块的工作原理、功能和设计方法，并能对各个模块和系统进行调试。其次，我学会了对实际问题进行设计的基本思维流程，能够具体问题具体分析；并掌握了一般实际工程设计的方法、原则和系统调试的方法。再者，此次课程设计进一步提升了我查阅文献、利用身边资源和学习新知识的能力。为了能将系统用计算机仿真出来，我自学了MATLAB并运用MATLAB将系统用计算机仿真出来了，使我对计算机仿真有了更深一层的认识。最后，在实验过程中遇到了一些疑难问题，我们通过小组成员间的讨论和请教老师终于将它们解决。这不但解决了问题、学到了知识，更重要的是培养了我们的团队协作精神。同时我们也体会到共同学习、共同进步的乐趣。此次课程设计不仅巩固了我的专业基础知识，而且提高了我的分析问题、解决问题的能力和培养我的工程素养，相信这对我今后的学习和工作有极大的影响。最后我要感谢学校提供这样一个好的实践机会和感谢张老师等多位老师给予的指导和帮助。7、参考文献1、电力拖动自动控制系统运动控制系统第四版 上海大学 阮毅 陈伯时主编 机械工业出版社2、直流调速系统与交流调速系统徐邦荃 李浚源 詹琼华 武汉：华中理工大学出版社 20003、电机与拖动基础第二版 李发海 王 岩 主编 北京：清华大学出版社 19944、电力电子技术第五版 王兆安 刘进军 机械工业出版社5、Protel 99SE电路设计基础与工程范例赵景波. 王臣业 北京：清华大学出版