开题报告：逻辑无环流可逆直流调速系统的工程设计.doc

开题报告一. 设计题目：逻辑无环流可逆直流调速系统的工程设计二. 设计任务及题目意义：在现代科学技术革命过程中，电气自动化在20世纪的后四十年曾进行了两次重大的技术更新。一次是元器件的更新，即以大功率半导体器件晶闸管取代传统的变流机组，以线形组件运算放大器取代电磁放大器件。后一次技术更新主要是把现代控制理论和计算机技术用于电气工程，控制器由模拟式进入了数字式。在前一次技术更新中，电气系统的动态设计仍采用经典控制理论的方法。而后一次技术更新是设计思想和理论概念上的一个飞跃和质变，电气系统的结构和性能亦随之改观。从目前的情况来看，现代控制理论与计算机技术已成为电气自动化起飞的一对翅膀。近年来国内外在应用最优控制，参数识别和自适应等方法以及计算机仿真，计算机辅助设计和微机控制等技术手段，来解决电气自动化技术问题方面取得了丰硕成果。在整个电气自动化系统中，电力拖动及调速系统是其中的核心部分。目前，随着大功率电力电子器件的迅速发展，交流变频调速技术已日臻成熟并日渐成为实际应用的主流，但这并不意味着传统的直流调速技术已经完全退出了实际应用的舞台。相反，近几年交流变频调速在控制精度的提高上遇到了瓶颈，于是直流调速的优势就显现了出来。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。譬如在对控制精度有较高要求的造纸，转台，轮机定位等系统中仍离不开直流调速装置，因此加强对直流调速系统的研究还是很有必要的。鉴于直流调速系统在国民经济和工农业生产以及国防事业中的重要作用，有必要对直流调速系统作进一步的研究和开发。随着电力传动装置在现代化工业生产中的广泛应用，以及对其生产工艺、产品质量的要求不断提高，需要越来越多的生产机械能够实现自动调速。生产中有许多机械要求既能正转，又能反转，而且常需要快速起动和制动，即需要可逆调速系统。晶闸管反并联的电枢可逆线路是可逆调述系统的典型线路之一，这种线路有能实现可逆运行、回馈制动等优点，但也会产生环流。为保证系统安全，必须消除其中的环流。所谓逻辑无环流系统就是在一组品闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组品闸管的触发脉冲，使该组品闸管完全处于阻断状态，从根本上切断环流通路。这种系统不仅能实现逻辑无环流可逆调速，还是交一交变频的基础。在这种直流可逆调速系统中，主电路采用两组晶闸管三相全控桥直接反并联整流电路，控制电路采用逻辑切换装置，系统采用转速和电流双闭环结构，以其快速性、简捷性和可靠性，独树一帜，在冶金、矿山、轻工等各个领域获得广泛的应用。逻辑无环流系统中，逻辑控制部分起着很重要的作用，其判断的准确性、动作的可靠性，直接关系到整个系统的正常工作和性能。可逆控制系统对逻辑转换装置的的要求为：(1)在控制系统中，当一组可控制硅工作时，用逻辑电路封锁另一组的触发脉冲，使该组可控硅完全处于阻断状态，从根本上切断环流的通路。(2)不能根据控制系统中的转速给定信号Vgn的极性来确定脉冲封锁的取舍。因为不只是反转时应该开放反组可控硅，在正转制动(或降速)时，也要利用反组。两种情况下，都要封锁正组，开放反组。(3)在电动机反转运行和正转制动时，电动机转矩方向和电流方向均为负；正转运行和反转制动时，电动机转矩方向和电流方向均为正。由此可见，应该用转矩的极性或电流极性来指挥逻辑切换。由转速调节器输出的电流给定信号Vgi完全适合于担当这个任务。当Vgi由负变正时，可以发出封锁正组、开放反组的信号；当Vgi由正变负时，可以发出封锁反组、开放正组的信号。(4)Vgi极性的改变，只说明系统有了使转矩(电流)反向的意图，转矩(电流)的极性真正变换还要滞后一段时间，等到转矩(电流)真正过零时，发出零电流检测信号，才能发出正反组切换的命令。由此可见，转矩极性鉴别电流信号和零电流检测信号是正、反组切换的前提，有了这两个前提，再经过必要的逻辑运算，就可以发出切换命令。(5)需要关断等待时间。因为电流总是脉动的，而零电流检测器不可能等到电流绝对为零时才动作，它有一个最小动作电流。，如果脉动的逆变电流瞬时低于。，而实际电流还在连续导通时就发出封锁脉冲的指令，有可能造成本桥逆变颠覆。因此必须等待一段时间，电流不再大于。，才能确认电流已经断续，可以封锁脉冲了，t1=23ms。(6)需要触发等待时间。因为封锁原导通组脉冲的时刻，以后的脉冲虽然发不出来了，但原已触发的一相还得过会儿才能真正关断，关断后还必须有恢复阻断能力的时间，如果在这以前，就开放另一组可控硅，势必造成电源短路t2=7ms。本设计的课题是逻辑选触无环流直流调速系统。该系统属于模拟系统，在工矿企业中有着广泛的应用。本设计将先分析主回路及计算,论述其工作原理,接着讲解各个控制单元,本系统的控制线路采用转速、电流双闭环调速系统。此外，为了控制给定信号的加速度，系统中又加入了一个给定积分器，两个环节的调节器均采用PI调节器 本设计采用逻辑选触无环流调速系统,投资少,调整方便,较符合实际需要,并且使用起来也比较的安全和方便，出故障时能及时察觉和排除。在本设计的最后，对系统进行动态校正和工作过程各阶段进行较详细的图文讨论。本系统采用的工程设计方法。 本设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和控制，设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的逻辑控制电路和调节器，通过在DJDK-1型电力电子技术及电机控制试验装置上的调试,以达到满足控制指标的目的。三. 文献综述1 直流调速系统的发展和现状电气传动主要分为直流电气传动和交流电气传动两大类，它们分别采用直流、交流电动机为动力的传动。直流电动机虽不如交流电动机结构简单、制造方便、维护容易、价格便宜等，但是由于直流电动机具有良好的起动、制动性能和调速性能，可以方便地在很宽的范围内平滑调速，所以直流电动机广泛地应用于自动控制要求较高的各个生产部门。19世纪中所能得到的电力供应是固定电压的直流电。直流电动机由固定电压的电源母线供电，要调节传动速度只能改变电动机的磁通量。19世纪90年代开发并使用的华特列奥纳德系统，在直流传动发展史上是一个里程碑。这种系统采用电动机发电机（M-G）机组向直流电动机供电，改变发电机电压使传动电动机转速能在一定范围内连续调节。起初M-G机组为分立部件，到20世纪40年代初期，出现组装式M-G机组。机组供电的直流调速系统在50年代曾得到广泛使用，但由于该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，因而设备多、体积大、费用高、效率低、安装须打地基、运行有噪声、维护不方便。为了克服这些缺点，在50年代开始采用可控汞弧整流器（大容量时）和闸流管（小容量时）这样的静止变流装置来代替旋转变流机组，形成所谓的离子拖动系统。离子拖动系统是最早应用的静止变流装置供电的直流调速系统。它虽然克服了旋转变流机组的许多缺点，而且还缩短了响应时间，但汞弧整流器造价较高，维护麻烦，特别是水银如果泄漏，将污染环境，危害人身健康。1957年，晶闸管（俗称可控硅整流元件，简称“可控硅”）问世，到了20世纪60年代，已生产出成套的晶闸管整流装置，使变流技术产生了根本性的变革，开始进入晶闸管时代。到今天，晶闸管电动机调速系统（简称V-M系统，）已成为直流调速系统的主要形式。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。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在以上，控制功率小，便于将微电子技术引入强电领域，在控制作用的快速性方面，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将会大大提高系统的动态性能。晶闸管整流器也有它的缺点。首先，由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，因此系统可逆运行时需正、反两组全控整流电路，设备增加一倍，控制也十分复杂。其次是晶闸管元件对过电压、过电流都十分敏感，因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还应留有足够的余量。随着电力电子器件的发展，使称为第二代电力电子器件之一的大功率晶体管（GTR）得到了越来越广泛的应用。由于晶体管是既能控制导通又能控制关断的全控型器件，其性能优良，以大功率晶体管为基础组成的晶体管脉宽调制（PWM）直流调速系统在直流传动中使用呈现越来越普遍的趋势。2 控制论的发展简史（1） 自动控制理论的形成和发展，经历了近半个世纪的历程。20世纪40年代中-50年代末形成的经典控制理论，其内容是以传递函数为基础，多半用来解决单输入单输出问题，所涉及的系统主要是线性定常系统，设计方法以频率法和图解法为主，比较成功的解决了简单控制系统的分析和设计问题，至今仍在广泛地应用。（2）由于用经典控制理论处理时变，非线形以及多输入多输出等复杂控制系统问题存在较大的局限性，在20世纪6070年代，现代控制理论获得了迅速发展。其研究方法在本质上是一种时域方法，即状态空间法，它的分析和综合目标是要揭示系统的内在规律，实现满足性能指标函数下的最佳化。（3）随着快速和微型计算机的出现和普及， 20世纪70年代末至今，大系统理论和智能理论开始出现并取得了相当的发展，使控制理论发展到一个新阶段。前者是用控制和信息的观点研究大系统的结构方案、总体设计中的分析方法和协调问题。后者是研究与模拟人类活动的机理。回顾控制论的发展历史，它反映了人类社会中由机械化步入电气化，继而走向自动化、信息化、智能化的时代特征。3 电气自动控制技术的发展概况电气系统广泛应用于工业特别是制造加工业的各部门，其性能的优劣直接影响着生产机械的效率、产品质量、原材料和能量的消耗，在长期生产实践和科学研究中，人们应用经典控制理论建立了这类系统的设计方法 ，经过不断改进和完善，得到了动特性和静特性都相当好的电气控制系统，如电气传动中的双闭环调速系统就是很成功的范例。然而，随着生产的大规模发展和技术进步，工业部门对电气控制系统的特性、能耗等质量提出了愈来愈高的要求，尤其随着现代控制理论和计算机科学技术的进步，对电气控制系统提出了许多更高的要求。上世纪50年代初期，前苏联学者打维多夫等人就提出以最小能耗和最高生产率为指标的电力拖动的最优控制。60年代以来，佩什卡洛等对快速控制、最小能耗控制及奇异控制进行了大量的研究。70年代以来，国内外相继研究了以二次型为性能指标的电气最优控制系统，包括电动机调速最优控制。用二次型理论对调速系统的调节器进行设计，通过理论分析和实验都证明了其性能大大超过了用经典控制理论设计出来的调节器。80年代前后，国内外对电气最优控制系统的抗扰性、状态和扰动观测器、多台电动机协调运转的最优控制进行了研究。鲁棒控制理论、自适应控制、模糊控制都开始应用于电气控制系统。70年代以来，由于微型计算机的发展，计算机辅助设计、计算机仿真也越来越普遍地应用于电气控制系统，使电气控制系统从研究到设计控制的手段都发生了深刻的变化。 综观电气控制系统的发展过程，计算机科学和现代控制理论的发展为其向高精度、高效率、智能化、多功能、最优化、自适应化方向发展创造了条件。四 工作计划（一） 文献综述 （第1-2周） （二） 调速系统的方案选择 （第3-4周） （三） 调速系统的逻辑切换电路设 （第5-7周） （四） 调速系统的调节器设计与性能指标（第8-10周） （五） 论文整理及打印 （第11周） （六） 准备答辩 （第12周） 五 参考文献 1.夏德钤 翁贻方：自动控制理论(第2版)机械工业出版社，2004年1月第2版2.顾绳谷：电机及拖动基础(第4版) 机械工业出版社，2007年9月第4版3.王兆安 黄俊：电力电子技术(第4版) 机械工业出版社，2007年6月第4版4.阮毅 陈伯时：电力拖动自动控制系统