运动控制系统课程设计不可逆vm双闭环直流调速系统设计

运动控制系统课程设计说明书

设计题目不可逆V-M双闭环直流调速系统设计

学生姓名：_____________________________

学号：_____________________

专业班级：_

指导教师：____________________________________

华北理工大学电气工程学院

2016年12月18日

目录

——、任务45.................................................................2

二、概述.........................................................................3

三、工作原理....................................................................3

1.电流调节器ACR原理（图c）......................................5

2.转速调节器ASR原理（图d）......................................5

3.直流电动机...........................................................5

4.平波电抗器............................................................7

5.同步脉冲触发器.......................................................7

6.测速发电机...........................................................7

7.锯齿波触发电路.......................................................8

1.整流变压器容量的计算......................................................8

2.晶闸管关断过电压阻容保护...............................................10

3.过流时调节器保护.........................................................10

4.保护装置的选择...........................................................11

J」：、,1*I•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••11

1,电流调节器的设干.........................................................12

（1）.确定时间常数.....................................................13

（2）.选择电流调节器结构..............................................13

（3）.计算电流调节器参数..............................................13

（4）.校验近似条件.....................................................14

（5）.计算调节器电阻和电容............................................14

2.转速调节器...............................................................15

（1）.确定时间常数....................................................15

（2）.选择转速调节器结构.............................................15

（3）.计算转速调节器参数..............................................15

（4）.检验近似条件....................................................16

（5）.计算调节器电阻和电容............................................16

（6）.校核转速超调量.................................................16

六、总结........................................................................17

七、附录：.....................................................................17

八、参考文献...................................................................18

一、任务书

说明书评定成绩答辩成绩

设计总成绩成绩

题目一：不可逆V-M双闭环直流调速系统设计

（一）性能指标要求：

稳态指标：系统无静差

动态指标：o-；<5%；空载起动到额定转速时0”<10%o

（二）给定电机及系统参数

PN=4OKW,UN=440V,lN=1O4A,A=2,nN=100（）^^,R,=0.4Q±

回路总电阻R=0.80

主回路总电感L=15，〃"

系统飞轮惯量GT）?=77.5N•〃/

系统最大给定电压=10『

ACR、ASR调节器限幅值调到为±8V,

（三）设计步骤及说明书要求

1画出双闭环系统结构图，并简要说明工作原理。

2根据给定电机参数，设计整流变压器，并选择变压器容量；选择晶闸管的参数

并确定过流、过压保护元件参数。

3分析触发电路及同步相位选择。

4设计ACR、ASR并满足给定性能指标。

5完成说明书，对构成系统的各环节分析时，应先画出本环节原理图，对照分析。

6打印说明书（A4）

电流调节器ACR的输入偏差电压△■.=U:-3,电流调节器ACR的输出电压

U,作为触发电路的控制电压（ACR输出电压的限幅值决定了晶闸管整流电

压的最大值U.）;上控制着触发延迟角，使电动机在期望转速下运转。

第一阶段（（）〜乙）是电流上升阶段。。

第二阶段（乙〜心）是恒流升速阶段。

第三阶段（弓以后）是转速调节阶段。

图b.双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形

1.电流调节器ACR原理（图c）

当转速调节器起主导作用时，ACR力图使。尽快地跟随给定值U：,是一

个电流随动系统。

图c、PI型电流调节器原理图

2,转速调节器ASR原理（图d）

当输入偏差减小到零时，其输出由于积分作用还维持在限幅值电动机

仍加速，转速超调。

理图

3.直流电动机

在电动运行时，转速稍低，Ea〈U,电流方向由电网顺电压L•方向流向电机。

（1）.他励直流电动机的等效电路图

R

十0---------1卜

%

Ue

一o

(2).额定励磁下直流电动机动态结构图

在零初始条件下，去等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数,

"3二R

。而⑸-/曲⑸一7；s+l

电流与电动势的传递函数

E(s)_R

/,/($)-鼠⑸小

(3).整个电动机的动态结构图

当/,〃=0时，结构图化简为

4⑸1/CZ7（s）

e

当/,〃wO时，结构图化简为

4.平波电抗器

再V-M系统中，脉动的电流会增加电机的发热，同时也增加脉动转矩，对机

械产生不利。为了避免或减轻这种影响，需采用印制电流脉动的措施，主要是：

⑴增加整流电路相数，或采用多重化技术。

⑵设置平波电抗器

本次试验中采用设置平波电抗器的方式。平波电抗器的电感一般按低速轻载

时保证电流连续的条件来选择。通常首先给定最小电流Idmin,再利用他计算所

的总电感，减去电枢电感，即的平波电抗应有的电感值。对于三相桥式整流电路,

>0.693U2/IdminIdmin一般为电动额定电流的5%到10%

经计算可的平波电抗器的电感值为5e-3(5X0.001)

5.同步脉冲触发器

为了保证整流装置能启动，或在电流断续后再导通，必须对两组中应导通的

一对晶闸管同时加触发脉冲，本次是设计中采用加宽脉冲的方式，使每个脉冲的

宽度大于60°,取脉冲的宽度为90°。脉冲的移项范围在大电感负载时为0,〜

90°由公式公式.35U21C0Sa得,a=45°

6.测速发电机

测速发电机原理图

测速发电机的传递函数为W(s)=a

7.锯齿波触发电路

双闭环直流调速系统采用的是锯齿波触发电路.

四、参数计算

PN=40KWUN=440VIN=I(MA2=2

1.整流变压器容■的计算

(1).整流变压器二次测电压有效值的确定

要比较精确地计算二次相电压必考虑以下因素:

a).最小控制角对于要求直流输出电压保持恒定或要求电转速恒定的整流

装置，a需能自动调节进行补偿，这就要求变压器二次电压留有一定的调节裕

量，不能以0°计算。一般可逆传动系统的取30°—35°,不可逆传动系

统的Qmm取10°—15°,对于电阻性负载，许而可取0°

b).电网电压波动。根据规定电网允许波动+5%-(-10%),考虑在电网电压最底时

要求仍能保证最大整流输出电压,故通常取波动系数P=0.9

c).变压器漏抗产生的於相压降:

①

2兀2不l2e

d）.晶闸管或整流二极管正向导通压降

考虑了以上因素以后，变压器二次电压的计算公式为

udz+必U

7②

A^cosamin-CU(ll

式中A---------理想情况cr=O。整流电压与二次电压之比

C--------------线路接线方式系数

L-------变压器短路电压比，100KVA以下取U./=0.05,容量越大，也

越大（最大为0.1）

g----------变压器二次侧实际工作电流与变压器二次侧额定电流之比（过

载倍数）

为了简化计算，可用理想情况时的电压计算值增加15%来计算。

所以^=(1+0.15)^③

440

=(l+0.15)x

134

=216.24(V)

（2）.额定电压

心=(2〜3)U,”@

U,.=KU2⑤

x216.24=529.68(V)

二［2〜3)=(2〜3)x529.68=1059.36〜1589.04(V)

取1500V

(3).额定电流/产(1.5〜2)K“，三相桥式电路K力=0.367

=z/v=2x104=208(A)⑥

。二(1.5〜2)K/“

=(1.5-2)x0.367x208

二(1.5〜2)x76.34

=114.51〜152.68(A)

.取150A

(4).整流变压器容量

&=2x〃=2x1(M=208(A)

4，/当+(一/〃『争=^|/,=0.816x208=169.73A⑦

S=3U2<fiI2=3x216.24x169.73=110107.25VA=\\0KVA⑧

2.晶闸管关断过电压阻容保护

计算公式C=(2〜4)/rx10-3"

R=10〜30Q

3

C=(2-4)Zrxl0_/7F

二(2〜4)x150x10-34

=(0.3〜0.6)”

MZ0.5//FR=20Q

晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门吸触发脉冲，保证品闸管在需要

的时刻由阻断转为导通，晶闸管触发电路往往还包括对其触发时刻进行控制的相

位控制电路。在本设计中采用的是三相全控桥整流电路的集成触发电路，由3

个KJ004集成块和1个KJ041集成块构成，可形成六路双脉冲，再由六个晶体

管进行脉冲放大。

晶闸管关断过电压及其保护(如)：即使和元件串联的线路电感乙很小，产生

的电感电动势也很大，这个电动势与电源电压串联，反向加在已恢复阻断的元件

上，可能导致晶闸管反向击穿。数值可达工作电压峰值的5〜6倍，所以必须采

取措施。最常用的方法是在电容电路中串接电阻R,这种电路称为过电压阻容吸

收电路。

3.过流时调节器保护

系统中接入电流截止负反馈环节，当电流大于临界截止电流时，将电流反馈

信号加到放大器的输入端，保持电流基本不变；当电流小丁临界截止电流时，将

电流反馈切断，电流自由随负载增减。

4.保护装置的选择

在本设计中的保护装置：变压器起变

换电压和隔离的作用；RI、R2、R3、C1、

C2、C3的连接方式组成RC过电压抑制

电路（一般供电网侧称为网侧，电力电子

电路侧的称为阀侧）；在电路中由于器件

动态参数和特性的差异会造成不均压的问

题（称为动态不均压问题），为达到动态均

压，首先应选择动态参数和特性一致的图1-10过电压、电流保护电路器

件，还可用RC并联支路作为动态均压，电容C和电阻R串联后，并联在隔离

变压器二次回路中，当回路中产生过电压时，由于电容C上的电压不能突变，

延续了过电压的上升速度，同时短掉了一部分高次谐波电压分量，使硅元件上出

现的过电压不会在短时间内增至很大。串联电阻R是限制电容器充放电电流和

防止回路中产生电容电感振荡的。本电路中R1-R3,C1-C3就作为一RC并联

支路进行动态均压。；BX5为快速熔断器用以保护线路在不正常运行或发生故障

时产生的过电流，一般熔丝熔断时间较长，不能起到保护作用。

五、动态设计

双闭环直流调速系统动态结构图:

图c、双闭环直流调速系统的动态结构图

1.电流调节器的设计

首先考虑应把电路环校正成哪一类典型系统，从稳态要求上看，希望电流无静差,

以得到理想的堵转特性，采用I型系统就够了。再从动态要求上看，实际系统不

允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过

允许值，而对电网甩压波动的及时抗绕作用只是次要的因素。为此，甩流环应以

跟随性能为主，即应选用典型I型系统。

电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的

电流调节器，它的传递函数为

3s

Kj——电流调节器的比例系数；

r,-----电流调节器的超前时间常数

电磁时间常数7,为

3

L15X10"八八…ru

—=---------=0.01875s

0.8©

_U-IR_440-104x0.4

J=—Nd—=0.398N.m/A©

1000

30

c=—c

m—x0.398=3.8Q3N.m/A⑪

7TTV

机电时间常数7；为

GD^R77.5x0.8

T=0.1092s©

-375CC,375x0.398x3.803

转速环反馈系数为

1°=0.0IV.min/r©

“max1000

电流环反馈系数为

P=5八=--一=0.0385V/A

2x104

设计要求：设计电流调节器，要求电流超调量%工5%

（1）.确定时间常数

1）整流装置滞后时间常数7；。按表1,三相桥式电路的平均失控时间

T=—^—=------5------=0.001751o0

*2x6x50

整流电路形式最大失控时间平均失控时间Ts/ms

Tsmax/mS

单相半波2010

单相桥式105

三相半波6.673.33

三相桥式3.331.67

表1

2）电流滤波时间常数刀“。三相桥式电路每人波头的时间是3.3ms,为了基

本滤平波头，应有（1〜2）7；产3.3ms,因此取%=2侬=0.002$。

3）电流环小时间常数之和心,.。按小时间常数近似处理，取

勺二7；+Toi=0.0017+0.002=0.0037s。

（2）.选择电流调节器结构

根据设计要求645%,并保证稳态电流无差，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型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函

数为56（$）=々（盯+I）。

检查对电源电压的抗扰性能：2L=°。1875=507,对照典型I型系统

0.0037

动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。

（3）.计算电流调节器参数

电流调节器超前时间常数：盯=7；=0.01875s。

电流环开环增益：要求645%时，按表2,应取K/K以=0.5,因此

0.5_0.5

-

勺=7V7—0.0037=135.1A

K、=鲁1.05〃「05x440=57.75

cm8

十口口一…"K.T.R135.1X0.01875x0.80八9、1i1c

于小ACR的比例系数为K,=K/3-57.75xo,o385=。

参数关系KT0.250.390.500.691.0

阻尼比自1.00.80.7070.60.5

超调量80%1.5%4.3%9.5%16.3%

上升时间tr006.6T4.7T3.3T2.4T

峰值时间tp008.3T6.2T4.7T3.6T

相对稳定裕度Y76.3°69.9。65.5°59.2°51.8°

截止频率3c0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T

按表2

（4）.校验近似条件

电流环截止频率：（oci=K,=135.15

1）晶闸管整流装置转递函数的近似条件

==196.LL>@

37；----3x0.0017------------------------0’

满足近似条件。

2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

3/=3x

------------------=66.3$T<co(i®

0.1092x0.01875

满足近似条件。

3）电流环小时间常数近似处理条件

----------------------=180.8s->3<i⑳

30.0017xQ.0026

满足近似条件。

（5）.计算调节器电阻和电容

取凡）=40KC,各电阻和电容值为

氏=KjZ?o=0.911x40KQ=36/4KQ,取40m

总=霁=。"叱"尸‘取

4T4x0.002,、r

C=-(A/i=-------r-=0.2〃户,取K().2〃尸

niR(、40X103"

按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为山=4.3%<5%,满足设

计要求

2.转速调节器

(1).确定时间常数

1)电流环等效时间常数1/K/,由上可知，取K/Kq=0.5,则

—=27^,.=2x0.0037=0.0074s㉑

Ki

2)转速滤波时间常数根据所用测速发电机纹波情况，取7；〃=0.0kvo

3)转速环小时间常数心〃。按小时间常数近似处理，取

T5〃=—+T=0.0074+0.01=0.0174s©

K1()n

(2)・选择转速调节器结构

按照设计要求，选用PI调节器，其转递函数为

+1)

W(s)=

ASR;」

(3).计算转速调节器参数

按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

rn=3"〃=3x0.0174=0.052s©

h34567891()

852.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%

tr/T2.402.652.853.0()3.1()3.203.3()3.35

ts/T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20

k32211111

表3

由式K"二」』

2肥与广可求得转速环开环增益

〃+14㉔

KN=734.Os—2

22

21皿2x3x0.0174

于是，由式Kn=("1),G加可得ASR的比例系数为

ZhaRTfn

K_(h+1)小力2_4x0.0385x0.398x0.1092_,

八-2haRTVn_2x3x0.01x0.8x0.0174—

(4),检验近似条件

由式K=3/得转速环截止频率为

Q.〃=4-=".=734.0x0.052=38.2~x

9

1)电流环传递函数简化条件为

&

满足近似条件。

2)转速环小时间常数近似处理条件为

12J=38.7ST>CDg

3VTon3

满足近似条件。

(5).计算调节器电阻和电容

取&=40KQ,则

Rn=K,,zeo=8.0X40Kd=320Kd,取320KC

二=O.052=

QJ6F取0.2//F

3

〃Rn320xlO

4x0.01

=1",取广

40x103

(6).校核转速超调量

理想空载起动时z=0,4=2,R=0.8。，/iV=1(MA,Ce=0.398V.min/r,

nN=1000/.,7m=0.10925,TYn=0.01745o

N/min

当h=3时，ACmax/a=72.2%,代入下式，得

1D4x0.8

QOlz1

an=2(^^)(2-z)浊区=2x0.722x2x仇：为8x-=9.6%<10%

Ch/T,10000.1092

，满足设计要求。

六、总结

这次的课程设计不仅涵盖了直流调速系统的原理，还用到了许多电力电子技

术的知识。最难的一块算是整流电路的双窄脉冲触发电路，在做的过程中明白了

同步的概念和意义，对于同步电压为正弦波的触发电路和同步电压为锯齿波的触

发电路的原理和优缺点有了更深层次的了解。在设计双闭环系统时，对于转速环

和电流环配合工作做到快速调节转速并基本实现无静差的原理有了进一步的认

识：不可逆V-M双闭环直流调速系统具有良好的静、动态性能。在设计PI调节

器的同时，巩固了自动控制原理的知识并很好地应用于调速系统的动态性能分

析，累积了不少对于调节器工程设计法的经验。

虽然查阅大量资料的过程很辛苦，但是明白了各部分模块的工作原理之后还

是很有成就感的。通过这次课程设计，使我了解到了双闭环直流调速系统的优越

性，并且在做这门交叉学科课设的同时巩固了许多以往淡忘了的知识！

七、附录：

①-⑤公式出自莫正康《半导体变流技术》

⑥公式出自陈伯时《电力拖动自动控制系统》

⑦、⑧公式出自莫正康《半导体变流技术》

⑨-⑮公式出自陈伯时《电力拖动自动控制系统》

⑯公式出自李正熙、白晶《电力拖动自动控制系统》

。〜⑥公式出自陈伯时《电力拖动自动控制系统》

八、参考文献

1.陈伯时，自动控制系统北京：机械工业出版社.1981

2.陈伯时，电力拖动自动控制系统（第2版）北京：机械工业出版社.1992

3.陈伯时，电力拖动自动控制系统一运动控制系统（第3版）北京：机械工

业出版社.2003

4.王兆安，电力电子技术北京：机械工业出版社.2000

5.黄俊，半导体变流技术北京：机械工业出版社.2000

6.电气传动自动化技术手册北京：机械工业出版社.1992

7.电机控制专用集成电路与应用北京：机械二业出版社.

8.莫正康，半导体变流技术（第2版）北京：机械工业出版社.2000

9.李正熙、白晶，电力拖动自动控制系统（第2版）冶金工业出版社目

录

第一章总论..........................错

一、项目提要............................

二、可行性研究报告编制依据..............

三、综合评价和论证结论..................

四、存在问题与建议......................

第二章项目背景及必要性................错

一、项目建设背景........................

二、项目区农业产业化经营发展现状........

三、项目建设的必要性及目的意义..........

第三章建设条件........................错

一、项目区概况..........................

二、项目实施的有利条件..................

第四章建设单位基本情况................

一、建设单位概况........................

二、研发能力............................

三、财务状况............................

第五章市场分析与销售方案...............

一、市场分析............................

二、产品生产及销售方案..................

三、