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文檔簡介
1、<p> 《自動控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)</p><p><b> 設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p> 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p> 學(xué) 院 電氣工程與自動化學(xué)院 </p><p> 專 業(yè) 自動化 </p><p&g
2、t; 班 級 </p><p> 學(xué) 號 </p><p> 學(xué)生姓名 </p><p> 指導(dǎo)老師 </p><p> 日 期 2010
3、/12/12 </p><p><b> 摘要</b></p><p> 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能很好,具有調(diào)速范圍廣、精度高、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn),所以在電氣傳動系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器, 即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR), 分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。本文對直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析,
4、對直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理進(jìn)行了一些說明,介紹了其半控橋主電路、檢測電路的設(shè)計(jì),詳細(xì)介紹了電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)以及一些參數(shù)的選擇和計(jì)算,使其滿足工程設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)。</p><p> 關(guān)鍵詞:直流雙閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng) 電流調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器,三相半控橋</p><p><b> 目 錄</b></p><p><b> 摘要
5、II</b></p><p><b> 目 錄III</b></p><p> 1研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義4</p><p> 2設(shè)計(jì)指標(biāo)及要求4</p><p> 3調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)4</p><p> 4直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)6</p>
6、<p> 4.1晶閘管-電動機(jī)主電路的設(shè)計(jì)6</p><p> 4.1.1主電路設(shè)計(jì)6</p><p> 4.1.2主電路參數(shù)計(jì)算7</p><p> 4.2保護(hù)電路的設(shè)計(jì)9</p><p> 4.3轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)11</p><p> 4.3.1電流調(diào)節(jié)器11</p
7、><p> 4.3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器13</p><p> 4.4轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計(jì)16</p><p> 4.5電流檢測電路設(shè)計(jì)16</p><p><b> 5小結(jié)與體會16</b></p><p><b> 6參考文獻(xiàn)17</b></p><
8、;p> 1研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義</p><p> 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好,應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng), 采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)速特性。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律,性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交、直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。首先,應(yīng)掌握轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成及其靜特性;然后,在建立該系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,從起動和
9、抗擾兩個方面分析其性能和轉(zhuǎn)速與電流兩個調(diào)節(jié)器的作用;第三,研究一般調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法,和經(jīng)典控制理論的動態(tài)校正方法相比,得出該設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn),即計(jì)算簡便、應(yīng)用方便、容易掌握;第四,應(yīng)用工程設(shè)計(jì)方法解決雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)問題,等等。</p><p> 通過對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的了解,使我們能夠更好的掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論及相關(guān)內(nèi)容,在對其各種性能加深了解的同時(shí),能夠發(fā)現(xiàn)其缺陷之處,通過對
10、該系統(tǒng)不足之處的完善,可提高該系統(tǒng)的性能,使其能夠適用于各種工作場合,提高其使用效率。并以此為基礎(chǔ),再對交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究,最終掌握各種交、直流調(diào)速系統(tǒng)的原理,使之能夠應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各個生產(chǎn)領(lǐng)域。</p><p><b> 2設(shè)計(jì)指標(biāo)及要求</b></p><p><b> (一)控制對象參數(shù)</b></p><p>
11、; 直流他勵電動機(jī):功率Pe=22KW,額定電壓Ue=220V,額定電流Ie=116A,磁極對數(shù)P=2,ne=1500r/min,勵磁電壓220V,電樞繞組電阻Ra=0.112Ω,主電路總電阻R=0.32Ω,L∑=37.22mH(電樞電感、平波電感和變壓器電感之和),電磁系數(shù)Ce=0.138 Vmin/r,Ks=22,電磁時(shí)間常數(shù)TL=0.0116s,機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.157s,濾波時(shí)間常數(shù)Ton=Toi=0.00235s,過載倍
12、數(shù)λ=1.5,電流給定最大值,速度給定最大值</p><p> (二)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求</p><p> 1. 調(diào)速范圍D:8</p><p><b> 2. 無靜差</b></p><p><b> 3.電流超調(diào)量</b></p><p> 4.空載啟動到額定轉(zhuǎn)
13、速時(shí)超調(diào)量</p><p><b> 3調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)</b></p><p> 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器, 即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR), 分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流, 即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。</p><p> 兩者之間實(shí)行嵌套連接,且都帶有輸出限幅電路。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓
14、的最大值;電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。</p><p> 由于調(diào)速系統(tǒng)的主要被控量是轉(zhuǎn)速, 故把轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成的環(huán)作為外環(huán), 以保證電動機(jī)的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確跟隨給定電壓, 把由電流負(fù)反饋組成的環(huán)作為內(nèi)環(huán), 把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入,再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE,這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。</p><p><b&
15、gt; 如圖3-1所示:</b></p><p> 圖3-1 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)</p><p> 為了獲得良好的靜、動態(tài)性能,轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。</p><p> 其原理圖如圖3-2所示:</p><p> 圖3-2 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖</p>
16、<p> 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由給定電壓、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、三相集成觸發(fā)器、三相半控橋、直流電動機(jī)及轉(zhuǎn)速、電流檢測裝置組成,其中主電路中串入平波電抗器,以抑制電流脈動,消除因脈動電流引起的電機(jī)發(fā)熱以及產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩對生產(chǎn)機(jī)械的不利影響。</p><p> 4直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)</p><p> 4.1晶閘管-電動機(jī)主電路的設(shè)計(jì)</p><
17、p> 4.1.1主電路設(shè)計(jì)</p><p> 晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(V-M系統(tǒng))主電路原理圖如圖4-1所示:</p><p> 圖4-1 V-M系統(tǒng)主電路原理圖</p><p> 圖中VT是晶閘管可控整流器,它由三相半控橋式整流電路組成,如圖3-2所示:</p><p> 圖4-2 三相半控橋式整流電路</p>
18、;<p> 通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動脈沖的相位,即可改變平均整流電壓,從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。</p><p> 4.1.2主電路參數(shù)計(jì)算</p><p> 所以變壓器電壓比為:</p><p><b> 二次側(cè)相電流:</b></p><p><b> 一次側(cè)相電流:</b
19、></p><p><b> 二次容量:</b></p><p><b> 一次容量:</b></p><p><b> 平均計(jì)算容量:</b></p><p> 變壓器二次側(cè)相電壓,負(fù)載最大電流,又查表3-3知,因此 ,因此</p><p&
20、gt; 取,,選擇KP100-7晶閘管3只。</p><p> 取,,選擇IDW100E60二極管3只。</p><p> 臨界電感量計(jì)算公式為:</p><p> 式中,為晶閘管裝置交流側(cè)電源相電壓有效值(V);為要求連續(xù)的最小負(fù)載電流平均值(A);為與整流電路形式有關(guān)的系數(shù),</p><p> 限制輸出電流脈動電感量</p
21、><p> 為了使系統(tǒng)能正常工作,提高運(yùn)行的可靠性,必須在主電路中與負(fù)載串聯(lián)電抗器,其電感量為</p><p> 式中,為脈動輸出電壓中最低頻率的電壓幅值與交流側(cè)星形聯(lián)結(jié)時(shí)相電壓有效值之比,見表3-5序號1;為整流電路輸出電流的最低諧波頻率(Hz),見表3-5序號1;為額定負(fù)載電流平均值;為電流脈動系數(shù),由運(yùn)行要求提出。單相整流電路〈0.2;三相整流電路。</p><p
22、> 以上計(jì)算的使電流連續(xù)的臨界電感量和限制電流脈動的電感量都是指電流路徑中所有的電感量,其中包括變壓器折算到二次側(cè)每相的漏電感量和電動機(jī)電樞的電感量。所以,為了準(zhǔn)確設(shè)計(jì)電抗器,計(jì)算所得和應(yīng)該扣除(+)。</p><p> 折算到變壓器二次側(cè)的每相漏電感量為</p><p> 式中,為變壓器二次相電壓有效值(V);為直流側(cè)額定負(fù)載電流(A); 為與整流電路形式有關(guān)的系數(shù),見表3-
23、5序號3。</p><p><b> 電動機(jī)電樞電感量為</b></p><p> 式中,為電動機(jī)極數(shù);為電動機(jī)額定電壓(V);為電動機(jī)額定電流(A);為電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速(r/min);為電樞電感系數(shù),無補(bǔ)償電動機(jī)為0.4,有補(bǔ)償電動機(jī)為0.1。</p><p> 滿足設(shè)計(jì)要求的平波電抗器</p><p> 應(yīng)當(dāng)注
24、意,對三相橋式系統(tǒng),計(jì)算時(shí),變壓器漏電感量應(yīng)代求。</p><p> 計(jì)算反饋關(guān)鍵參數(shù): </p><p> 4.2保護(hù)電路的設(shè)計(jì)</p><p> (1)阻容保護(hù) 阻容保護(hù)是在整流變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻和電容,其接線方式見圖4-2,計(jì)算單相變壓器交流側(cè)過電壓保護(hù)電容C和電阻R的公式為</p><p> 耐壓≥1.5Um =1.5
25、×116×=246.036V</p><p> 由公式計(jì)算出電容量一般偏大,實(shí)際選用時(shí)還可參照過去已使用裝置情況來確定保護(hù)電壓的容量,這里選CZJD-2型金屬化紙介電容器,電容量147uF,耐壓250V。</p><p><b> ,取0.5Ω</b></p><p> 式中,S為單相變壓器的平均計(jì)算容量;為變壓器二次
26、相電壓有效值(V);為變壓器勵磁電流百分比,的變壓器,對應(yīng)的;為變壓器的短路電壓百分比,的變壓器,對應(yīng)的;C為電容;R為電阻。</p><p> IC=2πfCUC×10-6=2π×50×147×10-6×116=5.36A</p><p> PR≥(3~4)IC2R=(3~4) ×(5.36)2×0.5=43.1~
27、57.46W</p><p> 選取0.5Ω,60W的金屬氧化膜電阻。</p><p><b> ?。?)快速熔斷保護(hù)</b></p><p> 圖3-9 快速熔斷器的接法</p><p> a)交流側(cè)快速熔斷器 b)與器件串聯(lián)快速熔斷器 c)直流側(cè)快速熔斷器</p><p> 選配與元件
28、串聯(lián)的快速熔斷器,其熔體的額定電流一般按下式選擇,式中,為晶閘管的額定電流;為熔體的額定電流;為實(shí)際流過晶閘管的最大電流有效值。</p><p> 由晶閘管的選擇可知,,因此,取,選取RS3-100</p><p> 4.3轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)</p><p> 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4-3.1所示:</p><p>
29、; 圖4-3.1 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p> 由于電流檢測信號中常含有交流分量,為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入,需加低通濾波。這樣的濾波傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示,其濾波時(shí)間常數(shù)按需要選定,以濾平電流檢測信號為準(zhǔn)。然而,在抑制交流分量的同時(shí),濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用,為了平衡這個延遲作用,在給定信號通道上加入一個等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié),稱作給定濾波環(huán)節(jié)。由測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電
30、壓含有換向紋波,因此也需要濾波,濾波時(shí)間常數(shù)用表示,根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理,在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時(shí)間常數(shù)為的給定濾波環(huán)節(jié)。</p><p> 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則是:先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。在這里,首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器,然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié),再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。</p><p> 4.3.1電流調(diào)節(jié)器</p><p> 4.3.1.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)
31、</p><p> 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器如圖4-3.2所示:</p><p> 圖4-3.2 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器</p><p> 其中為電流給定電壓,為電流負(fù)反饋電壓,為電力電子變換器的控制電壓。</p><p> 4.3.1.2電流調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇</p><p>&l
32、t;b> 1)確定時(shí)間常數(shù)</b></p><p> 已知,,所以電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)</p><p> =0.0017s+0.00235s=0.00405S。</p><p> 2) 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)</p><p> 根據(jù)設(shè)計(jì)要求:,而且</p><p> 因此電流環(huán)可按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)
33、計(jì)。電流調(diào)節(jié)器選用PI型,其傳遞函數(shù)為</p><p> 3) 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算:</p><p> 電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)==0.0116s,又因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求電流超調(diào)量,查得有=0.5,所以==,所以ACR的比例系數(shù) =。 </p><p> 4) 校驗(yàn)近似條件</p><p> 電流環(huán)截止頻率==123.5。&l
34、t;/p><p> 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件:</p><p><b> >,滿足條件。</b></p><p> 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響條件:</p><p><b> ,滿足條件。</b></p><p> 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件:&l
35、t;/p><p><b> ,滿足條件。</b></p><p> 5) 計(jì)算調(diào)節(jié)器的電阻和電容</p><p> 取運(yùn)算放大器的=40,有=0.12540=5,</p><p><b> ,取2.2,</b></p><p><b> ,取2.2。</
36、b></p><p><b> 故 </b></p><p> 4.3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p><p> 4.3.2.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)</p><p> 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖4-3.3所示:</p><p> 圖4-3.3 含給定濾波與反饋濾波的PI型
37、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p><p> 其中為轉(zhuǎn)速給定電壓,為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓,:調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。</p><p> 4.3.2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇</p><p> 1) 確定時(shí)間常數(shù):</p><p> 有則,已知轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)=0.00235s,故轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。</p><p> 選
38、擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu):</p><p> 按設(shè)計(jì)要求,選用PI調(diào)節(jié)器</p><p> 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù):</p><p> 按跟隨和抗干擾性能較好原則,取h=5,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為:,</p><p><b> 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 。</b></p><p> ASR的比例系數(shù)為:。&
39、lt;/p><p><b> 檢驗(yàn)近似條件</b></p><p> 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為。</p><p> 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為,滿足條件。</p><p> 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為:,滿足近似條件。</p><p> 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容:</p><p&
40、gt; 取=40,則,取3700。</p><p><b> ,取0.02</b></p><p><b> 故。</b></p><p><b> 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量:</b></p><p><b> 當(dāng)時(shí),</b></p><
41、;p><b> 而</b></p><p><b> 因此</b></p><p><b> 能滿足設(shè)計(jì)要求。</b></p><p> 4.4轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計(jì)</p><p> 轉(zhuǎn)速的檢測可把接到一個測速發(fā)電機(jī)上即可檢測轉(zhuǎn)速,如圖4-4所示:</p>
42、;<p> 圖4-4 轉(zhuǎn)速檢測電路</p><p> 4.5電流檢測電路設(shè)計(jì)</p><p> 使用霍爾電流傳感器可以檢測電流,把接到霍爾傳感器上。霍爾效應(yīng)傳感器,可以測量任意波形的電流和電壓。輸出端能真實(shí)地反映輸入端電流或電壓的波形參數(shù)。如圖4-5所示:</p><p> 圖4-5 電流檢測電路</p><p>&
43、lt;b> 5小結(jié)與體會</b></p><p> 通過本次課程設(shè)計(jì),首先對直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有了更深的認(rèn)識,加深了理解,是對課堂所學(xué)知識的一次很好的應(yīng)用。學(xué)會了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì),并能熟練地掌握轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇和計(jì)算,在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上更加認(rèn)識到直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用之廣泛。</p><p><b> 6參考文獻(xiàn)</b>
44、;</p><p> [1]陳伯時(shí).電力拖動自動控制系統(tǒng).機(jī)械工業(yè)出版社,2002</p><p> [2]鄒伯敏.自動控制理論.機(jī)械工業(yè)出版社 2003</p><p> [3]章燕申,袁曾任.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐.清華大學(xué)出版社,1992.3</p><p> [4]王兆安,黃俊.電力電子技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社,2002</p
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