自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)—--給定環(huán)流的可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　自動(dòng)控制系統(tǒng)課程</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　　課程名稱(chēng)： 自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 </p><p>　　設(shè)計(jì)題目： 給定環(huán)流的可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　院 系： 電氣工程系

2、 </p><p>　　班 級(jí)： </p><p>　　設(shè) 計(jì) 者： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　同 組 人： </p>

3、<p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　設(shè)計(jì)時(shí)間： 2011年10月31日-11月11日 </p><p>　　課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)</p><p>　　指導(dǎo)教師簽字： 系（教研室）主任簽字：</p><p><b>　

4、　目 錄</b></p><p><b>　　1. 緒論3</b></p><p>　　1.1環(huán)流產(chǎn)生的原因3</p><p>　　1.2.環(huán)流的危害和利用4</p><p>　　2. 給定環(huán)流的可逆調(diào)速系統(tǒng)原理4</p><p><b>　　2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4&l

5、t;/b></p><p>　　2.2線路工作原理5</p><p>　　3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇5</p><p>　　3.1主電路設(shè)計(jì)5</p><p>　　3.1.1主電路方案分析比較5</p><p>　　3.1.2觸發(fā)電路設(shè)計(jì)5</p><p>　　3.1.3變壓器及

6、晶閘管參數(shù)及選型6</p><p>　　3.2控制電路的設(shè)計(jì)7</p><p>　　3.2.1給定電壓和給定環(huán)流的設(shè)定7</p><p>　　3.2.2轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)8</p><p>　　3.2.3電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)8</p><p>　　3.2.4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）的設(shè)計(jì)10</p><

7、;p>　　3.3參數(shù)選擇：12</p><p><b>　　4保護(hù)電路13</b></p><p><b>　　5設(shè)計(jì)總結(jié)14</b></p><p><b>　　6參考文獻(xiàn)14</b></p><p><b>　　1. 緒論</b><

8、/p><p>　　1.1環(huán)流產(chǎn)生的原因</p><p>　　采用兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆V-M系統(tǒng)，如果兩組裝置的整流電壓同時(shí)出現(xiàn)，便會(huì)產(chǎn)生不流過(guò)負(fù)載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱(chēng)作環(huán)流。</p><p>　　圖1 可逆V-M系統(tǒng)中的環(huán)流。其中Id為負(fù)載電流，Ih為環(huán)流。</p><p>　　1.2.環(huán)流的危害和利用</p>

9、<p>　?。?）危害：一般情況，這樣的環(huán)流對(duì)負(fù)載無(wú)益，徒然加重晶閘管和變壓器的負(fù)擔(dān)，消耗功率，環(huán)流太大時(shí)會(huì)導(dǎo)致晶閘管損壞，因此應(yīng)該予以抑制或消除，元器件容量適當(dāng)增大。</p><p>　?。?）利用：只要合理的對(duì)環(huán)流進(jìn)行控制，保證晶閘管的安全工作，可以利用環(huán)流作為流過(guò)晶閘管的基本負(fù)載電流，使電動(dòng)機(jī)在空載或輕載時(shí)可工作在晶閘管裝置的電流連續(xù)區(qū)，以避免電流斷續(xù)引起的非線性對(duì)系統(tǒng)性能的影響。</p&

10、gt;<p>　　為了利用環(huán)流的有益方面保證系統(tǒng)中的晶閘管裝置工作在電流連續(xù)區(qū)，使系統(tǒng)獲得平滑的過(guò)度特性和較好的動(dòng)態(tài)特性，提出了給定環(huán)流的可逆調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　2. 給定環(huán)流的可逆調(diào)速系統(tǒng)原理</p><p>　　與自然環(huán)流系統(tǒng)相比，給定環(huán)流的可逆速系統(tǒng)的環(huán)流值不隨觸發(fā)器的控制角α改變，環(huán)流電抗器尺寸減??；二是可以保證空載時(shí)變流裝置電流連續(xù)，獲得平滑的過(guò)渡特性和

11、較好的動(dòng)態(tài)性能。</p><p>　　但同樣由于環(huán)流的弊端不能克服，該系統(tǒng)基本被可控環(huán)流系統(tǒng)取代，較少采用。</p><p><b>　　2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　圖2 給定環(huán)流的可逆調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　本線路與有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的不同點(diǎn)在于：增加了一個(gè)電流調(diào)節(jié)器ACR；將反號(hào)器AR接在

12、了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR之后；并且在兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器之前，由給定環(huán)流電位器提供恒定的環(huán)流給定信號(hào)-Uic*。</p><p><b>　　2.2線路工作原理</b></p><p>　　其中：正組晶閘管VF，由GTF控制觸發(fā)。正轉(zhuǎn)時(shí)，VF整流；反轉(zhuǎn)時(shí)，VF逆變。</p><p>　　反組晶閘管VR，由GTR控制觸發(fā)。反轉(zhuǎn)時(shí)，VR整流；正轉(zhuǎn)時(shí)，VR逆變。

13、</p><p>　　當(dāng)不工作時(shí)，給定電壓Un*=0，此時(shí)只有環(huán)流給定電壓-Uic*存在，因而主電路中正組和反組晶閘管電流If和Ir相等，并且等于給定環(huán)流Ih*，即If=Ir=Ih*。流過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流Id=If-Ir=0。</p><p>　　當(dāng)正向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，Un*為正，Ui*為負(fù)，D1導(dǎo)通，-Ui*和-Uic*同時(shí)加在正向電流調(diào)節(jié)器ACR1的輸入端，使正組觸發(fā)脈沖相位前移，使正向整流電壓U

14、d0f升高。反組電流給定信號(hào)經(jīng)反號(hào)器AR變?yōu)檎?，被二極管D2截止，所以加在反向電流調(diào)節(jié)器ACR2的輸入信號(hào)只有-Uic*。隨著整流電壓的增加，促使流過(guò)反組的電流增大，電流反饋信號(hào)使反組觸發(fā)脈沖拉到逆變區(qū)，抑制了環(huán)流偏離給定值。電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作后的正向電流If為負(fù)載電流Id與給定環(huán)流Ih*之和，即If=Id+Ih*，反向電流Ir等于給定環(huán)流Ih*。</p><p>　　當(dāng)反向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，Un*為負(fù)，D2導(dǎo)通，D1截止，電

15、動(dòng)機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)，其工作原理與正向工作時(shí)相同。</p><p>　　由此可見(jiàn)，在包括停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的整個(gè)工作期間，環(huán)流Ih*始終存在。</p><p>　　3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇</p><p><b>　　3.1主電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1.1主電路方案分析比較</p><p&g

16、t;　　本系統(tǒng)主電路采用兩組三相橋式晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路。兩組變流器需要兩個(gè)獨(dú)立電源，環(huán)流電抗器4個(gè)。</p><p>　　3.1.2觸發(fā)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　TC787是采用獨(dú)有的先進(jìn)IC工藝技術(shù)，并參照國(guó)外最新集成移相觸發(fā)集成電路而設(shè)計(jì)的單片集成電路。它可單電源工作，亦可雙電源工作，主要適用于三相晶閘管移相觸發(fā)和三相功率晶體管脈寬調(diào)制電路，以構(gòu)成多種交流調(diào)速和變流裝置。它們

17、是目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上廣泛流行的TCA785及KJ(或KC)系列移相觸發(fā)集成電路的換代產(chǎn)品，與TCA785及KJ(或KC)系列集成電路相比，具有功耗小、功能強(qiáng)、輸入阻抗高、抗干擾性能好、移相范圍寬、外接元件少等優(yōu)點(diǎn)，而且裝調(diào)簡(jiǎn)便、使用可靠，只需一個(gè)這樣的集成電路，就可完成3只TCA785與1只KJ041、1只KJ042或5只KJ(3只KJ004、1只KJ041、1只KJ042)(或KC)系列器件組合才能具有的三相移相功能。因此，TC787/T

18、C788可廣泛應(yīng)用于三相半控、三相全控、三相過(guò)零等電力電子、機(jī)電一體化產(chǎn)品的移相觸發(fā)系統(tǒng)，從而取代TCA785、KJ004、KJ009、KJ041、KJ042等同類(lèi)電路，為提高整機(jī)壽命、縮小體積、降低成本提供了一種新的、更加有效的途徑。</p><p>　　3.1.3變壓器及晶閘管參數(shù)及選型</p><p>　　（1）三向橋式整流電路變壓器副邊相電壓與最大整流直流電壓的關(guān)系是：，在可逆系統(tǒng)

19、中由于有最小逆變角限制的問(wèn)題，，考慮整流電源內(nèi)阻壓降及電網(wǎng)電壓波動(dòng)，通常還需要再增加15%~20%，因此</p><p>　　根據(jù)整流負(fù)載的要求，所需要的變壓器：</p><p><b>　　副邊 ， </b></p><p><b>　　原邊 </b></p><p><b>　　副邊

20、功率 </b></p><p>　　按計(jì)算容量的10%考慮余量，選取一臺(tái)額定功率為1.1P 變壓器，一次側(cè)U1二次側(cè)U2，連接。 </p><p>　　向晶閘管整流電路供電的交流側(cè)電源通常來(lái)自電網(wǎng)，為保證觸發(fā)電路和主電路頻率一致，利用一個(gè)同步變壓器，將其一次側(cè)接入為主電路供電的電網(wǎng)，由其二次側(cè)提供同步電壓信號(hào)，這樣，由同步電壓決定的觸發(fā)脈沖頻率與主電路晶閘管電壓頻率始終

21、是一致的</p><p>　　（2）晶閘管額定電壓必須大于元件在電路中實(shí)際承受的最大電壓Um對(duì)于三相橋式整流電路為變壓器二次側(cè)電壓Uab的最大值</p><p>　　考慮到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和操作過(guò)電壓等因素，還要放寬2~3倍的安全系數(shù)</p><p>　　選擇可控硅元件的額定電壓 </p><p>　　選擇可控硅的額定電流 ， </p&g

22、t;<p>　　根據(jù) 選擇可控硅整流元件。</p><p>　　3.2控制電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1給定電壓和給定環(huán)流的設(shè)定</p><p>　　電動(dòng)機(jī)正傳時(shí)，電流調(diào)節(jié)器ACR1輸入為負(fù)載電流給定，環(huán)流給定，正組電流反饋（負(fù)載電流與環(huán)流之和）。</p><p>　　取調(diào)節(jié)器的輸入回路電阻R0=40 kΩ<

23、;/p><p><b>　　即</b></p><p>　　電流調(diào)節(jié)器ACR2的輸入為環(huán)流給定，和反組的電流反饋（環(huán)流）。</p><p><b>　　， ，，</b></p><p>　　式中，和分別為主電路正組、反組電流</p><p><b>　　， ， &l

24、t;/b></p><p><b>　　， </b></p><p><b>　　當(dāng)電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)</b></p><p><b>　　，</b></p><p>　　環(huán)流給定值通常為額定電流的5%-10%，它能使環(huán)流帶著微小的正向直流成分，以保證環(huán)流的連續(xù)性。這里取給

25、定環(huán)流為10%In</p><p><b>　　則 </b></p><p><b>　　正傳時(shí) </b></p><p><b>　　環(huán)流給定</b></p><p><b>　　由于</b></p><p>　　取AS

26、R飽和輸出電壓</p><p><b>　　即允許過(guò)載倍數(shù)</b></p><p><b>　　又</b></p><p>　　則額定轉(zhuǎn)速時(shí)的給定電壓 </p><p>　　由于，所以選取環(huán)流給定電壓-1V。</p><p>　　由于，所以選取直流穩(wěn)壓電源&

27、#177;15V。</p><p>　　3.2.2轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)</p><p>　　選擇測(cè)速發(fā)電機(jī)為永磁式 110V 0.21A 1900r/min</p><p>　　則測(cè)速發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)</p><p>　　電位器RP2選擇方法如下：</p><p>　　為了使測(cè)速發(fā)電機(jī)的電樞壓降對(duì)轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)的線

28、性度沒(méi)有顯著影響，去測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出最高電壓時(shí)，其電流約為額定制的20%。</p><p><b>　　則 </b></p><p>　　此時(shí)RP2消耗的功率為：</p><p>　　所以RP2選為10w，1.5kΩ的可調(diào)電位器。</p><p>　　3.2.3電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)</p><p&g

29、t;<b>　　確定時(shí)間常數(shù)</b></p><p>　　由于選用三相橋式整流電路，由表1-2得，整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts=0.00167s</p><p>　　電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi</p><p>　　三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（1~2）Toi=3.33ms</p><p>　　因

30、此取Toi=0.002s</p><p>　　電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和</p><p><b>　　選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差，可按典型一型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器。</p><p>　　圖4 含給定濾波與反饋濾波的PI型電

31、流調(diào)節(jié)器</p><p><b>　　其傳遞函數(shù)為</b></p><p>　　其中：——電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)</p><p>　　——電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)</p><p>　　檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：</p><p>　　參照表2-3的典型一型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。&l

32、t;/p><p><b>　　計(jì)算電流調(diào)節(jié)其參數(shù)</b></p><p>　　電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：</p><p>　　電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求時(shí)，按照表2-2，應(yīng)?。?，則有</p><p>　　于是，ACR的比例系數(shù)為：</p><p><b>　　校驗(yàn)近似條件</b><

33、/p><p><b>　　電流環(huán)截止頻率： </b></p><p>　　晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：</p><p><b>　　滿(mǎn)足近似條件</b></p><p>　　忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件：</p><p><b>　　滿(mǎn)足近似條件<

34、/b></p><p>　　電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：</p><p><b>　　不滿(mǎn)足近似條件</b></p><p>　　計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　由圖4按所用運(yùn)算放大器取R0=40 kΩ，各電阻的電容值為：</p><p><b>　　取225 kΩ&l

35、t;/b></p><p>　　按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為：</p><p><b>　?。ㄒ?jiàn)表2-2）</b></p><p><b>　　滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　3.2.4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）的設(shè)計(jì)</p><p><b

36、>　　確定時(shí)間參數(shù)</b></p><p>　　電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/Ki：</p><p>　　轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton：</p><p>　　根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取Ton=0.01</p><p>　　(c)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)</p><p>　　按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 </p&

37、gt;<p><b>　　選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　為保證系統(tǒng)無(wú)靜差，ASR采用PI調(diào)節(jié)器</p><p>　　圖5 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p><p><b>　　其傳遞函數(shù)為</b></p><p>　　計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) </p&g

38、t;<p>　　按跟隨性和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益：</b></p><p>　　ASR的比例系數(shù)為：</p><p><b>　　檢驗(yàn)近似條件</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為：&

39、lt;/b></p><p>　　(a)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為</p><p><b>　　滿(mǎn)足簡(jiǎn)化條件</b></p><p>　　(b)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為：</p><p><b>　　滿(mǎn)足近似條件</b></p><p>　　(5) 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和

40、電容圖5含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速</p><p>　　根據(jù)圖5，取R0=40 kΩ，則 ，取 178kΩ</p><p><b>　　，取 0.43μF</b></p><p><b>　　，取 1μF</b></p><p>　　(6)校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量</p><p&

41、gt;　　采用以上參數(shù)，計(jì)算ASR退飽和超調(diào)量</p><p><b>　　因?yàn)?</b></p><p><b>　　且 </b></p><p><b>　　所以 </b></p><p><b>　　滿(mǎn)足要求 </b&g

42、t;</p><p><b>　　3.3參數(shù)選擇：</b></p><p><b>　　基本參數(shù)如下：</b></p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)：220V，56A，1000r/min，Ce=0.132Vmin/r。</p><p>　　晶閘管裝置放大系數(shù)：Ks=30。</p><p

43、>　　電樞回路總電阻：R=1.5Ω。</p><p>　　時(shí)間常數(shù)：Tl=0.03s，Tm=0.18s。</p><p>　　電流反饋系數(shù)：β=0.05V/A（≈10V/1.5Inom）。</p><p>　　轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：α=0.007Vmin/r（≈10V/Nnom）。</p><p><b>　　4保護(hù)電路</b&

44、gt;</p><p><b>　　限幅電路:</b></p><p>　　對(duì)于ASR和ACR，可采用如下電路進(jìn)行限幅：</p><p>　　晶閘管的過(guò)電流保護(hù):</p><p>　　在整流中造成晶閘管過(guò)電流的主要原因是：電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)，電網(wǎng)電壓波動(dòng)太大負(fù)載超過(guò)允許值，電路中管子誤導(dǎo)通以及管子擊穿短

45、路等。所以我們要設(shè)置保護(hù)措施，以避免損害管子。</p><p>　　常見(jiàn)的過(guò)電流保護(hù)有：快速熔斷器保護(hù)，直流快速斷路器和過(guò)電流繼電器。</p><p>　　快速熔斷器保護(hù)是最有效，使用最廣泛的一種保護(hù)措施</p><p>　　晶閘管的過(guò)電壓保護(hù):</p><p>　　抑制過(guò)電壓的方法有三種：用非線性元件限制過(guò)電壓的副度，用電阻消耗生產(chǎn)過(guò)電壓的

46、能量，用儲(chǔ)能元件吸收生產(chǎn)過(guò)電壓的能量。</p><p>　　對(duì)于非線性元件，不是額定電壓小，使用麻煩，就是不宜用于抑制頻繁出現(xiàn)過(guò)電壓的場(chǎng)合。所以我們選用用儲(chǔ)能元件吸收生產(chǎn)過(guò)電壓的能量的保護(hù)。使用RC吸收電路，這種保護(hù)可以把變壓器繞組中釋放出的電磁能量轉(zhuǎn)化為電容器的電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存起來(lái)。由于電容兩端電壓不能突變，所以能有效抑制過(guò)電壓，串聯(lián)電阻消耗部分產(chǎn)生過(guò)電壓的能量，并抑制LC回路的震動(dòng)。</p><

47、;p>　　對(duì)于晶閘管的過(guò)電壓保護(hù)我們可使用阻容保護(hù)，電路圖如圖</p><p><b>　　5設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p>　　在這次課程設(shè)計(jì)中，我們認(rèn)真復(fù)習(xí)了一遍上學(xué)期所學(xué)的知識(shí)，以及查閱了一些課外資料，加深了對(duì)知識(shí)的理解，提高了對(duì)知識(shí)的應(yīng)用能力，同時(shí)使我們深刻認(rèn)識(shí)到了各個(gè)課程之間是緊密聯(lián)系的，每門(mén)課程都應(yīng)認(rèn)真學(xué)習(xí)，平時(shí)要多問(wèn)、多思考、做到理論聯(lián)系實(shí)際。在

48、平時(shí)的學(xué)習(xí)中要注意細(xì)節(jié)的知識(shí)，往往細(xì)節(jié)決定著我們的成功與否。本次課程設(shè)計(jì)中，我們?cè)俅误w會(huì)到了團(tuán)隊(duì)合作的重要性，遇到不會(huì)的問(wèn)題要主動(dòng)向同學(xué)、老師請(qǐng)求幫助，認(rèn)真聽(tīng)取他們的意見(jiàn)和建議，并認(rèn)真改正自己的問(wèn)題。</p><p><b>　　6參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)——運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007</p>