自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計

1、自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計報告課程名稱：自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計報告設(shè)計題目：給定環(huán)流的可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計院 系：電氣工程系班 級：設(shè)計者：學(xué) 號：同組人：指導(dǎo)教師：設(shè)計時間： 2011 年10月31日-11月11日課程設(shè)計（論文）任務(wù)書專業(yè)電氣工程及其自動化班級學(xué)生指導(dǎo)教師題目給定環(huán)流的可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計子題無設(shè)計時間2011年10月31日至 2011年11月11日共2周設(shè)計目的：1. 了解環(huán)流產(chǎn)生的原因及其正反兩方面的作用。2. 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)獲得平滑的過度特性和較好的動態(tài)特性。設(shè)計內(nèi)容要求：1. 穩(wěn)態(tài)指標：無靜差。2. 動態(tài)指標：電流超調(diào)量b i w

2、 15% ;空載起動到額疋轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)涼cr nw 10%。設(shè)計要求設(shè)計報告要求：根據(jù)所給題目的基本要求，通過調(diào)研或查閱參考資料，進行理論設(shè)計，包含參數(shù)的計算及其依據(jù)；用1號圖紙繪制所設(shè)計的原理圖；原理圖要求清楚、工整，含器件參數(shù)；寫出具體的設(shè)計報告書，不少于3000字，包含設(shè)計任務(wù)，設(shè)計指標、設(shè)計思路、設(shè)計原理圖和設(shè)計過程問題分析、設(shè)計 結(jié)論。設(shè)計報告每人一份，打印或手寫均可，驗收時需要答辯。指導(dǎo)教師簽字:系（教研室）主任簽字:2011 年 11 月 11 日目錄1. 緒論 4.1.1 環(huán)流產(chǎn)生的原因 4.1.2.環(huán)流的危害和利用 4.2. 給定環(huán)流的可逆調(diào)速系統(tǒng)原理 4.2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3、 5.2.2 線路工作原理 5.3. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)選擇 6.3.1主電路設(shè)計 6.3.1.1 主電路方案分析比較 6.3.1.2 觸發(fā)電路設(shè)計 6.3.1.3 變壓器及晶閘管參數(shù)及選型 6.3.2 控制電路的設(shè)計 7.321給定電壓Un和給定環(huán)流Uic的設(shè)定73.2.2轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié) 9.3.2.3電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計 9.324轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）的設(shè)計 1 13.3參數(shù)選擇：1.34 保護電路 1.4.5 設(shè)計總結(jié) 1.5.6 參考文獻 1.5.1. 緒論1.1環(huán)流產(chǎn)生的原因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出現(xiàn)，便會產(chǎn)生不流過負載而直接在兩組晶閘管之間流通的

4、短路電流，稱作環(huán)流。圖1可逆V-M系統(tǒng)中的環(huán)流。其中Id為負載電流，Ih為環(huán)流。1.2.環(huán)流的危害和利用（1）危害：一般情況，這樣的環(huán)流對負載無益，徒然加重晶閘管和變壓器的負擔，消耗 功率，環(huán)流太大時會導(dǎo)致晶閘管損壞，因此應(yīng)該予以抑制或消除，元器件容量適當增大。（2） 利用：只要合理的對環(huán)流進行控制，保證晶閘管的安全工作，可以利用環(huán)流作為流過晶閘管的基本負載電流，使電動機在空載或輕載時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)引起的非線性對系統(tǒng)性能的影響。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)獲得平滑的過度特性和較好的動態(tài)特性，提出了給定環(huán)流的可逆調(diào)速系統(tǒng)。2

5、. 給定環(huán)流的可逆調(diào)速系統(tǒng)原理與自然環(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a改變， 環(huán)流電抗器尺寸減??；二是可以保證空載時變流裝置電流連續(xù)，獲得平滑的過渡特性和較 好的動態(tài)性能。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。2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本線路與有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的不同點在于：增加了一個電流調(diào)節(jié)器ACR ;將反號器AR接在了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR之后；并且在兩個電流調(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-Uic*。2.2線路工作原理其中：正組晶閘管 VF，由GTF控制觸發(fā)。正轉(zhuǎn)時，VF整流；反轉(zhuǎn)時，VF逆變。反組晶閘管VR，由GTR控制觸

6、發(fā)。反轉(zhuǎn)時，VR整流；正轉(zhuǎn)時，VR逆變。當不工作時，給定電壓 Un*=0，此時只有環(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 lh*，即lf=lr=lh*。流過電動機的電流 ld=lf-lr=O 。當正向運轉(zhuǎn)時，Un*為正，Ui*為負，D1導(dǎo)通，-Ui*和-Uic*同時加在正向電流調(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UdOf升高。反組電流給定信號經(jīng)反號器 AR變?yōu)檎欢O管 D2截止，所以加在反向電流調(diào)節(jié)器ACR2的輸入信號只有-Uic*。隨著整流電壓的增加，促使流過反組的電流增大，電流反饋信號使反組觸發(fā)脈 沖

7、拉到逆變區(qū)，抑制了環(huán)流偏離給定值。電動機穩(wěn)定工作后的正向電流lf為負載電流ld與給定環(huán)流lh*之和，即lf=ld+lh*，反向電流lr等于給定環(huán)流lh*。當反向運轉(zhuǎn)時，Un*為負，D2導(dǎo)通，D1截止，電動機反向運轉(zhuǎn)，其工作原理與正向工 作時相同。由此可見，在包括停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的整個工作期間，環(huán)流lh*始終存在。3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)選擇3.1主電路設(shè)計3.1.1主電路方案分析比較兩組變流器需要兩個獨立本系統(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。電源，環(huán)流電抗器 4個。VFVRCMM-)5卩F共133.1.2觸發(fā)電路設(shè)計TC787 是采用獨有的先進IC工藝技術(shù)，并參照國外最新集成移相觸

8、發(fā)集成電路而設(shè)計 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。它們是目前國內(nèi)市場上 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、輸入阻抗高、抗干擾性能好、移相范圍寬、夕卜 接元件少等優(yōu)點，而且裝調(diào)簡便、使用可靠，只需一個這樣的集成電路，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

9、才能具有的三相移相功能。因此， TC787/TC788可廣泛應(yīng)用于三相半控、三相全控、 三相過零等電力電子、機電一體化產(chǎn)品的移相觸發(fā)系統(tǒng)，從而取代TCA785 KJ004、KJ009、KJ041、KJ042等同類電路，為提高整機壽命、縮小體積、降低成本提供了一種新的、更加 有效的途徑。3.1.3變壓器及晶閘管參數(shù)及選型（1 ）三向橋式整流電路變壓器副邊相電壓E2與最大整流直流電壓Udmax的關(guān)系是:d max2.34E2在可逆系統(tǒng)中由于有最小逆變角d max2.34E2 cosmin，考慮整流電源內(nèi)阻壓降及電網(wǎng)電壓波動，通常U d max還需要再增加15%20%，因此U d max (1.15

10、1.2)U ed ( I d max Ied)RsE 根據(jù)整流負載的要求，所需要的變壓器：2.3+cosp副邊 錯誤！未找到引用源。，錯誤！未找到引用源。原邊錯誤！未找到引用源。副邊功率 錯誤！未找到引用源。按計算容量的10%考慮余量，選取一臺額定功率為1.1P變壓器，一次側(cè) U1二次側(cè)U2，/丫連接。向晶閘管整流電路供電的交流側(cè)電源通常來自電網(wǎng)，為保證觸發(fā)電路和主電 路頻率一致，利用一個同步變壓器，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，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是一致的（2）晶閘管額定電壓必須大于元件在電路中實際承受的最大電壓Um

11、對于三相橋式整流電路為變壓器二次側(cè)電壓 Uab的最大值考慮到電網(wǎng)電壓的波動和操作過電壓等因素，還要放寬23倍的安全系數(shù)選擇可控硅元件的額定電壓 錯誤！未找到引用源。選擇可控硅的額定電流 錯誤!未找到引用源。，錯誤！未找到引用源。 根據(jù)錯誤！未找到引用源。錯誤！未找到引用源。 選擇可控硅整流元件。3.2控制電路的設(shè)計* *3.2.1給定電壓Un和給定環(huán)流U ic的設(shè)定* *電動機正傳時，電流調(diào)節(jié)器ACR1輸入為負載電流給定 Ui，環(huán)流給定Ub，正組電流反饋U i1 （負載電流與環(huán)流之和）。取調(diào)節(jié)器的輸入回路電阻R0=40 k QUi* Ui * Ui1iic110R R R即 U ic U i

12、Ui1 0*電流調(diào)節(jié)器ACR2的輸入為環(huán)流給定 Uic，和反組的電流反饋 Ui2 （環(huán)流）。山企0*R0 R0Uic Ui2 Ui1 卩 I1 Ui2 卩 I2式中，h和丨2分別為主電路正組、反組電流Ui1 B I 1 U i U icU ic U i2 P I 2 B I hB I 1 B I h U ih Ih Id Ui* B Id當電動機停止轉(zhuǎn)動時Ui* 0 Il I2 Ih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。這里取給定環(huán)流為10%In則 Ih 10%In 10% 56 5.6A正傳時12 Ih 5.6AIl Ih In 61.

13、6AUi* B In 2.8V環(huán)流給定Uic B Ih 0.28V*Idm56A由于卩*取ASR飽和輸出電壓 Uim 2即允許過載倍數(shù)1又 仏 0.007V minrnN則額定轉(zhuǎn)速時的給定電壓 U n 7V*由于Ujc B Ih 0.28V，所以選取環(huán)流給定電壓-1V。*由于Un 7V，所以選取直流穩(wěn)壓電源土15V。3.2.2轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)選擇測速發(fā)電機為永磁式110V0.21A1900r/min則測速發(fā)電機的電動勢系數(shù)110V1900rmin0.0579V mi%電位器RP2選擇方法如下：為了使測速發(fā)電機的電樞壓降對轉(zhuǎn)速檢測信號的線性度沒有顯著影響，去測速發(fā)電機輸出 最高電壓時，其電流約為額定

14、制的20%。RP2 證13妙此時RP2消耗的功率為：W Cetg nN Ofg所以RP2選為10w , 1.5k Q的可調(diào)電位器。2.43w3.2.3電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計（1）確定時間常數(shù)（a）由于選用三相橋式整流電路，由表1-2得，整流裝置滯后時間常數(shù)Ts=0.00167s（b）電流濾波時間常數(shù) Toi三相橋式電路每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（12）Toi=3.33ms因此取 Toi=0.002s（c）電流環(huán)小時間常數(shù)之和Te Ts Toi 0.00367 s（2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求<15%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型一型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，電流環(huán)控制對

15、象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器。R、 Crn-l± I H T_j 臉1co圖4含給定濾波與反饋濾波的 PI型電流調(diào)節(jié)器Wacr（S）= Ki（iS1）其傳遞函數(shù)為iS其中：Ki 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)i電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)T8.17檢查對電源電壓的抗擾性能：匚參照表2-3的典型一型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都是可以接受的。(3) 計算電流調(diào)節(jié)其參數(shù)I 188s電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：i T 0.03電流環(huán)開環(huán)增益：要求<15%時，按照表2-2，應(yīng)取：KiTx °.69，則有KKiKi iR5.64是，ACR的比例系數(shù)為:(4) 校驗近似條件電流環(huán)截止頻率

16、：ciKi188s 1(a)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件:199.6s > ci3Ts滿足近似條件(b)忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件:3 二4°82s1< ci(c)滿足近似條件電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件:1182.3.3s 1<3 TsToici(d)不滿足近似條件計算調(diào)節(jié)器電阻和電容 由圖4按所用運算放大器取R0=40 k Q,各電阻的電容值為:CiCoiKiR。225.6kQL 0.12 FRRo取 225 k Q按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為：i 9.5%<15% (見表 2-2)滿足設(shè)計要求3.2.4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(AS

17、R)的設(shè)計(1)確定時間參數(shù)(a)電流環(huán)等效時間常數(shù)1/Ki :1Ki0.0053s(b)轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton：根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取Ton=0.01(c)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù) 氐n按小時間常數(shù)近似處理，取E n0.0153s(2)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)為保證系統(tǒng)無靜差，ASR采用PI調(diào)節(jié)器Kn( nS 1) WASR(s)-其傳遞函數(shù)為ns(3) 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為按跟隨性和抗擾性能都較好的原則，取hTx n0.0765s轉(zhuǎn)速開環(huán)增益:Kn2 252 0.01532S 512.6SASR的比例系數(shù)為:Kn(h 1) CeTm2h RE4.441000所以14

18、(4) 檢驗近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為:39.2s 1Kn kcnN n1(a)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為滿足簡化條件(b)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為:45.7s 1>cn滿足近似條件計算調(diào)節(jié)器電阻和電容圖5含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速根據(jù)圖5,取R0=40 k Q,貝U R1KnR)177.6k，取 178kQnRn0.43 F，取0.43卩Fon4TonR0(6)校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量采用以上參數(shù)，計算 ASR退飽和超調(diào)量VC,max Vnb*81.2%VnbnCbn1000因為Vnb 2(TiZMn J-2(z)弘 T 108.2r/min且TmCeTm81.2%108.28.8%v

19、10%滿足要求3.3參數(shù)選擇：基本參數(shù)如下：直流電動機：220V , 56A , 1000r/min , Ce=0.132Vmin/r。晶閘管裝置放大系數(shù)：Ks=30。電樞回路總電阻：R=1.5 Qo時間常數(shù)：Ti=0.03s, Tm=0.18s。電流反饋系數(shù)：B =0.05V/A C 10V/1.5Inom ）。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：a =0.007Vmin/r10V/Nnom ）。4保護電路限幅電路：對于ASR和ACR，可采用如下電路進行限幅:晶閘管的過電流保護：在整流中造成晶閘管過電流的主要原因是：電力電子電路運行不正?；蛘?發(fā)生故障時，電網(wǎng)電壓波動太大負載超過允許值，電路中管子誤導(dǎo)通以及管子 擊穿短路等。所以我們要設(shè)置保護措施，以避免損害管子。常見的過電流保護有：快速熔斷器保護，直流快速斷路器和過電流繼電器。 快速熔斷器保護是最有效，使用