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1、精选优质文档-倾情为你奉上课程设计名称：电力拖动自动控制系统运动控制系统课程设计 题 目：V-M双闭环直流调速系统专 业：自动化 课程设计任务书一、设计题目V-M双闭环直流调速系统二、 设计任务 1.设计一双闭环V-M直流调整系统 2.采用三相桥式全控整流电路 3设计总体方案 4进行整流变压器的参数计算 5进行可控硅元件的选择及保护 6进行平波电抗器的选择 7进行动态参数计算及调节器的设计 8画出系统原理图和结构框图三、设计计划 第1天选择课程设计题目,确定课程设计任务 第2天根据课程设计任务进行查阅资料 第3天进行整理资料及进行设计 第4天进行可行性分析 第5天整理设计报告,完成设计四、设计
2、要求1.根据题目要求，分析谁并确定主电路的结构形式和闭环调整系统的组成；2.调整系统主电路元部件的确定及其参数计算器；3驱动控制电路的造型设计；4. 动态设计计算； 5.绘制V-M双闭环直流不可逆系统的电气原理总图 指 导 教师: 教研室主任： 时 间:目录1.1.设计方案分析与论述1.1概述本设计根据题目要求设计双闭环直流调速系统，采用三相全控桥整流电路，利用工程设计方法对转速调节器和电流调节器进行设计，以达到题目设计的要求。并且绘制整个调速系统的电路原理图，详细的分析各个模块的功能与应用，最后建立动态数学模型并用MATLAB对其仿真，使仿真结果达到设计要求。转速-电流双闭环控制直流调整系统
3、是性能很好且应用最广的直流调整系统，用以控制位置，速度，加速度，压力，张力和转矩等。在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。这主要由于直流电机具有良好的起，制动性能，宜于在大范围内平滑调速，并且直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。 由于要对电机进行稳定的转速控制，双闭环直流调速系统是现今在工业生产中应用最广泛的调速装置。该装置转速控制稳定，抗干扰能力强。但由于直流系统的本身缺陷，为得到较大的调速范围，自动控制的直流调速系统往往采用变压调速为主。而在变压整流装置中应用最广的是三相全控桥式整流。这是用于三相全控桥式整流器输
4、出直流电流的谐波小，脉动电流小，电流连续性好，往往只需要平波电抗器就可以输出稳定直流。可保证电机稳定运行不会有较大的脉动转矩，不仅保证了拖动系统的稳定性同时对直流电机的损耗也小。 1.2方案与任务1.2.1方案分析设计一双闭环V-M直流调速系统。根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图。调速系统主电路元部件的确定及其参数计算。驱动控制电路的选型设计，动态设计计算要根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求，绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理
5、总图（要求计算机绘图）采用三相桥式全控整流电路，二次相电压有效值。已知他励直流电动机参数为：=10kW，=220V，=53.3A，=1500r/min，主回路总电阻等于电枢绕组电阻，即=0.3，电枢回路电磁时间常数，系统机电时间常数，系统飞轮力矩，转速和电流给定电压最大值分别为 。1.2.2.方案任务按工程设计方法设计，要求调速系统的电流超调量，空载起动到额定转速时的转速超调量，其过渡过程时间，堵转电流 =2.0，稳态无静差。能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调整范围，系统能在工作范围内稳定工作。最终获得静特性良好，无静差的系统，并使调整系统中设置有过电压，过电流等保护，有制
6、动措施。1.3设计思路1.设计一个不可逆V-M双闭环直流调速系统，进行系统总体结构设计。2.用工程设计方法进行设计，决定ASR和ACR结构并选择参数。3.设计过程中应画出双闭环调速系统的电路原理图及建立系统动态数学模型，写出设计过程。2.系统电路结构设计2.1方案论证双闭环直流调速系统控制原理图如图1所示速度调节器根据转速给定电压和速度反馈电压的偏差进行调节，其输出是电流的给定电压（对于直流电动机来说，控制电枢电流就是控制电磁转矩，相应的可以调速）。电流调节器根据电流给定电压和电流反馈电压的偏差进行调节，其输出是功率变换器件（三相全控整流装置）的移向触发脉冲控制信号。通过控制电压进而调节整流装
7、置的输出，即电机的电枢电压，也就是理想空载平均输出电压。因为电动机机械惯性大于电磁惯性，电压的调节可以认为是瞬时完成,而速度的变化需要过渡时间，因此电动机转速不能突变，电枢电压改变后，电枢电流跟着发生变化。由他励直流电动机转矩特性知，相应的电磁转矩也跟着变化，由，只要与不相等那么转速n会相应的变化,电机将加速或者减速。整个过程到电枢电流产生的转矩即电磁转矩与负载转矩达到平衡，n不变后，达到稳定。图1系统电气原理框图图2双闭环直流调速系统控制原理图在双闭环直流调速系统中，转速和电流调节器的结构选择与参数设计须从动态校正的需要来解决。如果采用单闭环中的伯德图设计串联校正装置的方法设计双闭环调速系统
8、这样每次都需要先求出该闭环的原始系统开环对数频率特性，在根据性能指标确定校正后系统的预期特性，经过反复调试才能确定调节器的特性，从而选定其结构并计算参数。但是这样计算会比较麻烦。所以本设计采用工程设计方法：先确定调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。这样做，就把稳，准，快和抗干扰之间相互交叉的矛盾问题分成两步来解决，第一步先解决主要矛盾，即动态稳定性和静态稳定精度，然后再进一步满足其他动态性能指标。 按照“先内环后外环” 的一般系统设计原则，从内环开始，逐步向外扩展。2.2 主电路和控制电路设计2.2.1主电路设计虽然三相半波可控整
9、流电路使用的晶闸管个数只是三相全控桥整流电路的一半，但它的性能不及三相全控桥整流电路。三相全控桥整流电路是目前应用最广泛的整流电路，其输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广（将近50）。把该电路应用于本设计，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。三相全控桥整流电路实际上是组成三相半波晶闸管整流电路中的共阴极组和共阳极组串联电路，如图六所示。三相全控桥整流电路可实现对共阴极组和共阳极组同时进行控制，控制角都是 。在一个周期内6个晶闸管都要被触发一次，触发顺序依次为： ，6个触发脉冲相位依次相差 。为了构成一个完整的电流回路，要求有两个晶闸
10、管同时导通，其中一个在共阳极组，另外一个在共阴极组。为此，晶闸管必须严格按编号轮流导通。晶闸管 与 按A相，晶闸管 与 按B相，晶闸管 与 按C相，晶闸管 接成共阳极组，晶闸管 接成共阴极组。在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电路。主电路采用转速、电流双闭环调速系统，使电流环(ACR)作为控制系统的内环，转速环(ASR)作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。二者串级连接，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换装置U
11、PE。从而改变电机的转速。通过电流和转速反馈电路来实现电动机转速无静差的运行。主电路为一个三相桥式全控六脉动整流电路。在二次侧再接入一个电流互感器以便检测直流电机的电流。主电路的电路图设计如图3：图3 三相桥式全控整流电路原理图主电路的开关器件未必一定要使用晶闸管，也可以使用绝缘栅型双极型晶体管IGBT或者功率晶体管GTR。变压器一次侧采用三角形连接。是因为可以避免3次谐波流入电网.而二次侧接成星形，是为了得到有隔离中性点的零线，这种接法可以抑制3的整数倍的零序谐波在电动机中形成电流。以免形成交变的脉动转矩。电路的工作特点为：1）每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中1个晶
12、闸管是共阴极组的，1个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。2)6个晶闸管的触发脉冲按VT1VT2VT3VT4VT5VT6的顺序相位依次相差；共阴极组的脉冲依次差，共阳极组也依次差;同一相的上下两个桥臂即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2脉冲相差。3）整流输出电压Ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样。4）在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为保证电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。 2.2.2给定电压设计电路 图4给定电压设计电路经桥式整流堆整流以及三端集成稳压管LM7815得到15V恒压输出。但是因为最大给定电压是10V，因此必须在滑动变阻上加以机械限位
13、，限制滑动变阻器上最大分压值是10V。因给定电压功率较小,因此只需要采用普通单相壳式变压器。 2.2.3他励直流电动机励磁回路设计 图5他励直流电动机励磁电路整流桥的交流输入可以与上图中变压器1的二次侧并联,当然也可以在中间抽头与之相连，以节省开支。励磁线圈串联的可调电阻可以于弱磁升速.2.2.4控制电路设计由图1的系统框图可知，控制电路主要包括以下几个电路设计，ACR、ASR和晶闸管的触发电路。电流环结构框图的化简电流环结构图的简化分为忽略反电动势的动态影响、等效成单位负反馈系统、小惯性环节的近似处理等环节。在一般情况下，系统的电磁时间常数 Ti远小于机电时间常数Tm，因此转速的变化往往比电
14、流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的线性扰动量。在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即DE0。这时，电流环如图6所示。Ud0(s)+-Ui (s)ACR1/RTl s+1U*i(s)Uc (s)Ks Tss+1Id (s)b T0is+11 T0is+1图6 忽略反电动势动态影响的电流环动态结构图如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成U*i(s) /b ，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图7所示。+-ACRUc (s)Ks /R (Tss+1)(Tl s+1)Id (s)U*i(s)bb T0is+1图7 等效成单位负反
15、馈系统的电流环的动态结构图最后，由于Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为 （2-1）则电流环结构图最终简化成图8 +-ACRUc (s)bKs /R (Tls+1)(TSis+1)Id (s)U*i(s)b+-ACRUc (s)bKs /R (Tls+1)(TSis+1)Id (s)U*i(s)b 图 8 电流环的简化结构图1）电流调节器(ACR)具体电阻电容参数请参照4.1.5，电路图如下：该调节器为PI调节器，含给定滤波和反馈滤波图9 电流调节器电路图2）转速调节器(ASR)转速环结构框图的化简电流环经简化后可视作转速环中的一个环
16、节，接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为Ui*(s),因此电流环在转速环中应等效为 （2-2） 用电流环的等效环节代替电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图10所示和电流环一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成U*n(s)/a，再把时间常数为1 / KI 和 T0n 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中n (s)+-Un (s)ASRCeTmsRU*n(s)Id (s)a T0ns+11 T0ns+1U*n(s)+-IdL (s)图 10用等效环节代替电流环的转速环的动态结构图最后转速环结构简图如图11图11 等效成单位负反馈系统和小
17、惯性的近似处理的转速环结构框图转速调节器是PI调节器，含给定滤波和反馈滤波，电路图和各参数如下：图12 转速调节器电路图3）晶闸管触发电路三相整流电路中必须对两组中应导通的一对晶闸管同时给触发脉冲为此可以采用两种办法：一种是使每个触发脉冲宽度大于，称宽脉冲触发；另一种是在触发某一号晶闸管的同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，相当于用两个窄脉冲等效代替一个宽脉冲，称为双脉冲触发。本设计直接采用KJ系列的三相全控桥式整流电路的集成触发器KJ041作为三相整流电路的触发电路。KJ041的内部是由12个二极管构成的6个或门，其作用是将6路单脉冲输入转换为6路双脉冲输出。以上触发电路均为模拟量，这样使集成片
18、内部结构、可靠，但是却是其容易受电网电压影响，导致触发脉冲的不对称度较高，可达。在对精度要求高的大容量变流装置中，采用了数字触发电路，可获得很好触发脉冲对称度。KJ041六路双脉冲发生器简介KJ041六路双脉冲发生器是三相全控桥式触发电路中必备的控制电路，它具有双脉冲形成和电子开关的功能。使用两块有电子开关控制的KJ041电路组成逻辑控制，适用于正反组可逆系统。 电参数如下：电源电压：直流 15V，允许波动5(10功能正常)电源电流：20mA。输出脉冲：a脉冲幅度：1V。b最大输出能力：20mA(流出脉冲电流)。输入端二极管反压：30V。控制端正向电流：3mA。3系统设计3.1 电流调节器(A
19、CR)设计3.1.1 确定时间常数1）整流装置滞后时间常数。按表1-2，三相桥式电路的平均失控时间是= 0.0017s2）电流滤波时间常数。三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有(12) =3.33ms，故取=2ms=0.002s。3）电流环小时间常数之和= +=0.0037s。3.1.2选择电流调节器结构根据设计要求，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。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，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为
20、主，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，其传递函数可以写成检查对电源电压的抗扰性能：，参照表2-3，各项指标正常。3.1.3计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：。电流环开环增益：要求时，按表2-2，应取因此晶闸管装置放大倍数电流反馈系数则，ACR比例系数为3.1.4校验近似条件电流环截止频率：1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件满足近似条件2）忽略反电动势变化时对电流环动态影响的条件满足近似条件3）电流环小时间常数近似处理条件满足近似条件因此电流调节器的传递函数是3.1.5计算调节器电阻和电容取调节器的输入电阻为，则
21、各电阻和电容为，取30k，取1，取0.2按照以上参数，电流环可以达到的动态跟随性能为，满足设计要求。按照工程设计经验，电阻取10W，以满足耗散功率的要求。电容选用无极性的涤纶电容，耐压值取为250V。(按照电网电压波动10%计算，为220*1.1=242，取为250V，留有裕量)如有需要,所有含有电阻的回路都要串联可调电阻,以规避参数值偏差造成误差,实现精确阻值，避免运放出现零点漂移。3.2 速度调节器(ASR)设计为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，
22、所以应该设计成典型 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为 式中 Kn 转速调节器的比例系数； tn 转速调节器的超前时间常数。1）电动机电动势常数为2）电流环等效时间常数。已知则3）转速滤波时间常数=0.01s 4）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，有5）由已知得，=2，R=0.3，当h=5时，由表2-7查得，则由此可以算出退饱和超调量是 满足设计要求6）计算转速调节器参数转速反馈系数按跟随和抗扰性能都兼顾的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为转速环开环增益为即，ASR比例系数为7）检验近似条件 转速环截止频率时 电流
23、传递函数简化条件是 ，满足简化条件转速环小时间常数近似处理条件是，满足简化条件8）计算调节器电阻和电容取，则有，取1.2，取0.07，取0.33按照工程设计经验，为满足耗散功率的要求，电阻取10W。电容选用无极性的涤纶电容，耐压值取为250V。如有需要,所有含有电阻的回路都要串联可调电阻,以规避参数值偏差造成误差,实现精确阻值，避免运放出现零点漂移。转速调节器的传递函数是4系统仿真4.1用MATLAB进行仿真双闭环直流调速系统的动态框图如下：-IdLUd0Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*iUcKs Tss+1Id1Ce+Eb T0is+11 T0is+1ASR1 T0ns+
24、1a T0ns+1U*nn根据结构框图，再加上前面有关ACR、ASR的参数设计，可以得到该系统的数学模型，利用MATLAB中Simulink进行仿真，其中仿真时间是2秒,步长值均采用变步长。 图14 未加入限幅环节的Simulink仿真模型上图为转速电流双闭环直流不可逆调速系统的Simulink仿真模型,此时未带有饱和限幅环节。其中输入是给定电压0至10V，为一阶跃信号。因此其输入模型用阶跃信号代替。传递函数1是转速调节器的传递函数，是一比例积分型的PI调节器，这样可以用其积分和比例的共同作用使调节器的输出电压亦即电流调节的输入电压既能快速响应，又可以消除调速系统的静差，亦可以提高稳定性；传递
25、函数2是电流调节器的传递函数，同是PI调节器，也可以使输出无静差；传递函数3是电力电子变换装置的传递函数；传递函数4是电枢电压与电枢电流之间的传递函数；传递函数5是电枢电流与反电动势之间的传递函数。增益1是电动机电动势常数的倒数。传递函数6是带滤波的电枢电流反馈环节；传递函数7是测速发电机的测速反馈环节。注意此时未加入限幅环节。图15 已加入限幅环节的Simulink仿真模型此是转速电流双闭环直流不可逆调速系统的Simulink仿真模型,已加入饱和限幅环节。其中输入是给定电压0至10V，为一阶跃信号。因此其输入模型用阶跃信号代替。传递函数1是转速调节器的传递函数，是一比例积分型的PI调节器，这
26、样可以用其积分和比例的共同作用使调节器的输出电压亦即电流调节的输入电压既能快速响应，又可以消除调速系统的静差，亦可以提高稳定性；传递函数2是电流调节器的传递函数，同是PI调节器，也可以使输出无静差；传递函数3是电力电子变换装置的传递函数；传递函数4是电枢电压与电枢电流之间的传递函数；传递函数5是电枢电流与反电动势之间的传递函数。增益1是电动机电动势常数的倒数。传递函数6是带滤波的电枢电流反馈环节；传递函数7是测速发电机的测速反馈环节。限幅1是转速调节器输出限幅，限幅2是电流调节器输出限幅。4.2仿真结果这是未加入饱和限幅环节时的仿真结果:图16 未加入限幅环节的仿真波形由图16可以看见，未加饱
27、和限幅非线性环节时，由于积分器的作用是输出始终不断增长，因此转速超调量较大(约13%)。而电流已经远超出正常值。在物理实际中，这是绝对不可能出现的，此时断路器必定已经实施过流保护而熔断。按照仿真图16，系统转速超调量较大，峰值转速高达2000r/min。虽然系统是稳定的，但是不符合要求，而且稳定转速也小于1500r/min.而电流值早已超出物理实际，高达4000多安培。单台直流电动机的电流根本不可能有如此高的峰值，系统早已崩溃失控。此时系统不稳定，不能运行。另外起初仿真时发现稳态转速只有150左右，始终达不到1500.后经检查发现是阶跃给定信号至未从其默认值1设置为10.这是加入饱和限幅环节之
28、后的仿真结果: 图17 已加入限幅环节的仿真波形由仿真图17知道，加了饱和限幅非线性环节之后，将转速调节器的输出亦即电流调节器的输入设为电流最大给定即8，则电流不会再像之前那样飙升。转速超调量降低，不会使电动机严重过载.稳定时转速为1500r/min,电机可以正常运转。电流也符合物理实际，堵转电流约为100安培.转速稳定之后，电流下降为零，系统是稳定的，可以正常运行。4.3仿真总结对于PI调节器，只要其输入电压Uin始终存在，则运算放大器反馈回路上的电容将不断充电从而积分。而如果未加限幅环节，则输出将无限增长，损毁设备。因此必须给理想运算放大器加输出限幅环节，使其饱和，从而保证线性放大作用并保
29、护系统各环节。5总结本电路采用三相全控桥整流电路，在直流侧串有平波电抗器，该电路能为电动机负载提供稳定可靠的电源，利用控制角的大小可有效的调节转速，并在直流交流侧安置了保护装置，保证各元器件能安全的工作，同时由于使用了闭环控制，使得整个调速系统具有很好的动态性能和稳态性能。使我对所学内容有了更深刻的理解，并且进一步认识到工程设计时与实际相联系的重要性。另外，做设计时信息十分重要，我运用文件检索工具查阅了许多相关资料，这对设计大有益处。本次课程设计为对我将来的工作打下了扎实的基础。6参考文献1陈伯时，电力拖动自动控制系统运动控制系统，第三版，机械工业出版社，20032丁学文 主编 电力拖动运动控制系统,机械工业出版社，20073王兆安，黄俊 电力电子技术，第四版,机械工业出版社，20084彭鸿才 电机原理及拖动，第二版，机械工业出版社，20075陈伯时，交流调速系统，机械工业出版社，1999年6吴守簇，电气传动的脉宽调制控制技术，机械工业出版社19997胡崇岳，现代交流调速技术，机械工业出版社，1998年8沈安俊，电气自动控制，机械工业出版社，1984年专心-专注-专业