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1、精选优质文档-倾情为你奉上电力拖动自动控制系统课程设计报告题目：晶闸管双闭环直流调速系统摘要双闭环直流调速系统即速度和电流双闭环直流调速系统，是由单闭环直流调速系统发展起来的，调速系统使用比例积分调节器，可以实现转速的无静差调速。又采用电流截止负反馈环节，限制了起（制）动时的最大电流。这对一般的要求不太高的调速系统，基本上已经能满足要求。但是由于电流截止负反馈限制了最大电流，加上电动机反电势随着转速的上升而增加，使电流到达最大值后迅速降下来，这样，电动机的转矩也减小了，使起动加速过程变慢，起动的时间比较长。在这些系统中为了尽快缩短过渡时间，所以就希望能够充分利用晶闸管元件和电动机所允许的过载能
2、力，使起动的电流保护在最大允许值上，电动机输出最大转矩，从而转速可直线迅速上升，使过渡过程的时间大大的缩短。另一方面，在一个调节器的输出端有综合几个信号，各个参数互相调节比较困难。为了克服这一缺点就应用转速，电流双闭环直流调速系统。关键词：双闭环 直流调速系统 ASR ACR1.设计要求直流电动机设计双闭环直流晶闸管调速系统，技术要求如下：1.1直流电动机的额定参数=1.1KW、=110V、=1.2A、=1500r/min，电枢电阻=1，电枢绕组电感=28mH，系统飞轮矩=0.1375Kg，电流过载倍数=1.5。1.2电压参数电网电压：线电压U=380V采用三相晶闸管桥式整流电路供电1.3设计
3、要求稳态无静差，电流超调量5%；转速超调量10。2.双闭环直流调速系统系统总设计 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如下图所示，即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能
4、。采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单环系统就难以满足需要。这是就要考虑采用转速、电流双环控制的直流调速系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流。二者之间实行嵌套（串联）联接。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。双闭环调速系统的结构框图和原理图如下：双闭环调速系统电路原理图3.主电路设计及相关计算3.1主电路的设计整
5、流变压器输出的三相电压加到由晶闸管VT1VT6组成的三相全控整流电路上，在触发电路的控制下得到可调的电压，从而调节电机的转速。主电路图3.2整流变压器的设计3.2.1变压器二次侧电压的计算是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成延迟角加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。一般可按下式计算，即：（3-1）A理想情况下，整流电压与二次电压之比，即B延迟角为时输出电压与之比，即电网波动系数，通常取=0.911.2考虑各种因数的安全系数对于三相全控整流电路，由表1，得A=2.34；角考虑10裕量：所以由式（3-1）得 取变压器变比计算系数单相半波单相全波
6、三相半波三相全波A0.450.91.172.34KI 210.5870.816KI 110.4720.816UM0.450.4503670.367表13.2.2一次侧，二次侧相电流的计算整流变压器一次、二次相电流与负载电流之比分别为： （3-2）（3-3）考虑变压器的励磁电流时，应乘以1.05左右的系数，即：（3-4）对于三相全控整流电路，由表1，得，由（3-3），（3-4）式可得：AA3.2.3变压器容量的计算原边视在功率：S1=m1U1I1副边视在功率：S2= m2U2I2平均视在功率：S=（S1+S2）/ 2令m1，m2为原副边绕组的系数，由于采用三相电源m1=m2=3KVAKVAKVA
7、3.2.4变压器的联接组别变压器的一次侧绕组采用接法，二次侧绕组采用Y接法，即/Y接法。3.3晶闸管原件的选择3.3.1晶闸管的额定电压晶闸管实际承受的最大峰值电压，并考虑（23）倍的安全裕量，参照标准晶闸管电压等级，即可确定晶闸管的额定电压，即在三相全控桥式整流电路，每个晶闸管所承受的最大峰值电压为取3.3.2晶闸管的额定电流考虑到倍的裕量，则取，故选晶闸管的型号为KP15-5晶闸管原件3.4熔断器原件的选择 快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。3.4.1整流变压器二次侧熔断器选择整流变压器二次侧相电压为63
8、V，熔断器的额定电压可选为100V，熔断器的额定电流： 可取为20A，选用RT18-32低压熔断器，额定电压220V,额定电流32A。3.4.2晶闸管保护熔断器的选择 由于晶闸管的过载能力差，必须在每只晶闸管上串接一只快速熔断器加以保护，熔断器的烧断电流可按以下经验公式选择：选用RLS-20熔断器，额定电流为20A。3.4.3直流侧熔断器元件的选择为了在回路出现环流时很快的断开环流通路，需要在直流侧串接快速熔断器，其熔断电流按下式计算：可选用RO15gG低压熔断器，额定电流为，耐压为500V。3.5变压器二次侧阻容过电压保护电路中原件选择3.5.1电容原件的选择阻容吸收保护电路的电容计算如下：
9、式中：是主变压器副边的空载电流，因为副边空载电流大约等于副边电流的5%，是副边的线电压是电源频率（50HZ）是系数，对于三相桥式整流电路，将上面数值带入上式。则电容的耐压，按下式计算：实际选电容值为，耐压值为500V的电容。3.5.2电阻元件的选择式中：是系数，对于三相桥式，因此实际取的电阻。电阻的功率可按下式估计：式中：是系数，对于三相桥式，因此实际取2。3.6平波电抗器选择为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗器Ld，称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知的，因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。（1） 算出电流连续的临界电感量可用下式计
10、算，单位。式中：与整流电路形式有关的系数，可由表查：-最小负载电流，常取电动机额定电流的510计算（2）限制输出电流脉动的临界电感量 由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。该脉动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。通常负载需要的只是直流分量，对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加，引起过热。因此，应在直流侧串入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量（单位为）可用下式计算：式中：Ksi系数，与整流电路形式有关，由表查-电流最大允许脉动系数，通常三相电路（510）（3）变压器漏电感量变压器漏电感量（单位为）可按下式
11、计算：式中：-计算系数，查表可得:-变压器的短路比，(4)实际串入平波电抗器的电感量已知电枢电感(5)电枢回路总电感 取为3.7晶闸管的阻容保护抑制晶闸管的关断过电压一般采用在在晶闸管的两端并联阻容保护方法，其计算如下：式中：是晶闸管的额定正向平均电流。是晶闸管的额定工作电压因此电容的耐压按下式计算：式中：是副边线电压的峰值，因此电阻的功率按下式计算：式中：是电源频率，为50HZ，代入数值得：实际选用电容为，耐压值为500V；电阻为84.5，功率为。4检测环节设计4.1转速反馈环节设计 转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信
12、号。转速检测电路主要由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统。其原理图如图4.1所示。ZCF系列直流测速发电机系封闭自冷具有换向器的他激直流发电机，在恒定的激磁电流下，电枢电压与电枢转速成正比。本系列电机为连续工作制。具有线性误差小，运行可靠、尺寸小、重量轻等特点。本设计选用永磁式直流测速发电机，型号为ZYS-3A,参数如下：因此，可计算：分压器的阻值为分压器的功率为3.3W为了避免电位器发热，取实际功率的倍，则取 图4.1 转速检测电路原理图4.2电流反馈环节设计电流检测电路的主要作用是
13、获得与主电路电流成正比的电流信号，经过滤波整流后，用于控制系统中。该电路主要由电流互感器构成，将电流互感器接于主电路中，在输出端即可获得与主电路电流成正比的电流信号，起到电气隔离的作用。其电路原理图如图4.2所示。 图4.2 电流检测电路原理图4.2.1电流互感器 晶闸管三相桥式整流电路中一次侧电流与整流电流存在比例关系：I=0.816,而整流后的直流电压正比于I，故通过测交流侧电流便可反映直流整流电流大小，因此使用交流电流互感器。根据电流调节器的限幅值=10V,并参考晶闸管直流调速系统一书第十章第二节可知：交流电流互感器选用标准定型产品，LQR-0.5（）A/0.1A，其精度为0.5级，（）
14、A为主边电流，副变额定电流为0.1A，若负载电阻配以100电阻，则可获得=0.1x100=10V的输出电压，则有*=，满足电流调节器无静差调节特点。4.2.2整流桥的相关计算由选择的电流互感器选择可知：整流桥电流I=0.1A；输出最大电压=0.1x100=10V；因为是对三相交流电进行的检测，故使用三相不可控桥式整流电路进行整流，得出直流电流进行ACR输入端的反馈。4.2.3分压器的计算为提高电流反馈精度，选择分压器=2K，此时分压器对于电流变化的分辨率：=10/2000=0.005功率=10x10/2000=0.05w。5.控制电源设计5.1控制电路的控制电源 该模块的主要功能是为转速给定电
15、路提供电源，电源是一切电路的心脏，其性能在很大程度上影响着整个电路的性能。为使系统很好的工作，本文特设计一款15V的直流稳压电源供电，其电路图如下图所示。直流稳压电源主要由两部分组成：整流电路和滤波电路。整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导通作用，因此二极管是组成整流电路的关键元件。在小功率（1KW）整流电路中，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。本设计采用桥式整流电路，其主要特点如下：输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压较低，电源变压器充分利用，效率高。滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两
16、侧并联电容器；或在整流电路输出端与负载间串联电感L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。控制电源电压为电流等级为 1A变压器原边电流为220V，副边有两个回路，电压为22V。变压器容量控制电源整流器直流侧的输出电压考虑到电网电压波动为10%二极管反向电压二极管平均电流，转速调节器不饱和时，稳态时，输入偏差电压为零，因此：已知，5.2控制电路设计本控制系统采用转速、电流双闭环结构，其原理图如下图所示：为了获得良好的静动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。图4.5中标出了两个调节器的输入输出的实际极性，他们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放
17、大器的倒相作用。下图分别为为双闭环调速系统的稳态结构图和双闭环调速系统的稳态结构图。ACR和ASR的输入、输出信号的极性，主要视触发电路对控制电压的要求而定。若触发器要求ACR的输出Uct为正极性，由于调节器一般为反向输入，则要求ACR的输入Ui*为负极性，所以，要求ASR输入的给定电压Un*为正极性。本文基于这种思想进行ASR和ACR设计。双闭环调速系统稳态结构图双闭环调速系统动态结构图6.调节器设计6.1电流调节器的设计和校验 整流装置滞后时间常数对于三相全控桥式整流电路，可取。 电流滤波时间常数 对于三相全控桥式整流电路，可取。 电流环小时间常数 按小时间常数近似处理，取。 电流调节器的
18、选择图6-1 电流调节器因为电流超调量，并保证稳态电流无静差，可按典型系统设计电流调节器电流环控制对象是双惯性型的，故可用PI型电流调节器。其模拟电路图如图6-1所示。二极管3VD1和3VD2起运放输入限幅，保护运放的作用。二极管3VD3、4VD4和电位器3RW1、3RW2用于正负限幅，调节3RW1或3RW2就可以改变下输出幅值或负限幅值。3R1是为了避0免运算放大器长期工作产生零点漂移，其阻值较大，可取4.7M。 电流反馈系数：电流调节器参数计算机电时间常数对于三相桥式整流电路，总电感量的计算公式为：一般取为电动机额定电流的，因此电枢回路电磁时间常数：电流调节器超前时间常数：电流环开环增益：
19、要求时，就取，因此 晶闸管装置放大系数取于是，电流环的比类系数为 校验近似条件电流环截止频率：=135.1。校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件：满足条件。校验忽略反电动势变化对电流环动态影响条件：满足条件。、电流环小时间常数近似处理条件：，满足条件。计算调节器的电阻和电容取运算放大器的取=40，有，取0.2。故6.2转速调节器的设计和校验 电流环等效时间常数在前面的计算中，已取，则。 转速滤波时间常数根据所用没速发电机纹波情况，取。 转速环小时间常数。 转速调节器的选择按设计要求，选用PI调节器，其传函为，其模拟电路图如图6-2所示。其结构与电流调节器一样。 转速调节器的参数计算按跟随和抗干
20、扰性能较好原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为：，图6-2 转速调节器转速环开环增益 。ASR的比例系数为： 检验近似条件转速环截止频率为。电流环传递函数简化条件为，满足条件。转速环小时间常数近似处理条件为：，满足近似条件。 计算调节器电阻和电容：取=40，则，取1。故。 校核转速超调量：由h=4，查得，不满足设计要求，应使ASR退饱和重计算。设理想空载z=0，h=5时，查得=81.2%，所以=2（）（）=，满足设计要求。7.心得与总结本次发热V-M双闭环直流调速系统课程设计，让我获益匪浅，对双闭环直流调速系统的整个设计过程有了及其深刻的了解，也使我对电力拖动自动控制系统，电力电子技术，龙
21、门刨床的原理等有了更进一步的了解与认识，对所学内容有了更深刻的印象。进一步提高了自己查阅资料的能力，仅就我们所学的课本知识是有限的，在设计过程中，需要查阅大量的资料，找到各环节的原理分析和相关计算，才能做到最准确的设计。还认识到工程设计时与实际相联系的重要性，比如在计算元件参数时计算出来的值往往与实际生产参数不符，这就需要根据实际情况对参数进行取舍。本次课程设计为对我将来的毕业设计和工作需要打下了扎实的基础。课程设计的过程实际就是学习的过程，并将理论与实际想结合，以前一些不懂的知识点现在比较清楚了，比如，闭环调速系统的电路原理与性能分析，调节器的工程设计，电流检测环节等。该系统中调速系统采用比
22、例积分调节器，实现转速的无静差调速，采用电流截止负反馈环节，限制了起（制）动时的最大电流。该系统具有许多特点，具有良好的静特性；具有较好的动态特性，启动时间短，超调量也小；系统抗扰动能力强，电流环能较好的克服电网电压波动的影响，而速度环能抑制被它包围的各个环节扰动的影响，并最后消除转速偏差；由两个调节器分别进行设计，分别调整，调整方便。由于双闭环直流调速系统的动，静态特性均很好，所以在许多方面获得广泛的应用。8.参考文献王兆安电力电子技术第4版北京：机械工业出版社，2000陈伯时, 阮毅.电力拖动自动控制系统.第3版北京：机械工业出版社，2009阮毅，陆维钧.运动控制系统.北京：清华大学出版社，2006张崇巍，李汉强，运动控制系统.武汉：武汉理工大学出版社，2011邵群涛主编.电机及拖动基础.北京：机械工业出版社，1999王离九电力拖动自动控制系统武汉：华中科技大学出版社，1991曲永印.电力电子变流技术.北京：冶金工业出版社，1997彭至瑾.电气传动与调速系统.北京理工大学出版社，1988专心-专注-专业