1、大 連 海 洋 大 學 課 程 設 計 用 紙學院：信息工程專業班級 ：自動化3 姓名：王超月 學號：1105130301目 錄一 課程設計要求.21.1參數.21.2內容.21.3要求.2二 雙閉環直流調速系統的工作原理.32.1晶閘管-電動機直流調速系統簡介.32.2雙閉環直流調速系統結構圖.3三 控制系統的設計.43.1 雙閉環直流調速系統的組成.43.2.主電路的結構形式.43.2.1主電路的設計.53.2.2. 整流元件晶閘管的選型.73.2.3. 電抗器的設計.83.3晶閘管的觸發電路.113.4雙閉環調速系統的組成和設計.123.4.1電流調節器的設計.123.4.2轉速調節器的

2、設計.143.5仿真波形結果.183.5.1轉速.183.5.2電流.19四 運動控制系統課程設計總結.19五 參考文獻.19一、課程設計要求 1.設計參數 直流他勵電動機：功率Pe145KW，額定電壓Ue=220V，額定電流Ie=733A,磁極對數P=2，ne=430r/min,勵磁電壓220V,電樞繞組電阻Ra=0.0015,主電路總電阻R0.036，Ks=41.5，電磁時間常數TL=0.0734ms，機電時間常數Tm=0.0926ms，濾波時間常數Ton=Toi=0.01s，過載倍數1.2，電流給定最大值，速度給定最大值2.設計內容1）根據題目的技術要求，分析論證并確定主電路的結構形式和

3、閉環調速系統的組成，畫出系統組成的原理框圖。2） 調速系統主電路元部件的確定及其參數計算。3）驅動控制電路的選型設計。4）動態設計計算：根據技術要求，對系統進行動態校正，確定ASR調節器與ACR調節器的結構形式及進行參數計算，使調速系統工作穩定，并滿足動態性能指標的要求。5） 繪制VM雙閉環直流不可逆調速系統電器原理圖，并研究參數變化時對直流電動機動態性能的影響。3.設計要求： 1）該調速系統能進行平滑地速度調節，負載電機不可逆運行，具有較寬地轉速調速范圍（），系統在工作范圍內能穩定工作。2）系統靜特性良好，無靜差（靜差率）。3）動態性能指標：轉速超調量，電流超調量，動態最大轉速降，調速系統的

4、過渡過程時間（調節時間）。4)系統在5%負載以上變化的運行范圍內電流連續。5)調速系統中設置有過電壓、過電流保護，并且有制動措施。6)主電路采用三項全控橋。二 雙閉環直流調速系統的工作原理2.1晶閘管-電動機直流調速系統簡介圖1.1是V-M系統的簡單原理圖1,3,5。 -晶閘管-電動機直流調速系統（V-M系統）2.2 雙閉環直流調速系統動態結構圖 雙閉環直流調速系統動態結構圖第 20 頁 大 連 海 洋 大 學 課 程 設 計 用 紙學院：信息工程專業班級 ：自動化3 姓名：王超月 學號：1105130301三 控制系統的設計3.1 雙閉環直流調速系統的組成該雙閉環調速系統的兩個調節器ASR和

5、ACR一般都采用PI調節器。因為PI調節器作為校正裝置既可以保證系統的穩態精度，使系統在穩態運行時得到無靜差調速，又能提高系統的穩定性；作為控制器時又能兼顧快速響應和消除靜差兩方面的要求。一般的調速系統要求以穩和準為主，采用PI調節器便能保證系統獲得良好的靜態和動態性能。圖3.1 轉速、電流雙閉環直流調速系統圖中U*n、Un轉速給定電壓和轉速反饋電壓 U*i、Ui電流給定電壓和電流反饋電壓 ASR轉速調節器 ACR電流調節器 TG測速發電機 TA電流互感器 UPE電力電子變換器3.2主電路的結構形式 圖3.3 V-W系統原理圖圖3.4 主電路原理圖3.2.1主電路的設計1.變流變壓器的設計為了

6、保證負載能正常工作，當主電路的接線形式和負載要求的額定電壓確定之后，晶閘管交流側的電壓只能在一個較小的范圍內變化，為此必須精確計算整流變壓器次級電壓。影響值的因素有：(1)值的大小首先要保證滿足負載所需求的最大電流值的。(2)晶閘管并非是理想的可控開關元件，導通時有一定的管壓降，用表示。(3)變壓器漏抗的存在會產生換相壓降。(4)平波電抗器有一定的直流電阻，當電流流經該電阻時就要產生一定的電壓降。(5)電樞電阻的壓降。綜合以上因素得到的精確表達式為： 式（3-1） 式中 為電動機額定電壓； ； 及C見表1-1；，為電動及額定電流，為電動機電樞電路總電阻；表示主電路中電流經過幾個串聯晶閘管的管壓

7、降；為電網電壓波動系數，通常取，供電質量較差，電壓波動較大的情況應取較小值；為變壓器的短路電壓百分比，100千伏安以下的變壓器取，1001000千伏安的變壓器取；- 負載電流最大值；所以,表示允許過載倍數。也可以用下述簡化公式計算=（1.0-1.2）或 =（1.2-1.5）其中，系數（1.0-1.2）和（1.2-1.5）為考慮各種因素的安全系數，為整流輸出電壓。對于本設計：為了保證電動機負載能在額定轉速下運轉,計算所得應有一定的裕量,根據經驗所知,公式中的控制角應取300為宜。，,，（其中A、B、C可以查表3-1中三相全控橋），=1.7表3-1 變流變壓器的計算系數把已知條件代入式（3-1）可

8、得結果： =V 根據主電路的不同接線方式，有表3-1查的，即可得二次側電流的有效值，從而求出變壓器二次側容量。而一次相電流有效值/，所以一次側容量 。一次相電壓有效值取決于電網電壓，所以變流變壓器的平均容量為 對于本設計 , = ， =A設計時留取一定的裕量，可以取容量為的整流變壓器。3.2.2. 整流元件晶閘管的選型 取 。晶閘管額定電流的有效值大于流過元件實際電流的最大有效值。一般取按此原則所得計算結果的1.52倍。 已知 可得晶閘管的額定電流計算結果 ： 取300A 本設計選用晶閘管的型號為KP（3CT）-300A （ 螺栓型）額定電壓： VDRM 2000V 額定電流： IT(AV)

9、300A門極觸發電壓：VGT 30 V 門極觸發電流：IGT 400 A 3.2.3. 電抗器的設計（1）交流側電抗器的選擇 為限制短路電流，所以在線路中應接入一個空心的電抗器，稱為進線電抗器。 （2）直流側電抗器的選擇 直流側電抗器的主要作用為限制直流電流脈動；輕載或空載時維持電流連續；在有環流可逆系統中限制環流；限制直流側短路電流上升率。 限制輸出電流脈動的電感量 的計算 式（3-2）式中，-電流脈動系數，取，本設計取10%。 -輸出電流的基波頻率，單位為，對于三相全控橋 輸出電流保持連續的臨界電感量的計算： L 式（3-3）式中，為要求連續的最小負載的平均值，本設計中；為變流裝置交流側相

10、電壓有效值。代入已知參數，可求的 =4.25mH =20.33mH和包括了電動機電樞電感量和折算到變流變壓器二次側的每相繞組漏電感，所以應扣除和，才是實際的限制電流脈動的電感和維持電流連續的實際臨界電感。 式（3-4） = 式（3-5）式中， K-計算系數，對于一般無補償繞組電動機K=812，對于快速無補償繞組電動機K=68，對于有補償繞組電動機K=56，其余系數均為電動機額定值，這里K取10。n-極對數，取n=2。%-變壓器短路比，一般取為； -為計算系數，三相全控橋。即 = =實際要接入的平波電抗器電感 電樞回路總電感 可取20mH（1） 過電壓保護圖3-5 二次側過電壓壓敏電阻保護壓敏電

11、阻額定電壓的選擇可按下式計算： 壓敏電阻承受的額定電壓峰值 式（3-6）式中 -壓敏電阻的額定電壓， VYJ型壓敏電阻的額定電壓有：100V、200V、440、760V、1000V等；為電網電壓升高系數，可取。壓敏電阻承受的額定電壓峰值就是晶閘管控制角=300時輸出電壓。由此可將式（3-6）轉化成 可得壓敏電阻額定電壓 所以壓敏電阻額定電壓取850V型壓敏電阻。（2）過電流保護在本設計中，選用快速熔斷器與電流互感器配合進行三相交流電路的一次側過電流保護，保護原理圖3-6如下：圖3-6 一次側過電流保護電路（1）熔斷器額定電壓選擇：其額定電壓應大于或等于線路的工作電壓。本設計中變壓器的一次側的線

12、電壓為760V，熔斷器額定電壓可選擇800V。（2）熔斷器額定電流選擇：其額定電流應大于或等于電路的工作電流。本設計中變壓器的一次側的電流 =熔斷器額定電流 232A因此，如圖3-4在三相交流電路變壓器的一次側的每一相上串上一個熔斷器，按本課題的設計要求熔斷器的額定電壓可選400V，額定電流選232A。3.3晶閘管的觸發電路觸發脈沖的放大和輸出環節中，晶閘管觸發電路應滿足下列要求： （1）觸發脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通，三相全控橋式電路應采用寬于60°或采用相隔60°的雙窄脈沖。 （2）觸發脈沖應有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應增大為器件最大觸發電流35倍

13、，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達12Aus。 （3）所提供的觸發脈沖應不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極的伏安特性的可靠觸發區域之內。 （4）應有良好的抗干擾性能、溫度穩定性及與主電路的電氣隔離。理想的觸發脈沖電流波形如圖。 圖3-7 理想的晶閘管觸發脈沖電流波形-脈沖前沿上升時間（）-強脈沖寬度 -強脈沖幅值（）-脈沖寬度 -脈沖平頂幅值（）3.4雙閉環調速系統的組成和設計圖3-9帶截止負反饋 由3-9圖啟動電流的變化特性可知，在電機啟動時, 啟動電流很快加大到允許過載能力值, 并且保持不變, 在這個條件下, 轉速得到線性增長, 當開到需要的大小時, 電機的電流急劇下降到克服

14、負載所需的電流值,對應這種要求可控硅整流器的電壓在啟動一開始時應為, 隨著轉速的上升, 也上升, 達到穩轉速時, 。這就要求在啟動過程中把電動機的電流當作被調節量, 使之維持 在電機允許的最大值, 并保持不變。這就要求一個電流調節饋系統啟動電流波形器來完成這個任務。帶有速度調節器和電流調節器的雙閉環調速系統便是在這種要求下產生的。 圖3-10轉速、電流雙閉環直流調速系統原理框圖（注: ASR轉速調節器 ACR電流調節器 TG直流測速發電機 TA電流互感器 UPE電力電子裝置 Un*轉速給定電壓 Un轉速反饋電壓 Ui*電流給定電壓 Ui 電流反饋電壓） 3.4.1電流調節器的設計1.時間常數的

15、確定(1)整流裝置滯后時間常數，即三相橋式電路的平均失控時間 Ts=0.0017s。(2)電流濾波時間常數。=0.01s。(3)電流環小時間常數之和。按小時間常數近似處理，取(4)電磁時間常數的確定。 由題意知 2. 選擇電流調節器的結構根據設計要求，并保證穩態電流無靜差，可按典型I型系統設計電流調節器。電流環控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型調節器，其傳遞函數為 （3-7）式中 -電流調節器的比例系數；-電流調節器的超前時間常數。檢查對電源電壓的抗擾性能：，參照表的典型I型系統動態抗擾性能，各項指標都是可以接受的，因此基本確定電流調節器按典型I型系統設計。3. 計算電流調節器的參數電流調節

16、器超前時間常數： =0.0734，電流開環增益：要求時，取， 所以于是，ACR的比例系數為 =0.3式中，為電流反饋系數其值為；晶閘管裝置放大系數Ks=41.5。4. 校驗近似條件電流環截止頻率：1)晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件 滿足近似條件2）忽略反電動勢變化對電流環動態影響的條件 滿足近似條件3）電流環小時間常數近似處理條件 滿足近似條件5. 計算調節器電阻和電容由圖3-11，按所用運算放大器取R0=40k，各電阻和電容值為圖3-11 含濾波環節的PI型電流調節器照上述參數，電流環可以達到的動態跟隨性能指標滿足設計要求。3.4.2轉速調節器的設計1. 確定時間常數（1）電流環等效時間常

17、數1/KI。由前述已知，則 （2）轉速濾波時間常數，根據所用測速發電機紋波情況，取.（3）轉速環小時間常數。按小時間常數近似處理，取s2. 選擇轉速調節器結構按照設計要求，選用PI調節器，其傳遞函數式為 3. 計算轉速調節器參數按跟隨和抗擾性能都較好的原則，先取h=5，則ASR的超前時間常數為 則轉速環開環增益可得ASR的比例系數為式中 電動勢常數 轉速反饋系數 4.檢驗近似條件轉速截止頻率為 （1）電流環傳遞函數簡化條件為滿足簡化條件 （2）轉速環小時間常數近似處理條件為 滿足近似條件 5計算調節器電阻和電容根據圖3-12所示，取，則 取 圖3-12 含濾波環節的PI型轉速調節器 取 取 6

18、.校核轉速超調量當h=5時，查表3-4典型型系統階躍輸入跟隨性能指標得，不能滿足設計要求。實際上，由于表3-4是按線性系統計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調量。 設理想空載起動時，負載系數，已知，,， 。當時，由表3-5查得，而調速系統開環機械特性的額定穩態速降 式中 電機中總電阻 調速系統開環機械特性的額定穩態速降 為基準值，對應為額定轉速計算得 能滿足設計要求7. 校核動態最大速降 設計指標要求動態最大速降。在實際系統中，可定義為相對于額定轉速時的動態速降。由， ；查表可知，=81.2%，所以 ； 能滿足設計要求8. 轉速超調的抑制若退飽