1、控制系統課程設計說明書設計題目：不可逆V-M雙閉環(huán)直流調速系統（第十二題） 學生姓名： 學 號： 專業(yè)班級： 學 院： 電氣工程學院 指導教師： 2013年12月13日河北聯合大學控制系統課程設計任務書學生姓名張桂平班級10電3設計題目題目十二：不可逆V-M雙閉環(huán)直流調速系統設計說明書評定成績答辯成績設計總成績設計要求一 性能指標要求：穩(wěn)態(tài)指標：系統無靜差動態(tài)指標：；空載起動到額定轉速時。二 給定電機及系統參數，主回路總電阻系統飛輪慣量系統最大給定電壓ACR、ASR調節(jié)器限幅值調到為，三 設計步驟及說明書要求1 畫出雙閉環(huán)系統結構圖，并簡要說明工作原理。2 根據給定電機參數，設計整流變壓器，并

2、選擇變壓器容量；選擇晶閘管的參數并確定過流、過壓保護元件參數。3 分析觸發(fā)電路及同步相位選擇。4 設計ACR、ASR并滿足給定性能指標。5 完成說明書，對構成系統的各環(huán)節(jié)分析時，應先畫出本環(huán)節(jié)原理圖，對照分析。6打印說明書（A4），打印電氣原理圖（A4）。注：設計總成績=說明書評定成績（60%）+答辯成績（40%）目 錄控制系統課程設計說明書1設計題目：不可逆V-M雙閉環(huán)直流調速系統（第十二題）1學生姓名：張桂平1學 號：20101304030212013年12月13日1第一部分：摘要3第二部分：設計主體4第一章、調速的方案選擇41.1直流電動機的調速方法有三種：41.2系統的結構選擇：51.

3、3確定直流調速系統的總體結構框圖如下圖1-3：7第二章、主電路的計算72.1整流變壓器計算72.2晶閘管元件的選擇82.3晶閘管保護環(huán)節(jié)的計算92.4平波電抗器計算12第三章、觸發(fā)電路的選擇與校驗13第四章、控制電路設計計算144.1給定電源和給定環(huán)節(jié)的設計144.2轉速檢測環(huán)節(jié)和電流檢測環(huán)節(jié)的設計與計算154.3調速系統的穩(wěn)態(tài)參數計算16第五章、雙閉環(huán)直流調速系統的動態(tài)設計165.1電流調節(jié)器的設計時間常數的確定165.2轉速調節(jié)器的設計185.3校核轉速超調量:19第三部分：結論20第四部分：參考文獻21第五部分：附圖21第一部分：摘要直流調速系統，特別是雙閉環(huán)直流調速系統是工業(yè)生產過程中

4、應用最廣的電氣傳動裝置之一，廣泛地應用于軋鋼機、冶金、金屬切削機床等許多領域的自動控制系統中1。許多生產機械要求在一定的范圍內進行速度的平滑調節(jié)，并且要求具有良好的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能。而直流調速系統調速范圍廣、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動態(tài)性能，在高性能的拖動技術領域中，相當長時期內幾乎都采用直流電力拖動系統。雙閉環(huán)直流調速系統是直流調速控制系統中發(fā)展得最為成熟2，應用非常廣泛的電力傳動系統。它具有動態(tài)響應快、抗干擾能力強等優(yōu)點。隨著社會化大生產的不斷發(fā)展，電力傳動裝置在現代化工業(yè)生產中的得到廣泛應用，對其生產工藝產品質量的要求不斷提高，這就需要越來越多的生產機械能夠實現制動調速，因此我們就

5、要對這樣的自動調速系統作一些深入的了解和研究。它通常采用三相全控橋式整流電路對電動機進行供電，從而控制電動機的轉速3。本文的目的在于對雙閉環(huán)V-M 不可逆直流調速系統的設計，包括ACR 和ASR，以及對雙閉環(huán)調速系統動態(tài)抗擾性能分析。第二部分：設計主體第一章、調速的方案選擇1.1直流電動機的調速方法有三種：直流電動機的穩(wěn)態(tài)轉速可表示為：  （1）調節(jié)電樞供電電壓U。改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動機額定轉速向下變速，屬恒轉矩調速方法。對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統來說，這種方法最好。變化遇到的時間常數較小，能快速響應，但是需要大容量可調直流電源。 

6、; （2）改變電動機主磁通。改變磁通可以實現無級平滑調速，但只能減弱磁通進行調速（簡稱弱磁調速），從電機額定轉速向上調速，屬恒功率調速方法。變化時間遇到的時間常數同變化遇到的相比要大得多，響應速度較慢，但所需電源容量小。  （3）改變電樞回路電阻R。在電動機電樞回路外串電阻進行調速的方法，設備簡單，操作方便。但是只能進行有級調速，調速平滑性差，機械特性較軟；空載時幾乎沒什么調速作用；還會在調速電阻上消耗大量電能。  改變電阻調速缺點很多，目前很少采用，僅在有些起重機、卷揚機及電車等調速性能要求不高或低速運轉時間不長的傳動系統中采用。弱磁調速范圍不大，往往是和調壓調

7、速配合使用，在額定轉速以上作小范圍的升速。對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統來說，以調節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。因此，自動控制的直流調速系統往往以調壓調速為主速。1.2系統的結構選擇：同開環(huán)控制系統相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點。在反饋控制系統中，不管出于什么原因（外部擾動或系統內部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產生相應的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，并能改善系統的響應特性。由于閉環(huán)系統的這些優(yōu)點因此選用閉環(huán)系統。單閉環(huán)速度反饋調速系統，采用PI控制器時，可以保證系統穩(wěn)態(tài)速度誤差為零。但是如果對系統的動態(tài)性能要求較高，如果要求快速起制動，突加負

8、載動態(tài)速降小等，單閉環(huán)系統就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統中不能完全按照要求來控制動態(tài)過程的電流或轉矩。另外，單閉環(huán)調速系統的動態(tài)抗干擾性較差，當電網電壓波動時，必須待轉速發(fā)生變化后，調節(jié)作用才能產生，因此動態(tài)誤差較大。在要求較高的調速系統中，一般有兩個基本要求：一是能夠快速啟動制動；二是能夠快速克服負載、電網等干擾。通過分析發(fā)現，如果要求快速起動，必須使直流電動機在起動過程中輸出最大的恒定允許電磁轉矩，即最大的恒定允許電樞電流，當電樞電流保持最大允許值時，電動機以恒加速度升速至給定轉速，然后電樞電流立即降至負載電流值。如果要求快速克服電網的干擾，必須對電樞電流進行調節(jié)。以上兩點都涉及

9、電樞電流的控制，所以自然考慮到將電樞電流也作為被控量，組成轉速、電流雙閉環(huán)調速系統。圖1-1 V-M系統原理圖（1）V-M系統的結構：圖1-1繪出了晶閘管整流器-電動機調速系統（簡稱V-M系統）的原理圖，圖中VT是晶閘管整流器，通過調節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來移動觸發(fā)脈沖的相位，改變可控整流器平均輸出直流電壓Ud，從而實現直流電動機的平滑調速。晶閘管可控整流器的功率放大倍數在10000以上，門極電流可以直接用電子控制；響應時間是毫秒級，具有快速的控制作用；運行損耗小，效率高；這些優(yōu)點使V-M系統獲得了優(yōu)越的性能。（2）整流電路：由于要求直流電壓脈動較小，故采用三相全控橋式整流電路。考慮使電

10、路簡單、經濟且滿足性能要求，選擇晶閘管三相全控橋整流器供電方案。因三相橋式全控整流電壓的脈動頻率比三相半波高，因而所需的平波電抗器的電感量可相應減少約一半，這是三相整流電路的一大優(yōu)點。并且晶閘管可控整流裝置無噪聲、無磨損、響應快、體積小、重量輕、投資省，工作可靠，能耗小，效率高。同時，由于電機的容量較大，又要求電流的脈動小。綜上所述，選晶閘管三相全控橋整流電路供電方案。圖1-2 三相全控橋式整流電路1.3確定直流調速系統的總體結構框圖如下圖1-3：圖1-3 雙閉環(huán)直流調速系統原理圖第二章、主電路的計算2.1整流變壓器計算2.1.1電壓的計算：由于整流輸出電壓的波形在一周期內脈動6次的波形相同，

11、因此在計算時只需對一個脈沖進行計算。由此得整流輸出平均電壓: （） （2-1）顯然，如果忽略晶閘管和電抗器的壓降，則可以求得變壓器副邊輸出電壓:=113.5V (通常取導通角為) （2-2）取=120V 變壓比 （2-3） 2.1.2 一次、二次側相電流I1、I2的計算：輸出電流的平均值： （2-4） 由表查得KI1=0.816，KI2=0.816原邊輸出有效電流: （2-5） 副邊輸出有效電流: （2-6） 2.1.3 變壓器容量S的計算： （2-7） （2-8）以上9個式子出自： 宋銀賓電機拖動基礎第六章第四節(jié) （2-9）式中m1、m2一次、二次側繞組的相數；所以考慮到晶閘管和電抗器的壓降

12、，變壓器本身的漏磁，并根據變壓器應留有一定裕量的原則，選擇參數為額定容量為200KVA。2.2晶閘管元件的選擇2.2.1晶閘管的額定電壓計算： 通常取晶閘管的斷態(tài)重復峰值電壓和反向重復峰值電壓中較小的標值作為該器件的額定電壓。選用時，額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓為正常工作電壓時晶閘管所承受峰值電壓的2-3倍。本設計中峰值電壓294V,故晶閘管電壓定額,取其電壓定額=750V。2.2.2晶閘管的額定電流計算 晶閘管的電流定額主要由其通態(tài)平均電流來標稱，規(guī)定為晶閘管在環(huán)境為和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結溫不超過額定結溫是允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。因此在使用時同樣應按照實際波形的

13、電流與通態(tài)平均電流所造成的發(fā)熱效應相等，即有效值相等的原則來選取晶閘管的電流定額，并留有一定裕量。一般取其通態(tài)平均電流為此原則所得計算結果的1.5-2倍。可按下式計算： （2-10）式中計算系數=/1.57由整流電路型式而定，為波形系數，為共陰極或共陽極電路的支路數。當時，三相全控橋電路=0.368,故晶閘管額定電流: 上述式子出自：李宏 現代電力電子技術 3.4.3取其電流定額為400A。2.3晶閘管保護環(huán)節(jié)的計算晶閘管具有許多優(yōu)點，但它屬于半導體器件，因此具有半導體器件共有的弱點，承受過電壓和過電流的能力差，很短時間的過電壓和過電流就會造成元件的損壞。為了使晶閘管裝置能長期可靠運行，除了合

14、理選擇元件外，還須針對元件工作的條件設置恰當的保護措施。晶閘管主要需要四種保護：過電壓保護和du/dt限制，過電流保護和di/dt限制。圖2-1 整流電路及晶閘管保護電路 2.3.1 過電壓保護和du/dt限制凡是超過晶閘管正常工作是承受的最大峰值電壓的都算過電壓。產生過壓的原因是電路中電感元件聚集的能量驟然釋放或是外界侵入電路的大量電荷累積。按過壓保護的部位來分，有交流側保護，直流側保護和元件保護。元件保護主要是通過阻容吸收電路。阻容吸收電路的參數計算式根據變壓器鐵芯磁場釋放出來的能量轉化為電容器電場的能量存儲起來為依據的。由于電容兩端的電壓不能突變，所以可以有效的抑制尖峰過電壓。串阻的目的

15、是為了在能量轉化過程中能消耗一部分能量，并且抑制LC回路的振蕩。2.3.2 過電流保護和di/dt限制由于晶閘管的熱容量很小，一旦發(fā)生過電流時，溫度就會急劇上升可能燒壞PN結，造成元件內部短路或開路。晶閘管發(fā)生過電流的原因主要有：負載端過載或短路；某個晶閘管被擊穿短路，造成其他元件的過電流；觸發(fā)電路工作不正常或受干擾，使晶閘管誤觸發(fā)，引起過電流。晶閘管允許在短時間內承受一定的過電流，所以過電流保護作用就在于當過電流發(fā)生時，在允許的時間內將過電流切斷，以防止元件損壞。晶閘管過電流的保護措施有下列幾種：（1）快速熔斷器 普通熔斷絲由于熔斷時間長，用來保護晶閘管很可能在晶閘管燒壞之后熔斷器還沒有熔斷

16、，這樣就起不了保護作用。因此必須采用專用于保護晶閘管的快速熔斷器。快速熔斷器用的是銀質熔絲，在同樣的過電流倍數下，它可以在晶閘管損壞之前熔斷，這是晶閘管過電流保護的主要措施。（2）硒堆保護 硒堆是一種非線性電阻元件，具有較陡的反向特性。當硒堆上電壓超過某一數值后，它的電阻迅速減小，而且可以通過較大的電流，把過電壓的能量消耗在非線性電阻上，而硒堆并不損壞。硒堆可以單獨使用，也可以和阻容元件并聯使用。2.3.4晶閘管串連的快速熔斷器的選擇選擇快熔時應考慮：1)電壓等級根據熔斷后快熔實際承受的電壓確定。2)電流容量按其在主電路中的接入方式和主電路聯結形式確定。3)快熔的I2t值應小于被保護器件的允許

17、I2t值。4)為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應考慮其時間-電流特性。此次設計采用快熔作為短路過電流保護的裝置，如下圖所示：圖2-2 短路過電流保護熔斷器的參數按照以下原則選取：額定電壓URN： ,為可控硅元件的電壓計算系數，取 =2.45額定電流：IRNKiKaIRA,電流裕度系數，取=1.11.5，環(huán)境溫度系數，取=11.2，實際流過快熔的電流有效值。因U2=120V， 取URN=220V， 取=600A。 根據算出的額定參數可選擇相應的快熔。（2）過電流繼電器的選擇對于頻繁操作的電動機，通常用電磁式過流繼電器做短路保護。如何選擇繼電器：1.根據電流種類，選擇繼電器形式。2.繼電器額定電

18、流大于或等于電動機的額定電流。3.繼電器動作電流的整定值Id=1.11.3Ig，式中為電動機起動電流的最大值:本系統采用快速熔斷器對可控硅進行過流保護，整流電路及晶閘管保護電路如圖2-1所示。2.4平波電抗器計算在V-M系統中，脈動電流會增加電機的發(fā)熱，同時也產生脈動轉矩，對生產機械不利，為了避免或減輕這種影響，須設置平波電抗器。平波電抗器的電感量一般按低速輕載時保證電流連續(xù)的條件來選擇。通常首先給定最小電流(以A為單位通常取電動機額定電流的5%-10%)，再利用它計算所需的總電感量（以為單位），減去電樞電感，即得平波電抗器應有的電感值。2.4.1電流連續(xù)的臨界電感量L1的計算平波電抗器的臨界

19、電感量L1（單位mH）可由下式計算 （2-11）式中K1為與整流電路形式有關的系數，可由表查得K1=0.693，由技術要求知Idmin=5%Id，所以 2.4.2限制輸出電流脈動的臨界電感量L2的計算由于晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動的，因此輸出電流波形也是脈動的。該脈動電流可以看成一個恒定直流分量和一個交流分量組成。通常伏在需要的只是直流分量，對電動機負載來說，過大的交流分量會使電動機換向惡化和鐵耗增加，引起過熱。因此，應在直流側傳入平波電抗器，用來限制輸出電流的脈動量。平波電抗器的臨界電感量L2（單位mH）可由下式計算 （2-12）式中K2為與整流電路形式有關的系數，Si為電流最大允許脈動

20、系數，通常三相電路。根據本電路形式查表可得K2=1.045，所以2.4.3電動機電感量LD的計算電動機電感量LD（單位mH）可按下式計算 （2-13）式中Ud 、Ld、n直流電動機額定電壓、額定電流和額定轉速；P電動機磁極對數；計算系數，對一般無補償電機取=812。所以 （取P=2,=10）2.4.4實際串入平波電抗器的電感量L的計算由于變壓器的漏電感很小，可以忽略不計，那么串入平波電抗器的電感量為： 取其電感值為3mH.第三章、觸發(fā)電路的選擇與校驗觸發(fā)電路可選擇鋸齒波同步觸發(fā)電路，也可選擇KC系列集成觸發(fā)電路。此系統選擇集成觸發(fā)電路，其優(yōu)點是體積小，功耗低，調試方便，性能穩(wěn)定可靠。其缺點是移

21、相范圍小于180°，為保證觸發(fā)脈沖對稱度，要求交流電網波形畸變率小于5%。適用范圍：廣泛應用于各種晶閘管裝置中。 選用集成電路MC787組成的三相觸發(fā)電路，該集成塊由同步過零、鋸齒波形成電路、比較電路、抗干擾鎖定電路、調制脈沖發(fā)生器、脈沖形成電路、脈沖分配及驅動電路組成。圖3-1的三相觸發(fā)電路原理接線圖，可作為觸發(fā)三相全控橋或三相交流調壓晶閘管電路。其中三相電壓的零線和電源共地，同步電壓經RC組成的T形網絡濾波分壓，并產生30°相移，經電容耦合電路取得同步信號，電路輸出端采用等值電阻進行1/2分壓，以保證對稱。輸出端由大功率管驅動，可配接脈沖變壓器觸發(fā)晶閘管。 圖3-1 M

22、C787組成的三相觸發(fā)電路原理接線圖第四章、控制電路設計計算4.1給定電源和給定環(huán)節(jié)的設計在閉環(huán)調速系統中，轉速總是緊緊地跟隨給定量而變化。給定電源的質量在保證系統正常工作中是十分重要的，因此高精度的調速系統必績要有更高精度的給定穩(wěn)壓電源作保證。所以，設計系統控制方案、擬定控制電路時，必須十分注意對穩(wěn)壓電源的設計與選擇。由三端集成穩(wěn)壓器件所組成的穩(wěn)壓電源，線路簡單、性能穩(wěn)定、工作可靠、調整方便，已逐漸取代分立元件，在生產實際中應用越來越廣泛。系統中應盡量采用這種集成穩(wěn)壓源，以保證系統的可靠工作為防止大幅度電網電壓波動給穩(wěn)壓電源工作帶來的困難，目前已普遍采用恒壓變壓器作為穩(wěn)壓電源的電源變壓器。這

23、些在設計時都需引起注意。 電動勢常數： 轉速反饋系數： 電流反饋系數：4.2轉速檢測環(huán)節(jié)和電流檢測環(huán)節(jié)的設計與計算4.2.1速度調節(jié)器由二極管電位器組成正負限幅可調的限幅電路，由電阻電容組成反饋微分校正網絡，有助于抑制振蕩，減少超調。如圖4-1所示。 。圖4-1速度調節(jié)器4.2.2電流調節(jié)器的作用:（1）跟隨作用作為內環(huán)的調節(jié)器，在外環(huán)轉速的調節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調節(jié)器的輸出量）變化。 （2）抗擾作用對電網電壓的波動起及時抗擾的作用。 （3）加快動態(tài)過程在轉速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。（4）過流自動保護作用當電機過載甚至堵轉時，限

24、制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統立即自動恢復正常。這個作用對系統的可靠運行來說是十分重要的。4-2 電流調節(jié)器4.3調速系統的穩(wěn)態(tài)參數計算在雙閉環(huán)調速系統在穩(wěn)態(tài)工作中，在達到穩(wěn)態(tài)時，各變量之間有下列關系： （2-1） （2-2） （2-3）第五章、雙閉環(huán)直流調速系統的動態(tài)設計5.1電流調節(jié)器的設計時間常數的確定5.1.1 時間常數的確定（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。三相橋式電路的每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應有（1 -2）=3.3ms，因此取=2ms=0.002s。（3）

25、電流環(huán)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：由前述已求出電樞回路總電感： 則電磁時間常數: （5）機電時間常數：5.1.2 選擇電流調節(jié)器的結構根據設計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型I型系統設計電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型調節(jié)器，其傳遞函數為 （5-1）式中 -電流調節(jié)器的比例系數；-電流調節(jié)器的超前時間常數。檢查對電源電壓的抗擾性能：，參照表5-1的典型I型系統動態(tài)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(jié)器按典型I型系統設計。 表5-1 典型I型系統動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數的關系參數關系KT0.250.390

26、.50.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時間6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時間8.3T6.2T4.7T3.6T相角穩(wěn)定裕度截止頻率0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T5.1.3 計算電流調節(jié)器的參數電流調節(jié)器超前時間常數： =0.0057s，電流開環(huán)增益：要求時，取， 所以：于是，ACR的比例系數為：=0.64式中取晶閘管裝置放大系數Ks=35。5.1.4 校驗近似條件電流環(huán)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(huán)動態(tài)影響的條件： ，滿足

27、近似條件3）電流環(huán)小時間常數近似處理條件圖5-3 含濾波環(huán)節(jié)的PI型電流調節(jié)器 , 滿足近似條件5.1.5 計算調節(jié)器電阻和電容:由圖5-3，按所用運算放大器取R0=40k，各電阻和電容值為:照上述參數，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為，滿足設計要求。5.2轉速調節(jié)器的設計5.2.1 確定時間常數（1）電流環(huán)等效時間常數1/KI。由前述已知，則 （2）轉速濾波時間常數，根據所用測速發(fā)電機紋波情況，取.（3）轉速環(huán)小時間常數。按小時間常數近似處理，取 5.2.2 選擇轉速調節(jié)器結構按照設計要求，選用PI調節(jié)器，其傳遞函數式為 5.2.3 計算轉速調節(jié)器參數按跟隨和抗擾性能都較好的原則，先取h=

28、5，則ASR的超前時間常數為 則轉速環(huán)開環(huán)增益 K可得ASR的比例系數為5.2.4檢驗近似條件轉速截止頻率為: （1）電流環(huán)傳遞函數簡化條件為 , 滿足簡化條件 （2）轉速環(huán)小時間常數近似處理條件為 ,滿足近似條件 5.2.5計算調節(jié)器電阻和電容:根據圖5-4 所示，取，則 ， 取 圖5-4 含濾波環(huán)節(jié)的PI型轉速調節(jié)器 ， 取 ， 取 5.3校核轉速超調量:當h=5時，查表5-2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5-2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。 表5-2 典型II型系統階躍輸入跟隨性能指標h34567891052.60%43.60%37.60%33.20%29.80%27.20%25.00%23.30%2.42.652.8533.13.23.33.3512.1511.659.5510.4511.312.2513.2514.2k32211111表5-3 典型II型系統動態(tài)抗擾性能指標與參數的關系h34567891072.20%77.50%81.20%84.00%86.30%88.1