自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計報告

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：錯位控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計院 系：班 級：設(shè)計者：學 號：同組人：指導教師：設(shè)計時間：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生指導教師題目自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計錯位控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計時間設(shè)計目的：1. 了解并熟悉錯位控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。2. 熟悉錯位控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)中各單元環(huán)節(jié)的工作原理，特性和作用。3. 了解錯位控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的靜特性和動態(tài)特性。4. 了解錯位控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)缺點。設(shè)計內(nèi)容：1. 系統(tǒng)方案的選擇。2. 系統(tǒng)方案的實體設(shè)計，包括各種功能電路或部件的

2、設(shè)計與選擇參數(shù)計算。設(shè)計要求3. 系統(tǒng)各主要保護環(huán)節(jié)的設(shè)計。4. 系統(tǒng)的動態(tài)工程設(shè)計，包括轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)選擇。5. 詳細分析錯位控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計過程。指導教師簽字:系（教研室）主任簽字:年 月曰目錄錯位控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的原理 可逆調(diào)速系統(tǒng)的原理 環(huán)流的介紹 1、環(huán)流的定義 2、 環(huán)流的分類 錯位控制無環(huán)流系統(tǒng) 1、靜態(tài)環(huán)流的錯位消除原理 2、錯位控制無環(huán)流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 3、錯位控制無環(huán)流系統(tǒng)的優(yōu)缺點 系統(tǒng)的設(shè)計 1、2、3、.-.4.-. .-.4.-. .-.4.-. .-.4.-. .-.5.-. -.5.-. .-.5.-. .-.5.-. .-.6.

3、-. -.6.-.4、過電流保護過電壓保護緩沖電路 . 檢測環(huán)節(jié) 1、 轉(zhuǎn)速檢測 .1、2、3、.-.9.-. .-.9.-. .-.9.- .-.1.0.-. .-.1.0.-1、主電路的設(shè)計及參數(shù)選擇 -.6.-.1、變壓器的選擇 -.6.-.2、晶閘管的選擇 -.7.-.3、電抗的選擇 -.7.-.2、同步變壓器及觸發(fā)器的設(shè)計 -.7.-.1、觸發(fā)電路的設(shè)計 -.7.-.2、同步變壓器的設(shè)計 -.8.-.-.9.-.3、保護電路的設(shè)計2、電流檢測 -.1.0.-.3、電壓檢測 -.1.0.-5、 控制電路的設(shè)計 -.1.1.-.1、 AVR 電壓內(nèi)環(huán)的設(shè)計 -.1.1.-.2、 ACR

4、電流環(huán)的設(shè)計 -.1.2.-.3、 ASR 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計 -.1.3.-.4、 AVR、ACR 和 ASR 的限幅設(shè)計 5、 AR反相器的設(shè)計.-.1.5.-.-.1.5.-.三、 設(shè)計小結(jié)四、 參考文獻、錯位控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的原理1、可逆調(diào)速系統(tǒng)的原理圖1兩組晶閘管裝置發(fā)并聯(lián)線路較大功率的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)多采用晶閘管一電動機系統(tǒng)。由于晶閘管的單向?qū)щ?性，需要可逆運行時經(jīng)常需要采用倆組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路，如圖1,電動機正轉(zhuǎn)時，由正組晶閘管 VF供電；反轉(zhuǎn)時，由反組晶閘管 VR供電。兩組晶閘管 分別由兩組觸發(fā)裝置進行控制，都能靈活的控制電機的起動、制動和升速、降速。但在

5、一般情況下不允許讓兩組晶閘管同時處于整流狀態(tài)，否則將造成電源短路。在可逆調(diào)速系統(tǒng)中，正轉(zhuǎn)運行時可利用反組晶閘管實現(xiàn)回饋制動，反轉(zhuǎn)時同樣可利 用正組晶閘管實現(xiàn)回饋制動，總結(jié)起來，可將可逆線路的正反轉(zhuǎn)時的晶閘管和電機狀態(tài) 總結(jié)為表1。V-M系鎖鈞工作狀態(tài)正向運斤正向制進反向運行反向制動電樞端電壓糅性亠+電帆電臓性+電札離轉(zhuǎn)方向+十電桁運行伏態(tài)電動圈饋發(fā)電電動畫饋發(fā)電晶閘管工作的組別和正組型盜反俎逆變反組整濟正俎逆變機林特性所在象限二三四表1 V-M系統(tǒng)反并聯(lián)可逆線路的工作狀態(tài)2、環(huán)流的介紹1、環(huán)流的定義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

6、接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱作環(huán)流。如圖2 中的lh。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)流太大時會導致晶閘管損壞，因此應(yīng)該予以抑制或消除。-4圖2反并聯(lián)可逆VM系統(tǒng)中的環(huán)流（lh 環(huán)流Id 負載電流）2、環(huán)流的分類（1） 靜態(tài)環(huán)流：兩組可逆線路在一定控制角下穩(wěn)定工作時出現(xiàn)的環(huán)流，其中又有兩 類：直流平均環(huán)流-由晶閘管裝置輸出的直流平均電壓所產(chǎn)生的環(huán)流稱作直流平均環(huán)流 瞬時脈動環(huán)流-兩組晶閘管輸出的直流平均電壓差為零，但因電壓波形不同，瞬時 電壓差仍會產(chǎn)生脈動的環(huán)流，稱作瞬時脈動環(huán)流。（2）動態(tài)環(huán)流：僅在可逆 V-M系統(tǒng)處于過渡過程中出現(xiàn)的環(huán)流。

7、3、錯位控制無環(huán)流系統(tǒng)1、靜態(tài)環(huán)流的錯位消除原理采用配合控制的原理，當一組晶閘管裝置整流時，讓另一組處于待逆變狀態(tài)，而且 兩組觸發(fā)脈沖的零位錯開的比較遠，避免了瞬時脈動環(huán)流產(chǎn)生的可能性，這就是錯位控 制無環(huán)流可逆系統(tǒng)。具體地說，在a = B配合控制的有換流可逆調(diào)速系統(tǒng)中，兩組觸發(fā)脈 沖的配合關(guān)系是 胡8 : Uc =時的初始相位整定在f=90 一，從而消除了直流平均環(huán)流，但仍存在瞬時脈動環(huán)流。在錯位控制的無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)中，同樣 采用配合控制的觸發(fā)移相方法，但兩組脈沖的關(guān)系是f *=30，甚至是360150 或180 :f r 360，也就是說初始相位整定在f0 r0 150或180。這樣，

8、當待逆變組的觸發(fā)脈沖到來時，它的晶閘管已經(jīng)完全處于反向阻斷狀態(tài)，不可能導通，當然就不會產(chǎn) 生靜態(tài)環(huán)流了。2、錯位控制無環(huán)流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主電路采用兩組三相橋式晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路，控制電路采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，其中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR控制轉(zhuǎn)速，設(shè)置雙向輸出限幅電路，以限制最 大起制動電流；電流調(diào)節(jié)器ACR控制電流，設(shè)置雙向輸出限幅電路，以限制最小控 制角amin與最小逆變角Bmin。根據(jù)可逆系統(tǒng)正反向運行需要，給定電壓、轉(zhuǎn)速反饋 電壓、電流反饋電壓都應(yīng)該能夠反映正和負極性，電流反饋應(yīng)能否反映極性，因此電流互感器需采用直流電流互感器或霍爾變換器。在錯位無環(huán)流系統(tǒng)中增設(shè)了電壓 內(nèi)環(huán)。電壓內(nèi)環(huán)的

9、作用：1）縮小反向時的電壓死區(qū)，加快系統(tǒng)的切換過程。2）抑制電流斷續(xù)等非線性因素的影響，提高系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能。3）防止動態(tài)環(huán)流，保證電流安全換向。圖3錯位控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，ACR電流調(diào)節(jié)器，AVR 電壓調(diào)節(jié)器，TG 測速發(fā)電機， TA 電流互感器，AR反相器，GTF 正組晶閘管脈沖移相觸發(fā)裝置， GTR反組晶閘管脈沖移相觸發(fā)裝置，VF正組晶閘管，VR反組晶閘管，Ltf 平波電抗器，Un* 轉(zhuǎn)速給定電壓，Un 轉(zhuǎn)速反饋電壓，Ui* 電流給定電壓，Ui 電流反饋電壓，Uu 端電壓給定電壓，Uu 端電壓反饋電壓3、錯位控制無環(huán)流系統(tǒng)的優(yōu)缺點錯位控制無環(huán)流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方

10、便，但與邏輯無環(huán)流系統(tǒng)相比，切換特性 較差，在某些切換條件下的切換死區(qū)較大。而且在切換過程中容易出現(xiàn)電流沖擊。因此 錯位控制無環(huán)流系統(tǒng)通常用于系統(tǒng)容量較小而且對切換品質(zhì)要求不高的場合。二、系統(tǒng)的設(shè)計1、主電路的設(shè)計及參數(shù)選擇1、變壓器的選擇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:U d max - 2.34E2 COS - minUdmax =2.34E2。在可逆系統(tǒng)中由于有最小逆變角限制的問題,Udmax應(yīng)該等于電動機額定電壓Ued加上過載電流所產(chǎn)生的附加壓降(I dmax - 1 ed )Rs再加上晶閘管的管壓降E，另外考慮整流電源內(nèi)阻壓降及電網(wǎng)電壓波動

11、，通常還需要再增加 15%20%，因此 Udmax =(1151.2)Ued * Udmaxed)RsE，則可求出 E2 ?？紤]到工作負荷不會過重，并且變壓器也容許一定過載，所以選取變壓器為厶/丫連接。則在副邊：副邊線電壓為U2-.3 E2,副邊線電流J816 1論=0.816 Id。2、晶閘管的選擇考慮到電網(wǎng)電壓的波動和操作過電壓等因素，在設(shè)計中應(yīng)該有23倍的電壓設(shè)計裕量,則晶閘管的額定電壓值為Un _(23)Um =(23) 2.45E2。晶閘管的額定電流的選 取設(shè)計過程中也應(yīng)該考慮裕量的問題，則其額定電流為Itav =(1.52)八3/1.57 Id 75100A3、電抗的選擇在V-M系

12、統(tǒng)中，脈動電流會產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，對生產(chǎn)機械不利，同時也增加電機 的發(fā)熱。為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動的措施，主要是：設(shè)置平 波電抗器；增加整流電路相數(shù)；采用多重化技術(shù)。在此處增加平波電抗器。三相橋 式整流電路中，總電感量為L= 0.693旦，平波電抗器IdminLd二L-Lm，Idmin(5% 10%)g g 為電機的電樞電感2、同步變壓器及觸發(fā)器的設(shè)計1、觸發(fā)電路的設(shè)計晶閘管觸發(fā)電路類型很多，有分立式、集成式和數(shù)字式，分立式相控同步模擬電路 相對來說電路比較復(fù)雜；數(shù)字式觸發(fā)器可以在單片機上來實現(xiàn)，需要通過編程來實現(xiàn)， 本設(shè)計不采用。由于集成電路可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低

13、，調(diào)試方便，所 以本設(shè)計采用的是集成觸發(fā)器，選擇目前國內(nèi)常用的KJ、KC系例，本設(shè)計采用3個KJ004 集成塊和1個KJ041集成塊，可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大即可。 電路原理圖如圖4, Uc處為觸發(fā)系統(tǒng)的輸入端，可將變阻器去掉，直接接控制電壓Uc ；Up為初始相位控制端，即在Uc初始電壓為0時調(diào)節(jié)脈沖的初始相位: f0 . *OUsaUsbsc-15V -Ri9 hcoC4亠工79 估12一131P5 一 cRJ4 RnujD.亠工RwRP3R15R3Rn5RR8 9 計1 2一1 3卄1 68R、9 9 倚1 11 213莒5AULR94UPK.RP66ROJ圖4三相全控

14、橋整流電路的集成觸發(fā)電路2、同步變壓器的設(shè)計觸發(fā)電路應(yīng)保證每個晶閘管觸發(fā)脈沖與施加于晶閘管的交流電壓保持固定、正確的 相位關(guān)系。同步變壓器原邊接入為主電路供電的電網(wǎng)，保證頻率一致；此外，應(yīng)確定同 步信號與晶閘管陽極電壓的關(guān)系。具體參見電力電子技術(shù)第 95頁說明。圖5同步變壓器的原理圖晶閘管VTXVTvt4主電路電壓+甘 a%氣同步電壓%撿%表2三相全控橋各晶閘管的同步電壓 變壓器接法：主電路整流變壓器為D,y-11聯(lián)結(jié)，同步變壓器為D,y-11,5聯(lián)結(jié)。此時, 同步電壓的選取結(jié)果見表2。3、保護電路的設(shè)計1、過電流保護在主電路中交流側(cè)安裝快速熔斷器。2、過電壓保護考慮晶閘管的保護方法為兩端并聯(lián)

15、電阻電容，同時在交流側(cè)并接電阻電容3、緩沖電路又稱吸收電路，抑制器件的內(nèi)因過電壓、du/dt、過電流和di/dt，減小器件的開關(guān)損耗。如圖7。圖6三相電路交流側(cè)阻容保護電路鳥抑制電路緩沖電路圖7緩沖電路（將圖中的IGBT換成晶閘管）4、檢測環(huán)節(jié)圖8檢測環(huán)節(jié)1、轉(zhuǎn)速檢測轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)包含測速發(fā)電機的電動勢系數(shù)Cetg和其輸出電位器的分壓系數(shù)2，即根據(jù)測速發(fā)電機的額定數(shù)據(jù)，有Cetg=U n測/nN測，2 /Cetg。電位器的選擇方法如下：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，取測 速發(fā)電機輸出最高電壓時，其電流約為額定值的20%，則R Cetg nN，最后驗證電位0.2In

16、 測器的消耗功率是否合乎要求。W = CetgnN 0.2In測。2、電流檢測從理論上講UIn ,可選取檢測電阻的阻值大小為然后驗證該電阻的功率是否符合要求，W二R 4：；若過大則應(yīng)在反饋回路增加放大器，從而減小電阻阻值。3、電壓檢測在可逆系統(tǒng)中由于有最小逆變角限制的問題，U dmax = 2.34E2 COS 1 min，I=UvR ， （R為Rf的有效部分）在電壓檢測回路上I測 業(yè)應(yīng)該足夠小從而U d R| RpR1 Rp不影響整流（或逆變）裝置和電機的工作，因此先選擇阻值較大的固定電阻R1，然后再選擇合適的滑動變阻器。5、控制電路的設(shè)計1、AVR電壓內(nèi)環(huán)的設(shè)計1) AVR的模型簡化說明A

17、VR的設(shè)計采用積分調(diào)節(jié)器，其分析過程如下 將電壓環(huán)的傳遞函數(shù)等效成如下：Ud嚴 5* 災(zāi))二亍一 n1 uMs+ncr.s+p+a s+i)由于空_1Wu(s)-丄因此，電壓環(huán)簡化后可視為電流環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，化簡后如下:Wacr(S)=4 2) AVR的電路模型2、ACR電流環(huán)的設(shè)計1）電流環(huán)簡化說明ACR的設(shè)計用PI調(diào)節(jié)器，經(jīng)過AVR的簡化設(shè)計以后ACR的傳遞函數(shù)框圖如下:idKi2)K I.=i= ci， RS為電機的電樞電阻。Rs iACR參數(shù)的計算L，取 KiToi =0.5,貝U Ki 二 K| Rs i=T &Rs近似條件檢驗UPE純滯后近似處理：1ci 3Ts忽略反電勢變化對電流

18、環(huán)動態(tài)響應(yīng)：3)T。 c- 31 電流環(huán)小慣性群的近似處理:C1 一3工-Ci4)5)調(diào)節(jié)器電阻電容的選取二KiRo , Ci L , Coi二也。在計算完成后應(yīng)根據(jù)實際的電阻/電容值進行選擇。RRoACR的電路模型+4-圖10含給定與反饋濾波環(huán)節(jié)的PI型電流調(diào)節(jié)器3、ASR轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計1) ASR等效模型說明I型系統(tǒng)設(shè)計電ASR設(shè)計選用PI調(diào)節(jié)器，電流環(huán)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)環(huán)， 按典型 流環(huán)，忽略高次項，降階近似，其閉環(huán)傳遞函數(shù)為：2)按典型二階系統(tǒng)進行設(shè)計Wasr(S)= Kn( n)，T，n 二 Ton+，n 二 hT、.，心二nSKi2hJ(h 1):CeTm2 hRT non=KN n3) 近似條件的檢驗 電流環(huán)化簡條件：on轉(zhuǎn)速環(huán)化簡條件：4) ASR電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)= RnCn圖11含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器4、AVR、ACR禾口 ASR的限幅設(shè)計圖12限幅電路的原理調(diào)整RP1，RP2使得BC兩點電壓為限幅電壓，當 A點電壓UA超過限幅電壓時, 二極管會導通，從而使 A的電壓被限制在限幅電壓，而不會過高或過低。具體的限幅值應(yīng)根據(jù)實際來確定，理論計算時應(yīng)結(jié)合圖1來計算。電壓調(diào)節(jié)器限幅值電流調(diào)節(jié)器限幅值 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器限幅值Udmax =2.34E2COS 伽，Ucm=UdmaxU vm - U d maxU*im J.?ld 一 -0.0