可控硅直流調(diào)速系統(tǒng)

1、可控硅直流調(diào)速系統(tǒng)（電氣綜合課程設(shè)計） 學(xué) 校：桂林電子科技大學(xué)院 系： 機(jī)電工程學(xué)院 指導(dǎo)老師： 高鵬 姓 名： 學(xué) 號： 08 目 錄前言-3第1章 課程的設(shè)計和要求1.1主要性能指標(biāo)-41.2設(shè)計要求-41.3已知條件-4第2章 系統(tǒng)的原理與方案選擇2.1直流電動機(jī)調(diào)速的原理-52.2直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源-52.3直流調(diào)速系統(tǒng)控制部分的選擇-8第3章 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)論述3.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)-93.2系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型-11第4章 用工程設(shè)計方法設(shè)計雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)4.1主要裝置的選用和參數(shù)的計算-124.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計-144.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計-174.5整機(jī)電路圖-20第五

2、章 總結(jié)-21 參考文獻(xiàn)-21前 言電機(jī)自動控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械，鋼鐵，礦山，冶金，化工，石油，紡織，軍工等行業(yè)。這些行業(yè)中絕大部分生產(chǎn)機(jī)械都采用電動機(jī)作原動機(jī)。有效地控制電機(jī)，提高其運(yùn)行性能，對國民經(jīng)濟(jì)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。20世紀(jì)90年代前的大約50年的時間里，直流電動機(jī)幾乎是唯一的一種能實(shí)現(xiàn)高性能拖動控制的電動機(jī)，直流電動機(jī)的定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互獨(dú)立并且正交，為控制提供了便捷的方式，使得電動機(jī)具有優(yōu)良的起動，制動和調(diào)速性能。盡管近年來直流電動機(jī)不斷受到交流電動機(jī)及其它電動機(jī)的挑戰(zhàn)，但至今直流電動機(jī)仍然是大多數(shù)變速運(yùn)動控制和閉環(huán)位置伺服控制首選。因?yàn)樗哂辛己玫木€性特性，優(yōu)異的控制性

3、能，高效率等優(yōu)點(diǎn)。直流調(diào)速仍然是目前最可靠，精度最高的調(diào)速方法。本文中所用到的晶閘管于1957年問世，它是一種大功率半導(dǎo)體可控整流元件，俗稱可控硅整流元件，簡稱“可控硅”，20世紀(jì)60年代起就已生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置。晶閘管問世以后，變流技術(shù)出現(xiàn)了根本性的變革。目前，采用晶閘管整流供電的直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（即晶閘管電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止Ward-Leonard系統(tǒng)）已經(jīng)成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。本次設(shè)計的主要任務(wù)就是應(yīng)用自動控制理論和工程設(shè)計的方法對直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和控制，設(shè)計出能夠達(dá)到性能指標(biāo)要求的電力拖動系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器。第1章課程的設(shè)計和要求1.1主要技術(shù)指標(biāo)（1

4、）靜態(tài)：無靜差（2）動態(tài)：電流超調(diào)量5% 1.2設(shè)計要求（1）選擇可控硅直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的方案。（2）主回路參數(shù)計算選擇。（3）控制系統(tǒng)設(shè)計1.3給定條件直流電機(jī)的參數(shù)：Zz=22, Ped=1.1kw, Ued=220V, Ied = 6.5A, ned =1500r.p.m Us = 220V勵磁方式：他勵直流測速發(fā)電機(jī)： Ped=22W, Ued=110V, Ied =220mA, ned =2000p.m 定額：連續(xù)。 第2章 系統(tǒng)的原理與方案選擇2.1直流電動機(jī)調(diào)速的原理根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方程 (1-1)式中 n 轉(zhuǎn)速（r/min）； U 電樞電壓（V）； I 電樞電流（A）； R

5、電樞回路總電阻（ W ）； 勵磁磁通（Wb）； Ke 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。由式（1-1）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速： （1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U； （2）減弱勵磁磁通 F； （3）改變電樞回路電阻 R。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。 因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。2.2直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源 變壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源。常用的可

6、控直流電源有以下三種： （1）旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組用交流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。如圖2-1。 圖2-1 旋轉(zhuǎn)交流機(jī)組（2）靜止式可控整流器用靜止式的可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。如圖2-1。 圖2-2 靜止式可控硅整流器，即V-M系統(tǒng)（3）直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關(guān)器件斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變的平均電壓。圖2-3 直流斬波器圖2-4 脈寬調(diào)制變換器晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在10000 以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制，

7、不再像直流發(fā)電機(jī)那樣需要較大功率的放大器。在控制作用的快速性上，晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。因此，在這里選用可控硅直流調(diào)速方法。可控硅整流調(diào)速裝置的接線方式有單相半橋式，單相全控式，三相半波，三相半控橋和三相全控橋式。各種方式適應(yīng)于各種不同調(diào)速范圍和控制要求的電動機(jī)?？煽毓枵{(diào)速系統(tǒng)用的各種接線方式及技術(shù)參數(shù)見下表。接線方式功率范圍調(diào)速范圍平均失控時間Ts輸出波形單相半控橋1KW以下10：1以下10ms差單相全控橋4KW以下10：1以下5ms差三相半波100KW以下10：1以下3.33ms比單相好三相半控橋100KW以下10：1以下3.33ms較好三相全控橋1001000K

8、W以下100:1以下1.67ms好從上表可知三相全控橋的調(diào)速范圍大，失控時間小，輸出波形好，故選用三相全控橋式整流裝置,其電路圖如圖2-5圖2-5 可控硅三相橋式整流裝置2.3直流調(diào)速系統(tǒng)控制部分的選擇 由于設(shè)計要求無靜差調(diào)速，電流超調(diào)量5%，因此可以選擇轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)。其中采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的直流反饋調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，而速度反饋保證系統(tǒng)的較高動態(tài)性能，例如：要求快速起制動，突加負(fù)載動態(tài)速降小等等。其系統(tǒng)的組成框圖如圖26所示。 圖2-6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計總框架第3章 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)論述3.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋

9、分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級）聯(lián)接如下圖31所示。起動過程，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。穩(wěn)態(tài)時，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒有電流負(fù)反饋。 圖3-1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機(jī)TA電流互感器 UPE電力電子變壓器 Un*轉(zhuǎn)速給定電壓Un轉(zhuǎn)速反饋電壓 Ui*電流給定電壓 Ui電流反饋電壓為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用P I調(diào)節(jié)器，所以對于系統(tǒng)來說，PI調(diào)節(jié)器是系統(tǒng)核心，必須掌握其性能，其原理圖如圖3-2： 圖3-2. PI調(diào)節(jié)器輸

10、入與輸出的關(guān)系： PI調(diào)節(jié)器的工作過程：當(dāng)輸入電壓突然加上時，電容C相當(dāng)于短路，這時便是一個比例調(diào)節(jié)器。因此，輸出量產(chǎn)生一個立即響應(yīng)輸出量的跳變，隨著對電容的充電，輸出電壓逐漸升高，這時相當(dāng)于一個積分環(huán)節(jié)。只要 ，U0將繼續(xù)增長下去，直到時，才達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。 這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖示于下圖3-3。圖3-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖圖中標(biāo)出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。同時圖中表出，兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定電壓的最大值

11、；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。3.2系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖3-4所示，它包括了電流濾波，轉(zhuǎn)速濾波和給定信號的濾波環(huán)節(jié)。其時間常數(shù)分別為Toi和Ton。 圖34雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖中WASR(s)和WACR(s)分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。第4章 用工程設(shè)計方法設(shè)計雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)4.1主要裝置的選用和參數(shù)的計算 整流裝置的參數(shù)可控硅整流裝置選用三相橋式，整流變壓器/Y聯(lián)結(jié), 二次線電壓21=230V,內(nèi)阻R=0.5 ,電壓放大系數(shù)KS=40。直流電源給定值±7.5V。電流互感器

12、的選取 考慮電機(jī)允許過載倍數(shù)為1.5倍，兩個給定電壓的最大值為7.5V，選電流互感器TA的電流反饋系數(shù)=7.5/1.5IN=0.769V/A。轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)和參數(shù) 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)包含測速發(fā)電機(jī)的電動勢Cetg和其輸出電位器RP2的分壓系數(shù)2，即 2×Cetg根據(jù)測速發(fā)電機(jī)的額定數(shù)據(jù)，有 Cetg=V min/r=0.055 V min/r試取20.085，如測速發(fā)電機(jī)與主電動機(jī)直接相連，則在電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速1500r/min時，轉(zhuǎn)速反饋電壓為 Un=2Cetg×1500r/min0.085×0.055×15007.0125V穩(wěn)態(tài)是Un很小，Un*只要

13、略大與Un即可，現(xiàn)在直流穩(wěn)壓電源為±7.5V，完全能夠滿足給定電壓的需要，因此，取20.085是正確的。于是，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)的計算結(jié)果是 2×Cetg0.085×0.0550.0047 V min/r電位器RP2的選取 為了使測速發(fā)電機(jī)的電樞電壓降對轉(zhuǎn)速檢測信號的線性度沒有顯著的影響，取測速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出最高電壓時，其電流約為額定值的20，則 RRP2=1875此時RP2消耗的功率為 WnCetg×0.2Itg0.055×1500×0.2×0.223.36W為了不致使電位器溫度很高，實(shí)選電位器的瓦數(shù)應(yīng)為所消耗功率一倍以上，故可

14、將RP2選為10W,1.5K的可調(diào)電位器。平波電抗器按工程計算公式選取平波電抗器，對于三相橋式整流電路其電感量計算公式為 L=0.693U2/Idmin取 Idmin=10Ied =0.1×6.5=0.65A U2= U2l/1.732= 230V/1.732=132.8V 則 L=0.693U2/Idmin =141.585mH直流電動機(jī)參數(shù)的計算 按經(jīng)驗(yàn)公式估算直流電動機(jī)的內(nèi)阻 =5.207 電樞回路的電阻 R=Ra+R=5.207+0.5=5.707 電磁時間常數(shù)Tl=L/R=141.585/5.707=0.0248S 電機(jī)參數(shù)的計算Ce=0.1241V min/r Cm=9.

15、55Ce=1.1852 V min/r電機(jī)時間常數(shù)Tm=1.036S4.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化首先在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時，因其變化較慢，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，即DE0。其次，如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成U*i(s) /b ，最后，由于Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為 Ti = Ts + Toi 簡化的近似條件為電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡化成圖 圖41等效后的電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖3-4可以看出，采用

16、I 型系統(tǒng)就夠了。從動態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)（本系統(tǒng)要求5%），以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。 圖3-4表明，電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型 I 型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成式中 Ki 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； ti 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對象的大時間常數(shù)極點(diǎn)對消，選擇則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖4-2所示的典型形式圖42校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)其中， 上述結(jié)果是在一系列假定條件下得到的，

17、假定條件歸納如下，用于校驗(yàn)。1）電力電子變換器純滯后的近似處理2）忽略反電勢變化對電流環(huán)的動態(tài)影響3）電流環(huán)小慣性群的近似處理電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算 按表1，三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.0017s 電流濾波時間常數(shù)Toi。三相橋式電路每個波頭的時間是3.3ms，為了基本慮平波頭，應(yīng)有（12）Toi=3.3S, 因此取Toi0.002S。 電流環(huán)小時間常數(shù)之和T。按小時間常數(shù)近似處理，取Ti=Ts+Ti=0.0037S。 檢查對電源電壓的抗擾性能：=6.70，參照典型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。電流調(diào)節(jié)器超前的時間常數(shù)：i=Tl=0.0248S 電流開環(huán)增益：要求i5時，可按

18、西門子型“最佳整定”的方法進(jìn)行整定，則有KIT=0.5, 因此 KI=135.1S-1于是ACR的比例系數(shù)為 KiKIiR/KS0.6211校驗(yàn)近似條件：電流環(huán)截止頻率：ci= KI =135.1(1)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：1/3Ts=1/3*0.0017=196.1s-1>ci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： 18.7s-1<ci滿足近似條件。(3)電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： =180S-1>ci滿足近似條件。電流調(diào)節(jié)器如圖4-3，按所用運(yùn)算放大器取R040K,各電阻和電容的值為 Ri=KiR0=0.4653*40=18.612

19、K,取18 K Ci=1.67uF，取2.0uF Coi=0.2uF，取0.2 uF圖4-3電流調(diào)節(jié)器按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為i=4.3%<5%，滿足設(shè)計要求。4.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如下圖4-4所示： 圖4-4 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其簡化和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成 U*n(s)/a，再把時間常數(shù)為 1 / KI 和 Ton 的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動作用點(diǎn)前面必須有一個積

20、分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 中，現(xiàn)在在擾動作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型 型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。 由此可見，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為式中 Kn 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； t n 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。 這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為則校正后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖45：n (s)+-U*n(s)a圖4-5 校正后成為典型 II 型系統(tǒng) 上述結(jié)果是在一系列假定條件下得到的，假定條件歸納如下，用于校驗(yàn)。1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括 Kn 和 tn。按照典型型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系： 而 ，因此 電流環(huán)時間常數(shù) 1/KI=2Ti×0.0037S0.0074S 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton，可根據(jù)測速發(fā)電機(jī)紋波情況取Ton0.01S。 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)Tn。按小時間常數(shù)近似處理，取 0.0074+0.010.0174S按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為 5×0.01740.087S轉(zhuǎn)速開環(huán)增益 396.4S-2ASR的比例系數(shù)為 145.5校驗(yàn)近似條件： 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 cn=KNn=396.4&#