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1、武汉理工大学华夏学院电力拖动自动控制系统一一运动控制系统课程设计武汉理工大学华夏学院课程设计报告书题目直流双闭环有环流可逆调速系统设计院系信息工程系专业自动化班级1081班姓名郑兵学号10212408108指导教师李向明2011年6月14日课程设计任务书学生姓名：郑兵专业班级：自动化1081指导教师：李向明工作单位：信息工程系题目：直流双闭环有环流可逆调速系统设计初始条件：1 .直流电动机额定参数为：UN=220V,In=136A,Ce=0.132v.min/r,Ra=0.5Q2 .电机过载倍数入=1.5,Ks=40,Tl=0.03s,Tm=0.18s,调节a=0.07v.min/r,3=0.
2、05v/A3 .测速发电机参数：23W110V,0.21A,1900r/min,永磁式4 .主电路采用三相全控桥，反并联连接，进线交流电源：三相380V要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，说明书撰写等具体要求）1 .转速调节器ASRM电流调节器ACR勺设计2 .转速反馈和电流反馈电路设计3 .集成触发电路设计4 .主电路及其保护电路设计课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。满足如下要求:1 .采用a=3配合控制，能够实现可逆运行，转速和电流稳态无差，电流超调量小于5%,转速超调量小于10%。2 .对系统设计方案的先进性、实用性和可行性进行论证，
3、说明系统工作原理。3 .画出单元电路图，说明工作原理，给出系统参数计算过程。4 .画出整体电路原理图，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。时间安排：收集课程设计相关资料系统设计撰写课程设计及答辩2011.6.13-2011.6.152011.6.16-2011.6.232011.6.24-2011.6.26指导教师签名：系主任（或责任教师）签名:摘要直流调速1是指人为地或自动地改变直流电动机的转速，以满足工作机械的要求。从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化。直流调速系
4、统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。关键词直流电机直流调速系统速度调节器电流调节器双闭环系统仿真3武汉理工大学华夏学院电力拖动自动
5、控制系统一一运动控制系统课程设计目录第一章直流调速系统设计11.1 直流调速系统的调速原理11.2 电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析21.2.1 双闭环调速的工彳过程和原理21.2.2 双闭环直流调速系统的组成及其静特性21.3 双闭环直流调速系统的数学模型51.4 调节器的工程设计方法51.5 电流环、速度环的设计6第二章触发电路设计92.1 TC787介绍92.2 触发电路的设计9第三章晶闸管保护电路设计113.1 晶闸管过电压保护电路设计113.2 晶闸管过电流保护电路设计13设计总结与体会14参考文献15附录16#武汉理工大学华夏学院电力拖动自动控制系统一一运动控制系统课程设计3
6、第一章直流调速系统设计1.1直流调速系统的调速原理直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广范围内平滑调速，所以由晶闸管一直流电动机1 , 6O(VM必成的直流调速系统是目前应用较普遍的一种电力传动自动化控制系统。它在理论上实践上都比较成熟，而且从闭环控制的角度看，它又是交流调速系统的基础从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统(伺服系统)、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此，调速系统是最基本的电力拖动控制系统。直流电动机的转速和其它参量的关系和用式(21)表不U IRKe(21)式中n一一电动机转速；U电
7、枢供电电压；I电枢电流；R一一电枢回路总电阻，单位为Ke一一由电机机构决定的电势系数。在上式中，Ke是常数，电流i是由负载决定的，因此，调节电动机的转速可以有三种方法:(1)调节电枢供电电压U;(2)减弱励磁磁通；(3)改变电枢回路电阻R对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱励磁磁通虽然能够平滑调速，但调速的范围不大，往往只是配合调压方案，在基速(额定转速)以上做小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以改变电压调速为主。1.2电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析1.2.1 双闭环调速的工作过程和原理双闭环调速系统的
8、工作过程和原理：电动机在启动阶段，电动机的实际转速（电压）低于给定值速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值，速度调节器工作在开环状态，速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器，此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号，直流电压迅速上升，电流也随即增大直到等于最大给定值，电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流（堵转电流）可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在电动机转速上升到给定转速后，速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零，速度调节器和电流调节器,使整流桥输出的直流电压相应变化，从,还能够对因电网波动引起的电动退出饱和状态，闭环调节开始起作
9、用。对负载引起的转速波动，速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压机电枢电流的变化进行快速调节，可以在电动机转速还未来得及发生改变时而校正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数，迅速使电流恢复到原来1.2.2 双闭环直流调速系统的组成及其静特性一、双闭环直流调速系统的组成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，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。两者之间实行嵌套连接，如图2-4所示。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
10、，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。图24转速、电流双闭环直流调速系统其中：ASR-转速调节器ACR-电流调节器TG-测速发电机TA-电流互感器UPE-电力电子变换器*Un-转速给定电压Un-转速反馈电压Ui-电流给定电压Ui-电流反馈电压双闭环直流调速系统的静特性分析图25双闭环直流调速系统的稳态结构框图分析静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征，一般使存在两种状况：饱和一输出达到限幅值,不饱和一输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出的联系，相
11、当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压AU在稳态时总为零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况1568。1.转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此，*Un=Un=n=noUi*=Ui=Id*Un由第一个关系式可得：n=n0*Um从而得到图2-5所示静特性曲线的CA段。与此同时，由于ASR不饱和，Ui可知1dIdm,这就是说，CA段特性从理想空载状态的Id=0一直延续到1d=Idm。而1dm，一般都是大于额定电流Idn的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的
12、特性。2.转速调节器饱和*Uim这时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时：*UimIdIdm其中，最大电流Idm取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度，由上式可得静特性的AB段，它是一条垂直的特性。这样是下垂特性只适合于nn0的情况，因为如果n叫，则*UnUn,ASR将退出饱和状态.双闭环调速系统的静特T在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主*Uim要的调节作用，但负载电流达到Idm时,对应于转速调节器的饱和输出，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静
13、差，得到过电流的自动保护.这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，因此，静特性的两段实际上都略有很小的静差。各变量的稳态工作点和稳态参数计算由双闭环直流调速系统的稳态结构图可知，双闭环调速系统在稳态工作时，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有以下关系:* 一一Un =Un=_ *Ui Ui i = i =Id-Udo Ce nUc Ksc = s =nodlCe UnId RIdi RKsKs*,*上述关系表明，在稳态工作点上，转速n是由给定电压Un决定，asr的输出量Ui是由负载电流Idl决定的，而控制电压Uc的大小则同时取决
14、于n和Id,或者说，同时取决*PI调节器提供多么大的输出值,于Un和Idl。PI调节器输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要它就能提供多少，直到饱和为止。鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差武汉理工大学华夏学院电力拖动自动控制系统一一运动控制系统课程设计系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数。*转速反馈系数：a=Unm/nmax；*电流反馈系数：3=Uim/Idm;1.1 *两个给定电压的最大值Unm、Uim由设计者给定，受运算放大器允许
15、输入电压和稳压电源的限制。1.3 双闭环直流调速系统的数学模型双闭环直流调速系统数学模型的建立涉及到可控硅触发器和整流器的相关内容，这里仅作简单介绍，具体的内容将在第三章内加以说明。全控式整流在稳态下，触发器控制电压Uct与整流输出电压Ua0的关系为：UaoAU2cosAU2cos(KUct)其中：A-整流器系数；U2-整流器输入交流电压；-整流器触发角；Uct-触发器移项控制电压；K-触发器移项控制斜率；整流与触发关系为余弦，工程中近似用线性环节代替触发与放大环节，放大系数为：K=Ua0/Uct绘制双闭环直流调速系统的动态结构框图如下：图27双闭环直流调速系统的动态结构框图1.4 调节器的工
16、程设计方法pi调节器的结构如下图所式123：21VilMRiUexUin由图可得：R0EIR0C1C1II-1UindtKpiUinUindtKr，-，一，KPi：PI调节器比例部分的放大系数:PI调节器积分时间常数wKpiPI调节器的传递函数为：1.5 电流环、速度环的设计本设计为双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式全控整流电路基本数据如下:1)晶闸管装置放大系数：Ks=402)电枢回路总电阻：R=0.5 Q3)时间常数：电磁时间常数Tl=0.03s机电时间常数Tm=0.18s4)调节器输入电阻 R0 =20 k设计指标：静态指标：无静差;动态指标：电流超调量i峪5%空载起动到额定转速时
17、的转速超调量计算反馈关键参数：o=0.07v.min/r,3=0.05v/A一.电流环的设计（1）确定时间常数a）整流装置滞后时间常数Ts0.0017s;（见附录表一）为了基本滤平波头,电流滤波时间常数Toi=0.002s（三相桥式电路每个波头是时间是3.3ms,应有(12)Toi=3.33ms,因止匕取Toi=2ms=0.002s)电流环小时间常数之和T按小时间常数近似处理TsToi0.0037sTTT。(Ts和一般都比Tl小得多，可以当作小惯性群近似地看作是一个惯性环节(2)选择电流调节器结构Ti0.012根据设计要求：。咯5%0.00422.8610可按典型I型设计电流调节器。流环控制对
18、象是双惯性型的，所以把电流调节器设计成PI型的.Ti检查对电源电压的抗扰性能：Ti0.012s3.240.0037s10由附录表-.,各项指标可接受.(3)选择电流调节器的参数KiACR超前时间常数iTl=0.012s电流环开环时间增益0.5T0.50.0037s135.1siR的比例系数KiKiR135.10.0120.18300.0260.37(4)校验近似条件电流环截止频率ciKi135.1s1cia)晶闸管装置传递函数近似条件:3Ts,现为3Ts0.0017s196.1135.1近似条件;b)忽略反电动势对ci3信3:30.120.001279.06sci,满足近似条件;cic)小3.
19、TsToi=30.00170.00251161.69s1ci,满足近似条件。电流环可以达到的动态指标为：%4.3%5%,也满足设计要求。速度环的设计(1)确定时间常数电流环等效时间常数转速滤波时间常数：Ton转速环小时间常数近似处理:(2)选择转速调节器结构Ki.Ki0.014s按跟随和抗扰性能都能较好的原则2Ti20.00370.0074s2TiTon0.00740.0140.0214sO,在负载扰动点后已经有了一个积分环节，为了实现转速无静差,还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节，因此需要n由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型n型系统一选用设计pi调节器。典型n型系统阶跃输入
20、跟随性能指标见附录表三。(3)选择调节器的参数nhTn50.02140.107sKn转速开环增益：ASR的比例系数:h122-2hTn51922262.03s2250.0214Kn(4)h1CeTm2hRTn60.0260.20.12近似校验转速截止频率为:0.015Kncn6.480.180.0214KNn262.030.107s128.03s电流环传递函数简化条件：转速环小15Ti32TiTon3.20.00370.014(5)检验转速超调量当h=5时，n37.6%J0.003754.05s1cn,满足条件；处理条件132.75scn足要求.按ASR退饱和的情况计算超调Cm%81.2%,量
21、：CbnnidRCe3050.18274.0.2in,满足设计要求。第二章触发电路设计2.1 TC787介绍一、管脚介绍用独有的先进IC工艺技术，并参照最新集成移相触发集成电路而设计的单片集成电路，它可单电源工作，亦可双电源工作，主要适用于三相晶闸管移相触发和三相功率晶体管脉宽调制电路，以构成多种交流调速和交流装置，他们是目前国内市场上广泛流行的TCA785及KJ（或KC）系列移相触发集成电路的换代产品，与TCA785及KJ（或KC）系列集成电路相比，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点，而且装调简便、使用可靠，只需一个这样的集成电路，就可完成3只TCA7
22、85与1只KJ041、1只KJ042或5只KJ（3只KJ004,1只KJ041,1个KJ042）（或KC）系列器件组合才能具有的三相移相功能，因此，TC787可广泛应用于三相半控、三相全控、三相过零等电力电子、机电一体化产品的移相触发系统，为提高整机寿命，缩小体积，降低成本提供了一种新的、更加有效的途径。其管脚图如图2所示。图2TC787管脚图2.2 触发电路的设计VcLLo18JY4VtDZ立口蝇支王,151C立Vr14WCcPiL5_TC787141chbelUCz-berTT1AC|_8_11H：-An-亚B（1） TC787适用于主功率器件是晶闸管的三相全控桥或其他拓扑结构电路的系统中
23、作为晶闸管的移相触发电路。而TC788适用于以功率晶体管（GTR）或绝缘栅双极晶体管（IGBT）为功率单元的三相全桥或其他拓扑结构电路的系统中作为脉宽调制波产生电路，且任一种芯片均可同时产生六路相序互差60的输出脉冲。（2） TC787/TC788在单、双电源下均可工作，使其适用电源的范围较广泛，它们输出三相触发脉冲的触发控制角可在0180范围内连续同步改变。它们对零点的识别非常可靠，使它们可方便地用作过零开关，同时器件内部设计有移相控制电压与同步锯齿波电压交点(交相)的锁定电路，抗干扰能力极强。电路自身具有输出禁止端，使用户可在过电流、过电压时进行保护，保证系统安全。(3) TC787/TC
24、788可方便地通过改变引脚6的电平高低，来设置其输出为双脉冲列还是单。、具体设计电路图图3由TC787构成的三相六脉冲触发电路第三章晶闸管保护电路设计3.1 晶闸管过电压保护电路设计正常工作时，晶闸管承受的最大峰值电压为um,超过此峰值电压的就算过电压。在整流装置中，任何偶然出现的过电压均不应超过元件的不重复峰值电压udsm,而任何周期性出现的过电压则应小于元件的重复峰值电压UrsmO这两种过电压都是经常发生和不可避免的。抑制暂态过电压的方法一般有三种：用电阻消耗过电压的能量；用非线性元件限制过电压的幅值；用储能元件吸收过电压的能量。若以过电压保护装设的部位来分，有交流保护，直流保护，直流侧保
25、护和元器件保护3种。一、交流侧过电压保护交流侧过电压一般都是外因过电压，在抑制外因过电压的措施中，采用RC过电压抑制电路是最为常见的。通常是在变压器次级（元件侧）并联RC电路，以吸收变压器铁心的磁场释放的能量，并把它转化为电容器的电场能而储存起来。串联电阻是为了在能量转换过程中可以消耗一部分能量并且抑制LC回路可能产生的振荡。当整流器容量较大时，RC电路也可以接在变压器的电源侧。RC参数计算变压器每相平均计算容量为_1_3_3STM20106.6710(VA)3(1)电容器的计算3,S6.6710由Ca6i0%浮(F)得：Ca68219.85(F)取Ca=20F。U21272电容器Ca的耐压值
26、为根据UCa1.5&U2(V)得：UCa1.5V2220446.7(V)取500V。故选择参数为20F,500V的电容。(2)电阻值计算由Ra 2.卷摩()得:Ra2.31272510 103 ，82.93()考虑到所取电容Ca已大于计算值，故电阻Ra可适当取小些。取Ra=2。正常工作时，RC支路始终有交流电流过，过电压总是短暂的，所以可按长期发热来确定电阻的功率。RC支路电流Ic可由式(2.13)确定，即由IC2fCaUC106(A)得：Ic25020y/31271061.38(A)a电阻Ra的功率为由PR(34)ICR(W)得：PR(34)1.3822(1115)(W)aa故选用2,50W
27、的电阻。式中Stm变压器每相平均计算容量(VA)。U2变压器二次相电压有效值(V)。i。一励磁电流百分数当Stm几百伏安时i0%=10,当Stm1000伏安时i0%=35。Uk%变压器的短路比，当变压器容量为101000KVA时，Uk%=510。Ic,UCa一当Ra正常工作时电流电压的有效值(A,V)三、晶闸管换相过电压的保护由于晶闸管在实际应用中一般只承受换相过电压，没有关断过电压问题，关断时也没有较大的du/dt,所以晶闸管的缓冲电路就简化为了晶闸管的换相过电压保护，即采用RC吸收电路即可。其电路图如图5所示。图5晶闸管换相过电压保护电路图电容C的选择为C(24)Itav103(24)50
28、103(0.10.2)(F)取C=0.2F,电阻一般取403.2晶闸管过电流保护电路设计变流装置发生过电流的原因归纳起来有如下几个方面：(1)外部短路：如直流输出端发生短路。(2)内部短路：如整流桥主臂中某一元件被击穿而发生的短路。(3)可逆系统中产生换流失败和环流过大。(4)生产机械发生过载或堵转等。晶闸管元件承受过电流的能力也很低，若过电流数值较大而切断电路的时间又稍长，则晶闸管元件因热容量小就会产生热击穿而损坏。晶闸管变流装置可能采用的过流保护措施有：交流断路器；进线电抗器；灵敏过电流继电器；断路器；电流反馈控制电路；直流快速开关；快速熔断器。本设计采用的晶闸管过电流保护措施是快速熔断器
29、保护方法，其参数的选择为：因工作时电压为380V，取URN500V。IR11rId r 55 31.75(A) ,33流过快速熔断器的电流的有效值IR快速熔断器的额定电流为IRNkikaIR1.51.231,7557.15(A)选取IRN80A。设计总结与体会刚拿道题目时，觉得还比较简单，想想无非是课本上的知识，算一算就好了，可真正开始进行设计时便遇见了困难。课本上的知识都是在理想情况下求出的，且由于教材将的电力电子技术的侧重点不同，一些参数并未给出明确的算法，经过很长时间的翻阅资料也为能找出明确的方案，感觉有些沮丧，回来经过询问老师，知道了一些参数的计算只有在版本比较旧的教材上才有，我就继续
30、按照这个线索查找资料。后来找到了资料，真有种豁然开朗的感觉。最后根据自己新找到的资料再结合老师平时教授的知识，最后再回归到教材上进行总结。看似一个很简单的设计，如果自己没有亲自动手做，便永远不知道它是不是真的很简单。在做课程设计期间，我几乎天天跑图书馆，基本所有关于电力电子方面的教材我都翻阅了一下，最后确定了设计方案。通过这次课程设计，我充分锻炼了自己的能力，包括查阅资料的能力，设计能力，与同学相互探讨的能力。也从课程设计中体会到了书本的知识真的很局限，它只是老师将我们带进去的一门工具，真要达到了学以致用必须要不断的充实自己，学习各方面的知识，不要局限在一本书上，从而真正达到理论联系实际的目的
31、。参考文献1王兆安，刘进军.电力电子技术.机械工业出版社，2009年5月2杨荫福，朝泽云等.电力电子装置及系统.清华大学出版社，20063张润和.电力电子技术及应用.北京大学出版社，2008年8月4翁瑞琪.袖珍电子工程师手册.机械工业出版社，2003年3月5王维平.现代电力电子技术及应用M.南京：东南大学出版社，20006陈坚.电力电子学（第二版）.北京：高等教育出版社，20047阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统一一运动控制系统.机械工业出版社，2009年8月8叶斌.电力电子应用技术M.北京：清华大学出版，2006触发电路图控制电路及主电路图课程设计成绩评定表姓名郑兵学号10212408108专业、班级自动化1081班课程设计题目：直流双闭环有环流可逆调速系统设计课程设计质疑记录：成绩评定依据：态度认真，组织纪律性好（20分）设计说明书文理通顺，工整（10分）设计方案合理，论证充分（20分）设计资料齐全，格式规范（10分）独立完成任务，无原理性错误（20分）答辩（20分）总分：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字：