《自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計》設(shè)計報告書轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)整系統(tǒng)

1、成績評定： 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計設(shè)計報告書題 目：轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)整系統(tǒng) （院） 系： 電子信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 自動化 學(xué)生姓名: 學(xué) 號: 起 迄 日 期: （空白頁作評語用）華南理工大學(xué)廣州學(xué)院電信工程系自動化專業(yè)自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計任務(wù)書(題目號)一課程設(shè)計題目： 晶閘管轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計二課程設(shè)計內(nèi)容：設(shè)計一轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，采用他勵直流電動機、晶閘管三相全控橋式整流電路，其數(shù)據(jù)如下： 直流電動機電流過載系數(shù)取*，電樞電阻計算系數(shù)取*，電機軸上總轉(zhuǎn)動慣量*; 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的放大系數(shù) =* ；三相供電線電壓380v，相電壓220v

2、，電網(wǎng)波動系數(shù)b=0.95； 額定轉(zhuǎn)速時的給定電壓=10 v； 調(diào)節(jié)器飽和輸出電壓 10 v； 調(diào)速范圍 d=10; 系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能指標：無靜差，電流超調(diào)量,空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。三課程設(shè)計要求：1. 進行晶閘管整流器主電路形式選擇、整流變壓器的選擇(二次電壓、電流、變壓器視在功率)、整流器件的選擇、平波電抗器的選擇、觸發(fā)電路的選擇；2.系統(tǒng)各主要參數(shù)的估計與計算（整流器內(nèi)阻、平均失控時間、電樞回路總阻、電樞回路總電感、電機電勢常數(shù)、轉(zhuǎn)矩常數(shù)、電磁時間常數(shù)、機電時間常數(shù)、電流反饋濾波時間常數(shù)、轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)、轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)、電流反饋系數(shù)）3設(shè)計電流調(diào)節(jié)器并作性能指標校驗；4

3、設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器并作性能指標校驗；5計算空載起動到最低轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量；6. 對設(shè)計的系統(tǒng)進行matlab仿真；7繪制系統(tǒng)線路圖（主電路、觸發(fā)電路、控制電路）。四 設(shè)計完成后應(yīng)繳交設(shè)計說明書一分，包括上述設(shè)計基本內(nèi)容、計算過程、線路圖、結(jié)論及心得體會。五 設(shè)計完成期限：本設(shè)計任務(wù)書于2012年2月20日發(fā)出，2012年3月9日上交設(shè)計說明書。 設(shè)計者： 專業(yè)教研組主任：彭康擁 批準；指導(dǎo)教師：方昌始 彭康擁 簽發(fā)（目錄頁）以下正文，包括以下內(nèi)容：一.總體方案；二.晶閘管整流器主電路設(shè)計：進行晶閘管整流器主電路形式選擇、整流變壓器的選擇(二次電壓、電流、變壓器視在功率)、整流器件的選擇、平波電抗

4、器的選擇、觸發(fā)電路的選擇；三.系統(tǒng)各主要參數(shù)的估計與計算（整流器內(nèi)阻、平均失控時間、電樞回路總阻、電樞回路總電感、電機電勢常數(shù)、轉(zhuǎn)矩常數(shù)、電磁時間常數(shù)、機電時間常數(shù)、電流反饋濾波時間常數(shù)、轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)、轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)、電流反饋系數(shù)）四設(shè)計電流調(diào)節(jié)器并作性能指標校驗；五設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器并作性能指標校驗；六計算空載起動到最低轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量；七. 對設(shè)計的系統(tǒng)進行matlab仿真；八繪制系統(tǒng)線路圖（主電路、觸發(fā)電路、控制電路）；九.結(jié)論及心得體會。 晶閘管雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計全程序一晶閘管整流器設(shè)計1. 進行主電路形式選擇：整流器主電路聯(lián)結(jié)形式的確定：整流器主電路聯(lián)結(jié)形式多種多樣，選擇

5、時應(yīng)考慮以下情況：（1）.可供使用的電網(wǎng)電源相數(shù)及容量；（2）.傳動裝置的功率；（3）.允許電壓和電流脈動率；（4）. 傳動裝置是否要求可逆運行，是否要求回饋制動；本設(shè)計任務(wù)已規(guī)定采用晶閘管三相全控橋式整流電路，具有以下特點：變壓器利用率直流側(cè)脈動情況元件利用率（導(dǎo)通角）直流磁化波形畸變（畸變系數(shù)）應(yīng)用場合三相全控橋式好（0.95）較?。╩=6）較好（120）無較?。?.955）應(yīng)用范圍廣三相全控橋式計算系數(shù)整流變壓器二次相電流計算系數(shù)=0.816換相電抗壓降系數(shù)=0.5一次相電流計算系數(shù)=0.816整流電壓計算系數(shù)=2.34視在功率計算系數(shù)=1.05晶閘管電壓計算系數(shù)=2.45漏抗計算系數(shù)=

6、1.22電流計算系數(shù)=0.367漏抗折算系數(shù)=2電阻折算系數(shù)=22整流變壓器的選擇：整流變壓器一次側(cè)接交流電網(wǎng)，二次側(cè)連接整流裝置。整流變壓器的選擇主要內(nèi)容有連接方式、額定電壓、額定電流、容量等。（1）整流變壓器的作用和特點1） 整流變壓器的作用：變換整流器的輸入電壓等級。由于要求整流器輸出直流電壓一定，若整流橋路的交流輸入電壓太高，則晶閘管運行時的觸發(fā)延遲角需要較大；若整流器輸入電壓太低，則可能在觸發(fā)延遲角最小時仍不能達到負載要求的電壓額定值。所以，通常采用整流變壓器變換整流器的輸入電壓等級，以得到合適的二次電壓。實現(xiàn)電網(wǎng)與整流裝置的電氣隔離，改善電源電壓波形，減少整流裝置的諧波對電網(wǎng)的干擾

7、。2）整流變壓器的特點：由于整流器的各橋臂在一周期內(nèi)輪流導(dǎo)通，整流變壓器二次繞組電流并非正弦波（近似方波），電流含有直流分量，而一次電流不含直流分量，使整流變壓器視在功率比直流輸出功率大。當整流器短路或晶閘管擊穿時，變壓器中可能流過很大的短路電流。為此要求變壓器阻抗要大些，以限制短路電流。整流變壓器由于通過非正弦電流引起較大的漏抗壓降，因此它的直流輸出電壓外特性較軟。整流變壓器二次側(cè)可能產(chǎn)生異常的過電壓，因此要有很好的絕緣。3）整流變壓器的聯(lián)結(jié)方式（2）.整流變壓器二次相電壓的計算1）整流變壓器的參數(shù)計算應(yīng)考慮的因素。由于整流器負載回路的電感足夠大，故變壓器內(nèi)阻及晶閘管的通態(tài)壓降可忽略不計，但

8、在整流變壓器的參數(shù)計算時，還應(yīng)考慮如下因素：a)最小觸發(fā)延遲角：對于要求直流輸出電壓保持恒定的整流裝置，應(yīng)能自動調(diào)節(jié)補償。一般可逆系統(tǒng)的取3035，不可逆系統(tǒng)的取1015。b)電網(wǎng)電壓波動：根據(jù)規(guī)定，電網(wǎng)電壓允許波動范圍為+5%-10%，考慮在電網(wǎng)電壓最低時，仍能保證最大整流輸出電壓的要求，通常取電壓波動系數(shù)b=0.91.05。c)漏抗產(chǎn)生的換相壓降。d)晶閘管或整流二極管的正向?qū)▔航怠?)二次相電壓的計算a)用于轉(zhuǎn)速反饋的調(diào)速系統(tǒng)的整流變壓器式中 變壓器二次相電壓（v）; 電動機的額定電壓（v）; 整流電壓計算系數(shù)； b電壓波動系數(shù)，一般取b=0.901.05； 晶閘管的最小觸發(fā)延遲角；換

9、相電感壓降計算系數(shù)；變壓器阻抗電壓比，100kva以下取0.05，容量越大，越大（最大為0.1）;變壓器的最大工作電流,它與電動機的最大工作電流相等（a）；電動機的額定電流（a）。電動機的電樞電阻（）。b)要求不高的場合，還可以采用簡便計算，即c)當調(diào)速系統(tǒng)采用三相橋式整流電路并帶轉(zhuǎn)速負反饋時，一般情況下變壓器二次側(cè)采用y聯(lián)結(jié)，也可按下式估算：對于不可逆系統(tǒng)：對于可逆系統(tǒng)：(3)二次相電流的計算 式中 二次相電流計算系數(shù)； 整流器額定直流電流（a）。 當整流器用于電樞供電時，一般取。在有環(huán)流系統(tǒng)中，變壓器通常設(shè)有兩個獨立的二次繞組，其二次相電流為 式中平均環(huán)流，通常。(4)一次相電流計算 式中

10、 一次相電流計算系數(shù)； 變壓器的電壓比。 考慮變壓器自身的勵磁電流時，應(yīng)乘以1.05左右的系數(shù)。(5)變壓器的容量計算 一次容量：二次容量：平均總?cè)萘浚?式中 、變壓器一次、二次繞組相數(shù)，對于三相全控橋； 一次相電流計算系數(shù)； 整流器空載電壓（v）; 二次相電流計算系數(shù)； 整流電壓計算系數(shù)。3.整流器件的選擇：晶閘管選擇：晶閘管的選擇主要是根據(jù)整流的運行條件，計算晶閘管電壓、電流值，選出晶閘管的型號規(guī)格。在工頻整流裝置中一般選擇kp型普通晶閘管，其主要參數(shù)為額定電壓、額定電流值。（1） 額定電壓選擇應(yīng)考慮下列因素：1） 分析電路運行時晶閘管可能承受的最大電壓值。2） 考慮實際情況，系統(tǒng)應(yīng)留有足

11、夠的裕量。通常可考慮23倍的安全裕量。即 式中 晶閘管可能承受的最大電壓值（v）.當整流器的輸入電壓和整流器的連接方式已確定后，整流器的輸入電壓和晶閘管可能承受的最大電壓有固定關(guān)系，常采用查計算系數(shù)表來選擇計算，即 式中 晶閘管的電壓計算系數(shù)； 整流變壓器二次相電壓（v）。 3)按計算值換算出晶閘管的標準電壓等級值。 （2）額定電流選擇：晶閘管是一種過載能力較小的元件，選擇額定電流時，應(yīng)留有足夠的裕量，通?？紤]選擇1.52倍的安全裕量。 1）通用計算式：式中 流過晶閘管的最大電流有效值（a）。2）實際計算中，常常是負載的平均電流已知，整流器連接及運行方式已經(jīng)確定，即流過晶閘管的最大電流有效值和

12、負載平均電流有固定系數(shù)關(guān)系。這樣通過查對應(yīng)系數(shù)使計算過程簡化。當整流電路電抗足夠大且整流電流連續(xù)時，可用下述經(jīng)驗公式近似地估算晶閘管額定通態(tài)平均電流。 式中 晶閘管電流計算系數(shù)； 整流器輸出最大平均電流（a）;當采用晶閘管作為電樞供電時，取為電動機工作電流的最大值。整流二極管計算與選擇和晶閘管方法相同。4.平波電抗器的選擇：平波和均衡電抗器在主回路中的作用及布置晶閘管整流器的輸出直流電壓是脈動的，為了限制整流電流的脈動、保持電流連續(xù)，常在整流器的直流輸出側(cè)接入帶有氣隙的電抗器，稱作平波電抗器。在有環(huán)流可逆系統(tǒng)中，環(huán)流不通過負載，僅在正反向兩組變流器之間流通，可能造成晶閘管過流損壞。為此，通常在

13、環(huán)流通路中串入環(huán)流電抗器（稱均衡電抗器），將環(huán)流電流限制在一定的數(shù)值內(nèi)。電抗器在回路中位置不同，其作用不同。對于不可逆系統(tǒng)，在電動機電樞端串聯(lián)一個平波電抗器，使得電動機負載得到平滑的直流電流，取合適的電感量，能使電動機在正常工作范圍內(nèi)不出現(xiàn)電流斷續(xù)，還能抑制短路電流上升率。(1)平波電抗器選擇電抗器的主要參數(shù)有額定電抗、額定電流、額定電壓降及結(jié)構(gòu)形式等。計算各種整流電路中平波電抗器和均衡電抗器電感值時，應(yīng)根據(jù)電抗器在電路中的作用進行選擇計算。a)從減少電流脈動出發(fā)選擇電抗器。b)從電流連續(xù)出發(fā)選擇電抗器。c)從限制環(huán)流出發(fā)選擇電抗器。此外，還應(yīng)考慮限制短路電流上升率等。由于一個整流電路中，通常

14、包含有電動機電樞電抗、變壓器漏抗和外接電抗器的電抗三個部分，因此，首先應(yīng)求出電動機電樞（或勵磁繞組）電感及整流變壓器漏感，再求出需要外接電抗器的電感值。1） 直流電動機電樞電感：mh式中 直流電動機的額定電壓（v）; 直流電動機的額定電流（a）; 直流電動機的額定轉(zhuǎn)速（rpm/min）; p直流電動機的磁極對數(shù)； 計算系數(shù)。一般無補償電動機取812，快速無補償電動機取68，有補償電動機取56。 2）整流變壓器的漏感。整流變壓器折合二次側(cè)的每相漏感： （mh）式中 計算系數(shù)，三相全橋取3.9，三相半波取6.75； 整流變壓器短路電壓百分比，一般取0.050.1； 整流變壓器二次相電壓（v）; 直

15、流電動機額定電流（a）。3）保證電流連續(xù)所需電抗器的電感值。當電動機負載電流 小到一定程度時，會出現(xiàn)電流斷續(xù)的現(xiàn)象，將使直流電動機的機械特性變軟。為了使輸出電流在最小負載電流時仍能連續(xù)，所需的臨界電感值可用下式計算：（mh）式中 臨界計算系數(shù)，單相全控橋取2.87，三相半波1.46，三相全控橋0.693； 整流變壓器二次相電壓（v）; 電動機最小工作電流（a）,一般取電動機額定電流的5%10%。 實際串聯(lián)的電抗器的電感值式中 n系數(shù)，三相橋取2，其余取1。4）限制電流脈動所需電抗器的電感值。由于晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動的，該脈動電流可以看成是一個恒定直流分量和一個交流分量組成的。通常負載

16、需要的是直流分量，而過大的交流分量會使電動機換向惡化和鐵耗增加。因此，應(yīng)在直流側(cè)串聯(lián)平波電抗器以限制輸出電流的脈動量。將輸出電流的脈動量限制在要求的范圍內(nèi)所需要的最小電感量：（mh）式中 臨界計算系數(shù)，單相全控橋4.5，三相半波2.25，三相全控橋1.045； 電流最大允許脈動系數(shù)，通常單相電路取20%，三相電路取5%10%； 整流變壓器二次側(cè)相電壓（v）; 電動機最小工作電流（a）,取電動機 額定電流的5%10%。 實際串接的電抗器的電感值： (mh)式中 n系數(shù)，三相橋取2，其余取1。(2) 均衡電抗器選擇:限制環(huán)流所需的電抗器的電感值：（mh）式中 計算系數(shù)，單相全控橋2.87，三相半波

17、1.46，三相全控橋0.693； 環(huán)流平均值（a）; 整流變壓器二次側(cè)相電壓（v）。 實際串接的均衡電抗器的電感值： （mh）5.觸發(fā)電路的選擇；二 .系統(tǒng)各主要參數(shù)的估計與計算系統(tǒng)的許多參數(shù)，要靠現(xiàn)場實驗測定。具備測試條件，當然很好。這里介紹的則是不具備測試條件時，如何進行估算的方法。1. 最低限度須掌握的原始數(shù)據(jù)：實際上大體為電動機銘牌數(shù)據(jù)：2 .派生參數(shù):式中：每周期換流次數(shù)； 整流變壓器短路電壓比，在銘牌數(shù)據(jù)標有，也可由電工手冊查，一般約為0.05； 整流變壓器二次繞組相電壓（v）; 整流變壓器二次繞組相電流（a）。式中：電樞回路總電感量（h）; 電樞回路總電阻值（）。3.系統(tǒng)參數(shù) 晶

18、閘管整流器放大系數(shù)； 晶閘管整流器失控時間（s），可查表2-2； 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)（s）;電流濾波時間常數(shù)（s）;系統(tǒng)最大運行速度（r/min）;電動機允許最大電流（a）;電動機允許最大過載系數(shù)；轉(zhuǎn)速給定信號最大值（v）;電流給定信號最大值（v）；速度反饋系數(shù)（vs/min）;電流反饋系數(shù)（v/a）;三 電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計思路轉(zhuǎn)速、電流負反饋雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成圖3-2 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 ta電流互感器 upe電力電子變換器為了獲得良好的靜、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，這樣構(gòu)成的雙閉

19、環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖示于下圖。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；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。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有下列關(guān)系： 上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上， 轉(zhuǎn)速 n 是由給定電壓u*n決定的； asr的輸出量u*i是由負載電流 idl 決定的；控制電壓 uc 的大小則同時取決于 n 和 id，或者說，同時取決于u*n 和 idl。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù) 圖2-22 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)設(shè)計的一般原則：“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)

20、”。即從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴展。在這里，首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。（一）電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計分為以下幾個步驟：1.電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化：簡化內(nèi)容：（1）忽略反電動勢的動態(tài)影響；（2）等效成單位負反饋系統(tǒng)：（3）小慣性環(huán)節(jié)近似處理：由于ts 和 t0i 一般都比tl 小得多，可以當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3-19c。 2.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3-19c可以看出，采用 i 型

21、系統(tǒng)就夠了。從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，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3-19c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)。3.電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖3-20a所示的典型形式，其中 在一般情況下，希望電流超調(diào)量si 5%，由表3-1，可選 x =0.707，ki tsi =0.5，則4.電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)u*i 為電流給定電壓； bid 為電流負反饋電壓； uc 電力電子變換器的控制電壓。（二）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計設(shè)計分為以下幾個步驟：1.電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞