自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計封皮及任務(wù)書

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 設(shè)計題目：含有電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 院 系：電氣工程系 班 級：1002304 設(shè) 計 者：王赫 學(xué) 號：100250125 同 組 人：李守靖 沈重 陳光龍 指導(dǎo)教師：吳世華 設(shè)計時間：2013.11.11 目錄一、題目分析2二、主電路的選型和系統(tǒng)組成22.1 晶閘管結(jié)構(gòu)型式的確定22.2 含有電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)工作原理4三、調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計算43.1 整流變壓器容量計算43.2 晶閘管的選擇63.3保護(hù)電路的設(shè)計計算7四、控制電路的選型設(shè)計94.1 KC04簡介94.2三相全控橋整流電路的

2、集成觸發(fā)電路10五、調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計115.1電流調(diào)節(jié)器ACR的設(shè)計115.2測速發(fā)電機的設(shè)計135.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的設(shè)計135.4 平波電抗器的設(shè)計15六、設(shè)計過程問題分析15參考資料：15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1002304學(xué) 生陳光龍指導(dǎo)教師吳世華題 目含有電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計子 題設(shè)計時間2013年11月4日 至 2013年11月15日 共2周設(shè)計要求設(shè)計（論文）的任務(wù)和基本要求，包括設(shè)計任務(wù)、查閱文獻(xiàn)、方案設(shè)計、說明書（計算、圖紙、撰寫內(nèi)容及規(guī)范等）、工作量等內(nèi)容。一、設(shè)計目的：1. 通過課程設(shè)計掌握雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計方法。2.

3、 掌握典型雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，動態(tài)和靜態(tài)性能指標(biāo)和電流斷續(xù)時的處理。3. 根據(jù)實際情況，掌握設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器（包含電流斷續(xù)）的一般方法。4. 培養(yǎng)自己科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度。二、設(shè)計內(nèi)容：1. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器（ASR，ACR）具有抗干擾濾波能力，穩(wěn)態(tài)運行無靜差。2. 電流調(diào)節(jié)器ACR具有電流自適應(yīng)功能。3. 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差。4. 動態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量i15%；空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10%。三、參數(shù)選擇：基本參數(shù)如下：直流電動機：220V，36A，1460r/min，Ce=0.127Vmin/r，允許過載倍數(shù)=1.5。晶閘管裝置放大系數(shù)：Ks=33。電樞回路總電阻：

4、R=0.3。時間常數(shù)：Tl=0.03s，Tm=0.18s。電流反饋系數(shù)：=0.185V/A（10V/1.5Inom）。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：=0.007Vmin/r（10V/Nnom）。指導(dǎo)教師簽字： 系（教研室）主任簽字：年 月 日一、題目分析轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有。的優(yōu)點，但是在設(shè)計中電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)器動態(tài)參數(shù)是按電流連續(xù)的情況下選取的，如果輕載下平波電抗器的電感量又不是十分大，就會出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。當(dāng)電流斷續(xù)時，將使調(diào)節(jié)對象的放大倍數(shù)大大降低，電樞回路時間常數(shù)Tl消失。此時的電流調(diào)節(jié)器若仍然采用PI調(diào)節(jié)器，則電流環(huán)響應(yīng)變慢，轉(zhuǎn)速換被控對象小時間常數(shù)增加，將造成轉(zhuǎn)速環(huán)的低頻振蕩。此時電流環(huán)若

5、仍按I型系統(tǒng)設(shè)計，電流調(diào)節(jié)器應(yīng)該是一個小時間常數(shù)的積分調(diào)節(jié)器。圖1 電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器線路圖二、主電路的選型和系統(tǒng)組成2.1 晶閘管結(jié)構(gòu)型式的確定一、設(shè)計思路本設(shè)計中直流電動機由單獨的可調(diào)整流裝置供電，采用三相橋式全控整流電路作為直流電動機的可調(diào)直流電源。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)延遲角的大小來控制輸出電壓Ud的大小，從而改變電動機M的電源電壓。由改變電源電壓調(diào)速系統(tǒng)的機械特性方程式 Ud 整流電壓 R 整流裝置內(nèi)阻可知，改變Ud，即可改變轉(zhuǎn)速n。二、主電路的確定雖然三相半波可控整流電路使用的晶閘管個數(shù)只是三相全控橋整流電路的一半，但它的性能不及三相全控橋整流電路。三相橋式全控整流電路是目前應(yīng)用最廣泛的整流電

6、路，其輸出電壓波動小，適合直流電動機的負(fù)載，并且該電路組成的調(diào)速裝置調(diào)節(jié)范圍廣。把該電路應(yīng)用于本設(shè)計，能實現(xiàn)電動機連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電動機不可逆運行等技術(shù)要求。三相橋式全控整流電路實際上是組成三相半波晶閘管整流電路中的共陰極組和共陽極組串聯(lián)電路，如圖六所示。三相全控橋整流電路可實現(xiàn)對共陰極組和共陽極組同時進(jìn)行控制，控制角都是。在一個周期內(nèi)6個晶閘管都要被觸發(fā)一次，觸發(fā)順序依次為：，6個觸發(fā)脈沖相位依次相差。為了構(gòu)成一個完整的電流回路，要求有兩個晶閘管同時導(dǎo)通，其中一個在共陽極組，另外一個在共陰極組。為此，晶閘管必須嚴(yán)格按編號輪流導(dǎo)通。晶閘管與 按A相，晶閘管與 按B相，晶閘管與 按C相，晶

7、閘管接成共陽極組，晶閘管 接成共陰極組。在電路控制下，只有接在電路共陰極組中電位為最高又同時輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，以及接在電路共陽極組中電位最低而同時輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，同時導(dǎo)通時，才構(gòu)成完整的整流電路。由于電網(wǎng)電壓與工作電壓（U2）常常不一致，故在主電路前端需配置一個整流變壓器，以得到與負(fù)載匹配的電壓，同時把晶閘管裝置和電網(wǎng)隔離，可起到降低或減少晶閘管變流裝置對電網(wǎng)和其他用電設(shè)備的干擾?？紤]到控制角增大，會使負(fù)載電流斷續(xù)，并且負(fù)載為直流電動機時，由于電流斷續(xù)和直流的脈動，會使晶閘管導(dǎo)通角減少，整流器等效內(nèi)阻增大，電動機的機械特性變軟，換向條件惡化，并且增加電動機的損耗，故在直流側(cè)串接一個平

8、波電抗器，以限制電流的波動分量，維持電流連續(xù)。為了使元件免受在突發(fā)情況下超過其所承受的電壓電流的侵害，電路中加入了過電壓、過電流保護(hù)裝置。圖2 三相橋式全控整流電路2.2 含有電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)工作原理一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖二、工作原理圖3中電流調(diào)節(jié)器ACR增加圖1所示的自適應(yīng)調(diào)節(jié)器，電流連續(xù)時，場效應(yīng)管VT夾斷， 電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為，電流斷續(xù)時VT導(dǎo)通，經(jīng)過小電阻R2將R1與C1的中間接地，是ACR變成積分環(huán)節(jié)，則電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)變成（當(dāng)圖1中時）三、調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計算3.1 整流變壓器容量計算一、次級電壓U2： 為了保證負(fù)載

9、能正常工作，當(dāng)主電路的接線形式和負(fù)載要求的額定電壓確定之后，晶閘管交流側(cè)的電壓U2只能在一個較小的范圍內(nèi)變化，為此必須精確計算整流變壓器次級電壓U2。影響U2值的因素有：（1）U2值的大小首先要保證滿足負(fù)載所需求的最大直流值（2）晶閘管并非是理想的可控開關(guān)元件，導(dǎo)通時有一定的管壓降，用UT表示（3）變壓器漏抗的存在會產(chǎn)生換相壓降（4）平波電抗器有一定的直流電阻，當(dāng)電流流經(jīng)該電阻時就要產(chǎn)生一定的電壓降（5）電樞電阻的壓降綜合以上因素得到的U2精確表達(dá)式為： A= Ud0/U2，表示當(dāng)控制角=0°時，整流電壓平均值與變壓器次級相電壓有效值之比。B=Ud/Ud0，表示控制角為時和=00時整

10、流電壓平均值之比。UK%變壓器的短路電壓百分比，100千伏安以下的變壓器取UK%=5，1001000千伏安的變壓器取UK%=58為電網(wǎng)電壓波動系數(shù)。根據(jù)規(guī)定，允許波動+5%-10%，即=1.050.9C是與整流主電路形式有關(guān)的系數(shù)，表示電動機電樞電路總電阻的標(biāo)么值，對容量為15150KW的電動機，通常ra=0.080.04nUT表示主電路中電流經(jīng)過幾個串聯(lián)晶閘管的管壓降對于本設(shè)計：為了保證電動機負(fù)載能在額定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn),計算所得的U2應(yīng)有一定的裕量,根據(jù)經(jīng)驗所知,公式中的控制角應(yīng)取300為宜。=0.9,A=2.34,B=0=，C=0.5，UK%=5 = 取U2=137.38取U2 =138V,電

11、壓比=2.75二、次級電流I2和變壓器容量：Id =36A , ,KI2為各種接線形式時變壓器次級電流有效值和負(fù)載電流平均值之比。對于本設(shè)計、KI1取0.816，故 I2=0.816×36=29.37A在計算得到變壓器次級相電壓有效值U2以及相電流有效值I2后，根據(jù)變壓器本身的相數(shù)m就可計算變壓器的容量，其值為 平均計算容量 3.2 晶閘管的選擇一、晶閘管的額定電壓由三相全控橋式整流電路的波形（圖2-4）分析知，晶閘管最大正、反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值 故橋臂的工作電壓幅值為：考慮裕量，則額定電壓為：2、晶閘管的額定電流 晶閘管電流的有效值為：考慮裕量：取=30A。故選晶閘

12、管型號為KP30-20晶閘管原件3.3保護(hù)電路的設(shè)計計算1、過電壓保護(hù)：交流側(cè)過電壓的保護(hù) 圖4 保護(hù)電路 采用RC過電壓抑制電路如圖一所示，在變壓器次級并聯(lián)RC電路，以吸收變壓器鐵心的磁場釋放的能量，并把它轉(zhuǎn)換為電容器的電場能而存儲起來，串聯(lián)電阻是為了在能量轉(zhuǎn)換過程中可以消耗一部分能量并且抑制LC回路可能產(chǎn)生的震蕩。本設(shè)計采用三相全控橋整流電路，變壓器的繞組為Y聯(lián)結(jié)，阻容保護(hù)裝置采用三角形接法，故可按下式計算阻容保護(hù)元件的參數(shù) 電容C的耐壓 電阻R的功率為 式中 ST變壓器每相平均計算容量（VA）U2變壓器次級相電壓有效值（V）勵磁電流百分比，當(dāng)ST幾百伏安時=10，當(dāng)ST1000伏安時=3

13、5UK%變壓器的短路電壓百分比IC,UC當(dāng)R正常工作時電流電壓的有效值（A，V） 對于本設(shè)計，UK%=5， =5，ST=12.2/3=4.07KVA（1） 電容器的計算,取3uF取510V選擇C=3F，耐壓510V的金屬化紙介電容(2)電阻值的計算取R=35，RC支路電流IC近似為電阻R的功率為 直流側(cè)的過電壓保護(hù) 整流器直流側(cè)開斷時，如直流側(cè)快速開關(guān)斷開或橋臂快熔熔斷等情況，也會在A、B之間產(chǎn)生 過電壓，如圖二所示本設(shè)計用非線性元氣件抑制過電壓，在A、B之間接入的是壓敏電阻，這是由氧化鋅、氧化鉍等燒結(jié)制成的非線性電阻元件，它具有正反向相同的很陡的伏安特性，擊穿前漏電流為微安數(shù)量級，損耗很小，

14、過電壓時(擊穿后)則能通過達(dá)數(shù)千 安的浪涌電流， 所以抑制電流能力很強。壓敏電阻的額定電壓U1mA的選取可按下式計算Ud0為晶閘管控制角=00時直流輸出電壓 對于本設(shè)計：通常用于中小功率整流器操作過電壓保護(hù)時，壓敏電阻通流容量可選擇（35）晶閘管換相過電壓保護(hù) 如右圖，在晶閘管元件兩端并聯(lián)RC電路，起到晶閘管換相過電壓的保護(hù)。串聯(lián)電阻R的作用一是阻尼LTC回路的震蕩，二是限制晶閘管開通瞬間的損耗且可減小電流上升率di/dt。R、C值可按經(jīng)驗數(shù)據(jù)選取，R=(1030)C=(24)二、過電流保護(hù) 在電路中串接的器件是快速熔斷器，這是一種最簡單有效而應(yīng)用最普遍的過電流保護(hù)元件，其斷流時間一般小于10

15、ms，按圖接法熔斷器與每一個晶閘管元件相串聯(lián)，可靠的保護(hù)每一個晶閘管元件。四、控制電路的選型設(shè)計由于集成電路可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便，隨著集成電路制作技術(shù)的提高，晶閘管觸發(fā)電路的集成已經(jīng)逐漸普及，現(xiàn)已經(jīng)逐步取代分立式電路. 4.1 KC04簡介KC04與分立元件的鋸齒波移相觸發(fā)電路相似，分為同步、鋸齒波形成、移相、脈沖形成、脈沖輸出幾個環(huán)節(jié)。電路原理圖如圖所示KC04電路原理圖4.2三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路只需采用3個KJ004集成塊和一個KJ041集成塊，即可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進(jìn)行脈沖放大，即構(gòu)成完整的三項全控橋出發(fā)電路，如圖所示三相全控橋整流電路的

16、集成觸發(fā)電五、調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計5.1電流調(diào)節(jié)器ACR的設(shè)計（1）確定時間常數(shù)采用三項橋式晶閘管整流裝置供電，平均失控時間如表所示表1 晶閘管整流器的失控時間（f=50Hz）整流電路形式最大失控時間Tsmax(ms)平均失控時間 Ts(ms)單相半波2010單相橋式（全波）105三相半波6.673.33三相橋式3.331.67平均失控時間為電流反饋濾波時間常數(shù)Toi三相橋式電路每個波頭的時間是3.33ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有Toi=3.33ms，因此取Toi=0.002s取電流環(huán)小時間常數(shù)，（2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)電流超調(diào)量，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按I型系統(tǒng)設(shè)計調(diào)節(jié)器，電流環(huán)控制對象為雙慣性型

17、，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)，（3）計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：，根據(jù)表所示，表1 典型型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.50.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調(diào)量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時間6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時間8.3T6.2T4.7T3.2T相角裕度76.369.965.559.251.8截止頻率0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T可取，電流環(huán)開環(huán)增益，ACR的比例系數(shù),電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為，（4）校驗近似條件電流環(huán)截止頻率為，檢驗晶

18、閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 滿足近似條件檢驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響條件，滿足近似條件，檢驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 滿足近似條件（5）計算調(diào)節(jié)器的電阻和電容電流調(diào)節(jié)器ACR的原理圖如圖所示圖 電流調(diào)節(jié)器ACR的原理圖取調(diào)節(jié)器輸入回路電阻，取8，取3.75uF，取0.2uF，按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到動態(tài)跟隨性能指標(biāo)，滿足設(shè)計要求。5.2測速發(fā)電機的設(shè)計選擇測速發(fā)電機為永磁式測速發(fā)電機，型號：ZYS231/110。額定數(shù)據(jù)為23.1W，110V，0.21A，1900r/min，則測速發(fā)電機的電動勢系數(shù)電位器RP2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，去測速發(fā)電機輸出最高電壓時，其電流約為額定制的20%。則此時RP2消耗的功率為：所以RP2選為10W，1.5K的可調(diào)電位器。5.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的設(shè)計（1） 確定時間常數(shù)已知電流環(huán)等效時間常數(shù)，根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況取轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)，轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)，（2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計要求選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為，（3）計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)根據(jù)跟隨性能和抗擾性能較好的原則，取h=5，ASR的超前時間常數(shù)為，轉(zhuǎn)速開環(huán)增益，ASR的比例系數(shù)為，（4）檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為電流環(huán)傳