自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)封皮及任務(wù)書

1、自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱：自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)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(jí)：1002304 設(shè) 計(jì) 者：王赫 學(xué) 號(hào)：100250125 同 組 人：李守靖 沈重 陳光龍 指導(dǎo)教師：吳世華 設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)算43.1 整流變壓器容量計(jì)算43.2 晶閘管的選擇63.3保護(hù)電路的設(shè)計(jì)計(jì)算7四、控制電路的選型設(shè)計(jì)94.1 KC04簡(jiǎn)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(jì)115.1電流調(diào)節(jié)器ACR的設(shè)計(jì)115.2測(cè)速發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)135.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的設(shè)計(jì)135.4 平波電抗器的設(shè)計(jì)15六、設(shè)計(jì)過程問題分析15參考資料：15課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書專 業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化班 級(jí)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(jì)子 題設(shè)計(jì)時(shí)間2013年11月4日 至 2013年11月15日 共2周設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)（論文）的任務(wù)和基本要求，包括設(shè)計(jì)任務(wù)、查閱文獻(xiàn)、方案設(shè)計(jì)、說明書（計(jì)算、圖紙、撰寫內(nèi)容及規(guī)范等）、工作量等內(nèi)容。一、設(shè)計(jì)目的：1. 通過課程設(shè)計(jì)掌握雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方法。2.

3、 掌握典型雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能指標(biāo)和電流斷續(xù)時(shí)的處理。3. 根據(jù)實(shí)際情況，掌握設(shè)計(jì)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(jì)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(yùn)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(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量i15%；空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)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(dòng)機(jī)：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(shí)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(diǎn)，但是在設(shè)計(jì)中電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)器動(dòng)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(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，將使調(diào)節(jié)對(duì)象的放大倍數(shù)大大降低，電樞回路時(shí)間常數(shù)Tl消失。此時(shí)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(duì)象小時(shí)間常數(shù)增加，將造成轉(zhuǎn)速環(huán)的低頻振蕩。此時(shí)電流環(huán)若

5、仍按I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電流調(diào)節(jié)器應(yīng)該是一個(gè)小時(shí)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(jì)思路本設(shè)計(jì)中直流電動(dòng)機(jī)由單獨(dú)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)M的電源電壓。由改變電源電壓調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)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(gè)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(dòng)小，適合直流電動(dòng)機(jī)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(jì)，能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電動(dòng)機(jī)不可逆運(yùn)行等技術(shù)要求。三相橋式全控整流電路實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)共陰極組和共陽極組同時(shí)進(jìn)行控制，控制角都是。在一個(gè)周期內(nèi)6個(gè)晶閘管都要被觸發(fā)一次，觸發(fā)順序依次為：，6個(gè)觸發(fā)脈沖相位依次相差。為了構(gòu)成一個(gè)完整的電流回路，要求有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，其中一個(gè)在共陽極組，另外一個(gè)在共陰極組。為此，晶閘管必須嚴(yán)格按編號(hào)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(shí)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(shí)輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管，同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，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(gè)整流變壓器，以得到與負(fù)載匹配的電壓，同時(shí)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(duì)電網(wǎng)和其他用電設(shè)備的干擾。考慮到控制角增大，會(huì)使負(fù)載電流斷續(xù)，并且負(fù)載為直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，由于電流斷續(xù)和直流的脈動(dòng)，會(huì)使晶閘管導(dǎo)通角減少，整流器等效內(nèi)阻增大，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變軟，換向條件惡化，并且增加電動(dòng)機(jī)的損耗，故在直流側(cè)串接一個(gè)平

8、波電抗器，以限制電流的波動(dòng)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(shí)，場(chǎng)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(shí)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(shí)）三、調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計(jì)算3.1 整流變壓器容量計(jì)算一、次級(jí)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(gè)較小的范圍內(nèi)變化，為此必須精確計(jì)算整流變壓器次級(jí)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(shí)有一定的管壓降，用UT表示（3）變壓器漏抗的存在會(huì)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(shí)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(shí)，整流電壓平均值與變壓器次級(jí)相電壓有效值之比。B=Ud/Ud0，表示控制角為時(shí)和=00時(shí)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(dòng)系數(shù)。根據(jù)規(guī)定，允許波動(dòng)+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(dòng)機(jī)電樞電路總電阻的標(biāo)么值，對(duì)容量為15150KW的電動(dòng)機(jī)，通常ra=0.080.04nUT表示主電路中電流經(jīng)過幾個(gè)串聯(lián)晶閘管的管壓降對(duì)于本設(shè)計(jì)：為了保證電動(dòng)機(jī)負(fù)載能在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn),計(jì)算所得的U2應(yīng)有一定的裕量,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(jí)電流I2和變壓器容量：Id =36A , ,KI2為各種接線形式時(shí)變壓器次級(jí)電流有效值和負(fù)載電流平均值之比。對(duì)于本設(shè)計(jì)、KI1取0.816，故 I2=0.816×36=29.37A在計(jì)算得到變壓器次級(jí)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(jì)算變壓器的容量，其值為 平均計(jì)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(hào)為KP30-20晶閘管原件3.3保護(hù)電路的設(shè)計(jì)計(jì)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(jí)并聯(lián)RC電路，以吸收變壓器鐵心的磁場(chǎng)釋放的能量，并把它轉(zhuǎn)換為電容器的電場(chǎng)能而存儲(chǔ)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(jì)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(jì)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(jì)算容量（VA）U2變壓器次級(jí)相電壓有效值（V）勵(lì)磁電流百分比，當(dāng)ST幾百伏安時(shí)=10，當(dāng)ST1000伏安時(shí)=3

13、5UK%變壓器的短路電壓百分比IC,UC當(dāng)R正常工作時(shí)電流電壓的有效值（A，V） 對(duì)于本設(shè)計(jì)，UK%=5， =5，ST=12.2/3=4.07KVA（1） 電容器的計(jì)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(jì)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(shí)，如直流側(cè)快速開關(guān)斷開或橋臂快熔熔斷等情況，也會(huì)在A、B之間產(chǎn)生 過電壓，如圖二所示本設(shè)計(jì)用非線性元?dú)饧种七^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(jí)，損耗很小，

14、過電壓時(shí)(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(qiáng)。壓敏電阻的額定電壓U1mA的選取可按下式計(jì)算Ud0為晶閘管控制角=00時(shí)直流輸出電壓 對(duì)于本設(shè)計(jì)：通常用于中小功率整流器操作過電壓保護(hù)時(shí)，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(yàn)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(jiǎn)單有效而應(yīng)用最普遍的過電流保護(hù)元件，其斷流時(shí)間一般小于10

15、ms，按圖接法熔斷器與每一個(gè)晶閘管元件相串聯(lián)，可靠的保護(hù)每一個(gè)晶閘管元件。四、控制電路的選型設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(gè)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(gè)KJ004集成塊和一個(gè)KJ041集成塊，即可形成六路雙脈沖，再由六個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大，即構(gòu)成完整的三項(xiàng)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(jì)5.1電流調(diào)節(jié)器ACR的設(shè)計(jì)（1）確定時(shí)間常數(shù)采用三項(xiàng)橋式晶閘管整流裝置供電，平均失控時(shí)間如表所示表1 晶閘管整流器的失控時(shí)間（f=50Hz）整流電路形式最大失控時(shí)間Tsmax(ms)平均失控時(shí)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(shí)間為電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)Toi三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)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(shí)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(jì)調(diào)節(jié)器，電流環(huán)控制對(duì)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(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：，根據(jù)表所示，表1 典型型系統(tǒng)動(dòng)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(shí)間6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時(shí)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(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率為，檢驗(yàn)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(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響條件，滿足近似條件，檢驗(yàn)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 滿足近似條件（5）計(jì)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(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)，滿足設(shè)計(jì)要求。5.2測(cè)速發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)選擇測(cè)速發(fā)電機(jī)為永磁式測(cè)速發(fā)電機(jī)，型號(hào)：ZYS231/110。額定數(shù)據(jù)為23.1W，110V，0.21A，1900r/min，則測(cè)速發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)電位器RP2選擇方法如下：為了使測(cè)速發(fā)電機(jī)的電樞壓降對(duì)轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)的線性度沒有顯著影響，去測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出最高電壓時(shí)，其電流約為額定制的20%。則此時(shí)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(jì)（1） 確定時(shí)間常數(shù)已知電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)，根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況取轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)，轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)，（2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為，（3）計(jì)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(shí)間常數(shù)為，轉(zhuǎn)速開環(huán)增益，ASR的比例系數(shù)為，（4）檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為電流環(huán)傳