運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)-不可逆V-M雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)題目 不可逆V-M雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院 2016年12月18日目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc469480149 一、任務(wù)書 PAGEREF _Toc469480149 h 2 HYPERLINK l _Toc469480150 二、概述 PAGEREF _Toc469480150 h 3 HYPERLINK l _Toc469480151 三、工作原理 PAGEREF _Toc469480151 h 3 HYPERLINK l _Toc46948015

2、2 1電流調(diào)節(jié)器ACR原理圖c PAGEREF _Toc469480152 h 5 HYPERLINK l _Toc469480153 2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR原理圖d PAGEREF _Toc469480153 h 5 HYPERLINK l _Toc469480154 3直流電動(dòng)機(jī) PAGEREF _Toc469480154 h 5 HYPERLINK l _Toc469480155 PAGEREF _Toc469480155 h 7 HYPERLINK l _Toc469480156 PAGEREF _Toc469480156 h 7 HYPERLINK l _Toc469480157 6測(cè)速

3、發(fā)電機(jī) PAGEREF _Toc469480157 h 7 HYPERLINK l _Toc469480158 PAGEREF _Toc469480158 h 8 HYPERLINK l _Toc469480159 1整流變壓器容量的計(jì)算 PAGEREF _Toc469480159 h 8 HYPERLINK l _Toc469480160 晶閘管關(guān)斷過電壓阻容保護(hù) PAGEREF _Toc469480160 h 10 HYPERLINK l _Toc469480161 過流時(shí)調(diào)節(jié)器保護(hù) PAGEREF _Toc469480161 h 10 HYPERLINK l _Toc469480162

4、4保護(hù)裝置的選擇 PAGEREF _Toc469480162 h 11 HYPERLINK l _Toc469480163 五、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc469480163 h 11 HYPERLINK l _Toc469480164 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc469480164 h 12 HYPERLINK l _Toc469480165 確定時(shí)間常數(shù) PAGEREF _Toc469480165 h 13 HYPERLINK l _Toc469480166 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc469480166 h 13 HYPERLINK l _Toc469

5、480167 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù) PAGEREF _Toc469480167 h 13 HYPERLINK l _Toc469480168 校驗(yàn)近似條件 PAGEREF _Toc469480168 h 14 HYPERLINK l _Toc469480169 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 PAGEREF _Toc469480169 h 14 HYPERLINK l _Toc469480170 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 PAGEREF _Toc469480170 h 15 HYPERLINK l _Toc469480171 確定時(shí)間常數(shù) PAGEREF _Toc469480171 h 15 HYPERLINK l _

6、Toc469480172 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc469480172 h 15 HYPERLINK l _Toc469480173 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) PAGEREF _Toc469480173 h 15 HYPERLINK l _Toc469480174 檢驗(yàn)近似條件 PAGEREF _Toc469480174 h 16 HYPERLINK l _Toc469480175 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 PAGEREF _Toc469480175 h 16 HYPERLINK l _Toc469480176 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 PAGEREF _Toc469480176 h 16 HY

7、PERLINK l _Toc469480177 六、總結(jié) PAGEREF _Toc469480177 h 17 HYPERLINK l _Toc469480178 七、附錄： PAGEREF _Toc469480178 h 17 HYPERLINK l _Toc469480179 八、參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc469480179 h 18一、任務(wù)書說明書評(píng)定成績辯論成績?cè)O(shè)計(jì)總成績成績題目一：不可逆V-M雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)(一) 性能指標(biāo)要求：穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：系統(tǒng)無靜差動(dòng)態(tài)指標(biāo)：；空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)。(二)給定電機(jī)及系統(tǒng)參數(shù)，主回路總電阻主回路總電感系統(tǒng)飛輪慣量系統(tǒng)最大給定電壓ACR、A

8、SR調(diào)節(jié)器限幅值調(diào)到為，(三) 設(shè)計(jì)步驟及說明書要求1 畫出雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，并簡要說明工作原理。2 根據(jù)給定電機(jī)參數(shù)，設(shè)計(jì)整流變壓器，并選擇變壓器容量；選擇晶閘管的參數(shù)并確定過流、過壓保護(hù)元件參數(shù)。3 分析觸發(fā)電路及同步相位選擇。4 設(shè)計(jì)ACR、ASR并滿足給定性能指標(biāo)。5 完成說明書，對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)分析時(shí)，應(yīng)先畫出本環(huán)節(jié)原理圖，對(duì)照分析。6打印說明書A4二、概述我們?cè)O(shè)計(jì)的是電樞調(diào)壓、磁場(chǎng)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)。電樞回路采用晶閘管三相全控橋式整流調(diào)壓電路，速度調(diào)節(jié)器采用比例-積分PI結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量 5%，轉(zhuǎn)速超調(diào)量 10%按退飽和方式計(jì)算等指標(biāo)，采用電流截止負(fù)反應(yīng)以限制

9、動(dòng)態(tài)過程的沖擊電流，從而使不可逆VM雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得更簡單。圖 a、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測(cè)速發(fā)電機(jī)TA電流互感器 UPE電力電子變換器三、工作原理由于調(diào)速系統(tǒng)的主要被調(diào)量是轉(zhuǎn)速，故把轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)組成的環(huán)作為外環(huán)主環(huán)，以保證電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確地跟隨給定值，并抵抗外來的干擾；把由電流負(fù)反應(yīng)組成的環(huán)作為內(nèi)環(huán)副環(huán)，以保證動(dòng)態(tài)電流為最大值并保持不變，使電動(dòng)機(jī)快速地起動(dòng)、制動(dòng)，同時(shí)還能起限流作用，并可以對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由給定電壓來確定，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓為，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出電壓作為電流調(diào)節(jié)器ACR的給定

10、信號(hào)ASR的輸出電壓的限幅值決定了ACR給定信號(hào)的最大值；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入偏差電壓，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出電壓作為觸發(fā)電路的控制電壓ACR輸出電壓的限幅值決定了晶閘管整流電壓的最大值；控制著觸發(fā)延遲角，使電動(dòng)機(jī)在期望轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)。第一階段是電流上升階段。第二階段是恒流升速階段。第三階段以后是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。圖 b.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形1電流調(diào)節(jié)器ACR原理圖c 當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器起主導(dǎo)作用時(shí)，ACR力圖使盡快地跟隨給定值，是一個(gè)電流隨動(dòng)系統(tǒng)。圖c、PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR原理圖d 當(dāng)輸入偏差減小到零時(shí)，其輸出由于積分作用還維持在限幅值，電動(dòng)機(jī)仍加速，轉(zhuǎn)速超調(diào)。圖

11、d、PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖3直流電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速稍低，EaU,電流方向由電網(wǎng)順電壓U方向流向電機(jī)。1他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的等效電路圖2額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖在零初始條件下，去等式兩側(cè)的拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù)， 電流與電動(dòng)勢(shì)的傳遞函數(shù) 3整個(gè)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖當(dāng)時(shí)，結(jié)構(gòu)圖化簡為當(dāng)時(shí)，結(jié)構(gòu)圖化簡為再V-M系統(tǒng)中，脈動(dòng)的電流會(huì)增加電機(jī)的發(fā)熱，同時(shí)也增加脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)機(jī)械產(chǎn)生不利。為了防止或減輕這種影響，需采用抑制電流脈動(dòng)的措施，主要是：增加整流電路相數(shù)，或采用多重化技術(shù)。設(shè)置平波電抗器本次試驗(yàn)中采用設(shè)置平波電抗器的方式。平波電抗器的電感一般按低速輕載時(shí)保證電流連續(xù)的條件來選擇。通

12、常首先給定最小電流Idmin，再利用他計(jì)算所的總電感，減去電樞電感，即的平波電抗應(yīng)有的電感值。對(duì)于三相橋式整流電路，L=0693U2/Idmin Idmin一般為電動(dòng)額定電流的5%到10% 經(jīng)計(jì)算可的平波電抗器的電感值為5e-3(50.001)為了保證整流裝置能啟動(dòng)，或在電流斷續(xù)后再導(dǎo)通，必須對(duì)兩組中應(yīng)導(dǎo)通的一對(duì)晶閘管同時(shí)加觸發(fā)脈沖，本次是設(shè)計(jì)中采用加寬脈沖的方式，使每個(gè)脈沖的寬度大于60，取脈沖的寬度為90。脈沖的移項(xiàng)范圍在大電感負(fù)載時(shí)為090由公式Ud=1.35U2lCOSa得，a=456測(cè)速發(fā)電機(jī) 測(cè)速發(fā)電機(jī)原理圖測(cè)速發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)為 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)采用的是鋸齒波觸發(fā)電路. 四、參

13、數(shù)計(jì)算 1整流變壓器容量的計(jì)算1整流變壓器二次測(cè)電壓有效值確實(shí)定 要比擬精確地計(jì)算二次相電壓必考慮以下因素：a最小控制角。對(duì)于要求直流輸出電壓保持恒定或要求電轉(zhuǎn)速恒定的整流裝置,需能自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償,這就要求變壓器二次電壓留有一定的調(diào)節(jié)裕量,不能以0計(jì)算。一般可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)的取3035,不可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)的取1015,對(duì)于電阻性負(fù)載, 可取0b)電網(wǎng)電壓波動(dòng)。根據(jù)規(guī)定電網(wǎng)允許波動(dòng)+5%-(-10%),考慮在電網(wǎng)電壓最底時(shí)要求仍能保證最大整流輸出電壓,故通常取波動(dòng)系數(shù)c).變壓器漏抗產(chǎn)生的換相壓降： eq oac(,1)d)晶閘管或整流二極管正向?qū)▔航?考慮了以上因素以后,變壓器二次電壓的計(jì)算公式為

14、 eq oac(,2)式中 A-理想情況 整流電壓與二次電壓之比C-線路接線方式系數(shù) U-變壓器短路電壓比,100KVA以下取U=0.05,容量越大, U也越大(最大為0.1) -變壓器二次側(cè)實(shí)際工作電流與變壓器二次側(cè)額定電流之比(過載倍數(shù)) 為了簡化計(jì)算，可用理想情況時(shí)的電壓計(jì)算值增加15%來計(jì)算。所以 eq oac(,3) V額定電壓 =(23) eq oac(,4) = eq oac(,5) =216.24=529.68(V) =(23)= (23)529.68=1059.361589.04(V) 取1500V額定電流 2) 三相橋式電路 =0.367 =2104=208(A) eq o

15、ac(,6)=(1.52)208=(1.52)=114.51152.68(A)取150A4整流變壓器容量 eq oac(,7) eq oac(,8)晶閘管關(guān)斷過電壓阻容保護(hù)計(jì)算公式 =取 晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，晶閘管觸發(fā)電路往往還包括對(duì)其觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行控制的相位控制電路。在本設(shè)計(jì)中采用的是三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路，由3個(gè)KJ004集成塊和1個(gè)KJ041集成塊構(gòu)成，可形成六路雙脈沖，再由六個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大。晶閘管關(guān)斷過電壓及其保護(hù)如：即使和元件串聯(lián)的線路電感很小，產(chǎn)生的電感電動(dòng)勢(shì)也很大，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)與電源電壓串聯(lián)，反向加在

16、已恢復(fù)阻斷的元件上，可能導(dǎo)致晶閘管反向擊穿。數(shù)值可達(dá)工作電壓峰值的56倍，所以必須采取措施。最常用的方法是在電容電路中串接電阻R，這種電路稱為過電壓阻容吸收電路。 過流時(shí)調(diào)節(jié)器保護(hù)系統(tǒng)中接入電流截止負(fù)反應(yīng)環(huán)節(jié)，當(dāng)電流大于臨界截止電流時(shí)，將電流反應(yīng)信號(hào)加到放大器的輸入端，保持電流根本不變；當(dāng)電流小于臨界截止電流時(shí)，將電流反應(yīng)切斷，電流自由隨負(fù)載增減。4保護(hù)裝置的選擇在本設(shè)計(jì)中的保護(hù)裝置：變壓器起變換電壓和隔離的作用；R1、R2、R3、C1、C2、C3的連接方式組成RC過電壓抑制電路一般供電網(wǎng)側(cè)稱為網(wǎng)側(cè)，電力電子電路側(cè)的稱為閥側(cè)；在電路中由于器件動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性的差異會(huì)造成不均壓的問題稱為動(dòng)態(tài)不均壓

17、問題，為到達(dá)動(dòng)態(tài)均壓，首先應(yīng)選擇動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性一致的 圖1-10 過電壓、電流保護(hù)電路器件，還可用RC并聯(lián)支路作為動(dòng)態(tài)均壓，電容C和電阻R串聯(lián)后，并聯(lián)在隔離變壓器二次回路中，當(dāng)回路中產(chǎn)生過電壓時(shí)，由于電容C上的電壓不能突變，延續(xù)了過電壓的上升速度，同時(shí)短掉了一局部高次諧波電壓分量，使硅元件上出現(xiàn)的過電壓不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)增至很大。串聯(lián)電阻R是限制電容器充放電電流和防止回路中產(chǎn)生電容電感振蕩的。本電路中R1-R3，C1-C3就作為一RC并聯(lián)支路進(jìn)行動(dòng)態(tài)均壓。；BX5為快速熔斷器用以保護(hù)線路在不正常運(yùn)行或發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生的過電流，一般熔絲熔斷時(shí)間較長，不能起到保護(hù)作用。五、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)

18、結(jié)構(gòu)圖：圖c、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)首先考慮應(yīng)把電路環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng)，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，采用 = 1 * ROMAN I型系統(tǒng)就夠了。再從動(dòng)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(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過程中不超過允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗繞作用只是次要的因素。為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選用典型 = 1 * ROMAN I型系統(tǒng)。電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型 = 1 * ROMAN I型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，它的傳遞函數(shù)為-電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；-電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間

19、常數(shù)電磁時(shí)間常數(shù)為 eq oac(,9) eq oac(,10) eq oac(,11) 機(jī)電時(shí)間常數(shù)為 eq oac(,12)轉(zhuǎn)速環(huán)反應(yīng)系數(shù)為 eq oac(,13)電流環(huán)反應(yīng)系數(shù)為 eq oac(,14)設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器,要求電流超調(diào)量確定時(shí)間常數(shù)1整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)。按表1，三相橋式電路的平均失控時(shí)間。 eq oac(,15)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20 10單相橋式 10 5三相半波 三相橋式表12電流濾波時(shí)間常數(shù)。三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是，為了根本濾平波頭，應(yīng)有12，因此取。3電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取

20、。選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求 ，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為。檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：，對(duì)照典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。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)：。 電流環(huán)開環(huán)增益：要求時(shí)，按表2，應(yīng)取，因此 eq oac(,16)于是，ACR的比例系數(shù)為 eq oac(,17)參數(shù)關(guān)系KT阻尼比超調(diào)量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時(shí)間tr峰值時(shí)間tp相對(duì)穩(wěn)定裕度76.369.965.559.251.8截止頻率c按表2校驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率：1晶閘管整流裝置轉(zhuǎn)

21、遞函數(shù)的近似條件 eq oac(,18)滿足近似條件。2忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件 eq oac(,19)滿足近似條件。3電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 eq oac(,20)滿足近似條件。計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容取，各電阻和電容值為 ， 取 ， 取 ，取按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以到達(dá)的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為，滿足設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器確定時(shí)間常數(shù) 1電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/，由上可知，取，那么 eq oac(,21)2轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)。根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取。3轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 eq oac(,22)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，其轉(zhuǎn)遞函數(shù)為計(jì)算

22、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原那么，取h=3，那么ASR的超前時(shí)間常數(shù)為 eq oac(,23)h3 4567891052.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%tr/Tts/Tk32211111表3由式可求得轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 eq oac(,24)于是，由式可得ASR的比例系數(shù)為 eq oac(,25)檢驗(yàn)近似條件由式得轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 eq oac(,26)1電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 eq oac(,27)滿足近似條件。2轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為 eq oac(,28)滿足近似條件。計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容取，那么 ，取 ，取 ，取校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量理想空載起動(dòng)時(shí),，。當(dāng)h=3時(shí)，代入下式，得 eq oac(,29) ，滿足設(shè)計(jì)要求。六、總結(jié)這次的課程設(shè)計(jì)不僅涵蓋了直流調(diào)速系統(tǒng)的原理，還用到了許多電力電子技術(shù)的知識(shí)。最難的一塊算是整流電路的雙窄脈沖觸發(fā)電路，在做的過程中明白了同步的概念和意義，對(duì)于同步電壓為正弦波的觸發(fā)電路和同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路的原理和優(yōu)缺點(diǎn)有了更深層次的了解。在設(shè)計(jì)雙