自動控制系統(tǒng)課程設計報告---錯位控制無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)設計

1、<p><b>　　自動控制系統(tǒng)課程</b></p><p><b>　　設計報告</b></p><p>　　課程名稱：自動控制系統(tǒng)課程設計報告 </p><p>　　設計題目：錯位控制無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)設計 </p><p>　　院 系：電氣工程系 &

2、lt;/p><p>　　班 級： </p><p>　　課程設計（論文）任務書</p><p>　　指導教師簽字： 系（教研室）主任簽字： 年 月 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><

3、;p>　　一、 錯位控制無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)的原理- 4 -</p><p>　　1、可逆調速系統(tǒng)的原理- 4 -</p><p>　　2、 環(huán)流的介紹- 4 -</p><p>　　1、環(huán)流的定義- 4 -</p><p>　　2、 環(huán)流的分類- 5 -</p><p>　　3、 錯位控制無環(huán)流系統(tǒng)-

4、 5 -</p><p>　　1、靜態(tài)環(huán)流的錯位消除原理- 5 -</p><p>　　2、錯位控制無環(huán)流系統(tǒng)的結構- 5 -</p><p>　　3、錯位控制無環(huán)流系統(tǒng)的優(yōu)缺點- 6 -</p><p>　　二、 系統(tǒng)的設計- 6 -</p><p>　　1、 主電路的設計及參數(shù)選擇- 6 -</p&

5、gt;<p>　　1、 變壓器的選擇- 6 -</p><p>　　2、 晶閘管的選擇- 6 -</p><p>　　3、 電抗的選擇- 7 -</p><p>　　2、 同步變壓器及觸發(fā)器的設計- 7 -</p><p>　　1、觸發(fā)電路的設計- 7 -</p><p>　　2、 同步變壓器的

6、設計- 8 -</p><p>　　3、 保護電路的設計- 8 -</p><p>　　1、 過電流保護- 8 -</p><p>　　2、 過電壓保護- 8 -</p><p>　　3、 緩沖電路- 8 -</p><p>　　4、 檢測環(huán)節(jié)- 9 -</p><p>　　1、 轉

7、速檢測- 9 -</p><p>　　2、電流檢測- 9 -</p><p>　　3、 電壓檢測- 10 -</p><p>　　5、 控制電路的設計- 10 -</p><p>　　1、 AVR電壓內環(huán)的設計- 10 -</p><p>　　2、 ACR電流環(huán)的設計- 11 -</p>&l

8、t;p>　　3、 ASR轉速環(huán)的設計- 12 -</p><p>　　4、 AVR、ACR和ASR的限幅設計- 13 -</p><p>　　5、 AR反相器的設計- 13 -</p><p>　　三、 設計小結- 14 -</p><p>　　四、 參考文獻- 14 -</p><p>　　錯位控制無

9、環(huán)流可逆調速系統(tǒng)的原理</p><p>　　1、可逆調速系統(tǒng)的原理</p><p>　　圖1 兩組晶閘管裝置發(fā)并聯(lián)線路</p><p>　　較大功率的可逆直流調速系統(tǒng)多采用晶閘管—電動機系統(tǒng)。由于晶閘管的單向導電性，需要可逆運行時經(jīng)常需要采用倆組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路，如圖1，電動機正轉時，由正組晶閘管VF供電；反轉時，由反組晶閘管VR供電。兩組晶閘管分

10、別由兩組觸發(fā)裝置進行控制，都能靈活的控制電機的起動、制動和升速、降速。但在一般情況下不允許讓兩組晶閘管同時處于整流狀態(tài)，否則將造成電源短路。</p><p>　　在可逆調速系統(tǒng)中，正轉運行時可利用反組晶閘管實現(xiàn)回饋制動，反轉時同樣可利用正組晶閘管實現(xiàn)回饋制動，總結起來，可將可逆線路的正反轉時的晶閘管和電機狀態(tài)總結為表1。</p><p>　　表1 V-M系統(tǒng)反并聯(lián)可逆線路的工作狀態(tài)<

11、/p><p><b>　　環(huán)流的介紹</b></p><p><b>　　1、環(huán)流的定義</b></p><p>　　采用兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆V-M系統(tǒng)，如果兩組裝置的整流電壓同時出現(xiàn)，便會產(chǎn)生不流過負載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱作環(huán)流。如圖2中的Ih 。一般情況，這樣的環(huán)流對負載無益，徒然加重晶閘管和變壓器的

12、負擔，消耗功率，環(huán)流太大時會導致晶閘管損壞，因此應該予以抑制或消除。</p><p>　　圖2 反并聯(lián)可逆V—M系統(tǒng)中的環(huán)流（Ih — 環(huán)流 Id — 負載電流）</p><p><b>　　環(huán)流的分類</b></p><p>　　（1）靜態(tài)環(huán)流：兩組可逆線路在一定控制角下穩(wěn)定工作時出現(xiàn)的環(huán)流，其中又有兩類：</p><p

13、>　　直流平均環(huán)流---由晶閘管裝置輸出的直流平均電壓所產(chǎn)生的環(huán)流稱作直流平均環(huán)流</p><p>　　瞬時脈動環(huán)流---兩組晶閘管輸出的直流平均電壓差為零，但因電壓波形不同，瞬時電壓差仍會產(chǎn)生脈動的環(huán)流，稱作瞬時脈動環(huán)流。</p><p>　　動態(tài)環(huán)流：僅在可逆V-M系統(tǒng)處于過渡過程中出現(xiàn)的環(huán)流。</p><p><b>　　錯位控制無環(huán)流系統(tǒng)&l

14、t;/b></p><p>　　1、靜態(tài)環(huán)流的錯位消除原理</p><p>　　采用配合控制的原理，當一組晶閘管裝置整流時，讓另一組處于待逆變狀態(tài)，而且兩組觸發(fā)脈沖的零位錯開的比較遠，避免了瞬時脈動環(huán)流產(chǎn)生的可能性，這就是錯位控制無環(huán)流可逆系統(tǒng)。具體地說，在α=β配合控制的有換流可逆調速系統(tǒng)中，兩組觸發(fā)脈沖的配合關系是，時的初始相位整定在，從而消除了直流平均環(huán)流，但仍存在瞬時脈動環(huán)流

15、。在錯位控制的無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)中，同樣采用配合控制的觸發(fā)移相方法，但兩組脈沖的關系是，甚至是，也就是說初始相位整定在。這樣，當待逆變組的觸發(fā)脈沖到來時，它的晶閘管已經(jīng)完全處于反向阻斷狀態(tài)，不可能導通，當然就不會產(chǎn)生靜態(tài)環(huán)流了。</p><p>　　2、錯位控制無環(huán)流系統(tǒng)的結構</p><p>　　主電路采用兩組三相橋式晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路， 控制電路采用轉速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，其中，轉

16、速調節(jié)器ASR控制轉速，設置雙向輸出限幅電路，以限制最大起制動電流；電流調節(jié)器ACR控制電流，設置雙向輸出限幅電路，以限制最小控制角αmin 與最小逆變角βmin。根據(jù)可逆系統(tǒng)正反向運行需要，給定電壓、轉速反饋電壓、電流反饋電壓都應該能夠反映正和負極性，電流反饋應能否反映極性，因此電流互感器需采用直流電流互感器或霍爾變換器。在錯位無環(huán)流系統(tǒng)中增設了電壓內環(huán)。電壓內環(huán)的作用：</p><p>　　縮小反向時的電壓死

17、區(qū)，加快系統(tǒng)的切換過程。</p><p>　　抑制電流斷續(xù)等非線性因素的影響，提高系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能。</p><p>　　防止動態(tài)環(huán)流，保證電流安全換向。</p><p>　　圖3 錯位控制無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)</p><p>　　ASR—轉速調節(jié)器，ACR—電流調節(jié)器，AVR—電壓調節(jié)器， TG—測速發(fā)電機， TA—電流互感器，

18、 AR—反相器，GTF—正組晶閘管脈沖移相觸發(fā)裝置，GTR—反組晶閘管脈沖移相觸發(fā)裝置，VF—正組晶閘管，VR—反組晶閘管， —平波電抗器，Un*—轉速給定電壓，Un—轉速反饋電壓，Ui*—電流給定電壓，Ui—電流反饋電壓  ， Uu—端電壓給定電壓，Uu—端電壓反饋電壓</p><p>　　3、錯位控制無環(huán)流系統(tǒng)的優(yōu)缺點</p><p>　　錯位控制無環(huán)流系統(tǒng)的結構

19、簡單，調整方便，但與邏輯無環(huán)流系統(tǒng)相比，切換特性較差，在某些切換條件下的切換死區(qū)較大。而且在切換過程中容易出現(xiàn)電流沖擊。因此錯位控制無環(huán)流系統(tǒng)通常用于系統(tǒng)容量較小而且對切換品質要求不高的場合。</p><p><b>　　系統(tǒng)的設計</b></p><p>　　主電路的設計及參數(shù)選擇</p><p><b>　　變壓器的選擇</

20、b></p><p>　　三向橋式整流電路變壓器副邊相電壓與最大整流直流電壓的關系是：。在可逆系統(tǒng)中由于有最小逆變角限制的問題， 。</p><p>　　應該等于電動機額定電壓加上過載電流所產(chǎn)生的附加壓降再加上晶閘管的管壓降，另外考慮整流電源內阻壓降及電網(wǎng)電壓波動，通常還需要再增加15%~20%，因此 ，則可求出 。</p><p>　　考慮到工作負荷不會過

21、重，并且變壓器也容許一定過載，所以選取變壓器為連接。則在副邊：副邊線電壓為,副邊線電流。</p><p><b>　　晶閘管的選擇</b></p><p>　　考慮到電網(wǎng)電壓的波動和操作過電壓等因素，在設計中應該有2—3倍的電壓設計裕量，則晶閘管的額定電壓值為。晶閘管的額定電流的選取設計過程中也應該考慮裕量的問題，則其額定電流為。</p><p&g

22、t;<b>　　電抗的選擇</b></p><p>　　在V-M系統(tǒng)中，脈動電流會產(chǎn)生脈動轉矩，對生產(chǎn)機械不利，同時也增加電機的發(fā)熱。為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動的措施，主要是：設置平波電抗器；增加整流電路相數(shù)；采用多重化技術。在此處增加平波電抗器。三相橋式整流電路中，總電感量為 ，平波電抗器,為電機的電樞電感。</p><p>　　同步變壓器及觸發(fā)器的

23、設計</p><p><b>　　1、觸發(fā)電路的設計</b></p><p>　　晶閘管觸發(fā)電路類型很多，有分立式、集成式和數(shù)字式，分立式相控同步模擬電路相對來說電路比較復雜；數(shù)字式觸發(fā)器可以在單片機上來實現(xiàn)，需要通過編程來實現(xiàn)，本設計不采用。由于集成電路可靠性高，技術性能好，體積小，功耗低，調試方便，所以本設計采用的是集成觸發(fā)器，選擇目前國內常用的KJ、KC系例，本

24、設計采用3個KJ004集成塊和1個KJ041集成塊，可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大即可。 電路原理圖如圖4，處為觸發(fā)系統(tǒng)的輸入端，可將變阻器去掉，直接接控制電壓；Up為初始相位控制端，即在Uc初始電壓為0時調節(jié)脈沖的初始相位。</p><p>　　圖4 三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路</p><p><b>　　同步變壓器的設計</b></p

25、><p>　　觸發(fā)電路應保證每個晶閘管觸發(fā)脈沖與施加于晶閘管的交流電壓保持固定、正確的相位關系。同步變壓器原邊接入為主電路供電的電網(wǎng)，保證頻率一致；此外，應確定同步信號與晶閘管陽極電壓的關系。具體參見《電力電子技術》第95頁說明。</p><p>　　圖5 同步變壓器的原理圖</p><p>　　表2 三相全控橋各晶閘管的同步電壓</p><p>

26、;　　變壓器接法：主電路整流變壓器為D,y-11聯(lián)結，同步變壓器為D,y-11,5聯(lián)結。此時，同步電壓的選取結果見表2。</p><p><b>　　保護電路的設計</b></p><p><b>　　過電流保護</b></p><p>　　在主電路中交流側安裝快速熔斷器。</p><p><

27、b>　　過電壓保護</b></p><p>　　考慮晶閘管的保護方法為兩端并聯(lián)電阻電容，同時在交流側并接電阻電容。</p><p><b>　　緩沖電路</b></p><p>　　又稱吸收電路，抑制器件的內因過電壓、du/dt、過電流和di/dt，減小器件的開關損耗。如圖7。</p><p>　　圖6

28、 三相電路交流側阻容保護電路</p><p>　　圖7 緩沖電路（將圖中的IGBT換成晶閘管） </p><p><b>　　檢測環(huán)節(jié)</b></p><p><b>　　圖8 檢測環(huán)節(jié)</b></p><p><b>　　轉速檢測</b></p><p&g

29、t;　　轉速反饋系數(shù)?包含測速發(fā)電機的電動勢系數(shù)Cetg和其輸出電位器的分壓系數(shù)? ，即根據(jù)測速發(fā)電機的額定數(shù)據(jù)，有Cetg=，=/Cetg。 電位器的選擇方法如下：為了使測速發(fā)電機的電樞壓降對轉速檢測信號的線性度沒有顯著影響，取測速發(fā)電機輸出最高電壓時，其電流約為額定值的20%，則，最后驗證電位器的消耗功率是否合乎要求。。</p><p><b>　　2、電流檢測</b></p>

30、;<p>　　從理論上講,可選取檢測電阻的阻值大小為，然后驗證該電阻的功率是否符合要求，；若過大則應在反饋回路增加放大器，從而減小電阻阻值。</p><p><b>　　電壓檢測</b></p><p>　　在可逆系統(tǒng)中由于有最小逆變角限制的問題，，，(R'為的有效部分)在電壓檢測回路上應該足夠小從而不影響整流（或逆變）裝置和電機的工作，因此先選

31、擇阻值較大的固定電阻R1，然后再選擇合適的滑動變阻器。</p><p><b>　　控制電路的設計</b></p><p>　　AVR電壓內環(huán)的設計</p><p>　　1）AVR的模型簡化說明</p><p>　　AVR的設計采用積分調節(jié)器，其分析過程如下。</p><p>　　將電壓環(huán)的傳遞函

32、數(shù)等效成如下：</p><p>　　因此，電壓環(huán)簡化后可視為電流環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，化簡后如下：</p><p><b>　　。</b></p><p>　　2）AVR的電路模型</p><p>　　圖9 AVR積分調節(jié)器</p><p><b>　　ACR電流環(huán)的設計</b>

33、</p><p><b>　　1）電流環(huán)簡化說明</b></p><p>　　ACR的設計用PI調節(jié)器，經(jīng)過AVR的簡化設計以后ACR的傳遞函數(shù)框圖如下：</p><p>　　=，為電機的電樞電阻。</p><p><b>　　ACR參數(shù)的計算</b></p><p><

34、;b>　　，取0.5，則。</b></p><p><b>　　近似條件檢驗</b></p><p>　　UPE純滯后近似處理：</p><p>　　忽略反電勢變化對電流環(huán)動態(tài)響應:</p><p>　　電流環(huán)小慣性群的近似處理：</p><p>　　調節(jié)器電阻電容的選取<

35、/p><p>　　，，。在計算完成后應根據(jù)實際的電阻/電容值進行選擇。</p><p>　　5）ACR的電路模型</p><p>　　圖10 含給定與反饋濾波環(huán)節(jié)的PI型電流調節(jié)器</p><p><b>　　ASR轉速環(huán)的設計</b></p><p>　　1）ASR等效模型說明</p>

36、<p>　　ASR設計選用PI調節(jié)器，電流環(huán)簡化后可視作轉速環(huán)內環(huán)，按典型I型系統(tǒng)設計電流環(huán)，忽略高次項，降階近似，其閉環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p>　　按典型二階系統(tǒng)進行設計</p><p><b>　　，，，，</b></p><p><b>　　。</b></p><p><

37、;b>　　近似條件的檢驗</b></p><p><b>　　電流環(huán)化簡條件：</b></p><p><b>　　轉速環(huán)化簡條件:</b></p><p>　　ASR電路結構及參數(shù)</p><p>　　圖11 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節(jié)器</p><

38、p>　　AVR、ACR和ASR的限幅設計</p><p>　　圖12 限幅電路的原理</p><p>　　調整RP1，RP2使得BC兩點電壓為限幅電壓，當A點電壓UA 超過限幅電壓時，二極管會導通，從而使A的電壓被限制在限幅電壓，而不會過高或過低。</p><p>　　具體的限幅值應根據(jù)實際來確定，理論計算時應結合圖1來計算。</p><p

39、><b>　　電壓調節(jié)器限幅值，</b></p><p><b>　　電流調節(jié)器限幅值</b></p><p><b>　　轉速調節(jié)器限幅值</b></p><p><b>　　AR反相器的設計</b></p><p>　　反向器的設計使用運放來實現(xiàn)

40、，具體結構如下：</p><p>　　圖13 反相器的電路結構</p><p><b>　　設計小結</b></p><p>　　通過本次課程設計使我對電力電子技術和電力拖動自動控制系統(tǒng)有了進一步的了解與認識。熟悉了錯位無環(huán)流直流可逆調速系統(tǒng)的工作原理和實現(xiàn)方法，對所學內容有了更深刻的印象，并且進一步認識到工程設計時與實際相聯(lián)系的重要性。<

41、;/p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　陳伯時；電力拖動自動控制系統(tǒng)；北京：機械工業(yè)出版社，1992</p><p>　　陳伯時；自動控制系統(tǒng)；北京：機械工業(yè)出版社，1981</p><p>　　陳伯時；電力拖動自動控制系統(tǒng)；北京：機械工業(yè)出版社，2005</p><p>