轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院信息工程課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)課 程 名 稱(chēng) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 課程設(shè)計(jì)總評(píng)成績(jī) 學(xué) 生 專(zhuān) 業(yè) 班級(jí) 自動(dòng)化1113 學(xué)生姓名、學(xué) 號(hào) 10212411322 指 導(dǎo) 教 師 姓名 李文彥 課程設(shè)計(jì)起止日期 2014.9.9-2012.9.17 課程設(shè)計(jì)基本要求課程設(shè)計(jì)是工科學(xué)生十分重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通過(guò)課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用先修課程的理論知識(shí)和專(zhuān)業(yè)技能，解決工程領(lǐng)域某一方面實(shí)際問(wèn)題的能力。課程設(shè)計(jì)報(bào)告是科學(xué)論文寫(xiě)作的基礎(chǔ)，不僅可以培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的邏輯歸納能力、綜合分析能力和文字表達(dá)能力，也是規(guī)范課程設(shè)計(jì)教學(xué)要求、反映課程設(shè)計(jì)教學(xué)水平的重要依據(jù)。為了加強(qiáng)課程設(shè)計(jì)教學(xué)管理，提高課

2、程設(shè)計(jì)教學(xué)質(zhì)量，特?cái)M定如下基本要求。1. 課程設(shè)計(jì)教學(xué)一般可分為設(shè)計(jì)項(xiàng)目的選題、項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證、項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果分析、答辯等4個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)有一定的考核要求和考核成績(jī)。2. 課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的選題要符合本課程設(shè)計(jì)教學(xué)大綱的要求，該項(xiàng)目應(yīng)能突出學(xué)生實(shí)踐能力、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；該項(xiàng)目有一定的實(shí)用性，且學(xué)生通過(guò)努力在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)是可以完成的。課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目名稱(chēng)、目的及技術(shù)要求記錄于課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)一、二項(xiàng)中，課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的選題考核成績(jī)占10%左右。3. 項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證主要包括可行性設(shè)計(jì)方案論證、從可行性方案中確定最佳方案，實(shí)施最佳方案的軟件程序、硬件電路原理圖和PCB圖。項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證內(nèi)容記

3、錄于課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)第三項(xiàng)中，項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證主要考核設(shè)計(jì)方案的正確性、可行性和創(chuàng)新性，考核成績(jī)占30%左右。4. 項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果分析主要包括項(xiàng)目設(shè)計(jì)與制作結(jié)果的工藝水平，項(xiàng)目測(cè)試性能指標(biāo)的正確性和完整性，項(xiàng)目測(cè)試中出現(xiàn)故障或錯(cuò)誤原因的分析和處理方法。項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果分析記錄于課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)第四項(xiàng)中，考核成績(jī)占25%左右。5. 學(xué)生在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)認(rèn)真閱讀與本課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目相關(guān)的文獻(xiàn)，培養(yǎng)自己的閱讀興趣和習(xí)慣，借以啟發(fā)自己的思維，提高綜合分和理解能力。文獻(xiàn)閱讀摘要記錄于課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)第五項(xiàng)中，考核成績(jī)占10%左右。6. 答辯是課程設(shè)計(jì)中十分重要的環(huán)節(jié)，由課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師向答辯學(xué)生提出23個(gè)問(wèn)題，通過(guò)答

4、辯可進(jìn)一步了解學(xué)生對(duì)課程設(shè)計(jì)中理論知識(shí)和實(shí)際技能掌握的程度，以及對(duì)問(wèn)題的理解、分析和判斷能力。答辯考核成績(jī)占25%左右。7.學(xué)生應(yīng)在課程設(shè)計(jì)周內(nèi)認(rèn)真參加項(xiàng)目設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，按時(shí)完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)交給課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師評(píng)閱。課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師應(yīng)認(rèn)真指導(dǎo)學(xué)生課程設(shè)計(jì)全過(guò)程，認(rèn)真評(píng)閱學(xué)生的每一份課程設(shè)計(jì)報(bào)告，給出課程設(shè)計(jì)綜合評(píng)閱意見(jiàn)和每一個(gè)環(huán)節(jié)的評(píng)分成績(jī)（百分制），最后將百分制評(píng)分成績(jī)轉(zhuǎn)換為五級(jí)分制（優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格）總評(píng)成績(jī)。8. 課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)是實(shí)踐教學(xué)水平評(píng)估的重要資料，應(yīng)按課程、班級(jí)集成存檔交實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一管理。一、課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目名稱(chēng)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)二、項(xiàng)目設(shè)計(jì)目的

5、及技術(shù)要求設(shè)計(jì)目的設(shè)計(jì)雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)，掌握系統(tǒng)工作原理，學(xué)習(xí)調(diào)速系統(tǒng)的主回路和調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法。技術(shù)要求及初始條件：1.直流電機(jī)參數(shù)： 電機(jī)型號(hào)：Z4-180-11，額定功率：160KW， 額定電壓440V， 額定電流339A， 額定轉(zhuǎn)速1500 r/min ，電樞內(nèi)阻Ra0.08，飛輪慣量GD2=86.24 N.，電機(jī)過(guò)載倍數(shù)1.5，Ks40，Tl0.03 s，Tm0.18 s，0.07 v.min/r,=0.05 v/A 。2.測(cè)速發(fā)電機(jī)參數(shù)：23W，110V，0.21A，1900 r/min，永磁式。3.設(shè)計(jì)指標(biāo)：靜態(tài)：D=10，S5，轉(zhuǎn)速和電流穩(wěn)態(tài)無(wú)差；動(dòng)態(tài)：電流超調(diào)量小

6、于5，轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于10 。具有過(guò)電流過(guò)電壓保護(hù)功能。設(shè)計(jì)任務(wù): 1. 主電路及其保護(hù)電路設(shè)計(jì)：i：選擇主回路的電路形式；ii：整流變壓器的計(jì)算；iii：SCR的選擇；iv：SCR的保護(hù)。2.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR及電流調(diào)節(jié)器ACR的設(shè)計(jì)。3.觸發(fā)電路設(shè)計(jì)或選擇：要求產(chǎn)生雙窄脈沖。4.提供系統(tǒng)總電路圖。設(shè)計(jì)要求: 1對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的先進(jìn)性、實(shí)用性和可行性進(jìn)行論證，說(shuō)明系統(tǒng)原理。2. 畫(huà)出單元電路圖，給出系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算過(guò)程，說(shuō)明工作原理。3. 對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析。3. 畫(huà)出整體電路原理圖，圖紙、元器件符號(hào)及文字符號(hào)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。4.課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)應(yīng)嚴(yán)格按統(tǒng)一格式打印，資料齊全，堅(jiān)決杜絕抄襲，雷同現(xiàn)象

7、。三、主電路及其保護(hù)電路設(shè)計(jì)1、選擇主回路的電路形式轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖2、整流變壓器的計(jì)算: 2.1、整流電路的選擇 整流電路選用三相橋式全控整流電路，它的輸出電壓波動(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，是目前應(yīng)用最為廣泛的整流電路。三相半波整流電路晶閘管使用數(shù)量為三相橋式可控整流電路的一半，但是性能不如三相橋式全控整流電路要好，故選擇三相橋式整流電路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(yáng)極組串聯(lián)電路，如圖所示： 共陰極組的三個(gè)晶閘管分別為VT1、VT3、VT5，共陽(yáng)極組的三個(gè)晶閘管分別為VT4,、VT6、VT2。從

8、分析可知，按此編號(hào)，晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)閂T1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。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(yáng)極組，另外一個(gè)在共陰極組，且不能為同一相的晶閘管。2.2、變壓器的選擇與計(jì)算: 為了保證負(fù)載能正常工作，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Ud。（2） 晶閘管并非是理想的可控開(kāi)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

9、） 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。（6） 電網(wǎng)的波動(dòng)（7） 整流主電路形式所以，綜上所述，可得U2表達(dá)式： 變流變壓器的計(jì)算系數(shù) （m為相數(shù)）所以選取容量S為417kVA的變壓器。2.3、SCR的選擇：  查課本表格可得，440V時(shí)，（額定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓）與（額定反向重復(fù)峰值電壓）1600V。晶閘管額定電壓    晶閘管額定電壓必須大于元件在電路中實(shí)際承受的最大電壓，考慮到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和操作過(guò)電壓等因素，還要放寬23倍的安全系數(shù)，即按下式選取=（23）UM，查表可得三相半

10、控橋的電壓計(jì)算系數(shù)=2.45，即約為，電流計(jì)算系數(shù)為=0.367。故晶閘管額定電壓為=（23）=（23）×335=16412461.7(V)。取=2200(V)。晶閘管的額定電流      晶閘管額定電流指的是在指定管殼溫度和散熱條件下所允許的最大工頻正弦半波電流的平均值，一般取計(jì)算結(jié)果的1.52倍，這里?。?(1.52)=(1.52)×0.367×339×1.5=278373.239(A)，取=350(A)。2.4、SCR的保護(hù)：晶閘管換相過(guò)電壓保護(hù)和晶閘管過(guò)電流保護(hù)： 在晶閘管元件兩端并聯(lián)R

11、C電路，起到晶閘管換相過(guò)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(kāi)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，對(duì)于本設(shè)計(jì)晶閘管額定電流為220A，故C可取0.3Fm,R可取20W。 采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過(guò)電流保護(hù)措施。 熔斷器的額定電壓、電流可按下式計(jì)算:額定電壓URN：不小于線路正常工作電壓的方均根值額定電流： 為電流裕度系數(shù)，取=1.11.5，為環(huán)境溫度系數(shù)，取=11.2，為實(shí)際流過(guò)快熔的電流有效值。對(duì)于本次課程設(shè)計(jì)：因U2=339V，取URN=680V；取355A因而二次側(cè)可選取RS3系列680V/355

12、A的快熔。2.5、平波電抗器的計(jì)算與選擇        2.5.1總電感的計(jì)算       三相橋式整流的總電感L=0.693×U2/，其中=(5%10%)，故L=6.8513.7（mH），要求變流器在最小輸出電流時(shí)仍能維持電流連續(xù)時(shí)電抗器電感量L，則要令=5%，故可得L=13.7(mH)。2.5.2電樞電感的計(jì)算 其中p為電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)，KD為計(jì)算系數(shù)，一般電機(jī)KD取812，對(duì)于本設(shè)計(jì)取p=2，KD=10；所以（mH）2.5.3折算到

13、整流變壓器二次側(cè)的每項(xiàng)漏感的計(jì)算： 其中U2為變壓器次級(jí)相電壓有效值，Id為晶閘管裝置直流側(cè)的額定負(fù)載電流，KB為整流主電路形式有關(guān)的系數(shù)。這里KB=3.9，UK%=5計(jì)算系數(shù)單相全控橋三相半波三相全控橋/1001503001.20.880.462.851.460.6933.186.753.92.5.4使平波電感器電感LK的計(jì)算 LK=L-La-2LB=13.7-2.16-2×0.19=11.14(mH) 所以平波電抗器電感量取LK=12 mH電樞回路總電感：12mH+0.38mH+2.16mH=14.54mH2.6整流變壓器的保護(hù)：2.6.1、交流側(cè)的過(guò)電流與過(guò)電壓保護(hù)：在變壓器的

14、一次側(cè)串聯(lián)熔斷器，當(dāng)過(guò)電流時(shí)熔斷器熔斷，其額定電壓應(yīng)大于線路的工作電壓本設(shè)計(jì)中一次側(cè)電壓最大值為220V=380V，熔斷器的額定電壓可先擇400V其額定電流應(yīng)大于或等于電路的工作電流 因此額定電流選545A所以熔斷氣的規(guī)格為400V/545A 在變壓器的二次側(cè)過(guò)電壓壓敏電阻保護(hù)：壓敏電阻的額定電壓可按式 20.7A因此壓敏電阻取額定電壓為1778V的壓敏電阻.2.6.2、直流側(cè)的過(guò)電壓保護(hù)： 如圖所示，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，過(guò)電壓時(shí)則能通過(guò)達(dá)數(shù)千安的浪涌電流， 

15、;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=時(shí)直流輸出電壓：對(duì)于本次課程設(shè)計(jì)：14111724.6（V）通常用于中小功率整流器操作過(guò)電壓保護(hù)時(shí)，選額定電壓為1700V的壓敏電阻。4、 電流調(diào)節(jié)器ASR與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR的參數(shù)計(jì)算： 1、電流調(diào)節(jié)器ASR的參數(shù)計(jì)算：1） 、確定時(shí)間常數(shù)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 6.67 3.33 三相橋式3.33 1.67整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)，由表可知三相橋式電路的平均失控時(shí)間=1.67ms，電流濾波時(shí)間常數(shù)。三相橋式

16、電路每個(gè)波頭的時(shí)間是3.33ms，為了基本慮平波頭，應(yīng)有（12）=3.33ms，所以可以取2ms，=2ms。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和=+=3.67ms=0.00367s。2） 、選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)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)控制的對(duì)象是雙慣性型的，一次可以用PI型電流調(diào)節(jié)器。其函數(shù)傳遞式為：。檢查對(duì)電源電壓的抗擾能力：,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。典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系3） 、計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)： 電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益： 要求時(shí)，查下表，可得參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.

17、80.7070.60.5超調(diào)量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時(shí)間tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時(shí)間tp8.3T 6.2T 4.7T3.6T相對(duì)穩(wěn)定裕度76.3°69.9°65.5°59.2°51.8°截止頻率c0.243/T0.367/T0.455/T 0.596/T 0.786/T于是，ACR的比例系數(shù)為：4） 校驗(yàn)近似條件： 電流環(huán)截止頻率：（1） 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件： 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： 滿足近似條件。（3） 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

18、） 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 如下圖所示，按所用運(yùn)算放大器取R0=40k，各電阻和電容值計(jì)算如下： 取40 取0.75 取 0.2按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)<5%，滿足要求。2、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算（1）確定時(shí)間常數(shù)1）、電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/KI：由上面可得，則：2）、轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)TON。根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取0.01s。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（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)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為由可得由可得和所以4） 檢驗(yàn)近似條

19、件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為：（1） 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為 滿足簡(jiǎn)化條件。（2） 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為，滿足近似條件。5） 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 如圖所示，取R0=40k，則 取230 取0.4 取16） 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量h3 4567891052.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%tr/T2.402.652.853.003.103.203.303.35ts/T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111當(dāng)h=5，查下表可得，顯然不滿足要求。當(dāng)實(shí)際上表中數(shù)據(jù)是按線性系統(tǒng)來(lái)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不再符合線性系統(tǒng)的要求，故ASR退飽和的情況下重新計(jì)算超調(diào)量。現(xiàn)在計(jì)算退飽和超調(diào)量。設(shè)理想空載啟動(dòng)z=0，已知： 查表得滿足設(shè)