運控系統(tǒng)設(shè)計

1、武漢理工大學(xué)課程設(shè)計摘 要雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是由電流和轉(zhuǎn)速兩個調(diào)節(jié)器進行綜合調(diào)節(jié)，可獲得良好的靜、動態(tài)性能（兩個調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器），由于調(diào)整系統(tǒng)的主要參量為轉(zhuǎn)速，故將轉(zhuǎn)速環(huán)作為主環(huán)放在外面，電流環(huán)作為副環(huán)放在里面，這樣可以抑制電網(wǎng)電壓擾動對轉(zhuǎn)速的影響。本調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計的主回路由正橋及反橋反向并聯(lián)組成，并通過邏輯控制來控制正橋和反橋的工作與關(guān)閉，并保證在同一時刻只有一組處于整流狀態(tài),另一組橋路處于逆變狀態(tài)，這樣就有環(huán)流產(chǎn)生。由于存在環(huán)流回路,主回路需要再設(shè)置平衡電抗器，但為了限制整流電壓幅值的脈動和盡量使整流電流連續(xù)，仍然保留了平波電抗器。利用Matlab軟件對系統(tǒng)進行了各種參數(shù)給定下的仿真

2、，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。在理論分析和仿真研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一套實驗用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)主電路、反饋電路、觸發(fā)電路及控制電路的具體實現(xiàn)。對系統(tǒng)的性能指標進行了實驗測試，表明所設(shè)計的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，具有較好的靜態(tài)和動態(tài)性能，達到了設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速系統(tǒng) 電流調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 雙閉環(huán)有環(huán)流可逆系統(tǒng) 主電路 保護電路 觸發(fā)電路目錄摘 要11、系統(tǒng)設(shè)計思路32、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速反饋電路的設(shè)計52.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和反饋電路的設(shè)計52.2 參數(shù)的計算63、電流調(diào)節(jié)器ACR和電流反饋電路的設(shè)計73.1 電流調(diào)節(jié)器和反饋電路的設(shè)計73.2參數(shù)的計算84、

3、閉環(huán)有環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的控制94.1 主電路及其保護電路的設(shè)計94.1.1 主電路框圖94.1.2 保護電路設(shè)計94.2 =配合控制的有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)104.2.1 實現(xiàn)= 配合控制104.2.2 =配合控制中的瞬時脈動環(huán)流及其抑制115、觸發(fā)裝置的設(shè)計126、閉環(huán)有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)原理137、總結(jié)14參考文獻15附錄、總電路圖161、系統(tǒng)設(shè)計思路 主電路兩組三相橋式晶閘管裝置反并聯(lián)的可逆線路，控制電路采用典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR都設(shè)置了雙向輸出限幅，以限制最大制動電流和最小控制角min與最小逆變角min。根據(jù)可逆系統(tǒng)正反向運行的需要，給定電壓Un，電流

4、反饋電壓Ui都應(yīng)該能反映正和負的極性 。 圖1 配合控制的直流雙閉環(huán)有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 由于主電路電感的作用，電流不可能突變，為了實現(xiàn)在允許條件下的最快啟動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm 的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。問題是，應(yīng)該在啟動過程只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋，在達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負反饋，不在讓電流負反饋發(fā)揮作用。為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器。分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋以調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速，兩者之間實行串級連接。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的

5、輸出當做電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱做外環(huán)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，對于需要電流反向的直流電動機可逆調(diào)速系統(tǒng)，必須使用兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)線路來實現(xiàn)可逆調(diào)速。兩組晶閘管分別由兩套觸發(fā)裝置控制，都能靈活的控制電動機的啟動、制動和升、降速。在可逆調(diào)速系統(tǒng)中，正轉(zhuǎn)運行時可利用反組晶閘管實現(xiàn)回饋制動，反轉(zhuǎn)運行時同樣可以利用正組晶閘管實現(xiàn)回饋制動。配合控制系統(tǒng)的移相時，如果一組晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，另一組便處于逆變狀態(tài)，這是指觸發(fā)延遲角

6、的工作狀態(tài)而言。實際上，這時逆變組除環(huán)流外并未流過負載電流，也就沒有電能回饋電網(wǎng)，確切的說，它只是處于“待逆變狀態(tài)”，表示該組晶閘管裝置是在逆變角的控制下等待工作。只是在制動時，當發(fā)出信號改變觸發(fā)延遲角后，同時降低了Udof 和Udor的幅值，一旦電動機反電動勢E|Udor|=|Udof| ，整流組電流將被截止，逆變組才真正投入逆變工作，使電動機產(chǎn)生回饋制動，將電能通過逆變組回饋電網(wǎng)。同樣，當逆變組工作時，另一組也是在等待整流，可稱做處于“待整流狀態(tài)”。所以，在配合控制下，負載電流可以迅速地從正向到反向（或從反向到正向）平滑過渡，在任何時候，實際上只有一組晶閘管裝置在工作，另一組則處于等待工作

7、的狀態(tài)。 2、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速反饋電路的設(shè)計 將反映轉(zhuǎn)速變化的電壓信號Un 作為反饋信號，經(jīng)“速度變換”后接到“速度調(diào)節(jié)器”的輸入端，與“給定”的電壓Un* 相比較經(jīng)放大后，得到電流給定電壓Ui*，用作電流調(diào)節(jié)器ACR的給定電壓。這就構(gòu)成了速度調(diào)節(jié)器ASR。電機的轉(zhuǎn)速隨給定電壓變化，電機最高轉(zhuǎn)速由速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅所決定，速度調(diào)節(jié)器采用P（比例）調(diào)節(jié)對階躍輸入有穩(wěn)態(tài)誤差，要想消除上述誤差，則需將調(diào)節(jié)器換成PI(比例積分)調(diào)節(jié)。這時當“給定”恒定時，速度調(diào)節(jié)器對速度變化起到了抑制作用，當電機負載或電源電壓波動時，電機的轉(zhuǎn)速能穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)變化，這就構(gòu)成了轉(zhuǎn)速反饋電路。2.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

8、器和反饋電路的設(shè)計 由自動控制基本理論推導(dǎo)可得，電流環(huán)不論是典型I型花或是典型II型化在一定的近似條件下都可以等效為一個慣性環(huán)節(jié)，寫成通式為： 若典型I型化且=0.707，=0.5，則a=2。若典型II型化h=5,m=0.1.則a=。由上式畫出轉(zhuǎn)速閉環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，將它簡化為單位負反饋形式并將兩個小慣性合并為一個小慣性，即將轉(zhuǎn)速給定及轉(zhuǎn)速反饋的濾波時間常數(shù)與電流環(huán)等效時間常數(shù)，合并為轉(zhuǎn)速環(huán)小慣性時間常數(shù)。 若只考慮給定信號的作用則得到簡化的轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示，這里有： 圖2.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)閉環(huán)等效動態(tài)結(jié)構(gòu)圖技術(shù)指標要求實現(xiàn)轉(zhuǎn)速靜態(tài)無靜差，空載起動至額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10，則在

9、ASR中必須含有積分環(huán)節(jié)，取ASR為PI調(diào)節(jié)器，因此轉(zhuǎn)速環(huán)必然按典型II型系統(tǒng)設(shè)計。其傳遞函數(shù)為： 式中Kn為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；t n為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。 2.2 參數(shù)的計算根據(jù)測速發(fā)動機紋波情況，轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)取為0.01s。按小時間常數(shù)近似處理，轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)為： 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則ASR的超前時間常數(shù)為： =5s轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為： ASR的比例系數(shù)為： 校驗近似條件： wcn=396.4s-1電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為： 滿足近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為： 滿足近似條件PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖2.2所示。按所用運算放大器取 R0 =40K，則有： R

10、n=KnR0=468KW （取470 KW） Cn =/ Rn =0.185 （取0.2 ） Con=4Ton/ Ro =1 圖2.2 PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器空載起動至額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量為： 能滿足設(shè)計要求。 3、電流調(diào)節(jié)器ACR和電流反饋電路的設(shè)計將反映電流變化的電流互感器輸出電壓信號Ui作為反饋信號加到“電流調(diào)節(jié)器”的輸入端，與“給定”的電壓Ui* 相比較，經(jīng)放大后，得到移相控制電壓Uc，控制整流橋的“觸發(fā)電路”，改變“三相全控整流”的電壓輸出，從而構(gòu)成了電流負反饋閉環(huán)系統(tǒng)。電機的最高轉(zhuǎn)速也由電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅所決定。同樣，電流調(diào)節(jié)器若采用P（比例）調(diào)節(jié)，對階躍輸入有穩(wěn)態(tài)誤差，要消除該誤差

11、將調(diào)節(jié)器換成PI(比例積分)調(diào)節(jié)。當“給定”恒定時，閉環(huán)系統(tǒng)對電樞電流變化起到了抑制作用，當電機負載或電源電壓波動時，電機的電樞電流能穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)變化，這就是電流反饋電路。3.1 電流調(diào)節(jié)器和反饋電路的設(shè)計電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量為U*i(s)，輸出量為Id(s)。原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。這就表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對象，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)（內(nèi)環(huán)）控制的一個重要功能。電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖簡化框圖如圖3.1所示。根據(jù)設(shè)計要求電流超調(diào)量i5，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控

12、制對象是雙慣性的，因此用PI 型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： 式中Ki 為電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；ti為電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。圖3.1 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖簡化框圖3.2參數(shù)的計算三相橋式電路的平均失控時間Ts =0.0017s; 三相橋式電路每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（12）T0i =3.3 ms, 因此取T0i =0.002s。按小時間常數(shù)近似處理，取Ti=Ts+T0i =0.0037s。電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：= Tl =0.03s。設(shè)計要求i5，取KI Ti=0.5,因此 KI =0.5/0.0037=135.1s-1=wci。于是，ACR的比例系數(shù)為： 電流環(huán)截

13、止頻率： 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件: 1/3Ts=196s-1wci ，滿足近似條件。忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件： 滿足近似條件。電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件： 滿足近似條件滿足所有近似條件。PI型電流調(diào)節(jié)器如圖3.2所示。按所用運算放大器取 R0 =40K，各電阻和電容值為： Ri =KiR0=40.52 KW （取40KW ） Ci =/ Ri =0.75 Coi=4Toi/ Ro =0.2圖3.2 PI型電流調(diào)節(jié)器按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為： i =4.35滿足設(shè)計要求。 校正后電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。圖3.3 校正后電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)4、

14、閉環(huán)有環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的控制4.1 主電路及其保護電路的設(shè)計4.1.1 主電路框圖 上圖為閉環(huán)有環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路圖。 主電路由兩組三相橋式晶閘管整流器反并聯(lián)組成，共用同一路三相電源。采用=配合控制，在正反組整流器之間沒有直流平均環(huán)流，但存在瞬時脈動環(huán)流，所以需要設(shè)置四個環(huán)流電抗器來限制環(huán)流。4.1.2 保護電路設(shè)計由于過載、直流側(cè)短路、逆變失敗、環(huán)流和交流側(cè)短路等原因會引起系統(tǒng)過流而損壞可控硅。系統(tǒng)采用了三種過流保護措施： 電流調(diào)節(jié)器限流，電流整定值為250A， 過流保護環(huán)節(jié)，整定值為350A， 快速熔斷器；對直流回路和每個可控硅元件設(shè)快速熔斷作最后一道過流保護。它可以在沖擊電

15、流很大，沖擊時間又很短的情況下保護設(shè)備不受損壞，從而使系統(tǒng)運行安全、可靠、操作方便。 圖4.1.1 過電流保護裝置 圖4.1.2 過電壓保護裝置 開關(guān)穩(wěn)壓器的過電壓保護包括輸入過電壓保護和輸出過電壓保護。開關(guān)穩(wěn)壓器所使用的未穩(wěn)壓直流電源諸如蓄電池和整流器的電壓如果過高,使開關(guān)穩(wěn)壓器不能正常工作,甚至損壞內(nèi)部器件,因此,有必要使用輸入過電壓保護電路。4.2 =配合控制的有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)4.2.1 實現(xiàn)= 配合控制將兩組晶閘管裝置的觸發(fā)脈沖零位都定在90，即當控制電壓 Uc =0時，使電機處于停止狀態(tài)。增大Uc時，使兩組觸發(fā)裝置的控制電壓大小相等符號相反。 正組VF整流，應(yīng)接收正的Uc，所以f

16、減小而r增大或r減小，使正組整流而反組逆變，在控制過程中始終保持f=r。反轉(zhuǎn)時，應(yīng)保持r=f。 圖4.2.1 = 配合控制電路 圖4.2.2 觸發(fā)裝置的移相控制特性為了防止晶閘管裝置在逆變狀態(tài)工作中逆變角太小而導(dǎo)致?lián)Q流失敗，出現(xiàn)“逆變顛覆”現(xiàn)象，必須在控制電路中進行限幅，形成最小逆變角min保護。與此同時，對角也實施min保護，以免出現(xiàn) -udor的情況，仍能產(chǎn)生瞬時的脈動環(huán)流。這個瞬時脈動環(huán)流是自然存在的，因此=配合控制有環(huán)流可逆系統(tǒng)又稱作自然環(huán)流系統(tǒng)。為了抑制瞬時脈動環(huán)流，可在環(huán)流回路中串入電抗器，叫做環(huán)流電抗器，或稱均衡電抗器。5、觸發(fā)裝置的設(shè)計晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大

17、電流條件下工作，且其工作過程可以控制、 被廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點電子開關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。晶閘管具有下面的特性： 1） 當晶閘管承受反向電壓時，無論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。2） 晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導(dǎo)通。 3） 晶閘管在導(dǎo)通情況下，只要有一定的正向陽極電壓，不論門極電壓如何變化，晶閘管都 保持導(dǎo)通，即晶閘管導(dǎo)通后，門極失去作用。 4） 晶閘管在導(dǎo)通情況下，當主回路電壓（或電流）減小到接近于零時，晶閘管關(guān)斷。3個KJ004（KC04）集成塊和1個KJ041（KC41C）集成塊，可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放

18、大即可。 圖5 三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路單結(jié)晶體管觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)方便，輸出脈沖前沿陡，抗干擾能力強，對于控制精度要求不高的小功率系統(tǒng)，可采用單結(jié)晶體管觸發(fā)電路來控制；對于大容量晶閘管一般采用晶體管或集成電路組成的觸發(fā)電路。計算機數(shù)字觸發(fā)電路常用于控制精度要求較高的復(fù)雜系統(tǒng)中。各類觸發(fā)電路有其共同特點，一般由同步環(huán)節(jié)、移相環(huán)節(jié)、脈沖形成環(huán)節(jié)和功率放大輸出環(huán)節(jié)組成。6、閉環(huán)有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)原理電動機正常運行時，一組晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，另一組晶閘管裝置處于“待逆變狀態(tài)”電動機若需要制動，整流組晶閘管進入“待整流狀態(tài)”，待逆變組晶閘管真正開始逆變，電動機回饋電能配合控制時，只有一組晶閘管裝置投入使用，另一組處于等待工作狀態(tài)圖6 直流雙閉環(huán)有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)電路圖7、總結(jié)通過本次課程設(shè)計，我熟知了閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)、邏輯有環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及各主要單元部件的工作原理。在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR及電流調(diào)節(jié)器ACR的設(shè)計過程中，通過研究相關(guān)調(diào)節(jié)器參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，我掌握了閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的基本特性，并成功地設(shè)計出了滿足課程設(shè)計要求的轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋電路。當然，我的設(shè)計成果也離不開同學(xué)們對我的幫助。在整個電路設(shè)計以及仿真過程中，我請教了許多同學(xué)，他們也給了我一些很有用的建議。通過自己的努力和同學(xué)的無