接触器反向-双闭环调速系统.doc

1、燕山大学课 程 设 计 说 明 书题目：接触器反向转速电流双闭环直流调速系统学院（系）： 年级专业： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 目 录第一章 接触器反向-双闭环直流调速系统综述- 3 -1.1接触器反向-双闭环直流调速系统概述- 3 -1.2控制对象及设计要求- 3 -第二章 直流调速系统总体方案设计- 4 -2.1接触器反向-双闭环直流调速系统的组成框图- 4 -2.2接触器反向-双闭环直流调速系统的原理图：- 5 -第三章 直流调速系统主电路设计- 5 -3.1主回路结构与参数计算- 5 -3.1.1 电动机参数计算- 6 -3.1.2 整流电路参数计算- 7 -3.2

2、主电源电路设计- 8 -3.3晶闸管触发电路- 8 -3.4接触器反向运行主电路- 9 -3.5励磁电路参数设计- 10 -第四章 直流调速系统调节器设计- 10 -4.1确定时间常数- 10 -4.2电流调节器设计- 11 -4.2.1 电流调节器结构的选择和参数的计算- 11 -4.2.2 校验近似条件- 12 -4.2.3 电流调节器实现- 13 -4.3转速调节器设计- 14 -4.3.1 电流环的等效闭环传递函数- 14 -4.3.2 转速调节器结构的选择和参数的计算- 14 -4.3.3 校验近似条件及转速超调量- 15 -4.3.4 转速微分负反馈减少超调量- 16 -4.3.5

3、 转速调节器的实现- 16 -第五章 直流调速系统辅助电路及保护电路- 17 -5.1转速及电流反馈环节设计- 17 -5.2给定器设计和限幅电路设计- 18 -5.3稳压电源设计- 18 -5.4电气控制线路- 18 -5.5接触器方向控制电路- 19 -5.6各种保护电路- 19 -5.6.1 主电路过电压的保护- 19 -5.6.2 晶闸管过电压保护和过流保护- 20 -设计心得- 21 -参考文献- 22 -第一章 接触器反向-双闭环直流调速系统综述1.1接触器反向-双闭环直流调速系统概述本设计主要研究了直流调速转速电流双闭环控制系统。系统模型由晶闸管-直流电动机组成的主电路和转速电流

4、调节器组成的控制电路两部分组成。控制电路设置两个PI调节器，分别调节转速和电流，形成转速电流双闭环直流调速系统。1.2控制对象及设计要求Z2-40型直流电动机铭牌参数型号 Z2-40 额定容量（KW）40额定电压（V）300额定电流（A）148最大电流（A）296额定转速（rpm）910额定励磁（A）0.61GD2（Kgm2）1.0电枢电阻Ra（）0.04电枢电感La（mH）2.05其他参数整流侧内阻Rn（）0.046整流变压器漏感LT（mH）0.75电抗器直流电阻RH（）0.75电抗器电感LH（mH）4 设计要求为：1.调速范围D=20，静差率S5%。在整个调速范围内要求转速无级、平滑可调。

5、2.动态性能指标：电流环超调量i5%；空载起动到额定转速时转速超调量n10%。第二章 直流调速系统总体方案设计接触器反向-双闭环直流调速系统，主电路采用三相可控晶闸管整流电路整流，通过改变直流电动机的电枢电压从而进行调压调速，并通过接触器反向来实现电机的反转运行。在直流侧串有平波电抗器，为电机提供稳定可靠的电源。在直流交流侧安置了保护装置，保证各元器件能安全的工作，同时由于使用了转速电流双闭环控制，使得整个调速系统具有很好的动态性能和稳态性能。2.1接触器反向-双闭环直流调速系统的组成框图为实现转速和电流两种负反馈分别作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电

6、流负反馈。二者之间实行嵌套连接，如图所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。2.2接触器反向-双闭环直流调速系统的原理图：为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如上图所示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出

7、限幅电压Uim*决定后了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制电压Ucm 限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。第三章 直流调速系统主电路设计3.1主回路结构与参数计算主回路由一系列功能部件构成，包括整流变压器，晶闸管，触发电路，接触器主开关，电动机等系统的主干及各种保护电路和辅助电路，等最重要的组成部分。采用三相可控晶闸管整流电路整流是把交流变直流。通过改变晶闸管触发脉冲的相位从而改变直流电动机的电枢电压从而进行调压调速。其主电路图如下：3.1.1 电动机参数计算电动机型号为：Z240=Ra+2Rn+Rh=0.04+20.046+0.075=0.207 =La+2

8、Lt+Lh=2.05+20.75+4=7.55 mH=0.00755 HCe = = =0.3232 VCm = 9.55Ce=1.3055nop = =94.7896 rpm二次侧电压：U2 =185.2677231.5846V，取U2 = 160V3.1.2 整流电路参数计算1）整流变压器参数Udo =UN+IdmaxR=300+2960.207=361.272V又因Udo =2.34U2因此U2 = 154.3897V，取U2 = 160V变比：K = = 1.375；二次侧电流：I2 =0.816148=120.768 (A)一次侧电流：I1 = = =87.831 (A)S=3U1I

9、1=3220V87.831A=57969 VA 2）整流晶闸管参数计算IT(AV)=（1.52）0.368120.768=69.924793.2329 (A)取IT(AV)=100（A）的晶闸管。UTmax=U2=160=391.9184VUT(额)=（23）UTmax =783.8 1175V 取UT(额)=1000V因此可选择1000V/100A的晶闸管2）平波电抗器的选择及计算平波电抗器：平波电抗器用于整流以后的直流回路中。输出的整直电压中总是有纹波的，需要由平波电抗器加以抑制。电路如右图：对于三相桥式整流电路：=14810%=14.8 A所以：=7.4919 mH3.2主电源电路设计晶

10、闸管-电动机调速系统（简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统），图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud ，从而实现平滑调速。如下图：可控整流的原理：当晶闸管的阳极和阴极之间承正向电压并且门极加触发信号晶闸管导通，并且去掉门极的触发信号晶闸管依然维持导通。当晶闸管的阳极和阴极之间承受反向电压并且门极不管加不加触发信号晶闸管关断。3.3晶闸管触发电路对三相桥式全控整流电路，六个晶闸管需要依次轮流触发。为了确保实现每个晶闸管的准确导通，提供间隔60的双窄脉冲。下图所示为同步信号为锯齿波的触发电路。它由5 个基本

11、环节组成：锯齿波形成与脉冲移相控制环节；同步检测环节；脉冲形成、放大和输出环节；双窄脉冲形成环节和强触发环节。参看上图，双窄脉冲触发的实现原理：1号触发器内送出的负脉冲信号输出第一个触发窄脉冲。经过60后，2号触发器同样送出第一个窄脉冲，同时由该触发器的X端送到与之相连的1号触发器的Y端，使1号触发器电路产生负脉冲从而由1号触发器输出第二个窄脉冲，且第二个脉冲比第一个脉冲滞后60。以下重复这样的过程，循环反复，就会使得六个晶闸管都得到相隔60的触发脉冲。3.4接触器反向运行主电路此设计通过控制由接触器主开关组成的H 桥实现电机的正方转，从而不必增加一组反组整流电路，减少复杂性，节约成本。主电路

12、如右图：3.5励磁电路参数设计由电机参数得。直流为0.61A.励磁电路线路原理如右图：第四章 直流调速系统调节器设计4.1确定时间常数双闭环直流调速系统动态结构图如下：-IdLUd0Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*iUcKs Tss+1Id1Ce+Eb T0is+11 T0is+1ASR1 T0ns+1a T0ns+1U*nn1) 整流装置滞后时间常数Ts。 主电路为三相桥式电路，平均失控时间Ts=0.0017s2) 晶闸管触发和整流装置的放大系数：3) 电流滤波时间常数 Toi。 三相桥式电路每个波头时间为3.3ms，应有(12)Toi=3.33ms，取Toi=2ms=0

13、.002s。4) 转速滤波时间常数 Ton。根据测速发电机波纹情况，取Ton=0.01 s5) 电流环小时间常数之和 Ti。Ti=Ts+Toi=0.0037s6) 电枢回路电磁时间常数 。7) 电力拖动系统机电时间常数 Tm。8）反馈环节的选择及计算系统给定： U*nm=U*im= U*cm =10V 转速反馈系数： = = 0.011 V.min/r电流反馈系数： = = 0.0338 V/A4.2电流调节器设计4.2.1 电流调节器结构的选择和参数的计算忽略反电动势的影响，并把Tc和Toi当作小惯性群近似处理，令Ti=Ts+Toi=0.0037s，电流内环可化简为下图：+-ACRUc (s

14、)bKs /R (Tls+1)(TSis+1)Id (s)Ti=Ts+ToiU*i(s)b从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由上图可以看出，采用 I 型系统就够了。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。检查对电源电压的抗扰性能：. 参照课本表2-3的典型I 型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。采用PI型调节器，传递函数可写成：为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择 =0.0365 s则电流环的

15、动态结构图便成为下图所示的典型形式 Id (s)K I s(TSis+1)+-U*i(s)b其中设计要求电流环超调量i5%，可选 x =0.707，KI TSi =0.5，则即4.2.2 校验近似条件电流环截止频率为 ci=KI=135.1 1) 晶闸管整流装置传递函数的近似条件，满足近似条件。2) 忽略反电动势对电流环动态影响的近似条件，不满足近似条件。3）电流环小时间常数近似处理条件，满足近似条件。4.2.3 电流调节器实现含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器的原理图如上图所示根据运算放大器电路原理，导出：取R0=40K，求得29.7k 取30k =1.2F 取1.2F =0.2F 取0

16、.2F4.3转速调节器设计4.3.1 电流环的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。忽略高次项，上式可降阶近似为 电流环等效时间常数为1/KI和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成 U*n(s)/a，再把时间常数为 1 / KI 和 Ton 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为Tn的惯性环节，其中等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理 TSns+1Ui*(s)/n (s)+-ASRCeTmsRU*n(s)+-IdL (s)Id (s)a /b TSns+14.3.2 转速调节器结构的选择和参数的计算为了

17、实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。 ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为调速系统的开环传递函数为其中校正后的系统结构为n (s)+-U*n(s)a 转速环小时间常数 按跟随和抗扰性能都较好原则，取h=5则 再由 得4.3.3 校验近似条件及转速超调量转速环截止频率为1) 电流环传递函数简化条件为，满足近似条件。2) 转速环小时间常数近似处理条件为，满足近似条件。3) 校核转速超调

18、量不满足设计要求。所以要加入转速微分负反馈减少超调量。4.3.4 转速微分负反馈减少超调量转速微分负反馈环节中的待定参数是和，由于，而且已选定 ，所以只需要确定。4.3.5 转速调节器的实现模拟式转速调节器电路原理图如下：取R0=40K，求得根据运算放大器电路原理，导出：Rn=KnR0=8.604 K 取8.6 K =10.1F 取 10 F Con=1F 取 1F =1.6F 取1.6F=6.2 K 取6.2 K第五章 直流调速系统辅助电路及保护电路5.1转速及电流反馈环节设计转速反馈环节主要作用是将测速发电机输出的电压进行滤波，还备有转速的检测信号。电路如下图： 1) 转速反馈环节 2)

19、电流检测环节电流检测环节为电流调节器提供电流反馈信号，采用电流互感器，如上图。5.2给定器设计和限幅电路设计由于只需要整流不需要逆变所以给定器只需产生幅值可调的阶跃给定电压或可平滑调节的给定电压。如下图： 1) 给定器设计 2) 限幅电路设计为了限制电路的输出幅值，确保系统在受到干扰时仍能正常工作或不被烧毁，利用二极管的单向导通性实现限幅。如右图：5.3稳压电源设计稳压电源输出稳定的15V直流电源向所有需要直流电源的各控制单元供电，它由整流、滤波、稳压三个部分组成。采用集成稳压芯片LM7815和LM7915，是电压更加稳定，供电能力强。原理图如右图：5.4电气控制线路在接触器的“自锁”电路，简

20、单的两位按钮“开”和“断”。在按电钮“开”的时候，由按钮接通线圈的另一个接头，提供了线圈电压，接触器吸和。当按钮断开时，按钮的这一条火线，通过接触器的辅助接点，继续为线圈提供电压，接触器还可以保持接通状态，这就是接触器的“自锁”。如果要断开接触器，就按动按钮开关的“停”，接触器失电，断开了电路。如下图： 1) 电气控制线路 2) 接触器方向控制电路5.5接触器方向控制电路通过给定控制信号。控制由接触器主开关组成的的H 桥的通断，实现电机的正反转，其原理和点起控制电路相同，如上图所示：5.6各种保护电路5.6.1 主电路过电压的保护1）交流侧过电压的保护阻容保护的保护：在变压器的二次侧并联电阻和

21、电容，由于电容两端的电压不能突变，所以可以有效地抑制过电压，串联电阻的目的是为了抑制LC回路的振荡。如右图：其中：=0.9511 uF 取1 uF=1.0157 取 1 2） 直流侧过电压的保护快速熔断器的熔断，直流电抗器所贮存能量释放时，会在直流侧造成过电压，而交流侧的保护装置不能有效地抑制，过电压会通过导通的晶闸管放映到直流侧来。因此要采用阻容保护，如右图:其中: 查表可得：IT(AV)=100（A） C=0.25 uF R=20 5.6.2 晶闸管过电压保护和过流保护晶闸管承受过电压的能力极差，当电路中电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易反向击穿而损坏。保护过电压的常用方法是采

22、用采用阻容保护；如右图：晶闸管的过电压保护一般取 IT(AV)=100（A） C=0.25 uF R=20 由于整流电路内部原因或是整流桥负载外电路发生短路而引起过电流。晶闸管的过电流保护一般用快速熔断器，与晶闸管串联，他们流过的电流相同，保护作用最好；快速熔断器的额定电压应大于线路的正常工作电压的有效值，额定电流应大于被保护晶闸管的额定电流。由于晶闸管在选取时已考虑到了安全裕度，所以取快速熔断器额定电流 IFN=100 A - 20 -设计心得本设计为“接触器反向转速电流双闭环直流调速系统”，经过设计的双闭环系统满足了设计指标的要求，完成了设计任务。该系统采用转速、电流双闭环控制，机械特性偏

23、硬，无静差调节，快速起制动，突加负载动态速将小，但是有超调。并采用了接触器实现了电机的正反转运行。在这里，要特别提到我的指导老师 -和 -老师，作为他们给了我很大的帮助，使我少走了许多弯路。同学们在提供资料方面提供了很多帮助，而且相互探讨，提供了很多思路。在此向大家表示感谢。我在这里向他们表示诚挚的感谢。这次电力拖动自动控制系统历时两个星期，这是我第一次做课设，在整整两个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。参考文献1. 陈伯时主编。电力拖动自动控制系统运动控制系统。第3版机械工业出版社，2007 2. 王兆安，黄俊主编。电力电子技术。第4版。北京：机械工业出版社，20003. 任彦硕主编。自动控制原理。机械工业出版社，20064. 陈治明主编.电力电子器件. 北京：机械工业出版社，19925. 童福尧编著。电力拖动自动控制系统习题例题集。北京：机械工业出版社，19936. 李光举。有环流可逆调速系统正向制动过程的分析。邢台职业技术学院学报。2000，第三期，第十七卷7. 李仁：电器控制，机械工业出版社，1990王兆安，张明勋等：电力电子设备设计和应用手册，机械工业出版社，2002本文是通过网络收集的资料，如有侵权请告知，我会第一时间处理。8.