错位控制无环流可逆调速系统设计

1、自动控制系统课程设计报告课程名称： 自动控制系统课程设计报告设计题目： 错位控制无环流可逆调速系统设计院系：班级：设 计 者：学号：同 组 人：指导教师：设计时间：- 1 -专业学生题目子题设计时间设计要求课程设计（论文）任务书电气工程及其自动化班级指导教师自动控制系统课程设计错位控制无环流可逆调速系统设计设计目的：1. 了解并熟悉错位控制无环流可逆调速系统的组成结构。2. 熟悉错位控制无环流可逆调速系统中各单元环节的工作原理，特性和作用。3. 了解错位控制无环流可逆调速系统的静特性和动态特性。4. 了解错位控制无环流可逆调速系统的优缺点。设计内容：1. 系统方案的选择。2. 系统方案的实体设

2、计，包括各种功能电路或部件的设计与选择参数计算。3. 系统各主要保护环节的设计。4. 系统的动态工程设计，包括转速调节器，电流调节器的结构和参数选择。5详细分析错位控制无环流可逆调速系统的设计过程。指导教师签字：系（教研室）主任签字：年月日- 2 -目录一、 错位控制无环流可逆调速系统的原理 .- 4 -1、可逆调速系统的原理 .- 4 -2、 环流的介绍 .- 4 -1、环流的定义 .- 4 -2、 环流的分类 .- 5 -3、 错位控制无环流系统 .- 5 -1、静态环流的错位消除原理 .- 5 -2、错位控制无环流系统的结构 .- 5 -3、错位控制无环流系统的优缺点 .- 6 -二、

3、系统的设计 .- 6 -1、 主电路的设计及参数选择 .- 6 -1、 变压器的选择 .- 6 -2、 晶闸管的选择 .- 6 -3、 电抗的选择 .- 7 -2、 同步变压器及触发器的设计 .- 7 -1、触发电路的设计 .- 7 -2、 同步变压器的设计 .- 8 -3、 保护电路的设计 .- 8 -1、 过电流保护 .- 8 -2、 过电压保护 .- 8 -3、 缓冲电路 .- 8 -4、 检测环节 .- 9 -1、 转速检测 .- 9 -2、电流检测 .- 10 -3、 电压检测 .- 10 -5、 控制电路的设计 .- 10 -1、 avr 电压内环的设计 .- 10 -2、 acr

4、 电流环的设计 .- 11 -3、 asr 转速环的设计 .- 12 -4、 avr、 acr 和 asr 的限幅设计 .- 13 -5、 ar 反相器的设计 .- 13 -三、 设计小结 .- 14 -四、 参考文献 .- 14 - 3 -一、错位控制无环流可逆调速系统的原理1、可逆调速系统的原理图 1 两组晶闸管装置发并联线路较大功率的可逆直流调速系统多采用晶闸管电动机系统。由于晶闸管的单向导电性，需要可逆运行时经常需要采用俩组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，如图 1，电动机正转时，由正组晶闸管 vf 供电；反转时，由反组晶闸管 vr 供电。两组晶闸管分别由两组触发装置进行控制，都能灵

5、活的控制电机的起动、制动和升速、降速。但在一般情况下不允许让两组晶闸管同时处于整流状态，否则将造成电源短路。在可逆调速系统中，正转运行时可利用反组晶闸管实现回馈制动，反转时同样可利用正组晶闸管实现回馈制动，总结起来，可将可逆线路的正反转时的晶闸管和电机状态总结为表 1。表 1 v-m 系统反并联可逆线路的工作状态2、环流的介绍1、环流的定义采用两组晶闸管反并联的可逆v-m 系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流。如图 2 中的 ih 。一般情况，这样的环流对负载无益，徒然加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损

6、坏，因此应该予以抑制或消除。- 4 -图 2 反并联可逆 v m 系统中的环流（ ih 环流id 负载电流）2、环流的分类（ 1）静态环流：两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流，其中又有两类：直流平均环流 -由晶闸管装置输出的直流平均电压所产生的环流称作直流平均环流瞬时脉动环流 -两组晶闸管输出的直流平均电压差为零，但因电压波形不同，瞬时电压差仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。（ 2）动态环流：仅在可逆v-m 系统处于过渡过程中出现的环流。3、错位控制无环流系统1、静态环流的错位消除原理采用配合控制的原理，当一组晶闸管装置整流时，让另一组处于待逆变状态，而且两组触发脉冲的零位错开

7、的比较远，避免了瞬时脉动环流产生的可能性，这就是错位控制无环流可逆系统。具体地说，在 =配合控制的有换流可逆调速系统中，两组触发脉冲的配合关系是 fr180 ， u c0 时的初始相位整定在f 0r 090 ，从而消除了直流平均环流，但仍存在瞬时脉动环流。在错位控制的无环流可逆调速系统中，同样采用配 合控制的触发移 相方法，但两组 脉冲的 关系是fr3 0 0 ，甚至是fr360 ，也就是说初始相位整定在或f 0r 0150 180 。这样，当待逆变组的触发脉冲到来时，它的晶闸管已经完全处于反向阻断状态，不可能导通，当然就不会产生静态环流了。2、错位控制无环流系统的结构主电路采用两组三相桥式晶

8、闸管装置反并联可逆线路， 控制电路采用转速、电流双闭环系统，其中，转速调节器 asr 控制转速，设置双向输出限幅电路，以限制最大起制动电流；电流调节器 acr 控制电流，设置双向输出限幅电路，以限制最小控制角 min 与最小逆变角 min。根据可逆系统正反向运行需要，给定电压、转速反馈电压、电流反馈电压都应该能够反映正和负极性， 电流反馈应能否反映极性，因此电流互感器需采用直流电流互感器或霍尔变换器。在错位无环流系统中增设了电压内环。电压内环的作用：1）缩小反向时的电压死区，加快系统的切换过程。2）抑制电流断续等非线性因素的影响，提高系统的动、静态性能。3）防止动态环流，保证电流安全换向。-

9、5 -+15vtvdu * vu vvf*gtfu iu nu ct (s)asracravr-15vu nuigtrtam-1vrtanintg图 3 错位控制无环流可逆调速系统asr 转速调节器，acr 电流调节器，avr 电压调节器，tg 测速发电机，ta 电流互感器， ar 反相器， gtf正组晶闸管脉冲移相触发装置， gtr反组晶闸管脉冲移相触发装置， vf 正组晶闸管， vr 反组晶闸管， l tf 平波电抗器， un* 转速给定电压， un转速反馈电压， ui* 电流给定电压， ui 电流反馈电压 ， uu 端电压给定电压， uu端电压反馈电压3、错位控制无环流系统的优缺点错位控

10、制无环流系统的结构简单，调整方便，但与逻辑无环流系统相比，切换特性较差，在某些切换条件下的切换死区较大。而且在切换过程中容易出现电流冲击。因此错位控制无环流系统通常用于系统容量较小而且对切换品质要求不高的场合。二、系统的设计1、主电路的设计及参数选择1、变压器的选择三向桥式整流电路变压器副边相电压e2 与最大整流直流电压 u d ma x 的关系是：u d ma x 2.34e2 。在可逆系统中由于有最小逆变角限制的问题， u d max2.34e2 cos min。u d max 应该等于电动机额定电压 u ed 加上过载电流所产生的附加压降(i d maxi ed )rs再加上晶闸管的管压

11、降e ，另外考虑整流电源内阻压降及电网电压波动，通常还需要再增加 15%20%，因此 u d max(1.15 1.2)u ed ( i d max i ed )rse，则可求出 e2。考虑到工作负荷不会过重，并且变压器也容许一定过载，所以选取变压器为/ y 连接。则在副边：副边线电压为u 23 e2,副边线电流i 2 0.816i d max0.816i d。2、晶闸管的选择考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，在设计中应该有23 倍的电压设计裕- 6 -量，则晶闸管的额定电压值为 u n (2 3)u m (2 3)2.45e2 。650晶闸管975的额定电流的选取设计过程中也应该考虑裕

12、量的问题，则其额定电流为i tav(1.5 2) / 3 /1.57 i d 。75 100a3、电抗的选择在 v-m 系统中，脉动电流会产生脉动转矩，对生产机械不利，同时也增加电机的发热。为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，主要是：设置平波电抗器；增加整流电路相数；采用多重化技术。在此处增加平波电抗器。三相桥式 整 流 电 路 中 ， 总 电 感 量 为l0.693 e2， 平 波 电 抗 器i d minldllm，i dmin （5% 10%） i n , lm 为电机的电枢电感。2、同步变压器及触发器的设计1、触发电路的设计晶闸管触发电路类型很多，有分立式、集成式和数字式

13、，分立式相控同步模拟电路相对来说电路比较复杂；数字式触发器可以在单片机上来实现，需要通过编程来实现，本设计不采用。由于集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便，所以本设计采用的是集成触发器， 选择目前国内常用的 kj、kc 系例，本设计采用 3 个 kj004 集成块和 1 个 kj041 集成块，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可。电路原理图如图4，u c 0 处为触发系统的输入端， 可将变阻器去掉， 直接接控制电压 u c 0 ；up为初始相位控制端，即在uc初始电压为0时调节脉冲的初始相位f 0r 0180。360usausbu sc- 15 vr19r 13

14、r 20r 14r21r15u coupr p1r p6r p3r p4r1r p5r p 2r 2r3r 16r 7r 4r 17r8r5r 18r 9r 6c 489c 1c 589c 2c689c 3741074107410611611611501250125012000jjj4k134k134k13r12c 7314r 10 c 8314r11 c 9314215215215116116116+ 15 v( 1 6 脚 为6 路 单 脉 冲 输 入 )12 3 4 5 6 78k j04 165432109( 15 10 脚 为 6路 双 脉 冲 输 出 )1 1 1 1 1 1 1至

15、 v t 1 至 v t 2 至 v t 3 至 v t 4 至 v t 5 至 v t 6图 4 三相全控桥整流电路的集成触发电路- 7 -2、同步变压器的设计触发电路应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系。同步变压器原边接入为主电路供电的电网，保证频率一致；此外，应确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系。具体参见电力电子技术第95 页说明。图 5 同步变压器的原理图表 2 三相全控桥各晶闸管的同步电压变压器接法：主电路整流变压器为 d,y-11 联结，同步变压器为 d,y-11,5 联结。此时，同步电压的选取结果见表 2。3、保护电路的设计1、过电流保护在主电

16、路中交流侧安装快速熔断器。2、过电压保护考虑晶闸管的保护方法为两端并联电阻电容，同时在交流侧并接电阻电容。3、缓冲电路又称吸收电路，抑制器件的内因过电压、 du/dt、过电流和 di/dt ，减小器件的开关损耗。如图 7。图 6 三相电路交流侧阻容保护电路- 8 -图 7 缓冲电路（将图中的igbt 换成晶闸管）4、检测环节图 8 检测环节1、转速检测势系数cetg2 ，即根据测速发电机的额定数据，有 cetg=u n测 / nn测 ， 2 = /cetg。 电位器的选择方法如下：为了使测速发电机的电枢压降对转速检测信号的线性度没有显著影响，取测速发电机输出最高电压时， 其电流约为额定值的20

17、%，则rcetgnn ，最后验证电位0.2i n测器的消耗功率是否合乎要求。wcetgnn0.2i n测 。- 9 -2、电流检测从理论上讲 u ii n ,可选取检测电阻的阻值大小为，然后验证该电阻的功率是否符合要求， wr i n2 ；若过大则应在反馈回路增加放大器，从而减小电阻阻值。3、电压检测在 可 逆 系 统 中 由 于 有 最 小 逆 变 角 限 制 的 问 题 ， u d max2.34e2 cos min ，u vru d应该足够小从而u d， (r为 rp 的有效部分 )在电压检测回路上 i 测r1r1 rprp不影响整流（或逆变）装置和电机的工作，因此先选择阻值较大的固定电

18、阻 r1，然后再选择合适的滑动变阻器。5、控制电路的设计1、avr 电压内环的设计1）avr 的模型简化说明avr 的设计采用积分调节器，其分析过程如下。将电压环的传递函数等效成如下：因此，电压环简化后可视为电流环中的一个环节，化简后如下：wacr ( s)k（ii1）。i s2）avr 的电路模型- 10 -图 9avr 积分调节器2、acr 电流环的设计1）电流环简化说明acr 的设计用 pi 调节器，经过 avr 的简化设计以后 acr 的传递函数框图如下：kik i= ci ， rs 为电机的电枢电阻。rs i2）acr 参数的计算itl l ，取 k i toi0.5，则 kik i

19、 rs i 。rs3）近似条件检验upe 纯滞后近似处理：1ci3ts忽略反电势变化对电流环动态响应:1ci3t toi l电流环小惯性群的近似处理：11ci3t st0 i4）调节器电阻电容的选取ri k i r0 ，cii ，coi4toi 。在计算完成后应根据实际的电阻 /电容值进行选择。rir05）acr 的电路模型- 11 -图 10 含给定与反馈滤波环节的pi 型电流调节器3、asr 转速环的设计1）asr 等效模型说明asr 设计选用 pi 调节器，电流环简化后可视作转速环内环， 按典型 i 型系统设计电流环，忽略高次项，降阶近似，其闭环传递函数为：1wcli ( s)i d ( s)wcli (s)u i* (s)1s 1k i2）按典型二阶系统进行设计wasr (s)k n ( n1) ，tton1 ， nht n ，k nh12 ，k n( h 1) cetmn snk i2h2tn2 hrt ncnk nn