自动控制系统课程设计封皮及任务书

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 设计题目：含有电流自适应调节器的双闭环调速系统 院 系：电气工程系 班 级：1002304 设 计 者：王赫 学 号：100250125 同 组 人：李守靖 沈重 陈光龙 指导教师：吴世华 设计时间：2013.11.11 目录一、题目分析2二、主电路的选型和系统组成22.1 晶闸管结构型式的确定22.2 含有电流自适应调节器的双闭环调速系统工作原理4三、调速系统主电路元部件的确定及其参数计算43.1 整流变压器容量计算43.2 晶闸管的选择63.3保护电路的设计计算7四、控制电路的选型设计94.1 KC04简介94.2三相全控桥整流电路的

2、集成触发电路10五、调节器参数设计115.1电流调节器ACR的设计115.2测速发电机的设计135.3转速调节器ASR的设计135.4 平波电抗器的设计15六、设计过程问题分析15参考资料：15课程设计（论文）任务书专 业电气工程及其自动化班 级1002304学 生陈光龙指导教师吴世华题 目含有电流自适应调节器的双闭环调速系统设计子 题设计时间2013年11月4日 至 2013年11月15日 共2周设计要求设计（论文）的任务和基本要求，包括设计任务、查阅文献、方案设计、说明书（计算、图纸、撰写内容及规范等）、工作量等内容。一、设计目的：1. 通过课程设计掌握双闭环控制系统的分析与设计方法。2.

3、 掌握典型双闭环调速系统的组成，动态和静态性能指标和电流断续时的处理。3. 根据实际情况，掌握设计转速调节器，电流调节器（包含电流断续）的一般方法。4. 培养自己科学严谨的治学态度。二、设计内容：1. 转速调节器，电流调节器（ASR，ACR）具有抗干扰滤波能力，稳态运行无静差。2. 电流调节器ACR具有电流自适应功能。3. 稳态指标：无静差。4. 动态指标：电流超调量i15%；空载起动到额定转速时的转速超调量n10%。三、参数选择：基本参数如下：直流电动机：220V，36A，1460r/min，Ce=0.127Vmin/r，允许过载倍数=1.5。晶闸管装置放大系数：Ks=33。电枢回路总电阻：

4、R=0.3。时间常数：Tl=0.03s，Tm=0.18s。电流反馈系数：=0.185V/A（10V/1.5Inom）。转速反馈系数：=0.007Vmin/r（10V/Nnom）。指导教师签字： 系（教研室）主任签字：年 月 日一、题目分析转速电流双闭环调速系统具有。的优点，但是在设计中电流环的PI调节器动态参数是按电流连续的情况下选取的，如果轻载下平波电抗器的电感量又不是十分大，就会出现电流断续的情况。当电流断续时，将使调节对象的放大倍数大大降低，电枢回路时间常数Tl消失。此时的电流调节器若仍然采用PI调节器，则电流环响应变慢，转速换被控对象小时间常数增加，将造成转速环的低频振荡。此时电流环若

5、仍按I型系统设计，电流调节器应该是一个小时间常数的积分调节器。图1 电流自适应调节器线路图二、主电路的选型和系统组成2.1 晶闸管结构型式的确定一、设计思路本设计中直流电动机由单独的可调整流装置供电，采用三相桥式全控整流电路作为直流电动机的可调直流电源。通过调节触发延迟角的大小来控制输出电压Ud的大小，从而改变电动机M的电源电压。由改变电源电压调速系统的机械特性方程式 Ud 整流电压 R 整流装置内阻可知，改变Ud，即可改变转速n。二、主电路的确定虽然三相半波可控整流电路使用的晶闸管个数只是三相全控桥整流电路的一半，但它的性能不及三相全控桥整流电路。三相桥式全控整流电路是目前应用最广泛的整流电

6、路，其输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广。把该电路应用于本设计，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。三相桥式全控整流电路实际上是组成三相半波晶闸管整流电路中的共阴极组和共阳极组串联电路，如图六所示。三相全控桥整流电路可实现对共阴极组和共阳极组同时进行控制，控制角都是。在一个周期内6个晶闸管都要被触发一次，触发顺序依次为：，6个触发脉冲相位依次相差。为了构成一个完整的电流回路，要求有两个晶闸管同时导通，其中一个在共阳极组，另外一个在共阴极组。为此，晶闸管必须严格按编号轮流导通。晶闸管与 按A相，晶闸管与 按B相，晶闸管与 按C相，晶

7、闸管接成共阳极组，晶闸管 接成共阴极组。在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电路。由于电网电压与工作电压（U2）常常不一致，故在主电路前端需配置一个整流变压器，以得到与负载匹配的电压，同时把晶闸管装置和电网隔离，可起到降低或减少晶闸管变流装置对电网和其他用电设备的干扰。考虑到控制角增大，会使负载电流断续，并且负载为直流电动机时，由于电流断续和直流的脉动，会使晶闸管导通角减少，整流器等效内阻增大，电动机的机械特性变软，换向条件恶化，并且增加电动机的损耗，故在直流侧串接一个平

8、波电抗器，以限制电流的波动分量，维持电流连续。为了使元件免受在突发情况下超过其所承受的电压电流的侵害，电路中加入了过电压、过电流保护装置。图2 三相桥式全控整流电路2.2 含有电流自适应调节器的双闭环调速系统工作原理一、系统结构图3 转速电流双闭环调速系统结构图二、工作原理图3中电流调节器ACR增加图1所示的自适应调节器，电流连续时，场效应管VT夹断， 电流调节器的传递函数为，电流断续时VT导通，经过小电阻R2将R1与C1的中间接地，是ACR变成积分环节，则电流调节器的传递函数变成（当图1中时）三、调速系统主电路元部件的确定及其参数计算3.1 整流变压器容量计算一、次级电压U2： 为了保证负载

9、能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后，晶闸管交流侧的电压U2只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器次级电压U2。影响U2值的因素有：（1）U2值的大小首先要保证满足负载所需求的最大直流值（2）晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降，用UT表示（3）变压器漏抗的存在会产生换相压降（4）平波电抗器有一定的直流电阻，当电流流经该电阻时就要产生一定的电压降（5）电枢电阻的压降综合以上因素得到的U2精确表达式为： A= Ud0/U2，表示当控制角=0时，整流电压平均值与变压器次级相电压有效值之比。B=Ud/Ud0，表示控制角为时和=00时整流电压平均值

10、之比。UK%变压器的短路电压百分比，100千伏安以下的变压器取UK%=5，1001000千伏安的变压器取UK%=58为电网电压波动系数。根据规定，允许波动+5%-10%，即=1.050.9C是与整流主电路形式有关的系数，表示电动机电枢电路总电阻的标么值，对容量为15150KW的电动机，通常ra=0.080.04nUT表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降对于本设计：为了保证电动机负载能在额定转速下运转,计算所得的U2应有一定的裕量,根据经验所知,公式中的控制角应取300为宜。=0.9,A=2.34,B=0=，C=0.5，UK%=5 = 取U2=137.38取U2 =138V,电压比=2.7

11、5二、次级电流I2和变压器容量：Id =36A , ,KI2为各种接线形式时变压器次级电流有效值和负载电流平均值之比。对于本设计、KI1取0.816，故 I2=0.81636=29.37A在计算得到变压器次级相电压有效值U2以及相电流有效值I2后，根据变压器本身的相数m就可计算变压器的容量，其值为 平均计算容量 3.2 晶闸管的选择一、晶闸管的额定电压由三相全控桥式整流电路的波形（图2-4）分析知，晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值 故桥臂的工作电压幅值为：考虑裕量，则额定电压为：2、晶闸管的额定电流 晶闸管电流的有效值为：考虑裕量：取=30A。故选晶闸管型号为KP30-20晶

12、闸管原件3.3保护电路的设计计算1、过电压保护：交流侧过电压的保护 图4 保护电路 采用RC过电压抑制电路如图一所示，在变压器次级并联RC电路，以吸收变压器铁心的磁场释放的能量，并把它转换为电容器的电场能而存储起来，串联电阻是为了在能量转换过程中可以消耗一部分能量并且抑制LC回路可能产生的震荡。本设计采用三相全控桥整流电路，变压器的绕组为Y联结，阻容保护装置采用三角形接法，故可按下式计算阻容保护元件的参数 电容C的耐压 电阻R的功率为 式中 ST变压器每相平均计算容量（VA）U2变压器次级相电压有效值（V）励磁电流百分比，当ST几百伏安时=10，当ST1000伏安时=35UK%变压器的短路电压

13、百分比IC,UC当R正常工作时电流电压的有效值（A，V） 对于本设计，UK%=5， =5，ST=12.2/3=4.07KVA（1） 电容器的计算,取3uF取510V选择C=3F，耐压510V的金属化纸介电容(2)电阻值的计算取R=35，RC支路电流IC近似为电阻R的功率为 直流侧的过电压保护 整流器直流侧开断时，如直流侧快速开关断开或桥臂快熔熔断等情况，也会在A、B之间产生 过电压，如图二所示本设计用非线性元气件抑制过电压，在A、B之间接入的是压敏电阻，这是由氧化锌、氧化铋等烧结制成的非线性电阻元件，它具有正反向相同的很陡的伏安特性，击穿前漏电流为微安数量级，损耗很小，过电压时(击穿后)则能通

14、过达数千 安的浪涌电流， 所以抑制电流能力很强。压敏电阻的额定电压U1mA的选取可按下式计算Ud0为晶闸管控制角=00时直流输出电压 对于本设计：通常用于中小功率整流器操作过电压保护时，压敏电阻通流容量可选择（35）晶闸管换相过电压保护 如右图，在晶闸管元件两端并联RC电路，起到晶闸管换相过电压的保护。串联电阻R的作用一是阻尼LTC回路的震荡，二是限制晶闸管开通瞬间的损耗且可减小电流上升率di/dt。R、C值可按经验数据选取，R=(1030)C=(24)二、过电流保护 在电路中串接的器件是快速熔断器，这是一种最简单有效而应用最普遍的过电流保护元件，其断流时间一般小于10ms，按图接法熔断器与每

15、一个晶闸管元件相串联，可靠的保护每一个晶闸管元件。四、控制电路的选型设计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，随着集成电路制作技术的提高，晶闸管触发电路的集成已经逐渐普及，现已经逐步取代分立式电路. 4.1 KC04简介KC04与分立元件的锯齿波移相触发电路相似，分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲输出几个环节。电路原理图如图所示KC04电路原理图4.2三相全控桥整流电路的集成触发电路只需采用3个KJ004集成块和一个KJ041集成块，即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，即构成完整的三项全控桥出发电路，如图所示三相全控桥整流电路的集成触发电五、调节器参数

16、设计5.1电流调节器ACR的设计（1）确定时间常数采用三项桥式晶闸管整流装置供电，平均失控时间如表所示表1 晶闸管整流器的失控时间（f=50Hz）整流电路形式最大失控时间Tsmax(ms)平均失控时间 Ts(ms)单相半波2010单相桥式（全波）105三相半波6.673.33三相桥式3.331.67平均失控时间为电流反馈滤波时间常数Toi三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头，应有Toi=3.33ms，因此取Toi=0.002s取电流环小时间常数，（2）选择电流调节器结构电流超调量，并保证稳态电流无差，可按I型系统设计调节器，电流环控制对象为双惯性型，因此可用PI型电流调节

17、器，其传递函数，（3）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：，根据表所示，表1 典型型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系KT0.250.390.50.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间8.3T6.2T4.7T3.2T相角裕度76.369.965.559.251.8截止频率0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T可取，电流环开环增益，ACR的比例系数,电流调节器的传递函数为，（4）校验近似条件电流环截止频率为，检验晶闸管整流装置传递函数的近

18、似条件 满足近似条件检验忽略反电动势变化对电流环动态影响条件，满足近似条件，检验电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件（5）计算调节器的电阻和电容电流调节器ACR的原理图如图所示图 电流调节器ACR的原理图取调节器输入回路电阻，取8，取3.75uF，取0.2uF，按照上述参数，电流环可以达到动态跟随性能指标，满足设计要求。5.2测速发电机的设计选择测速发电机为永磁式测速发电机，型号：ZYS231/110。额定数据为23.1W，110V，0.21A，1900r/min，则测速发电机的电动势系数电位器RP2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，去测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定制的20%。则此时RP2消耗的功率为：所以RP2选为10W，1.5K的可调电位器。5.3转速调节器ASR的设计（1） 确定时间常数已知电流环等效时间常数，根据所用测速发电机纹波情况取转速滤波时间常数，转速环小时间常数，（2）选择转速调节器结构按照设计要求选用PI调节器，其传递函数为，（3）计算转速调节器参数根据跟随性能和抗扰性能较好的原则，取h=5，ASR的超前时间常数为，转速开环增益，ASR的比例系数为，（4）检验近似条件转速环截止频率为电流环传递函