自动控制系统课程设计

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：给定环流的可逆调速系统设计
院系：电气工程系
班级：
设计者：
学号：
同组人：
指导教师：
设计时间： 2011年10月31日-11月11日
课程设计（论文）任务书
指导教师签字：系（教研室）主任签字：
2011年11 月11 日
目录
1. 绪论 (4)
1.1环流产生的原因 (4)
1.2.环流的危害和利用 (4)
2. 给定环流的可逆调速系统原理 (4)
2.1系统结构 (5)
2.2线路工作原理 (5)
3.系统结构设计与参数选择 (6)
3.1主电路设计 (6)
3.1.1主电路方案分析比较 (6)
3.1.2触发电路设计 (6)
3.1.3变压器及晶闸管参数及选型 (6)
3.2控制电路的设计 (7)
3.2.1给定电压*n U和给定环流*ic U的设定 (7)
3.2.2转速反馈环节 (9)
3.2.3电流调节器的设计 (9)
3.2.4转速调节器（ASR）的设计 (11)
3.3参数选择： (13)
4保护电路 (14)
5设计总结 (15)
6参考文献 (15)
1. 绪论
1.1环流产生的原因
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。

图1 可逆V-M系统中的环流。

其中Id为负载电流，Ih为环流。

1.2.环流的危害和利用
（1）危害：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坏，因此应该予以抑制或消除，元器件容量适当增大。

（2）利用：只要合理的对环流进行控制，保证晶闸管的安全工作，可以利用环流作为流过晶闸管的基本负载电流，使电动机在空载或轻载时可工作在晶闸管装置的电流连续区，以避免电流断续引起的非线性对系统性能的影响。

为了利用环流的有益方面保证系统中的晶闸管装置工作在电流连续区，使系统获得平滑的过度特性和较好的动态特性，提出了给定环流的可逆调速系统。

2. 给定环流的可逆调速系统原理
与自然环流系统相比，给定环流的可逆速系统的环流值不随触发器的控制角α改变，环流电抗器尺寸减小；二是可以保证空载时变流装置电流连续，获得平滑的过渡特性和较好的动态性能。

但同样由于环流的弊端不能克服，该系统基本被可控环流系统取代，较少采用。

2.1系统结构
图2 给定环流的可逆调速系统结构图
本线路与有环流可逆调速系统的不同点在于：增加了一个电流调节器ACR；将反号器AR接在了转速调节器ASR之后；并且在两个电流调节器之前，由给定环流电位器提供恒定的环流给定信号-Uic*。

2.2线路工作原理
其中：正组晶闸管VF，由GTF控制触发。

正转时，VF整流；反转时，VF逆变。

反组晶闸管VR，由GTR控制触发。

反转时，VR整流；正转时，VR逆变。

当不工作时，给定电压Un*=0，此时只有环流给定电压-Uic*存在，因而主电路中正组和反组晶闸管电流If和Ir相等，并且等于给定环流Ih*，即If=Ir=Ih*。

流过电动机的电流Id=If-Ir=0。

当正向运转时，Un*为正，Ui*为负，D1导通，-Ui*和-Uic*同时加在正向电流调节器ACR1的输入端，使正组触发脉冲相位前移，使正向整流电压U d0f升高。

反组电流给定信号经反号器AR变为正，被二极管D2截止，所以加在反向电流调节器ACR2的输入信号只有-Uic*。

随着整流电压的增加，促使流过反组的电流增大，电流反馈信号使反组触发脉冲拉到逆变区，抑制了环流偏离给定值。

电动机稳定工作后的正向电流If为负载电流Id 与给定环流Ih*之和，即If=Id+Ih*，反向电流Ir等于给定环流Ih*。

当反向运转时，Un*为负，D2导通，D1截止，电动机反向运转，其工作原理与正向工作时相同。

由此可见，在包括停止、正转、反转的整个工作期间，环流Ih*始终存在。

3.系统结构设计与参数选择
3.1主电路设计
3.1.1主电路方案分析比较
本系统主电路采用两组三相桥式晶闸管装置反并联可逆线路。

两组变流器需要两个独立电源，环流电抗器4个。

3.1.2触发电路设计
TC787是采用独有的先进IC 工艺技术，并参照国外最新集成移相触发集成电路而设计的单片集成电路。

它可单电源工作，亦可双电源工作，主要适用于三相晶闸管移相触发和三相功率晶体管脉宽调制电路，以构成多种交流调速和变流装置。

它们是目前国内市场上广泛流行的TCA785及KJ(或KC)系列移相触发集成电路的换代产品，与TCA785及KJ(或KC)系列集成电路相比，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点，而且装调简便、使用可靠，只需一个这样的集成电路，就可完成3只TCA785与1只KJ041、1只KJ042或5只KJ(3只KJ004、1只KJ041、1只KJ042)(或KC)系列器件组合才能具有的三相移相功能。

因此，TC787/TC788可广泛应用于三相半控、三相全控、三相过零等电力电子、机电一体化产品的移相触发系统，从而取代TCA785、KJ004、KJ009、KJ041、KJ042等同类电路，为提高整机寿命、缩小体积、降低成本提供了一种新的、更加有效的途径。

3.1.3变压器及晶闸管参数及选型
（1）三向桥式整流电路变压器副边相电压2E 与最大整流直流电压
m ax
d U 的关系是：
2
max 34.2E U d =，在可逆系统中由于有最小逆变角限制的问题，
min
2max cos 34.2βE U d =，考虑整流电源内阻压降及电网电压波动，通常
m ax
d U 还需要再
增加15%~20%，因此
]
)()[2.1~15.1(max max E R I I U U s ed d ed d ∆+-+=
1
2
M VF
VR
a b c
--
根据整流负载的要求，所需要的变压器： 副边 错误!未找到引用源。

，错误!未找到引用源。

原边错误!未找到引用源。

副边功率 错误!未找到引用源。

按计算容量的10%考虑余量，选取一台额定功率为1.1P 变压器，一次侧U1二次侧U2，
Y /∆连接。

向晶闸管整流电路供电的交流侧电源通常来自电网，为保证触发电路和主电路频率一致，利用一个同步变压器，将其一次侧接入为主电路供电的电网，由其二次侧提供同步电压信号，这样，由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管电压频率始终是一致的
（2）晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压Um 对于三相桥式整流电路为变压器二次侧电压Uab 的最大值
考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽2~3倍的安全系数 选择可控硅元件的额定电压错误!未找到引用源。

选择可控硅的额定电流错误!未找到引用源。

，错误!未找到引用源。

根据错误!未找到引用源。

错误!未找到引用源。

选择可控硅整流元件。

3.2控制电路的设计
3.2.1给定电压*
n U 和给定环流*ic U 的设定
电动机正传时，电流调节器ACR1输入为负载电流给定*i U ，环流给定*
ic U ，正组电流反
馈
1
i U （负载电流与环流之和）。

取调节器的输入回路电阻R0=40 k Ω
**1
0i ic i U U U R R R --+=
即
**10ic i i U U U --+= 电流调节器ACR2的输入为环流给定*
ic U ，和反组的电流反馈2i U （环流）。

*2
000ic i U U R R -+=，*
2ic
i U U = ，11i U I =β，22i U I =β 式中，
1I 和2I 分别为主电路正组、反组电流
**11i i ic U I U U ==+β ， *22ic i h U U I I ===ββ ， *1h i I I U =+ββ
1h d
I I I =+ ，
*i d U I =β
当电动机停止转动时
*0i U =，12h I I I ==
环流给定值通常为额定电流的5%-10%，它能使环流带着微小的正向直流成分，以保证环流的连续性。

这里取给定环流为10%In 则
10%10%56 5.6h n I I A ==⨯=
正传时 2 5.6h I I A
==
161.6h n I I I A
=+=
* 2.8i n U I V ==β 环流给定
*0.28ic h U I V ==β 由于
*56im dm
U I A ==β
取ASR 饱和输出电压
*
2.8im U V = 即允许过载倍数1λ=
又r V n U N
n
min 007.0⋅==*
α
则额定转速时的给定电压V U n 7=*
由于
*
0.28ic h U I V ==β，所以选取环流给定电压-1V 。

由于
*7n U V =，所以选取直流稳压电源±15V 。

3.2.2转速反馈环节
选择测速发电机为永磁式 110V 0.21A 1900r/min 则测速发电机的电动势系数r V r
V
C etg min 0579.0min
1900110⋅==
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
213790.2etg N ntg
C n RP I =g ≈
Ω
此时RP2消耗的功率为：
0.2 2.43etg N ntg W C n I w
=⋅⨯=
所以RP2选为10w ，1.5k Ω的可调电位器。

3.2.3电流调节器的设计
（1） 确定时间常数
（a ） 由于选用三相桥式整流电路，由表1-2得，整流装置滞后时间常数Ts=0.00167s （b ） 电流滤波时间常数Toi
三相桥式电路每个波头的时间是 3.3ms ，为了基本滤平波头，应有（1~2）Toi=3.33ms
因此取Toi=0.002s
（c ） 电流环小时间常数之和
0.00367S oi T T T s
=+=∑
（2） 选择电流调节器结构
根据设计要求15%σ≤
，并保证稳态电流无差，可按典型一型系统设计电流调节器，电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI 型电流调节器。

图4 含给定滤波与反馈滤波的PI 型电流调节器
其传递函数为(1)
(s)=
i i ACR i K s W s
ττ+
其中：i
K ——电流调节器的比例系数
i τ——电流调节器的超前时间常数
检查对电源电压的抗扰性能：8.17l
T T =∑
参照表2-3的典型一型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。

（3） 计算电流调节其参数
电流调节器超前时间常数：03.0==l i T τ
电流环开环增益：要求15%σ≤时，按照表2-2，应取：0.69I K T =∑，则有1
188I K s -=
于是，ACR 的比例系数为： 5.64I i i s K R
K K τ=
=β
（4） 校验近似条件
电流环截止频率：1
188ci I K s ω-==
（a ） 晶闸管整流装置传递函数的近似条件：
11
199.63ci s
s T ω-=＞
满足近似条件
（b ） 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：
140.82ci
s ω-=＜
满足近似条件
（c ） 电流环小时间常数近似处理条件：
1182.3.3ci
s ω-=＜
不满足近似条件
（d ） 计算调节器电阻和电容
由图4按所用运算放大器取R0=40 k Ω，各电阻的电容值为：
0225.6i i R K R k ==Ω
取225 k Ω
0.12i
i i
C F
R τμ=
=
40.2oi
oi T C F R μ=
=
按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为： 9.5%15%i σ=＜（见表2-2）
满足设计要求
3.2.4转速调节器（ASR ）的设计
(1) 确定时间参数
(a) 电流环等效时间常数1/Ki ：
1
0.0053i
s K =
(b) 转速滤波时间常数Ton ：
根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.01
(c)转速环小时间常数
T ∑n
按小时间常数近似处理，取
1
0.0153on I
T T s K =
+=∑n
(2) 选择转速调节器结构
为保证系统无静差，ASR 采用PI 调节器
图5 含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速调节器
其传递函数为
(1)(s)=
n n ASR n K s W s
ττ+
(3) 计算转速调节器参数
按跟随性和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR 的超前时间常数为
0.0765n hT s τ==∑n
转速开环增益：
22
2222151512.62250.0153n N h K s s
h T --++=
==⨯⨯∑
ASR 的比例系数为：
(1) 4.44
2n
e m
n h C T K h RT βα+=
=∑
(4) 检验近似条件
转速环截止频率为：
1
1
39.2N
cn N n K K s ωτω-=
==
(a)电流环传递函数简化条件为
175.44cn
s ω-=＞ 满足简化条件
(b)转速环小时间常数近似处理条件为：
145.7cn
s ω-=＞ 满足近似条件
(5) 计算调节器电阻和电容图5含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速
根据图5，取R0=40 k Ω，则
0177.6n n R K R k ==Ω
，取 178k Ω
0.43n
n n
C F
R τμ=
= ，取 0.43μF
41on
on T C F R μ=
= ，取 1μF
(6)校核转速超调量
采用以上参数，计算ASR 退饱和超调量
因为
max *81.2%1000b b
n b C n n
C n σ=
⋅=⨯V V V
且
2()2()
108.2/min n n
dm b n
m
e m
T T RI n z n z r T C T λλ=-=-⋅=V V ∑∑
所以
108.2
81.2%8.8%10%1000n σ=⨯
=＜
满足要求
3.3参数选择：
基本参数如下：
直流电动机：220V，56A，1000r/min，Ce=0.132Vmin/r。

晶闸管装置放大系数：Ks=30。

电枢回路总电阻：R=1.5Ω。

时间常数：T l=0.03s，Tm=0.18s。

电流反馈系数：β=0.05V/A（≈10V/1.5Inom）。

转速反馈系数：α=0.007Vmin/r（≈10V/Nnom）。

4保护电路
限幅电路:
对于ASR和ACR，可采用如下电路进行限幅：
晶闸管的过电流保护:
在整流中造成晶闸管过电流的主要原因是：电力电子电路运行不正常或者发生故障时，电网电压波动太大负载超过允许值，电路中管子误导通以及管子击穿短路等。

所以我们要设置保护措施，以避免损害管子。

常见的过电流保护有：快速熔断器保护，直流快速断路器和过电流继电器。

快速熔断器保护是最有效，使用最广泛的一种保护措施
晶闸管的过电压保护:
抑制过电压的方法有三种：用非线性元件限制过电压的副度，用电阻消耗生产过电压的能量，用储能元件吸收生产过电压的能量。

对于非线性元件，不是额定电压小，使用麻烦，就是不宜用于抑制频繁出现过电压的场合。

所以我们选用用储能元件吸收生产过电压的能量的保护。

使用RC吸收电路，这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器
的电场能量储存起来。

由于电容两端电压不能突变，所以能有效抑制过电压，串联电阻消耗部分产生过电压的能量，并抑制LC回路的震动。

对于晶闸管的过电压保护我们可使用阻容保护，电路图如图
5设计总结
在这次课程设计中，我们认真复习了一遍上学期所学的知识，以及查阅了一些课外资料，加深了对知识的理解，提高了对知识的应用能力，同时使我们深刻认识到了各个课程之间是紧密联系的，每门课程都应认真学习，平时要多问、多思考、做到理论联系实际。

在平时的学习中要注意细节的知识，往往细节决定着我们的成功与否。

本次课程设计中，我们再次体会到了团队合作的重要性，遇到不会的问题要主动向同学、老师请求帮助，认真听取他们的意见和建议，并认真改正自己的问题。

6参考文献
【1】陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统.北京：机械工业出版社，2007 【2】王兆安、黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2007
【3】朱仁初、万伯任.电力拖动自动控制系统设计手册.机械工业出版社,1994
【4】张明达.电力拖动自动控制系统.冶金工业出版社，1989。