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课程设计报告书 题 目 直流无环流可逆调速系统 院 系 信息工程系 专 业 自动化 班 级 姓 名 学 号 指导教师 2011 年 6 月 24 日 武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计 课程设计任务书 学生姓名：747 专业班级：747 指导教师：李向明 工作单位：信息工程系 题 目:直流无环流可逆调速系统设计 初始条件：1.直流电机参数：PN10KW，UN220V，IN55A，nN1000 r/min，Ra0.5 2.测速发电机参数：23W，110V，0.21A，1900 r/min，永磁式 3.主电路采用两组三相全控桥反并联连接，进线交流电源：三相 380V 要求完成的主要任务:1.ASR 及其反馈电路设计 2.ACR 及其反馈电路设计 3.无环流逻辑控制器 DLC 设计 4.主电路及保护电路设计 5.集成触发电路设计 课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。满足如下要求：1稳态无静差，转速超调量不超过 10，电流超调量不超过 5。2.对系统设计方案的先进性、实用性和可行性进行论证，说明系统工作原理。3.画出单元电路图，说明工作原理，给出系统参数计算过程。4.画出整体电路原理图，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。时间安排：2011.6.132011.6.15 收集课程设计相关资料 2011.6.162011.6.23 系统设计 2011.6.242011.6.26 撰写课程设计及答辩 指导教师签名：年 月 日 系主任（或责任教师）签名：年 月 日 武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计 摘 要 直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。因此研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要的意义。电机调速问题一直是自动化领域比较重要的问题之一。不同领域对于电机的调速性能有着不同的要求，困此，不同的调速方法有着不同的应用场合。转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广的直流调速系统。其良好的动态性能主要体现在其抗负载扰动以及抗电网电压扰动之上。两组晶闸管装置反并联的电枢可逆线路是可逆调速系统的典型线路之一，这种线路有能实现可逆运行、回馈制动等优点，但也会产生环流。为保证系统安全，必须消除其中的环流。所谓逻辑无环流系统就是在一组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使该组晶闸管完全处于阻断状态，从根本上切断环流通路。这种系统不仅能实现逻辑无环流可逆调速，还能实现回馈制动。本文对逻辑无环流直流可逆调速系统进行了设计，并且计算了电流和转速调节器的参数。关键词：直流双闭环 调速系统 电流调节器 转速调节器 直流电动机 武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计 目 录 1 设计任务与分析 1 1.1设计题目 1 1.2设计内容 1 1.3设计要求 1 1.4设计分析 1 2 直流无环流可逆调速系统总体设计 3 2.1直流无环流可逆调速系统总体框图 3 2.2直流无环流可逆调速系统控制工作原理 3 3 直流无环流可逆调速系统主电路设计 5 3.1主电路原理及说明 5 3.2主电路参数设计 5 3.3保护电路设计 6 4 直流无环流可逆调速系统调节器设计 4.1电流调节器设计 7 4.1.1 电流调节器结构 7 4.2.2 电流调节器结构及参数选择 8 4.2转速调节器设计 9 4.2.1 转速调节器结构 9 4.2.2 转速调节器结构及参数选择 9 5 控制及驱动电路设计 11 5.1逻辑控制器及触发电路设计 11 4 总结与体会 15 参考文献 16 附录 17 武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计 1 直流无环流可逆调速系统设计 1 设计任务与分析 1.1 设计题目 直流无环流可逆调速系统 1.2 设计内容 1.ASR 及其反馈电路设计 2.ACR 及其反馈电路设计 3.无环流逻辑控制器 DLC 设计 4.主电路及保护电路设计 5.集成触发电路设计 1.3 设计要求 1稳态无静差，转速超调量不超过 10，电流超调量不超过 5。2.对系统设计方案的先进性、实用性和可行性进行论证，说明系统工作原理。3.画出单元电路图，说明工作原理，给出系统参数计算过程。4.画出整体电路原理图，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。1.4 设计分析 直流电动机电力拖动在 19 世纪中叶诞生，由于直流电动机诞生早且具有良好的起动、制动性能；调速好；调速技术成熟，因此直流电动机调速系统曾经一统高性能调速天下的格局。虽然随着电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，交流调速已逐步普及，交流调速系统已逐步取代直流调速系统，武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计 2 但是直流拖动系统不仅在理论上和实践上都比较成熟，目前还在广泛应用；而且从控制规律的角度来看，直流拖动系统又是交流拖动系统的基础。可见掌握直流调速系统的必要性。根据自动控制原理，将系统的被调节量作为反馈引入系统，与给定量进行比较，用比较后的偏差对系统进行控制，可以有效地抑制甚至消除扰动的影响，而维持被调量很少的变化或不变，这就是反馈控制的基本作用。因此，在直流调速系统中把转速反馈给系统，便形成转速反馈控制直流调速系统，其有一定的抗扰动性能，如采用转速 PI 调节器，还可以实现转速稳态无静差系统。但是，如果对系统的动态性能要求比较高，例如：要求快速起动、制动；突加负载动态速降小等等，转速单闭环系统就难以满足需要。原因是因为转速单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流的动态过程。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值dmI的恒流过程。在可逆调速系统中，电动机最基本的要素就是能改变旋转方向。而要改变电动机的旋转方向有两种办法：一种是改变电动机电枢电压的极性，第二种是改变励磁磁通的方向。对于大容量的系统，从生产角度出发，往往采用既没有直流平均环流，又没有瞬时脉动环流的无环流可逆系统，无环流可逆系统省去了环流电抗器，没有了附加的环流损耗，和有环流系统相比，因换流失败造成的事故率大为降低。因此，逻辑无环流可逆调速系统在生产中被广泛运用。本课程设计就要求结合给定的初始条件来完成直流无环流可逆调速系统的设计，其中包括绘制该调速系统的原理图，对调节器进行工程设计，选择调节器的参数等。要实现直流无环流可逆调速系统的设计需先对控制系统的组成及工作原理有一定深入的理解，弄清楚调速系统每个组成部分的作用，弄清楚转速环和电流环的工作原理，合理选择调节器的参数以便进行合理的工程设计。武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计 3 2 直流无环流可逆调速系统总体设计 2.1 直流无环流可逆调速系统总体框图 逻辑无环流可逆直流调速系统的原理框图如下图所示。图 2-1环流可逆直流调速系统原理框图 2.2 直流无环流可逆调速系统控制工作原理 主电路采用两组晶闸管装置反并联线路，由于没有环流，不用再设置环流电抗器，但是为了保证运行时电流波形的连续性，应保留平波电抗器。控制线路采用典型的转速、电流双闭环控制系统，电流环分设两个电流调节器 ACR1 和 ACR2，ACR1 用来控制正组触发装置，ACR2 控制反组触发装置，ACR1 的给定信号 Ui*经反向器 AR 同时作为 ACR2 的给定信号 Ui*，这样就可以使电流反馈信号 Ui*的极性在正转和反转时都不用改变，从而可采用不反应电流极性的电流检测器，即交流互感器和整流器。由于在主电路中不设均衡电抗器，一旦出现环流将造成严重的短路事故，所以对工作时的可靠性要求特别高，为此在系统中加入了无环流控制器 DLC，以保证系统的可靠运行，所以 DLC 是系统中的关键部件。武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计 4 3 直流无环流可逆调速系统主电路设计 3.1 主电路原理及说明 直流无环流可逆直流调速系统的主电路如下图所示:图 31 主电路原理图 两组桥在任何时刻只有一组投入工作（另一组关断），所以在两组桥之间就不会存在环流。但当两组桥之间需要切换时，不能简单的把原来工作着的一组桥的触发脉冲立即封锁，而同时把原来封锁着的一组桥立即开通，因为已经导通的晶闸管并不能在触发脉冲取消的一瞬间立即被关断，必须待晶闸管承受反压时才能关断。如果对两组桥的触发脉冲的封锁和开放同时进行，原先导通的那组桥不能立即关断，而原先封锁着的那组桥已经开通，出现两组桥同时导通的情况，因没有环流电抗器，将会产生很大的短路电流，把晶闸管烧毁。为此首先应是已导通的的晶闸管断流，要妥当处理主回路中的电感储存的一部分能量回馈给电网，其余部分消耗在电机上，直到储存的能量释放完，主回路电流变为零，使原晶闸管恢复阻断能力，随后再开通原来封锁着的那组桥的晶闸管，使其触发导通。武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计 5 3.2 主电路参数设计 Ud=2.34U2cos Ud=UN=220V,取=0 U2=VUd0171.9434.22200cos34.2 Idmin=(5%-10%)IN,这里取 10%则 L=0.693mHIUd8461.11551.00171.94693.0min2 01.0100010*NnmnU AVIUdblim1212.0555.110 晶闸管参数计算：对于三相桥式整流电路，晶闸管电流的有效值为：ddVTIIII577.0312 则晶闸管的额定电流为：AAIIIdVTAVVT24.2055368.0368.057.1)(取 1.52 倍的安全裕量，AIAVVT110)(由于电流连续，因此晶闸管最大正反向峰值电压均为变压器二次线电压峰值，即：VUUURMFM2300171.9445.245.22 取 23倍的安全裕量，VUVT500 武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计 6 3.3 保护电路设计 在主电路变压器二次侧并联电阻和电容构成交流侧瞬态过电压保护及滤波，晶闸管并联电阻和电容构成关断缓冲。过电流保护可以通过电流互感器检测输入电流的变化，与给定值进行比较，当达到设定值时发出过流信号到逻辑控制器，再由逻辑控制器来封锁触发脉冲，实现过流保护。过流保护电路如下图 3-2所示。图 3-2保护电路 过压保护是在直流电动机的电枢两端并上电压取样电阻，当电压值超过设定值时，发出过电压信号，经过电平转换后送到逻辑控制器，由逻辑控制器封锁触发脉冲。武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计 7 4 直流无环流可逆调速系统调节器设计 4.1 电流调节器设计 4.1.1 电流调节器结构 采用含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器，其原理图如图1所示。图中iU为电流给定电压，dI为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压cU。图 4-1I型电流调速器 根据设计要求%5i，并保证稳态电流无差，可按典型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，其传递函数为：ssKsWiiiACR)1()(武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计 8 4.1.2 电流调节器结构及参数选择（1）、整流装置滞后时间常数 Ts：三相桥式电路平均失控时间 Ts=0.0017s。（2）、电流滤波时间常数 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（12）Toi=3.33s。则 Toi=0.002s（3）、电流小时间常数iT：按小时间常数近似处理：sTTToisi0037.0 按小时间常数近似处理：sTTToisi0037.0 检查对电源电压的抗扰性能：243.30037.0012.0ssTTil 电流调节器超前时间常数：sTli012.0 取电流反馈系数：AVIUdblim1212.0555.110 电流环开环增益：取5.0 iITK，因此 114.1350037.05.05.0ssTKiI 于是，ACR的比例系数为：2230.0iK 武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计 9 4.2 转速调节器设计 4.2.1 转速调节器结构 采用含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型转速调节器，其原理图如图2所示。图中nU为转速给定电压，n为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压iU。图 4-2 I型转速调节器 按设计要求，选用PI调节器，其传递函数为：ssKsWnnnASR)1()(4.2.2 转速调节器结构及参数选择 电流环经简化后可视作转速环的一个环节，为此其闭环传递函数为：111)1(1)1()()()(2sKsKTsTsKsTsKsUsIsWIIiiIiIidcli 忽略高次项，)(sWcli可降阶近似为：111)(sKsWIcli 电流环经简化后可视作转速环的一个环节，为此其闭环传递函数为：武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计 10 111)1(1)1()()()(2sKsKTsTsKsTsKsUsIsWIIiiIiIidcli 忽略高次项，)(sWcli可降阶近似为：111)(sKsWIcli 接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为)(sUi，因此电流环在转速环中应等效为：111)()()(sKsWsUsIIcliid 按设计要求，选用 PI 调节器，其传递函数为：ssKsWnnnASR)1()(按跟随和抗扰性能都较好的原则，取 h=5，则 ASR 的超前时间常数为：shTnn087.00174.05 转速开环增益为：222224.3960174.052621sThhKnN 于是，ASR的比例系数为：4702.110194.05.001.05212.01275.01212.062)1(nmenRThTChK 武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计 11 5 控制及驱动电路设计 5.1 逻辑控制器及触发电路设计 无环流逻辑控制器的任务是在正组晶闸管工作时，则封锁反组晶闸管，在反组晶闸管工作时，则封锁正组晶闸管。采用数字逻辑电路，使其输出信号以 0 和 1 的数字信号形式来执行封锁与开放的作用，为了确保正反组不会同时开放，应使两者不能同时为 1。系统在反转和正转制动时应该开放反组晶闸管，封锁正组晶闸管，在这两种情况下都要开放反组，封锁正组。从电动机来看反转和正转制动的共同特征是使电动机产生负的转矩。上述特征可以由 ASR 输出的电流给定信号来体现。DLC 应该先鉴别电流给定信号的极性，将其作为逻辑控制环节的一个给定信号。仅用电流给定信号去控制 DLC 还是不够，因为其极性的变化只是逻辑切换的必要条件。只有在实际电流降到零时，才能发出正反组切换的指令。因此，只有电流转矩极性和零电流检测信号这两个前提同时具备时，并经过必要的逻辑判断，才可以让 DLC 发出切换指令。在逻辑运算判断发出切换指令 UF、UR 后，必须经过封锁延时 Udb1 和开放延时 Udt 才能执行切换命令。用 FX2 系列 PLC 实现时，只要用其内部的 1ms 定时器即可达到延时目的。一般封锁延时取 Udb1=3ms，此时封锁原导通组脉冲；再经过开放延时 Udt=7ms 开放另一组。若封锁延时与开放延时同时开始计时，则开放延时时间为 3+7=10ms，设延时后的 UF、UR状态分别用辅助继电器 M4、M5 表示。DLC 装置的最后部分为逻辑保护环节。正常时，UF与 UR状态总是相反的；一旦 DLC 发生故障，使UF和 UR同时为“1”，将造成两组晶闸管同时开放，必须避免此情况。满足保护要求的逻辑真值表如下表。设 DLC 的输出信号由 PLC 输出端子 Y0、Y1 输出。M4 M5 Y0 Y1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 禁止 表 5-1 逻辑真值表 武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计 12 其中 Y0 控制 GTF，Y1 控制 GTR。为了实现逻辑保护，一方面可以用 Y0、Y1 实现联锁，另一方面还可以用 M4、M5 接通特殊辅助继电器 M8034 禁止全部输出，进行双重保护。X2 和 X3 是过压和过流检测信号。逻辑控制器的梯形图如图 5-1 所示。图 5-1逻辑控制器梯形图 触发电路采用集成移相触发芯片 TC787，与 TCA785 及 KJ（或 KC）系列移相触发集成电路相比，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。只需要一块这样的集成电路，就可以完成三块 TCA785 与一块 KJ041、一块 KJ042 器件组合才能具有的三相移相功能。武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计 13 图 5-2 TC787 原理框图 由图可见：在它的内部集成了三个过零和极性检测单元、三个锯齿波形成单元、三个比较器、一个脉冲发生器、一个抗干扰锁定电路、一个脉冲形成电路、一个脉冲分配及驱动电路。引脚 18、l、2 分别为三相同步电压 Va、Vb、Vc 输人端。引脚 16、15 和 14 分别为产生相对于 A、B 和 C 三相同步电压的锯齿波充电电容连接端。电容值大小决定了移相锯齿波的斜率和幅值。引脚 13 为触发脉冲宽度调节电容 Cx，该电容的容量决定着 TC787 输出脉冲的宽度，电容的容量越大，输出脉冲宽度越宽。引脚 5 为输出脉冲禁止端，该端用来在故障状态下封锁 TC787 的输出，高电平有效。引脚 4 为移相控制电压输入端。该端输入电压的高低，直接决定着 TC787 输出脉冲的移相范围。引脚 12、10、8、9、7 和 11 是脉冲输出端。其中引脚 12、10 和 8 分别控制上半桥臂的 A、B、C相晶闸管；引脚 9、7 和 11 分别控制下半桥臂的 A、B 和 C 相晶闸管。正组晶闸管触发电路原理图如图 5-3 所示，反组的与正组相同。武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计 14 图 5-3 正组触发电路原理图 武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计 15 4 总结与体会 通过这次课程设计，我对逻辑无环流直流可逆调速系统有了更深入的理解。其中主要包括转速-电流双闭环的设计、逻辑控制器的设计及晶闸管触发电路的设计，涉及到了电力电子，电力拖动和 PLC等多学科。转速-电流双闭环的核心是电流调节器和速度调节器，在确定两个调节器的类型和结构时采用常用的工程设计方法，电流调节器采用典型型系统，计算其基本参数后，校验近似条件，能够满足系统的要求，若不能满足则要从新设计调节器的类型和结构。转速调节器采用典型型系统，和电流调节器一样，计算其基本参数，校验近似条件，能满足系统的要求。通过这个环节设计，我对调节器的参数计算掌握的更牢固。晶闸管的触发电路采用 TC787 集成触发器，外围器件简单，而且只需一片就能触发一组桥式全控型晶闸管，两片 TC787 就能完成本设计。完成本设计用到了很多电力拖动以外的知识，单用电力拖动书本上的知识是设计不出来的，现在的系统设计都会涉及到多方面的知识，因此学好书本上的基本知识点以后还要做相应的拓展学习，将其他的与之相关的内容联系起来，对开阔我们的知识面有很大的帮助这也算是这次设计给我的一点小小的感悟。通过这次课程设计自己熟悉了双闭环直流调速系统组成及其工作原理；学会了转速、电流双闭环直流调速系统的设计；并能熟练地掌握转速和电流调节器参数的选择和计算；在设计的基础上更加认识到直流双闭环调速系统的应用之广泛。同时，自己也学到了许多课外的知识，如：自己进一步学会了Microsoft Word 和 Protel DXP 的使用；懂得如何利用网络收集资料等等。但是，通过这次课程设计发现自己许多的不足，如：平时所学的理论知识还不够扎实；没能很好地把理论理用到实际中等等。所以，自己今后还需好好努力，只有牢牢掌握理论知识，并把理论与实践相结合，积累经验，才有可能在实际应用中有如鱼得水的一天。在这次课程设计过程中，自己遇到许许多的问题，但在老师的指导下和同学们的帮助都一一解决了，在这里谢谢老师同学们。自己知道了相互交流及团队精神的重要性。总之，这次课程设计使自己受益非浅。武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计 16 参考文献 1、电力拖动自动控制系统运动控制系统（第 4 版）陈伯时 阮毅 主编 机械工业出版社 2、陈伯时主编.电力拖动自动控制系统,北京,机械工业出版社,2003.7 3、电机与拖动基础（第 3 版）李发海 王岩 编著 清华大学出版社 4、自动控制原理 王万良 编著 高等教育出版社 5、运动控制实验指导书 武汉理工大学华夏学院教务处 6、电力电子技术实验指导书 熊薇薇 编写 武汉理工大学华夏学院教务处武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计 附录 武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计 课程设计成绩评定表 指导教师签字：年 月 日 姓 名 747 学 号 747 专业、班级 747 课程设计题目：直流无环流可逆调速系统课程设计 课程设计质疑记录：成绩评定依据：态度认真，组织纪律性好（20 分）设计说明书文理通顺，工整（10 分）设计方案合理，论证充分（20 分）设计资料齐全，格式规范（10 分）独立完成任务，无原理性错误（20 分）答辩（20 分）总 分：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）