主电路系统设计设计报告—160K

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1、目 录第1章 主电路系统设计21.1 主电路设计原理2第2章 控制电路设计42.1 转速控制的要求和调速指标42.2 电流环的设计52.2.1确定时间常数52.2.2 选择电流调节器结构62.2.4 校验近似条件62.2.5 计算调节器电阻和电容72.3 转速环的设计82.3.1 确定时间常数82.3.2 选择转速调节器结构82.3.3 计算转速调节器参数82.3.4 校验近似条件92.3.5 计算调节器电阻和电容92.3.6 校核转速超调量102.4结果分析11第3章 设计总结12附录13第1章 主电路系统设计1.1 主电路设计原理 对于经常正、反转运行的调速系统，缩短起、制动过程的时间是提

2、高生产效率的重要因素。为此，在起、制动过渡过程中，希望始终保持电流为允许的最大值，使调速系统以以最大的加（减）速度运行。 在电机最大电流受限的条件下，希望充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态后，又让电流立即降低下来，使转速马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图1-1a所示。 当电流从最大值降低下

3、来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。对于经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大电流(转矩)受限的条件下,希望充分地利用电机的过载能力,最好是在过渡过程中始终保持电流(转矩)为允许的最大值,使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动,到达稳定转速后,又让电流立即降低下来,使转矩马上与负载平衡,从而转入稳态运行.这样的理想起动过程波形如图1-1b所示,起动电流呈方形波,而转速是线性增长的。这是在最大电流(转矩)受限的条件下，调速系统所能得到的最快的启动过程。nIdnIdlt0Idl（a) （b)图1-1 调速系统启动过程的电流和转速波形

4、（a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统的启动过程 （b) 理想快速启动过程 但是，实际上由于主电路电感作用，电流不可能突变，为了实现在允许条件下的最快起动，可以在电路中同时使用转速和电流两种负反馈，在系统同中设置两个调节器，分别接入转速负反馈和电流负反馈，用来调节转速和电流，为了获得良好的静、动态性能，转速和电流调节器一般都采用PI调节器。原理图如图1-2所示。图1-2 转速、电流双闭环不可逆直流调速系统原理图第2章 控制电路设计 2.1 转速控制的要求和调速指标 生产工艺对控制系统性能的要求经量化和折算后可以表达为稳态和动态性能指标。设计任务书中给出了本系统调速指标的要求。深刻理解这些指标

5、的含义是必要的，也有助于我们构想后面的设计思路。在以下四项中，前两项属于稳态性能指标，后两项属于动态性能指标。（1） 调速范围D：生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，即（1-1）（2） 静差率s：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率，即（1-2）静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的。（3） 跟随性能指标：在给定信号R（t）的作用下，系统输出量C(t)的变化情况可用跟随性能指标来描述。具体的跟随性能指标有下列各项：上升时间，超调量，调节时间。（4） 抗扰性能指标：此项指标表明控制系统抵抗扰动的能

6、力，它由以下两项组成：动态降落，恢复时间。 已知本设计为双闭环直流不可逆调速系统，已知如下基本数据：直流电动机：电机型号额定功率额定电压额定电流额定转速过载倍数()Z4-180-11160KW440V339A1500r/min1.5电枢回路总电阻：转动惯量：时间常数：电流反馈: 转速反馈：设计要求： 1.静态指标：转速和电流稳态无静差，D=10，S=5%； 2.动态指标：电流超调小于5%，转速超调小于5%。2.2 电流环的设计 电流环的等效静态结构图2.2.1确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数Ts。三相桥式电路的平均失控时间：Ts=0.0017s。（2）电流滤波时间常数Toi。三相桥式电路

7、的每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（12）Toi=3.3ms，因此取Toi=2ms=0.002s。（3）电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取。（4）电磁时间常数的确定： 则电磁时间常数： 2.2.2 选择电流调节器结构 根据设计要求，并保证稳态电流无静差，可按典型I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型调节器，其传递函数为 式中 -电流调节器的比例系数； -电流调节器的超前时间常数。 检查对电源电压的抗扰性能：,各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型I型系统设计。2.2.3 选择电流调节器的参数（1）电流调节器超前时间常数：。

8、（2）电流开环增益：要求时，取，因此 于是，ACR的比例系数为 式中 电流反馈系数； 晶闸管专制放大系数 2.2.4 校验近似条件 电流环截止频率:（1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件： ，满足近似条件。（2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：，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。2.2.5 计算调节器电阻和电容 由图2-1，按所用运算放大器取，各电阻和电容值为:, 取，取，取 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。图2-1 含滤波环节的PI型电流调节器2.3 转速环的设计转速环的等效动态结构图如下2.3.1 确定时间常数（1）电

9、流环等效时间常数1/KI。由前述已知，则（2）转速滤波时间常数，根据所用测速发电机纹波情况，取.（3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取2.3.2 选择转速调节器结构 转速环动态结构图如图，同样进行单位反馈系统的处理及小惯性环节的处理，如图所示。由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型型系统设计转速环，故ASR选用PI调节器，其传递函数为: 2.3.3 计算转速调节器参数 按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5，则ASR的超前时间常数为:则转速环开环增益K可得ASR的比例系数为式中 电动势常数， 转速反馈系数。2.3.4 校验近似条件 转速截止频率为:

10、 （1）电流环传递函数简化条件为,满足简化条件。（2）转速环小时间常数近似处理条件为,满足近似条件。 2.3.5 计算调节器电阻和电容 根据图2-2 所示，取，则,取，取,取图2-2 含滤波环节的PI型转速调节器 2.3.6 校核转速超调量 按抗扰性能都较好的原则，取h=5，则：ASR的超前时间常数为， 设理想空载起动时，负载系数，已知， ， ，。当时，而调速系统开环机械特性的额定稳态速降： 式中 电机中总电阻 ； 为基准值，对应为额定转速。计算得： ，能满足设计要求。2.4结果分析 为了分析双闭环调速系统的特性，在转速调节器和速度调节器的输出端设置一个限幅值，限幅值的大小可以根据所选的运算放

11、大器的输入电压的大小来选定，本设计选取的限幅值为15V。得到这样结论： 1. 工程设计方法在推导过程中为了简化计算做了许多近似的处理，而这些简化处理必须在一定的条件下才能成立。例如：将可控硅触发和整流环节近似地看作一阶惯性环节, 设计电流环时不考虑反电势变化的影响；将小时间常数当作小参数近似地合并处理；设计转速环时将电流闭环从二阶振荡环节近似地等效为一阶惯性环节等。 2. 虽然可以通过仿真来验证设计结果，但是仿真实验得到的结果也并不是和系统实际的调试结果完全相同，因为仿真实验在辨识过程中难免会产生模型参数的测量误差，而且在建立模型过程中为了简化计算，忽略了许多环节的非线性因素和次要因素。例如：

12、可控硅触发和整流环节的放大倍数和失控时间，这些都是非线性参数，但在仿真中被近似看作常数；再如，设计电流调节器时只考虑电流连续时的情况，而忽略了电流断续时的情况。 3. 添了微分负反馈使得快速的达到稳态值，超调量也减少。但是微分容易引起振荡所以要加死区环节。 以上一些原因，在应用工程设计方法时应该注意的，以减小理论设计与实际之间的差距。第3章 设计总结 经过两周的“转速、电流双闭环不可逆直流调速系统”的课程设计，使我们更加灵活的将课本中的理论知识与实际相结合，从这次设计中我学到了很多，尤其是懂得了灵活的掌握理论知识的必要性以及理论与实际相结合的重要性。 课程设计头一天老师下达任务书时，我感觉毫无

13、头绪更不知道该从何做起，于是借助图书馆和网络查找相关资料，认真了解和构思了主电路和控制电路设计，然后根据老师给定的基本参数确定了整流电路的形式以及开始进行对电动机的基本参数的计算，经过复杂而且多次细心的运算终于得以确定，在这个过程中需要有极大的耐心与仔细。 通过再三的检查，我发现了很多不足之处，在同学的询问和解答得到了改进，还有对于电压反馈，电流反馈以及对压敏电阻的基本工作原理及作用不太熟悉，通过这次实践，有了一定的了解和掌握。 这次课程设计将这一学科进一步得以补充和完善，以及上课的过程中有些疑难问题也得到了解决，使我对直流调速系统有了更进一步的认识和了解，而且作为我这个专业的专业课，我深刻认

14、识到了学习并掌握好的必要性，而且巩固和夯实专业知识的重要性。还有，此次课程设计使我的独立思考、分析、解决问题各方面能力的提升，而且，学会了灵活应用和变通以及理论和实际相结合的重要性。 总之，此次课设使我更进一步的了解了直流拖动这门课，同时增强了自己在这门课理论知识的理解能力。在此我非常感谢学校和老师给我们创造的这次机会。附录 参考文献 1直流拖动控制系统 张东立主编 北京. 机械工业出版社，2011 2交直流调速系统 史国生 赵家璧，化学工业出版社 3自动控制系统 刘建昌 冶金工业出版社 4电力拖动自动控制系统第二版 陈伯时 机械工业出版社 5电力电子设计手册 王兆安 机械工业出版社 6.电力拖动自动控制系统 陈伯时主编 北京，机械工业出版社，1992 7.电力电子学 黄俊主编 西安：西安交通大学出版社，1989 8.控制电机 陈隆昌主编 西安：西安电子科技大学出版社，199213