配合控制有环流自动控制系统课程设计-毕设论文

摘要

转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。根据晶闸管的特性，通过调节控制角α大小来调节电压。基于设计题目，直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调速控制电路。在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。本文首先确定整个设计的方案和框图。然后确定主电路的结构形式和各元部件的设计包括触发电路和励磁回路的设计，同时对其参数的计算，包括整流变压器、晶闸管、电抗器和保护电路的参数计算。接着控制电路的设计包括电流环、转速环的设计以及反馈回路（电流反馈、转速反馈）的设计。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，，二者之间实行嵌套联接。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称做外环。先确定其结构形式和设计各元部件，并对其参数的计算，包括给定电压、转速调节器、电流调节器、检测电路、触发电路和稳压电路的参数计算,最后画出了调速控制电路电气原理图。

关键词： 双闭环；转速调节器；电流调节器；α=β；有环流

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目录

摘要 ......................................................................................................................................... 1 目录 ......................................................................................................................................... 2 绪论 ......................................................................................................................................... 3

1.1概述 ........................................................................................................................... 3

1.1.1 直流调速系统的概述 ................................................................................... 3 1.1.2晶闸管-电动机直流调速系统简介 ............................................................... 3 1.1.3???配合控制有环流可逆调速系统概述 ................................................. 4 1.2本课题主要讨论问题 ............................................................................................... 5 第1章 设计要求 ................................................................................................................. 6 第2章 控制系统整体方案设计 ......................................................................................... 7

2.1 双闭环直流调速系统 .............................................................................................. 7 2.2α=β配合控制的有环流V—M可逆调速系统 ...................................................... 9 第3章 主回路设计 ............................................................................................................. 14

3.1 主回路参数计算及元器件选择（一） ................................................................ 14

3.1.1整流变压器的参数计算 .............................................................................. 14 3.1.2. 整流元件晶闸管的选型 ............................................................................ 15 3.2.3电抗器的设计 .............................................................................................. 16 3.2.4均衡电抗器的设计 ...................................................................................... 16 3.3主回路参数计算及元器件选择（二） ................................................................. 17

3.3.1过电压保护 .................................................................................................. 17 3.3.2过电流保护 .................................................................................................. 19 3.4触发回路设计 ......................................................................................................... 21 3.5励磁回路设计 ......................................................................................................... 23 第4章 控制回路设计 ....................................................................................................... 24

4.1 电流环设计 ............................................................................................................ 24 4.2转速环设计 ............................................................................................................. 28

4.2.1 转速调节器的设计 ................................................................................... 28 4.2.2 转速超调的抑制——转速微分负反馈 ..................................................... 32 4.3反馈回路设计 ......................................................................................................... 34

4.3.1 电流反馈 ..................................................................................................... 34 4.3.2转速反馈设计 .............................................................................................. 36

第5章 辅助回路设计 ......................................................................................................... 37

5.1限幅电路 ................................................................................................................. 37 5.2反相器 ..................................................................................................................... 38 5.3直流稳压电源 ......................................................................................................... 39 5.4给定电路 ................................................................................................................. 40 5.5 操作回路 ................................................................................................................ 41 设计感想 ............................................................................................................................... 42 致谢 ....................................................................................................................................... 43 参考文献 ............................................................................................................................... 44

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绪论

1.1概述

1.1.1 直流调速系统的概述

三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。首先实现了整流

器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。

1.1.2晶闸管-电动机直流调速系统简介

20世纪50年代末，晶闸管（大功率半导体器件）变流装置的出现，使变流技术产生了根本性的变革，开始进入晶闸管时代。由晶闸管变流装置直接给直流电动机供电的调速系统，称为晶闸管-电动机直流调速系统，简称V-M系统，又称为静止的Ward-leonard系统。这种系统已成为直流调速系统的主要形式。

图1.1是V-M系统的简单原理图。图中V是晶闸管变流装置，可以是单

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相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，以改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。由于V-M系统具有调速范围大、精度高、动态性能好、效率高、易控制等优点，且已比较成熟，因此已在世界各主要工业国得到普遍应用。

~GTUcL~VTM图1.1 晶闸管-电动机直流调速系统（V-M系统）

Ud

但是，晶闸管还存在以下问题：

（1）由于晶闸管的单向导电性，给系统的可逆运行造成困难； （2） 由于晶闸管元件的过载能力小，不仅要限制过电流和反向过电压，而且还要限制电压变化率（du/dt）和电流变化率(di/dt)，因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件；

（3） 当系统处于深调速状态，即在较低速下运行时，晶闸管的导通角小，使得系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流，引起电网电压波形畸变，对电网产生不利影响；

（4） 由于整流电路的脉波数比直流电动机每对极下的换向片数要小得多，因此，V-M系统的电流脉动很严重。

1.1.3???配合控制有环流可逆调速系统概述

有许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要

快速地起动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是说，需要可逆的调速系统。

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采用两组晶闸管可控整流装置反并联的

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可逆线路。

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。

???配合控制消除平均直流环流的原则是正组整流装置处于整流状态，即Udof为正时，强迫使反组工作在逆变状态，即Udor为负，且幅值与Udof相等，使逆变电压Udor把整流电压Udof顶住，则直流平均环流为零。

1.2本课题主要讨论问题

1．双闭环直流调速系统的研究

2．调速系统主电路参数计算及元件的确定（包括有变压器、晶闸管、平波电抗器等）。

3．驱动控制电路的选型设计（集成触发电路）。

4．动态设计计算：根据技术要求，确定ASR调节器与ACR调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。 5．绘制α=β配合控制的有环流V-M可逆调速系统的电气原理总图。

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