自动控制系统课程设计报告

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：错位控制无环流可逆调速系统设计院系：

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课程设计（论文）任务书

指导教师签字：系（教研室）主任签字：年月日

目录

一、错位控制无环流可逆调速系统的原理................................................................... - 4 -

1、可逆调速系统的原理.................................................................................... - 4 -

2、环流的介绍.................................................................................................... - 4 -

1、环流的定义............................................................................................. - 4 -

2、环流的分类........................................................................................... - 5 -

3、错位控制无环流系统 ................................................................................. - 5 -

1、静态环流的错位消除原理.................................................................. - 5 -

2、错位控制无环流系统的结构............................................................. - 5 -

3、错位控制无环流系统的优缺点 ........................................................ - 6 -

二、系统的设计 ................................................................................................................... - 6 -

1、主电路的设计及参数选择 ........................................................................ - 6 -

1、变压器的选择...................................................................................... - 6 -

2、晶闸管的选择...................................................................................... - 7 -

3、电抗的选择........................................................................................... - 7 -

2、同步变压器及触发器的设计.................................................................... - 7 -

1、触发电路的设计.................................................................................... - 7 -

2、同步变压器的设计............................................................................. - 8 -

3、保护电路的设计........................................................................................... - 9 -

1、过电流保护........................................................................................... - 9 -

2、过电压保护........................................................................................... - 9 -

3、缓冲电路............................................................................................... - 9 -

4、检测环节 ...................................................................................................... - 10 -

1、转速检测............................................................................................. - 10 -

2、电流检测 ............................................................................................... - 10 -

3、电压检测............................................................................................. - 10 -

5、控制电路的设计......................................................................................... - 11 -

1、AVR电压内环的设计 ..................................................................... - 11 -

2、ACR电流环的设计.......................................................................... - 12 -

3、ASR转速环的设计........................................................................... - 13 -

4、AVR、ACR和ASR的限幅设计 .................................................. - 14 -

5、AR反相器的设计............................................................................. - 14 -

三、设计小结...................................................................................................................... - 15 -

四、参考文献...................................................................................................................... - 15 -

一、错位控制无环流可逆调速系统的原理

1、可逆调速系统的原理

图1 两组晶闸管装置发并联线路

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需要采用俩组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，如图1，电动机正转时，由正组晶闸管VF供电；反转时，由反组晶闸管VR供电。两组晶闸管分别由两组触发装置进行控制，都能灵活的控制电机的起动、制动和升速、降速。但在一般情况下不允许让两组晶闸管同时处于整流状态，否则将造成电源短路。

在可逆调速系统中，正转运行时可利用反组晶闸管实现回馈制动，反转时同样可利用正组晶闸管实现回馈制动，总结起来，可将可逆线路的正反转时的晶闸管和电机状态总结为表1。

表1 V-M系统反并联可逆线路的工作状态

2、环流的介绍

1、环流的定义

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。如图2

中的Ih 。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。

图2 反并联可逆V —M 系统中的环流（Ih — 环流 Id — 负载电流）

2、环流的分类

（1）静态环流：两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流，其中又有两类：

直流平均环流---由晶闸管装置输出的直流平均电压所产生的环流称作直流平均环流 瞬时脉动环流---两组晶闸管输出的直流平均电压差为零，但因电压波形不同，瞬时电压差仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。

（2）动态环流：仅在可逆V-M 系统处于过渡过程中出现的环流。

3、错位控制无环流系统

1、静态环流的错位消除原理

采用配合控制的原理，当一组晶闸管装置整流时，让另一组处于待逆变状态，而且两组触发脉冲的零位错开的比较远，避免了瞬时脉动环流产生的可能性，这就是错位控制无环流可逆系统。具体地说，在α=β配合控制的有换流可逆调速系统中，两组触发脉冲的配合关系是ο

180=+r f αα，0

=c U 时的初始相位整定在ο

9000=+r f αα，从而消除了直流平均环流，但仍存在瞬时脉动环流。在错位控制的无环流可逆调速系统中，同样采用配合控制的触发移相方法，但两组脉冲的关系是

ο

300=+r f αα，甚至是

ο360=+r f αα，也就是说初始相位整定在ο

ο18015000或=+r f αα。这样，当待逆变组的

触发脉冲到来时，它的晶闸管已经完全处于反向阻断状态，不可能导通，当然就不会产生静态环流了。

2、错位控制无环流系统的结构

主电路采用两组三相桥式晶闸管装置反并联可逆线路， 控制电路采用转速、电流双闭环系统，其中，转速调节器ASR 控制转速，设置双向输出限幅电路，以限制最大起制动电流；电流调节器ACR 控制电流，设置双向输出限幅电路，以限制最小控制角αmin 与最小逆变角βmin 。根据可逆系统正反向运行需要，给定电压、转速反馈电压、电流反馈电压都应该能够反映正和负极性，电流反馈应能否反映极性，因此

电流互感器需采用直流电流互感器或霍尔变换器。在错位无环流系统中增设了电压内环。电压内环的作用：

1）缩小反向时的电压死区，加快系统的切换过程。

2）抑制电流断续等非线性因素的影响，提高系统的动、静态性能。 3）防止动态环流，保证电流安全换向。

图3 错位控制无环流可逆调速系统

ASR —转速调节器，ACR —电流调节器，AVR —电压调节器， TG —测速发电机， TA —电流互感器， AR —反相器，GTF —正组晶闸管脉冲移相触发装置，GTR —反组晶闸管脉冲移相触发装置，VF —正组晶闸管，VR —反组晶闸管， tf L —平波电抗器，Un*—转速给定电压，Un —转速反馈电压，Ui*—电流给定电压，Ui —电流反馈电压 ， Uu —端电压给定电压，Uu —端电压反馈电压

3、错位控制无环流系统的优缺点

错位控制无环流系统的结构简单，调整方便，但与逻辑无环流系统相比，切换特性较差，在某些切换条件下的切换死区较大。而且在切换过程中容易出现电流冲击。因此错位控制无环流系统通常用于系统容量较小而且对切换品质要求不高的场合。

二、系统的设计

1、主电路的设计及参数选择

1、变压器的选择

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：

2max 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 = 。

m ax d U 应该等于电动机额定电压ed U 加上过载电流所产生的附加压降s

ed d R

I I )(max -再加上晶闸管的管压降E ?，另外考虑整流电源内阻压降及电网电压波动，通常还需要

再增加15%~20%，因此 ])()[2.1~15.1(max max E R I I U U s ed d ed d ?+-+= ，则可求出E 2 。

考虑到工作负荷不会过重，并且变压器也容许一定过载，所以选取变压器为Y /?连接。则在副边：副边线电压为223E U ?=,副边线电流d max 2816.0816.0I I I d ??=?=λ。

2、晶闸管的选择

考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，在设计中应该有2—3倍的电压设计裕

量，则晶闸管的额定电压值为E U U m N 975~65045.2)3~2()3~2(2=?=≥。晶闸管的额定电流的选

取设计过程中也应该考虑裕量的问题，则其额定电流为A

I I d TAV 100~7557.1/3/)2~5.1(=?=。 3、电抗的选择

在V-M 系统中，脉动电流会产生脉动转矩，对生产机械不利，同时也增加电机

的发热。为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，主要是：设置平波电抗器；增加整流电路相数；采用多重化技术。在此处增加平波电抗器。三相桥

式整流电路中，总电感量为min

2693.0d I E

L = ，平波电抗器

，m L L L d -=N dmin I %10~%5）（=I ,m L 为电机的电枢电感。

2、同步变压器及触发器的设计

1、触发电路的设计

晶闸管触发电路类型很多，有分立式、集成式和数字式，分立式相控同步模拟电路相对来说电路比较复杂；数字式触发器可以在单片机上来实现，需要通过编程来实现，本设计不采用。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，所以本设计采用的是集成触发器，选择目前国内常用的KJ 、KC 系例，本设计采用3个KJ004集成块和1个KJ041集成块，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可。 电路原理图如图4，0C U 处为触发系统的输入端，可将变阻器去掉，直接接控制电压0C U ；

Up 为初始相位控制端，即在Uc 初始电压为0时调节脉冲的初始相位180

00=+r f αα。360。

u

sa

1

2

3

4

5

6

7

11

10

9

14

13

12

8

16

15

1

2

3

4

5

6

7

11

10

9

14

13

12

8

16

15 K

J

4

K

J

4

-15V

+15V

1

2

3

4

5

6

7

11

10

9

14

13

12

8

16

15

K

J

4

R P

6R P3

(1~ 6脚为6路单脉冲输入)1234567

1

1

1

9

1

4

1

3

1

2

8

1

6

1

5

K J041

(15~10脚为6路双脉冲输出)

至V T

1

u

sb

u

sc

u

p u

c o

R

19R

13

R

20R

14

R

21R

15

R

9

R

3

R

6

R

18

R

8

R

2

R

5

R

17

R

7

R

1

R

4

R

16

R

10

R

11

R

12 C

7

C

4

C

1

C

8

C

5

C

2

C

9

C

6

C

3 R P

4

R P

1

R P

5

R P

2

至V T

2

至V T

3

至V T

4

至V T

5

至V T

6

图4 三相全控桥整流电路的集成触发电路

2、同步变压器的设计

触发电路应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系。同步变压器原边接入为主电路供电的电网，保证频率一致；此外，应确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系。具体参见《电力电子技术》第95页说明。

图5 同步变压器的原理图

表2 三相全控桥各晶闸管的同步电压

变压器接法：主电路整流变压器为D,y-11联结，同步变压器为D,y-11,5联结。此时，同步电压的选取结果见表2。

3、保护电路的设计

1、过电流保护

在主电路中交流侧安装快速熔断器。

2、过电压保护

考虑晶闸管的保护方法为两端并联电阻电容，同时在交流侧并接电阻电容。

3、缓冲电路

又称吸收电路，抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。如图7。

图6 三相电路交流侧阻容保护电路

图7 缓冲电路（将图中的IGBT换成晶闸管）

4、检测环节

图8 检测环节

1、转速检测

转速反馈系数包含测速发电机的电动势系数Cetg 和其输出电位器的分压系数 2α，即根据测速发电机的额定数据，有Cetg=测测N N n U /，2α=α/Cetg 。 电位器的选择方法如下：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，取测

速发电机输出最高电压时，其电流约为额定值的20%，则测N N

I n Cetg R 2.0?≈，最后验证电位

器的消耗功率是否合乎要求。测N N I Cetgn W 2.0?=。

2、电流检测

从理论上讲N i I U ?=β,可选取检测电阻的阻值大小为β，然后验证该电阻的功率是

否符合要求，2

N I R W ?=；若过大则应在反馈回路增加放大器，从而减小电阻阻值。

3、电压检测

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 =，

P d V R R R U U +=

=1'

γ，(R'为P R 的有效部分)在电压检测回路上P

R R U I +=1d 测应该足够小从而不影响整流（或逆变）装置和电机的工作，因此先选择阻值较大的固定电阻R1，然后再选择合适的滑动变阻器。

5、控制电路的设计

1、AVR 电压内环的设计

1）AVR 的模型简化说明

AVR 的设计采用积分调节器，其分析过程如下。 将电压环的传递函数等效成如下：

因此，电压环简化后可视为电流环中的一个环节，化简后如下：

s

K S W i i ACR ττ）（1)(i +=

。 2）AVR 的电路模型

图9 AVR 积分调节器

2、ACR 电流环的设计

1）电流环简化说明

ACR 的设计用PI 调节器，经过AVR 的简化设计以后ACR 的传递函数框图如下：

i

S i I R K K τγβ

=

=ci ω，S R 为电机的电枢电阻。 2）ACR 参数的计算

S l i R L T ≈

='τ，取=oi I T K 0.5，则β

τγi S I i R K K =。 3）近似条件检验

UPE 纯滞后近似处理：

S T 31ci ≤

ω

忽略反电势变化对电流环动态响应:

'13

l

oi ci T T ≤ω 电流环小惯性群的近似处理：

i

s T T 0ci 131≤

ω

4）调节器电阻电容的选取

0R K R i i =，i i i R C τ

=，04R T C oi oi =。在计算完成后应根据实际的电阻/电容值进行选择。

5）ACR 的电路模型

图10 含给定与反馈滤波环节的PI型电流调节器

3、ASR转速环的设计

1）ASR等效模型说明

ASR设计选用PI调节器，电流环简化后可视作转速环内环，按典型I型系统设计电流环，忽略高次项，降阶近似，其闭环传递函数为：

1

1

1

)

(

)

(

)

(

)

(

I

cli

*

i

d

cli

+

≈

=

=

'

s

K

s

W

s

U

s

I

s

W

β

β

2）按典型二阶系统进行设计

s

K

S

W

n

n

n

ASRτ

τ)1

(

)

(

+

=，

I

on

n K

T

T

1

+

=

∑

，

∑

=

n

n

hT

τ，

2

2

2

1

∑

+

=

n

N T

h

h

K，

∑

+

=

n

n hRT

CeTm

h

K

α

β

2

)1

(

n

N

cn

Kτ

ω=。

3）近似条件的检验

电流环化简条件：

i

I

cn T

K

3

1

≤

ω

转速环化简条件:

n

I

T

K

cn3

1

≤

ω

4）ASR电路结构及参数

图11 含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速调节器

4、AVR 、ACR 和ASR 的限幅设计

图12 限幅电路的原理

调整RP1，RP2使得BC 两点电压为限幅电压，当A 点电压UA 超过限幅电压时，二极管会导通，从而使A 的电压被限制在限幅电压，而不会过高或过低。

具体的限幅值应根据实际来确定，理论计算时应结合图1来计算。

电压调节器限幅值min 2max cos 34.2βE U d =，S

d cm K U U max =

电流调节器限幅值max d vm U U γ=

转速调节器限幅值I d 2

.105.113605.0U im *±=??±==λβ 5、AR 反相器的设计

反向器的设计使用运放来实现，具体结构如下：

图13 反相器的电路结构

三、设计小结

通过本次课程设计使我对电力电子技术和电力拖动自动控制系统有了进一步的了解与认识。熟悉了错位无环流直流可逆调速系统的工作原理和实现方法，对所学内容有了更深刻的印象，并且进一步认识到工程设计时与实际相联系的重要性。

四、参考文献

【1】陈伯时；电力拖动自动控制系统；北京：机械工业出版社，1992

【2】陈伯时；自动控制系统；北京：机械工业出版社，1981

【3】陈伯时；电力拖动自动控制系统；北京：机械工业出版社，2005

【4】王兆安，黄俊；电力电子技术；北京：机械工业出版社，2009