双闭环逻辑无环流直流可逆调速系统设计Word下载.docx
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双闭环逻辑无环流直流可逆调速系统设计Word下载.docx
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设计双闭环逻辑无环流直流可逆调速系统,分析系统工作原理,掌握调节器的工程设计方法。
技术要求及初始条件:
1.直流电机额定参数:
UN=220V,IN=140A,nN=1100r/min,Ra=0.4Ω
电机过载倍数λ=1.4。
2.测速发电机参数:
23W,110V,0.21A,1900r/min,永磁式。
3.主电路采用三相全控桥,交叉连接,进线交流电源:
三相380V。
4.稳态无静差,转速超调量不超过10%,电流超调量不超过5%。
设计任务:
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。
6.提供系统总电路图。
设计要求:
1.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。
2.画出单元电路图,说明工作原理,给出系统参数计算过程。
3.对项目设计结果进行分析。
3.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。
4.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。
三、项目设计方案论证(可行性方案、最佳方案、软件程序、硬件电路原理图和PCB图)
1方案选择
1.1方案一:
采用单闭环直流调速系统
但因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。
在单闭环直流调速系统中,电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的,但它只能在超过临界电流值Idcr以后,靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击,并不能很理想地控制电流的动态波形。
带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程中,起动电流达到最大值Idm后,受电流负反馈的作用降低下来,电机的电磁转矩也随之减小,加速过程延长。
1.2方案二:
采用带电流截止负反馈的有环流调速系统
带电流截止负反馈的系统可以解决反馈闭环系统调速系统的起动和堵转时电流过大问题,而且该量只在起动和堵转时存在,在正常运行时就取消,且电流随着负载增减。
有环流调速系统中的环流虽然可以对电动机和负载造成负担,但是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。
1.3方案三:
采用转速电流双闭环的无环流调速系统
转速、电流双闭环控制的直流调速系统是使用最广性能很好的直流调速系统。
采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差,而在此甚础上再加中电流负反馈,则可使系统的电流不能无限制的增加,而当系统在最大电流(转矩)受限制时,调速系统所能获得的最快的起动过程。
由此可知,双闭环使得系统的调速性能大大提高。
带电流截止负反馈的调速系统虽然能大大改善系统在起动和堵转时的性能,但实际上由于其实质是电流和转速共用一个调节器,所以在实际生产过程中,电流和转速之间出现互相扯皮的现象,不能在根本上解决问题。
逻辑无环流可逆调速系统是目前在生产中使用最为广泛的可逆系统。
由于无环流,所以不在设置环流电抗器。
但为保证稳定运行时电流波形的连续,仍保留平波电抗器Ld。
所以它兼有无环流和电流波形连续的特点,所以比直流平均环流和配合控制有更好的效果。
综上所述,且因为课程设计要求,故选择方案三。
下面对方案三进行详细说明。
2逻辑无环流可逆直流调速系统工作原理
逻辑无环流可逆直流调速系统的原理框图如下图1所示。
图1逻辑无环流可逆直流调速系统原理框图
ASR——速度调节器ACR1﹑ACR2——正﹑反组电流调节器
GTF、GTR——正反组整流装置VF、VR——正反组整流桥
DLC——无环流逻辑控制器TA——交流互感器
TG——测速发电机M——工作台电动机
AR——反号器
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。
它按照系统的工作状态,指挥系统进行自动切换,或者允许正组触发装置发出触发脉冲而封锁反组,或者允许反组触发装置发出触发脉冲而封锁正组。
在任何情况下,决不允许两组晶闸管同时开放,确保主电路没有产生环流的可能。
3电路设计
3.1电流调节器设计
3.1.1电流调节器参数的计算
由已知条件计算电枢回路总电感量
L=0.693
=0.693
6.3mH取L=0.0063H
则励磁时间常数
=
=0.0158s
计算电动机电动势系数
=0.149
计算电流反馈系数
计算转速反馈系数
3.1.2确定时间常数
⑴整流装置滞后时间常数
。
取三相桥式电路的平均失控时间为
⑵整流滤波时间常数
由条件可知
⑶电流环小时间常数之和
按小时间常数近似处理,取
3.1.3选择电流调节器结构
根据设计要求,并保证稳态电流无差,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的,因此可用
型电流调节器,其传递函数为:
检查对电流电压的抗扰性能:
表1典型Ⅰ型系统动态抗扰性能
参照表1典型Ⅰ型系统动态抗扰性能,各项指标都是可以接受的。
3.1.4计算电流调节器参数
电流调节器超前时间常数:
参数关系
0.25
0.39
0.50
0.69
1.0
阻尼比
0.8
0.707
0.6
0.5
超调量
0%
1.5%
4.3%
9.5%
16.3%
上升时间
6.6
4.7
3.3
2.4
峰值时间
8.3
6.2
3.6
相角稳定裕度
截止频率
表2典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标和参数的关系
电流开环增益:
要求
时,按表2,应取
于是,ACR的比例系数为
3.1.4校验近似条件
电流环截止频率:
(1)闸管整流装置传递函数的近似条件
(2)忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件
(3)电流环小时间常数近似处理条件
均满足近似要求
3.1.5计算调节器电阻和电容
图2PI型电流调速器
如图2所示
取
=40k
则
,取
,取
3.2转速调节器设计
3.2.1确定时间常数
⑴电流环等效时间常数
:
有前面的计算可得
⑵转速滤波时间常数
:
有条件可知
转速环时间常数
3.2.2选择转速调节器结构
按照设计要求,选用PI调节器,其传递函数表达式为
3.2.3计算转速调节器参数
按跟随和抗扰性能都比较好的原则,取
则ASR的超前时间常数为
转速开环增益
ASR的比例系数
3.2.4检验近似条件
由公式
可得转速环截止频率为
(1)电流环传递函数简化条件为
(2)转速环小时间常数近似处理条件为
均满足近似要求。
3.2.5计算调节器电阻和电容
图3PI型转速调节器
,
取
=40K
取
3.2.6校核转速超调量
3
4
5
6
7
8
9
10
52.6%
43.6%
37.6%
33.2%
29.8%
27.2%
25.0%
23.3%
2.40
2.65
2.85
3.0
3.1
3.2
3.35
12.15
11.65
9.55
10.45
11.30
12.25
13.25
14.20
2
1
表3典型II型系统阶跃输入跟随性能指标
当
时,由表3得,
,不能满足设计
的要求。
实际上,由于表3是按线性系统计算的,而突加阶跃给定时,ASR饱和,不符合线性系统的前提,应该按ASR退饱和的情况计算超调量。
下面对转速调节器退饱和时转速超调量的计算:
设理想空载启动时
,
带入
可得
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