交直流調(diào)速課程設(shè)計(jì)(DOC)

1、目 錄一、.交直流調(diào)速課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2二、.交直流調(diào)速課程設(shè)計(jì)說明書42.1 理論設(shè)計(jì). 42.1.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖. 42.1.2調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波. 42.1.3 H 橋雙極式逆變器的工作原理. 52.1.4 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的靜特性. 72.2 電路設(shè)計(jì). 72.2.1 給定基準(zhǔn)電源. 82.2.2雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設(shè)計(jì). 82.2.3轉(zhuǎn)速及電流檢測(cè)電路. 92.3 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定 . 112.3.1 電流環(huán)的設(shè)計(jì). 112.3.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì). 132.4 電路圖總體設(shè)計(jì). 15三、總結(jié)201交直流調(diào)速課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、題目：雙閉環(huán)可逆直流脈寬PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)二

2、、設(shè)計(jì)目的1 1、對(duì)先修課程（電力電子學(xué)、自動(dòng)控制原理等）的進(jìn)一步理解與運(yùn)用2 2、運(yùn)用電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的理論知識(shí)設(shè)計(jì)出可行的直流調(diào)速系統(tǒng)，通 過建模、仿真驗(yàn)證理論分析的正確性。也可以制作硬件電路。3 3、同時(shí)能夠加強(qiáng)同學(xué)們對(duì)一些常用單元電路的設(shè)計(jì)、常用集成芯片的使用 以及對(duì)電阻、電容等元件的選擇等的工程訓(xùn)練。達(dá)到綜合提高學(xué)生工程設(shè)計(jì)與動(dòng) 手能力的目的。三、系統(tǒng)方案的確定自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般要經(jīng)歷從“機(jī)械負(fù)載的調(diào)速性能（動(dòng)、靜）一電機(jī) 參數(shù)主電路控制方案”（系統(tǒng)方案的確定）“系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真研究參數(shù) 整定一直到理論實(shí)現(xiàn)要求一硬件設(shè)計(jì)一制版、焊接、調(diào)試”等過程，其中系統(tǒng)方 案的確定至關(guān)重要。為了發(fā)

3、揮同學(xué)們的主管能動(dòng)作用，且避免方案及結(jié)果雷同， 在選定系統(tǒng)方案時(shí)，規(guī)定外的其他參數(shù)有同學(xué)自己選定。1 1、主電路采用二極管不可控整流，逆變器采用帶續(xù)流二極管的功率開關(guān)管 IGBTIGBT 構(gòu)成 H H 型雙極式控制可逆 PWPW 變換器；2 2、速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器采用 PIPI 調(diào)節(jié)器；U*nm=U*im=Ucm=10VU*nm=U*im=Ucm=10V3 3、 機(jī)械負(fù)載為反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，系統(tǒng)飛輪矩（含電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）GtD=1.5NmGtD=1.5Nm；4 4、 主電源：可以選擇單相交流 380V380V 供電；變壓器二次相電壓為 52V;52V;5 5、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)：見習(xí)題集

4、【4-194-19】（P96P96） =1000r/min=1000r/min，電樞回 路總電阻 R=2R=2Q, ,電流過載倍數(shù)入=2=2；6 6、PWPW 裝置的放大系數(shù) Ks=11Ks=11; PWMPWM 裝置的延遲時(shí)間 Ts=0.4msTs=0.4ms。四、設(shè)計(jì)任務(wù)a a）總體方案的確定;b b）主電路原理及波形分析、元件選擇、參數(shù)計(jì)算；2c c）系統(tǒng)原理圖、穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖、主要硬件結(jié)構(gòu)圖;d d）控制電路設(shè)計(jì)、原理分析、主要元件/ /參數(shù)的選擇；e e）調(diào)節(jié)器、PWPW 信號(hào)產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)；f f）檢測(cè)及反饋電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算；五、課程設(shè)計(jì)報(bào)告的要求：1 1、不準(zhǔn)相互抄襲或代

5、做，一經(jīng)查出，按不及格處理；2 2、報(bào)告字?jǐn)?shù)：不少于 80008000 字（含圖、公式、計(jì)算式等）。3 3、 形式要求：以福建農(nóng)林大學(xué)本科生課程設(shè)計(jì)（工科）的規(guī)范化要求撰 寫。要求文字通順、字跡工整、公式書寫規(guī)范、報(bào)告書上的圖表允許徒手畫，但必須清晰、正確且要有圖題。4 4、必須畫出系統(tǒng)總圖，總圖不準(zhǔn)徒手畫，電路圖應(yīng)清潔、正確、規(guī)范。未 進(jìn)行具體設(shè)計(jì)的功能塊允許用框圖表示，且功能塊之間的連線允許用標(biāo)號(hào)標(biāo)注。六、參考資料1 1、 電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo) 李榮生主編機(jī)械工業(yè)出版社 2004.62004.62 2、 新型電力電子變換技術(shù) 陳國(guó)呈 中國(guó)電力出版社3 3、 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，上海工

6、業(yè)大學(xué) 陳伯時(shí) 機(jī)械工業(yè)出版社4 4、 電力電子技術(shù)王兆安黃俊主編機(jī)械工業(yè)出版社 2000.12000.13二、交直流調(diào)速課程設(shè)計(jì)說明書2.1理論設(shè)計(jì)2.1.1 雙閉環(huán)調(diào)速結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)圖該方案主要由給定環(huán)節(jié)、ASRASR ACRACR 觸發(fā)器和整流裝置環(huán)節(jié)、速度檢測(cè)環(huán)節(jié) 以及電流檢測(cè)環(huán)節(jié)組成。為了使轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋分別起作用，系統(tǒng)設(shè)置 了電流調(diào)節(jié)器 ACRACR 和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASRASR 電流調(diào)節(jié)器 ACRACR 和電流檢測(cè)反饋回路構(gòu) 成了電流環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASRASR 和轉(zhuǎn)速檢測(cè)反饋回路構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)，稱為雙閉環(huán)調(diào) 速系統(tǒng)。因轉(zhuǎn)速換包圍電流環(huán)，故稱電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。在電路中，

7、ASRASR 和 ACRACR 串聯(lián)，即把 ASRASR 的輸出當(dāng)做 ACRACR 的輸入，再由 ACRACR 得輸出去控 制晶閘管整流器的觸發(fā)器。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié) 器一般都采用具有輸入輸出限幅功能的 PIPI 調(diào)節(jié)器， 且轉(zhuǎn)速和電流都采用負(fù)反饋 閉環(huán)，如圖 1 1 所示。2.1.2 調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波形系統(tǒng)啟動(dòng)過程分析4圖 2 2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的轉(zhuǎn)速和電流波形雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的轉(zhuǎn)速和電流波形分三個(gè)階段：第一階段（0t10t1 ）是電流上升階段突加給定電壓 U*nU*n 后，IdId 上升，當(dāng) IdId 小于負(fù)載電流 IdLId

8、L 時(shí)，電機(jī)還不 能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)IdIdIdLIdL 后，電機(jī)開始起動(dòng)，由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快 增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASASR R的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅 值 U*imU*im，強(qiáng)迫電流 IdId 迅速上升。直到，IdId =Idm=Idm ，Ui=U*imUi=U*im 電流調(diào)節(jié)器很快就 壓制 IdId 了的增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。第 IIII 階段（t1t2t1t2 ）恒流升速階段在這個(gè)階段中，ASRASR 始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流 U*imU*im 給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流 IdId 恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn) 速

9、呈線性增長(zhǎng)。與此同時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)E E 也按線性增長(zhǎng)，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說，E E 是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服它的擾動(dòng)，Ud0Ud0 和 UcUc 也必須基本上 按線性增長(zhǎng)，才能保持 IdId 恒定。當(dāng) ACRACR 采用 PIPI 調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其輸出量按線性 增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，IdId 應(yīng)略低于 IdmIdm。第川階段（t2t2 以后）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASRASR 的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于 積分作用還維持在限幅值 U*imU*im，所以電機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后， ASRASR 輸入偏差電壓變負(fù)，使它

10、開始退出飽和狀態(tài)，U*iU*i 和 IdId 很快下降。但是，只要 IdId 仍大于負(fù)載電流 IdLIdL，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到 IdId = = IdLIdL 時(shí)，轉(zhuǎn)矩 Te=TLTe=TL， 則 dn/dt=0dn/dt=0，轉(zhuǎn)速 n n 才到達(dá)峰值（t=t3t=t3 時(shí)）。此后，電動(dòng)機(jī)開始在負(fù)載的阻力下 減速，與此相應(yīng)，在一小段時(shí)間內(nèi)（t3t4t3t4 ） ， IdId IdL50A/di/dt50A/卩 s s；135 5 ）線性度優(yōu)于 0.10.1 % ININ ;6 6 ）響應(yīng)時(shí)間11 卩 s s;7 7 ）頻率響應(yīng) 0 0100kHz100kHz。142.3 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定本設(shè)

11、計(jì)為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 電路基本數(shù)據(jù)如下：1 1） PWPW 哌置放大系數(shù) 匕.冬2 2） 電樞回路總電阻 R=2R=2Q; ;3 3） 電磁時(shí)間常數(shù)Tl15s；4 4） 機(jī)電時(shí)間常數(shù)幾=.2s；5 5） 調(diào)節(jié)器輸入電阻 Ro=40k；6 6）電動(dòng)勢(shì)系數(shù) C Ce二UnnRa=110-6*1.64=0.1;=0.1; n nnom10001000設(shè)計(jì)指標(biāo)：1 1） 靜態(tài)指標(biāo)：無(wú)靜差；2 2） 動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量 G%G%蘭5% ;空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量計(jì)算反饋關(guān)鍵參數(shù):2.3.1 電流環(huán)的設(shè)計(jì)1 1）確定時(shí)間常數(shù)PWPW 裝置滯后時(shí)間常數(shù)：Ts.OSS。電流濾波時(shí)間常數(shù)：匚=0.0

12、 佃。0 =Ts Toi =0.002s（Ts和 J 一般都比Tl小得多，可以當(dāng)作小慣性群近似地看作 是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)）。2 2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求：G G - -5 5% %，而且U Ui：IInom10102 2 6 6Unm10nnom1000二 0.83V0.83VA15可按典型I型設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成 PIPI 型的，其傳遞函數(shù)為式中 Ki電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);Ti電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。3)3)選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)ACRACR 超前時(shí)間常數(shù).二 T Ti=0.015s=0.015s；電流環(huán)開環(huán)時(shí)間增益：要求取 KJx =0.5，因此于

13、是，ACRACR 勺比例系數(shù)為：4)4)校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率(1)(1)晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件:滿足近似條件；(2)(2)略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件:Tl0.015T- 一 0.002= 7.5 .10, ,所以把電流WACR(S)= KiiS S 1 1iS S 5% ,故應(yīng)KI0.50.5TT- 0.002-250sJiR：Ks= 2500.015 20.83 4.8= 1.883Ts13TsW33333宀ci16ci-3-317滿足近似條件;(3)(3)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件:1 1ci3 3 T TsT Toi1 1 1111 1 13 3 I I T TsT Toi一 3

14、 3 0.0010.001 0.0010.001滿足近似條件。5)5)計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容調(diào)節(jié)器輸入電阻為 R。=40k，各電阻和電容值計(jì)算如下Ri=KiR =1.88 40kJ. -75.2k 取 76k76k1 1Ci0.0153106F=1.973，取 1.97FRi76 103Coi二也=4106F =0.2F，取 0.2FRo40 1032.3.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)1 1)確定時(shí)間常數(shù)(1)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)2T、j=2 0.002 =0.004s(2)轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Tn=0.005S(3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理=2Tq=0.009s2 2)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按跟隨和抗擾性能都能較好

15、的原則，在負(fù)載擾動(dòng)點(diǎn)后已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié) 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，還必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此需要U由設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型U型系統(tǒng)一選用設(shè)計(jì)PIPI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為二3 31：0.20.2 0.0150.015= =54.77s54.77s ：ciWASR(S)= = K Knns s1 1n ns sCi1= =333.33s333.33s，、門ci183)3)選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)根據(jù)跟隨性和抗干擾性能都較好的原則取 h h = = 5 5，則 ASRASR 超前時(shí)間常數(shù)為 n= hTp = 5 0.009s = 0.045s轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：現(xiàn)在 丄二

16、-1s=100scn,5T 衛(wèi) 5 漢 0.002，s滿足簡(jiǎn)化條件。(2(2)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：cn冬5)5)計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容調(diào)節(jié)器輸入電阻 R0=40 小，則Rn=KnR0=11.07 40k“：=442.8 小，取 443k443k1 16 二訂就106I.015取1嚇KNh 12h2Tjn1418.48s2 25 0.0092ASRASR 勺比例系數(shù):(h 1) CTm2 h：RT f60.830.10.2250.0520.009=11 .074)4)近似校驗(yàn) 轉(zhuǎn)速截止頻率為:cnKN-1-KNn=1481.48 0.0451 =66.67s s(1(1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件

17、: cn1 1 1 13 2TT2TTon現(xiàn)在,1 1 1 13 2T2TT TT Ton1 1 1 133 2 2 0.0020.002 0.0050.005滿足近似條件1196)6)檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量on4TonR0計(jì)眾105取05平20當(dāng) h=5h=5 時(shí)，查表得，二=37.6%,37.6%,不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于這是 按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)， ASFASF 飽和，不符合線性系統(tǒng)的前 提，應(yīng)該按 ASASR R退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。設(shè)理想空載起動(dòng)時(shí)，負(fù)載系數(shù) z=0z=0。因此rn=81 2% 漢 2 漢 2 漢匯4.5% c 20%200 0.2過渡時(shí)間 Ts二訂

18、2，T T,為恒流升速時(shí)間，T T2為恢復(fù)時(shí)間。=（互）0T十（匹）*0.009*0.009 = = 0.33s0.33sh h 1 1 （U Uim -：lnom） - -5 5 1 1 （10-0.83*610-0.83*6）當(dāng) h=5h=5 時(shí)，T2=8.80 T 可=0.0792STs=T1T2=0.33 0.0792 = 0.4092s，滿足設(shè)計(jì)要求。2（. _z）= bCbnTm當(dāng) h=5h=5 時(shí),-81.2%而厶dnom3.7 2max0.12rmin11.07*1011.07*10 U Un-61.67212.4 電路圖總體設(shè)計(jì)22L刖III11C-l肝-ij h.IUJLrO二卓.IQut訥mI訕VtI他QMJtillAljTJTDIJ:;IHIIIllllIIII丄I I1 :川|K!linFTTimi訕:rP嚴(yán)m(xù)卜卄,: IUrtniflrlr.-.rl rl riEHJI JOnfJVt*I |nrIs訕“23二、心得及總結(jié)通過這一次的課程設(shè)計(jì)，我對(duì)交直流調(diào)速系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)有了更進(jìn)一步的了 解，也學(xué)到了很多之前未曾接觸的