双闭环逻辑无环流直流可逆调速系统设计

课程设计基本要求课程设计是工科学生十分重要的实践教学环节，通过课程设计，培养学生综合运用先修课程的理论知识和专业技能，解决工程领域某一方面实际问题的能力。课程设计报告是科学论文写作的基础，不仅可以培养和训练学生的逻辑归纳能力、综合分析能力和文字表达能力，也是规范课程设计教学要求、反映课程设计教学水平的重要依据。为了加强课程设计教学管理，提高课程设计教学质量，特拟定如下基本要求。1.课程设计教学一般可分为设计项目的选题、项目设计方案论证、项目设计结果分析、答辩等4个环节，每个环节都应有一定的考核要求和考核成绩。2.课程设计项目的选题要符合本课程设计教学大纲的要求，该项目应能突出学生实践能力、设计能力和创新能力的培养；该项目有一定的实用性，且学生通过努力在规定的时间内是可以完成的。课程设计项目名称、目的及技术要求记录于课程设计报告书一、二项中，课程设计项目的选题考核成绩占10%左右。3.项目设计方案论证主要包括可行性设计方案论证、从可行性方案中确定最佳方案，实施最佳方案的软件程序、硬件电路原理图和PCB图。项目设计方案论证内容记录于课程设计报告书第三项中，项目设计方案论证主要考核设计方案的正确性、可行性和创新性，考核成绩占30%左右。4.项目设计结果分析主要包括项目设计和制作结果的工艺水平，项目测试性能指标的正确性和完整性，项目测试中出现故障或错误原因的分析和处理方法。项目设计结果分析记录于课程设计报告书第四项中，考核成绩占25%左右。5.学生在课程设计过程中应认真阅读和本课程设计项目相关的文献，培养自己的阅读兴趣和习惯，借以启发自己的思维，提高综合分和理解能力。文献阅读摘要记录于课程设计报告书第五项中，考核成绩占10%左右。6.答辩是课程设计中十分重要的环节，由课程设计指导教师向答辩学生提出2～3个问题，通过答辩可进一步了解学生对课程设计中理论知识和实际技能掌握的程度，以及对问题的理解、分析和判断能力。答辩考核成绩占25%左右。7.学生应在课程设计周内认真参加项目设计的各个环节，按时完成课程设计报告书交给课程设计指导教师评阅。课程设计指导教师应认真指导学生课程设计全过程，认真评阅学生的每一份课程设计报告，给出课程设计综合评阅意见和每一个环节的评分成绩（百分制），最后将百分制评分成绩转换为五级分制（优秀、良好、中等、及格、不及格）总评成绩。8.课程设计报告书是实践教学水平评估的重要资料，应按课程、班级集成存档交实验室统一管理。一、课程设计项目名称双闭环逻辑无环流直流可逆调速系统设计二、项目设计目的及技术要求设计目的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LL=0.693min2dIu=0.6931.014032206.3mH取L=0.0063H则励磁时间常数lTlT=RL=4.00063.0H=0.0158s计算电动机电动势系数eCNaNNenRIUC11004.0140220=0.149min/rv计算电流反馈系数AVIN/0476.01405.1105.110计算转速反馈系数Nn10=AV/009.01100103.1.2确定时间常数⑴整流装置滞后时间常数Ts。取三相桥式电路的平均失控时间为0.0017sTs。⑵整流滤波时间常数oiT。由条件可知0.002oiTs⑶电流环小时间常数之和iT。按小时间常数近似处理，取0.0037isoiTTTs。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PI型电流调节器，其传递函数为：(1)()iiACRiKsWss检查对电流电压的抗扰性能：ilTT27.40037.00158.0221TTTTm51101201301%100maxbCC%5.55%2.33%5.18%9.12Ttm/8.24.38.30.4Ttv/7.147.217.284.30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：sTli0158.0参数关系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070．60．5超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间rt6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间pt8.3T6.2T4.7T3.6T相角稳定裕度3.769.695.652.598.51截止频率cT/243.0T/367.0T/455.0T/596.0T/786.0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5%i时，按表2，应取0.5IiKT11.1350037.05.05.0sTKiI于是，ACR的比例系数为448.00476.0404.00158.01.135SiIiKRKK3.1.4校验近似条件电流环截止频率：11.1350037.05.0sKwIci（1）闸管整流装置传递函数的近似条件1111196.078330.0017cisssT（2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件lmTT13ci18.00158.013（3）电流环小时间常数近似处理条件cioisTT002.00017.0131131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ii0RKRiiiRCoi0oi14TRC取0R=40k,则kRKRii92.1740448.00，取k20FRCiii79.010200158.03，取F8.0FRTCoioi2.01040002.04430ssssKsWiiiACR)10158.0(35.28)1()(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1/IK:有前面的计算可得1220.00370.0074iITssK⑵转速滤波时间常数onT：有条件可知01.0onT。转速环时间常数nT：按小时间常数近似处理，取0174.001.00074.01sTKTonIn3.2.2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(1)()nnASRsKsWss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5h,则ASR的超前时间常数为shTnn087.00174.05转速开环增益NK1222235.3960174.0521521sThhKnNASR的比例系数nK123.120174.04.0009.05218.0149.00476.0)15(2)1(sRThTChKnmen3.2.4检验近似条件由公式1cK可得转速环截止频率为11148.34087.035.396ssKKnnncn（1）电流环传递函数简化条件为1111135.163.695330.0037IcniKssT（2）转速环小时间常数近似处理条件为cnonIsTK74.3801.01.13531