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：给定环流的可逆调速系统设计院系：电气工程系班级：设计者：学号：同组人：指导教师：设计时间： 2011年10月31日-11月11日课程设计（论文）任务书指导教师签字：系（教研室）主任签字：2011年11 月11 日目录1. 绪论 (4)1.1环流产生的原因 (4)1.2.环流的危害和利用 (4)2. 给定环流的可逆调速系统原理 (4)2.1系统结构 (5)2.2线路工作原理 (5)3.系统结构设计与参数选择 (6)3.1主电路设计 (6)3.1.1主电路方案分析比较 (6)3.1.2触发电路设计 (6)3.1.3变压器及晶闸管参数及选型 (6)3.2控制电路的设计 (7)3.2.1给定电压*n U和给定环流*ic U的设定 (7)3.2.2转速反馈环节 (9)3.2.3电流调节器的设计 (9)3.2.4转速调节器（ASR）的设计 (11)3.3参数选择： (13)4保护电路 (14)5设计总结 (15)6参考文献 (15)1. 绪论1.1环流产生的原因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。
图1 可逆V-M系统中的环流。
其中Id为负载电流，Ih为环流。
1.2.环流的危害和利用（1）危害：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，元器件容量适当增大。
（2）利用：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。
为了利用环流的有益方面保证系统中的晶闸管装置工作在电流连续区，使系统获得平滑的过度特性和较好的动态特性，提出了给定环流的可逆调速系统。
2. 给定环流的可逆调速系统原理与自然环流系统相比，给定环流的可逆速系统的环流值不随触发器的控制角α改变，环流电抗器尺寸减小；二是可以保证空载时变流装置电流连续，获得平滑的过渡特性和较好的动态性能。
但同样由于环流的弊端不能克服，该系统基本被可控环流系统取代，较少采用。
2.1系统结构图2 给定环流的可逆调速系统结构图本线路与有环流可逆调速系统的不同点在于：增加了一个电流调节器ACR；将反号器AR接在了转速调节器ASR之后；并且在两个电流调节器之前，由给定环流电位器提供恒定的环流给定信号-Uic*。
2.2线路工作原理其中：正组晶闸管VF，由GTF控制触发。
正转时，VF整流；反转时，VF逆变。
反组晶闸管VR，由GTR控制触发。
反转时，VR整流；正转时，VR逆变。
当不工作时，给定电压Un*=0，此时只有环流给定电压-Uic*存在，因而主电路中正组和反组晶闸管电流If和Ir相等，并且等于给定环流Ih*，即If=Ir=Ih*。
流过电动机的电流Id=If-Ir=0。
当正向运转时，Un*为正，Ui*为负，D1导通，-Ui*和-Uic*同时加在正向电流调节器ACR1的输入端，使正组触发脉冲相位前移，使正向整流电压U d0f升高。
反组电流给定信号经反号器AR变为正，被二极管D2截止，所以加在反向电流调节器ACR2的输入信号只有-Uic*。
随着整流电压的增加，促使流过反组的电流增大，电流反馈信号使反组触发脉冲拉到逆变区，抑制了环流偏离给定值。
电动机稳定工作后的正向电流If为负载电流Id 与给定环流Ih*之和，即If=Id+Ih*，反向电流Ir等于给定环流Ih*。
当反向运转时，Un*为负，D2导通，D1截止，电动机反向运转，其工作原理与正向工作时相同。
由此可见，在包括停止、正转、反转的整个工作期间，环流Ih*始终存在。
3.系统结构设计与参数选择3.1主电路设计3.1.1主电路方案分析比较本系统主电路采用两组三相桥式晶闸管装置反并联可逆线路。
两组变流器需要两个独立电源，环流电抗器4个。
3.1.2触发电路设计TC787是采用独有的先进IC 工艺技术，并参照国外最新集成移相触发集成电路而设计的单片集成电路。
它可单电源工作，亦可双电源工作，主要适用于三相晶闸管移相触发和三相功率晶体管脉宽调制电路，以构成多种交流调速和变流装置。
它们是目前国内市场上广泛流行的TCA785及KJ(或KC)系列移相触发集成电路的换代产品，与TCA785及KJ(或KC)系列集成电路相比，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点，而且装调简便、使用可靠，只需一个这样的集成电路，就可完成3只TCA785与1只KJ041、1只KJ042或5只KJ(3只KJ004、1只KJ041、1只KJ042)(或KC)系列器件组合才能具有的三相移相功能。
因此，TC787/TC788可广泛应用于三相半控、三相全控、三相过零等电力电子、机电一体化产品的移相触发系统，从而取代TCA785、KJ004、KJ009、KJ041、KJ042等同类电路，为提高整机寿命、缩小体积、降低成本提供了一种新的、更加有效的途径。
3.1.3变压器及晶闸管参数及选型（1）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 axd 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，min2max cos 34.2βE U d =，考虑整流电源内阻压降及电网电压波动，通常m axd U 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 ∆+-+=12M VFVRa b c--根据整流负载的要求，所需要的变压器： 副边 错误!未找到引用源。
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副边功率 错误!未找到引用源。
按计算容量的10%考虑余量，选取一台额定功率为1.1P 变压器，一次侧U1二次侧U2，Y /∆连接。
向晶闸管整流电路供电的交流侧电源通常来自电网，为保证触发电路和主电路频率一致，利用一个同步变压器，将其一次侧接入为主电路供电的电网，由其二次侧提供同步电压信号，这样，由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管电压频率始终是一致的（2）晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压Um 对于三相桥式整流电路为变压器二次侧电压Uab 的最大值考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽2~3倍的安全系数 选择可控硅元件的额定电压错误!未找到引用源。
选择可控硅的额定电流错误!未找到引用源。
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选择可控硅整流元件。
3.2控制电路的设计3.2.1给定电压*n U 和给定环流*ic U 的设定电动机正传时，电流调节器ACR1输入为负载电流给定*i U ，环流给定*ic U ，正组电流反馈1i U （负载电流与环流之和）。
取调节器的输入回路电阻R0=40 k Ω**10i ic i U U U R R R --+=即**10ic i i U U U --+= 电流调节器ACR2的输入为环流给定*ic U ，和反组的电流反馈2i U （环流）。
*2000ic i U U R R -+=，*2ici U U = ，11i U I =β，22i U I =β 式中，1I 和2I 分别为主电路正组、反组电流**11i i ic U I U U ==+β ， *22ic i h U U I I ===ββ ， *1h i I I U =+ββ1h dI I I =+ ，*i d U I =β当电动机停止转动时*0i U =，12h I I I ==环流给定值通常为额定电流的5%-10%，它能使环流带着微小的正向直流成分，以保证环流的连续性。
这里取给定环流为10%In 则10%10%56 5.6h n I I A ==⨯=正传时 2 5.6h I I A==161.6h n I I I A=+=* 2.8i n U I V ==β 环流给定*0.28ic h U I V ==β 由于*56im dmU I A ==β取ASR 饱和输出电压*2.8im U V = 即允许过载倍数1λ=又r V n U Nnmin 007.0⋅==*α则额定转速时的给定电压V U n 7=*由于*0.28ic h U I V ==β，所以选取环流给定电压-1V 。
由于*7n U V =，所以选取直流稳压电源±15V 。
3.2.2转速反馈环节选择测速发电机为永磁式 110V 0.21A 1900r/min 则测速发电机的电动势系数r V rVC etg min 0579.0min1900110⋅==电位器RP2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，去测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定制的20%。
则213790.2etg N ntgC n RP I =g ≈Ω此时RP2消耗的功率为：0.2 2.43etg N ntg W C n I w=⋅⨯=所以RP2选为10w ，1.5k Ω的可调电位器。
3.2.3电流调节器的设计（1） 确定时间常数（a ） 由于选用三相桥式整流电路，由表1-2得，整流装置滞后时间常数Ts=0.00167s （b ） 电流滤波时间常数Toi三相桥式电路每个波头的时间是 3.3ms ，为了基本滤平波头，应有（1~2）Toi=3.33ms因此取Toi=0.002s（c ） 电流环小时间常数之和0.00367S oi T T T s=+=∑（2） 选择电流调节器结构根据设计要求15%σ≤，并保证稳态电流无差，可按典型一型系统设计电流调节器，电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI 型电流调节器。
图4 含给定滤波与反馈滤波的PI 型电流调节器其传递函数为(1)(s)=i i ACR i K s W sττ+其中：iK ——电流调节器的比例系数i τ——电流调节器的超前时间常数检查对电源电压的抗扰性能：8.17lT T =∑参照表2-3的典型一型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。
（3） 计算电流调节其参数电流调节器超前时间常数：03.0==l i T τ电流环开环增益：要求15%σ≤时，按照表2-2，应取：0.69I K T =∑，则有1188I K s -=于是，ACR 的比例系数为： 5.64I i i s K RK K τ==β（4） 校验近似条件电流环截止频率：1188ci I K s ω-==（a ） 晶闸管整流装置传递函数的近似条件：11199.63ci ss T ω-=＞满足近似条件（b ） 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：140.82cis ω-=＜满足近似条件（c ） 电流环小时间常数近似处理条件：1182.3.3cis ω-=＜不满足近似条件（d ） 计算调节器电阻和电容由图4按所用运算放大器取R0=40 k Ω，各电阻的电容值为：0225.6i i R K R k ==Ω取225 k Ω0.12ii iC FR τμ==40.2oioi T C F R μ==按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为： 9.5%15%i σ=＜（见表2-2）满足设计要求3.2.4转速调节器（ASR ）的设计(1) 确定时间参数(a) 电流环等效时间常数1/Ki ：10.0053is K =(b) 转速滤波时间常数Ton ：根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.01(c)转速环小时间常数T ∑n按小时间常数近似处理，取10.0153on IT T s K =+=∑n(2) 选择转速调节器结构为保证系统无静差，ASR 采用PI 调节器图5 含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速调节器其传递函数为(1)(s)=n n ASR n K s W sττ+(3) 计算转速调节器参数按跟随性和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR 的超前时间常数为0.0765n hT s τ==∑n转速开环增益：222222151512.62250.0153n N h K s sh T --++===⨯⨯∑ASR 的比例系数为：(1) 4.442ne mn h C T K h RT βα+==∑(4) 检验近似条件转速环截止频率为：1139.2Ncn N n K K s ωτω-===(a)电流环传递函数简化条件为175.44cns ω-=＞ 满足简化条件(b)转速环小时间常数近似处理条件为：145.7cns ω-=＞ 满足近似条件(5) 计算调节器电阻和电容图5含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速根据图5，取R0=40 k Ω，则0177.6n n R K R k ==Ω，取 178k Ω0.43nn nC FR τμ== ，取 0.43μF41onon T C F R μ== ，取 1μF(6)校核转速超调量采用以上参数，计算ASR 退饱和超调量因为max *81.2%1000b bn b C n nC n σ=⋅=⨯V V V且2()2()108.2/min n ndm b nme mT T RI n z n z r T C T λλ=-=-⋅=V V ∑∑所以108.281.2%8.8%10%1000n σ=⨯=＜满足要求3.3参数选择：基本参数如下：直流电动机：220V，56A，1000r/min，Ce=0.132Vmin/r。
