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双闭环晶闸管不可逆直流调试系统设计.pdf
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双闭环晶闸管不可逆直流调试系统设计.pdf
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1
双闭环晶闸管不可逆直流调速系统设计
一、设计目的
1、通过对实际综合实验的培养,加强资料收集整理能力、自习能力;
2、熟悉相关实验装置;
3、加深对运动控制系统课程的认识理解,培养良好的专业理论水平和实际设
计能力;
4、了解双闭环不可逆直流调速系统的原理,组成以及各单元模块的作用。
二、设计要求
1、静差率
%1s
;
2、过渡过程较为平稳;
三、双闭环调速系统的构成
转速、电流双闭环不可逆直流调速系统(简称双闭环调速系统)是由单闭环调
速系统发展而来的。采用转速负反馈和
PI
调节器的单闭环转速系统可以实现转速调
节无静差,且采用电流截止负反馈作限流保护可以限制启(制)动时的最大电流。
但是,单闭环调速系统存在以下问题需要解决。
1、在单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号,各参数间相互影响,难
于进行调节器动态参数的调节,系统的动态性能不够好。在采用电流截止负反馈和
转速负反馈的单闭环调速系统中,一个调节器需完成两种调节任务:正常负载时是
实现速度调节,过载时进行电流调节。一般而言,在这种情况下,调节器的动态参
数无法保证两种调节过程同时具有良好的动态品质。
2、系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流,不能充分利用电动机的
过载能力获得最快的动态响应,即最佳过渡过程。
在单闭环调速系统中,采用电流截止负反馈环节限制了最大电流,但它并不能
很理想地控制电流的动态波形。系统启动时,电流达到最大值后会随着转速的上升,
反电势的增加而迅速下降。这样,电动机的启动转矩也迅速下降,从而使启动加速
2
过程变慢,其启动电流及转速波形见图 1左图所示,而有些调节系统,如龙门刨床、
轧钢机等经常处于正、反转状态,为了提高生产率,要求尽量缩短过渡过程的时间。
因此,希望能充分利用电动机所允许的过载能力,在启动过程中保持电流(转矩)
为允许的最大值不变,以使系统尽可能用最大的加速度启动,转速直线上升,达到
稳态转速后,尽快使电流下降为稳态值,并转入稳态运行。这样的理想启动过程波
形示于图 1右图中,这就是调速系统在最大电流(转矩)受限制的条件下的最佳启
动过程。
图 1 直流电动机启动的过渡过程
实际上,由于主电路电感的作用,电流不能突变,图 1右图所示理想波形不能
实现,只能尽量逼近。为了获得近似理想地过渡过程,并克服几个信号综合于一个
调节器输入端的缺点,最好的办法就是将主要的被调量转速与辅助调量电流分开加
以控制,用两个调节器分别调节转速和电流,构成转速、电流双闭环调速系统。
1、晶闸管整流器及其保护电路
如下图所示,通过调节触发装置
GT
的控制电压
c
U
来移动触发脉冲的相位,改
变可控整流器平均输出直流电压
d
U
,从而实现直流电动机的平滑调速。晶闸管可控
整流器的功率放大倍速在
4
10
以上,门极电流可以直接用电子控制;响应时间是毫
秒级,具有快速的控制作用。
MV
系统原理图
3
在理想情况下,
c
U
和
d
U
之间呈线性关系:
d
U
=
s
K
c
U
式中:
d
U
-----平均整流电压;
c
U
-----控制电压;
s
K
-----晶闸管整流器放大系数。
实际整流电路图如下,还要考虑晶闸管的保护问题。由于晶闸管具有办半导体
器件共有的弱点,承受过电压和过电流的能力差,短时间的过电压和过电流就会造
成元件的损坏。为了晶闸管装置能长期可靠运行,除了选择元件外,还须针对元件
工作的条件设置恰当的保护措施。这里主要用到过电压保护和
dtdu /
限制。
在保护电路中,阻容吸收电路的参数计算式根据变压器铁芯磁场释放出来的能
量转化为电容器电场的能量存储起来为依据的。由于电容两端的电压不能突变,所
以可以有效地抑制尖峰过电压。串电阻的目的是为了在能量转化过程中能消耗一部
分能量,并且抑制 LC回路的振荡。
2、转速调节器
ASR
与电流调节器
ACR
在转速、电流双闭环调速系统中,既要控制转速,实现转速无静差调节,又要
控制电流是系统在充分利用电动机过载能力的条件下获得最佳过渡过程,其关键是
处理好转速控制与电流控制之间的关系,就是将二者分开,用转速调节器
ASR
调节
转速,用电流调节器
ACR
调节电流。
ASR
与
ACR
之间实现串级连接,即以
ASR
的
输出电压
i
U
作为电流调节器的电流给定信号,再用 ACR 的输出电压
c
U
作为晶闸管
触发电路的移相控制电压。从闭环反馈的机构看,转速环在外面为外环,电流环在
里面为内环。为了获得良好的静、动态性能,转速和电流两个调节器一般都采用具
有输入、输出限幅电路的
PI
调节器,且转速与电流采用负反馈闭环。
4
图 3 系统原理图
调节器输出限幅值的整定
在双闭环系统中转速调节器
ASR
的输出电压
i
U
是电流
ACR
的电流给定信号,
其限幅值
im
U
为最大电流给定值,因此,
ASR
的限幅值完全取决于电动机所允许的
过载能力和系统对最大加速度的需要。而
ACR
的输出电压限幅值
cm
U
,表示对最小
角的限制,也表示对晶闸管整流输出电压的限制。调节器输出限幅值的计算与整
定是系统设计和调试工作中很重要的一环。在具体分析一下系统时必须注意调节器
输出限幅值所代表的具体物理意义及其计算和整定方法。
3、调节器锁零
为使调速系统消除静差,并改善系统的动态品质,在系统中引入
PI
调节器作
为较正环节。由于
PI
调节器的积分作用,在调速系统停车期间,调节器会因输入干
扰信号的作用呈现出较大的输出信号,而使电动机爬行,这在控制上是不允许的,
因此对调速系统中具有积分作用的调节器,在没有给出电动机启动指令之前,必须
将它的“锁”到零电位上,简称为调节器锁零。系统中调节器锁零是由零速电路来
实现的,并且系统对调节器锁零电位有如下具体要求:
①系统处于停车状态时,调节器必须锁零;
②系统接到启动指令或正常运行时,调节器锁零立即解除并正常工作。根据上
述要求,锁零电路只需两个信号来控制调节器“锁零”与“开放”两个状态。
停车时:
n
U
=
fm
U
=0,调节器锁零,无输出信号。
启动时:
n
U
0,
0
fn
U
,调节器锁零解除,并处正常工作状态。
稳态运行时:
n
U
=
fn
U
0,调节器锁零解除,并处于正常工作状态。
制动停车时:
nU
=0,
0
fn
U
,调节器锁零解除,并处于正常工作状态。
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