1、 PAGE- 25 - / NUMPAGES25摘要本文用電源反相序和動力制動的方法設計了雙閉環串級調速系統的可逆和制動控制線路。雙閉環調速系統的性能很好，具有調速圍廣、精度高、動態性能好和易于控制等優點，所以在電氣傳動系統中得到了廣泛的應用。本設計報告首先根據設計要求確定調速方案和主電路的結構型式，直流雙閉環調速系統中設置了兩個調節器, 即轉速調節器(ASR)和電流調節器(ACR), 分別調節轉速和電流。接著詳細介紹了電流調節器和轉速調節器的設計以與一些參數的選擇和計算，使其滿足工程設計參數指標。并闡述了串接附加電阻在切換過程中的重要性。對其電氣操作線路用可編程序控制器予以實現。關鍵詞：可編

2、程序控制器、調速系統、程序控制器、異步電動機TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc360311035第1章：引言 PAGEREF _Toc360311035 h - 3 -HYPERLINK l _Toc360311036第2章：雙閉環串級調速系統的可逆和制動方案 PAGEREF _Toc360311036 h - 4 -HYPERLINK l _Toc360311037第3章：串級調速系統的動態數學模型 PAGEREF _Toc360311037 h - 6 -HYPERLINK l _Toc3603110383.1 轉子直流回路的傳遞函數 PAGEREF _Toc3

3、60311038 h - 6 -HYPERLINK l _Toc3603110393.2 異步電動機的傳遞函數 PAGEREF _Toc360311039 h - 8 -HYPERLINK l _Toc3603110403.3串級調速系統的動態結構框圖 PAGEREF _Toc360311040 h - 9 -HYPERLINK l _Toc360311041第4章：調節器參數的設計 PAGEREF _Toc360311041 h - 10 -HYPERLINK l _Toc3603110424.1 電流環的設計 PAGEREF _Toc360311042 h - 10 -HYPERLINK

4、l _Toc3603110444.2 轉速環的設計 PAGEREF _Toc360311044 h - 12 -HYPERLINK l _Toc360311045第5章串級調速系統的起動方式 PAGEREF _Toc360311045 h - 15 -HYPERLINK l _Toc3603110465.1間接起動 PAGEREF _Toc360311046 h - 15 -HYPERLINK l _Toc3603110475.2 直接啟動 PAGEREF _Toc360311047 h - 17 -HYPERLINK l _Toc360311048第6章：操作控制電路 PAGEREF _To

5、c360311048 h - 18 -HYPERLINK l _Toc3603110496.1 PLC的選擇 PAGEREF _Toc360311049 h - 18 -HYPERLINK l _Toc3603110506.2可編程序控制器的I/O接口 PAGEREF _Toc360311050 h - 18 -HYPERLINK l _Toc3603110516.3 操作線路圖的梯形圖 PAGEREF _Toc360311051 h - 19 -HYPERLINK l _Toc3603110526.4 可編程序控制器程序清單 PAGEREF _Toc360311052 h - 21 -HYP

6、ERLINK l _Toc360311053結束語 PAGEREF _Toc360311053 h - 24 -HYPERLINK l _Toc360311054參考文獻 PAGEREF _Toc360311054 h - 25 -第1章：引言由于串級調速系統機械特性的靜差率較大，所以開環控制系統只能用于對調速精度要求不高的場合。為了提高靜態調速精度，并獲得較好的動態特性，須采用閉環控制，通常采用具有電流反饋與轉速反饋的雙閉環控制方式。由于串級調速系統的轉子整流器是不可控的，系統本身不能產生電氣制動作用，所謂動態性能的改善只是指起動與加速過程性能的改善，減速過程只能靠負載作用自由降速。第2章：

7、雙閉環串級調速系統的可逆和制動方案系統組成方框圖如圖所示圖1 雙閉環控制串級調速系統主電路圖圖1所示為雙閉環控制的串級調速系統原理圖。圖中，轉速反饋信號取自異步電動機軸上連接的測速發電機，電流反饋信號取自逆變器交流側的電流互感器，也可通過霍爾變換器或直流互感器取自轉子直流回路。為了防止逆變器逆變顛覆，在電流調節器ACR輸出電壓為零時，應整定觸發脈沖輸出相位角為。圖1所示的系統與直流不可逆雙閉環調速系統一樣，具有靜態穩速與動態恒流的作用。所不同的是它的控制作用都是通過異步電動機轉子回路實現的。 本系統采用電源反相序進行可逆控制。它由接觸器KM2、KM3、KM4、KM5組成電氣控制線路。圖中附加電

8、阻R1，是為了解決在切換過程中與時啟動時沖擊電流過大的問題。制動控制器采用晶閘管串級調速制動方式進行，它由接觸器KM2、KM5、KM6和制動變壓器T2，三相整流橋組成。第3章：串級調速系統的動態數學模型在圖1所示的系統中，可控整流裝置、調節器以與反饋環節的動態結構框圖均與直流調速系統中一樣。在異步電動機轉子直流回路中，不少物理量都與轉差率有關，所以要單獨處理。3.1 轉子直流回路的傳遞函數根據下圖2的等效電路圖可以列出串級調速系統轉子直流回路的動態電壓平衡方程式圖2 串級調速系統a）主電路 b）等效電路式中 Ud0當s=1時轉子整流器輸出的空載電壓，；Ui0逆變器直流側的空載電壓，；L轉子直流

9、回路總電感，L=2LD+2LT+LLLD折算到轉子側的異步電動機每相漏感，；LT折算到二次側的逆變變壓器每相漏感，；LL平波電抗器電感； R轉差率為s時轉子直流回路等效電阻，。于是，式(1)可改寫成將式(2)兩邊取拉氏變換，可求得轉子直流回路的傳遞函數式中 TLr轉子直流回路的時間常數， ； Ki轉子直流回路的放大系數，。轉子直流回路的動態結構框圖如下圖3所示。需要指出，串級調速系統轉子直流回路傳遞函數中的時間常數TLr和放大系數KLr都是轉速 n 的函數，它們是非定常的。圖3 轉子直流回路動態框圖3.2 異步電動機的傳遞函數 異步電動機的電磁轉矩為 電力拖動系統的運動方程式為 或寫成 式中

10、IL負載轉矩TL所對應的等效直流電流。由此可得異步電動機在串級調速時的傳遞函數為 其中，為機電時間常數，TM與R、CE、CM都有關系，所以也不是常數，而是 Id 和n的函數。3.3串級調速系統的動態結構框圖把圖1 中的異步電動機和轉子直流回路都畫成傳遞函數框圖，再考慮給定濾波環節和反饋濾波環節就可直接畫出雙閉環控制串級調速系統的動態結構框圖，如下圖4所示。圖4 雙閉環控制串級調速系統動態結構圖第4章：調節器參數的設計雙閉環控制串級調速系統的動態校正一般主要按抗擾性能考慮，即應使系統在負載擾動時有良好的動態響應。在采用工程設計方法進行動態設計時，可以像直流調速系統那樣，電流環按典型I型系統設計，

11、轉速環按典型型系統設計。4.1 電流環的設計圖5 電流環的動態結構圖電流環設計與參數計算：1、時間常數的確定 （1）整流裝置滯后時間常數: 由附錄知三相橋式電路的平均失控時間電流濾波時間常數:由給定數據知=0.003s （3）電流環小時間常數 按小時間常數近似處理，取=+=0.0017s+0.003s =0.0047s:整流裝置滯后時間常數,:電流濾波時間常數2、選擇電流調節器結構 由附錄表2知KT=0.5時,電流調節器超調量 而且對電源電壓抗壓性能: = 因此可按典型I型系統設計。電流調節器選用PI型，其傳遞函數為：3電流調節器參數的計算ACR超前時間常數：=T=T=0.019s ,因此，電

12、流環開環增益: K=106.38 s-1于是，ACR的比例系數為： K=0.46所以，電流調節器傳遞函數為：=電流調節器的原理圖如圖6所示：圖6 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調節器原理圖4.2 轉速環的設計圖7 轉速環動態結構框圖轉速環設計與參數計算：1時間常數的確定（1）電流環等效時間常數為: = （2） 轉速濾波時間常數為:=0.01s（3）轉速環小時間常數為:=+= 2.選擇轉速調節器結構由于設計要求無靜差，轉速調節器必須含有積分環節；又根據動態要求，應按典型型系統設計轉速環。故ASR選用PI調節器，其傳遞函數為： 3.轉速調節器參數的計算 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5,A

13、SR超前時間常數為：=轉速換開環增益：=s-1 因此ASR的比例系數為： = 所以，轉速調節器的傳遞函數為：= 轉速調節器的原理圖如圖8所示：圖8 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節器第5章 串級調速系統的起動方式串級調速系統是依靠逆變器提供附加電動勢而工作的，為了使系統工作正常，對系統的起動與停車控制必須有合理的措施予以保證。總的原則是在起動時必須使逆變器先于電機接上電網，停車時則比電機后脫離電網，以防止逆變器交流側斷電，而使晶閘管無法關斷，造成逆變器的短路事故。串級調速系統的起動方式通常有間接起動和直接起動兩種。5.1間接起動大部分采用串級調速的設備是不需要從零速到額定轉速作全圍調速的，

14、特別對于風機、泵、壓縮機等機械，其調速圍本來就不大，串級調速裝置的容量可以選擇比電動機小得多。為了使串級調速裝置不受過電壓損壞，須采用間接起動方式，即將電動機轉子先接入電阻或頻敏變阻器起動，待轉速升高到串級調速系統的設計最低轉速時，才把串級調速裝置投人運行。由于這類機械不經常起動，所用的起動電阻等都可按短時工作制選用，容量與體積都較小。從串電阻起動換接到串級調速可以利用對電動機轉速的檢測或利用時間原則自動控制。圖9 串級調速系統簡介啟動控制原理圖圖9所示是間接起動控制原理圖。起動操作順序如下：先合上裝置電源總開關S，使逆變器在min下等待工作。然后依次接通接觸器K1，接人起動電阻R，再接通K0

15、，把電機定子回路與電網接通，電動機便以轉子串電阻的方式起動。待起動到所設計的 nmin(smax)時接通K2，使電動機轉子接到串級調速裝置，同時斷開K1，切斷起動電阻，此后電動機就可以串級調速的方式繼續加速到所需的轉速運行。不允許在未達到設計最低轉速以前就把電動機轉子回路與串級調速裝置聯通，否則轉子電壓會超過整流器件的電壓定額而損壞器件，所以轉速檢測或起動時間計算必須準確。停車時，由于沒有制動作用，應先斷開K2，使電動機轉子回路與串級調速裝置脫離，再斷開K0，以防止當K0斷開時在轉子側感生斷閘高電壓而損壞整流器與逆變器。如果生產機械許可，也可以不用檢測最低轉速自動控制，而讓電動機在串電阻方式下

16、起動到最高速，切換到串級調速后，再按工藝要求調節到所需要的轉速運行。這種起動方式可以保證整流器與逆變器不致受到超過定額的電壓，工作安全。但電動機要先升到最高轉速，再通過減速達到工作轉速，對于有些生產機械是不允許的。5.2 直接啟動直接起動又稱串級調速方式起動，用于可在全圍調速的串級調速系統。在起動控制時讓逆變器先于電動機接通交流電網，然后使電動機的定子與交流電網接通，此時轉子呈開路狀態，可防止因電動機起動時的合閘過電壓通過轉子回路損壞整流裝置，最后再使轉子回路與整流器接通。在圖5中，接觸器的工作順序為SK0K2，此時不需要起動電阻。當轉子回路接通時，由于轉子整流電壓小于逆變電壓，直流回路無電流

17、，電動機尚不能起動。待發出給定信號后，隨著的增大，逆變電壓降低，產生直流電流，電動機才逐漸加速，直至達到給定轉速。第6章：操作控制電路6.1 PLC的選擇PLC產品的種類繁多。PLC的型號不同,對應著其結構形式、性能、容量、指令系統、編程方式、價格等均各不一樣,適用的場合也各有側重。因此,合理選用PLC,對于提高PLC控制系統的技術經濟指標有著重要意義。PLC的選擇主要應從PLC 的機型、容量、I/O模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯網能力等方面加以綜合考慮。PLC機型選擇的基本原則是在滿足功能要求與保證可靠、維護方便的前提下,力爭最佳的性能價格比。選擇時應主要考慮到合理的結構型式,安裝方式

18、的選擇,相應的功能要求,響應速度要求,系統可靠性的要求,機型盡量統一等因素。綜合以上因素，我們選擇三菱系列的PLC。6.2可編程序控制器的I/O接口 由控制電路可知，需要7個PC輸入接口，6個輸出接口。故選擇具有24個輸入接口，16個輸出接口的F-40MR可編程序控制器，I/O接口圖如下圖10所示。圖10 F-40MR控制輸入/輸出接線圖6.3 操作線路圖的梯形圖PC機執行程序是從頭到尾掃描的，速度很快。而繼電器、接觸器動作從吸合到釋放有一段延時，否則會引起主電路短路，編程時考慮到這一點。2C、FC之間的切換時增加了由T450，T451構成的延時1S的延時保護。控制電路圖中的中間繼電器和時間繼電器都用PC軟件中的中間繼電器和時間繼電器代替。圖11 操作控制線路梯型圖6.4 可編程序控制器程序清單根據梯形圖編寫程序清單如下：0 LDI X4001 OR Y4302 AND X4O13 ANI X4024 OUT Y4305 LD Y4306 ANI Y4347 OUT Y4318 LDI X4039 MC N0 M10011 LD X40412 OR M10113 ANI X40514 ANI X40615 ANI M10216 OUT M1011