基于PLC的双闭环串级调速系统的设计毕业设计Word下载.docx
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图中，转速反馈信号取自异步电动机轴上连接的测速发电机，电流反馈信号取自逆变器交流侧的电流互感器，也可通过霍尔变换器或直流互感器取自转子直流回路。
为了防止逆变器逆变颠覆，在电流调节器ACR输出电压为零时，应整定触发脉冲输出相位角为
。
图1
所示的系统与直流不可逆双闭环调速系统一样，具有静态稳速与动态恒流的作用。
所不同的是它的控制作用都是通过异步电动机转子回路实现的。
本系统采用电源反相序进行可逆控制。
它由接触器KM2、KM3、KM4、KM5组成电气控制线路。
图中附加电阻R1，是为了解决在切换过程中及时启动时冲击电流过大的问题。
制动控制器采用晶闸管串级调速制动方式进行，它由接触器KM2、KM5、KM6和制动变压器T2，三相整流桥组成。
第3章：
串级调速系统的动态数学模型
在图1
所示的系统中，可控整流装置、调节器以及反馈环节的动态结构框图均与直流调速系统中相同。
在异步电动机转子直流回路中，不少物理量都与转差率有关，所以要单独处理。
3.1
转子直流回路的传递函数
根据下图2
的等效电路图可以列出串级调速系统转子直流回路的动态电压平衡方程式
图2串级调速系统
a）主电路b）等效电路
式中Ud0
——当
s=1
时转子整流器输出的空载电压，；
Ui0
——
逆变器直流侧的空载电压，；
L——
转子直流回路总电感，L
=
2LD
+
2LT
LL
LD
——折算到转子侧的异步电动机每相漏感，；
LT
——折算到二次侧的逆变变压器每相漏感，；
LL
平波电抗器电感；
R
转差率为
s
时转子直流回路等效电阻，。
于是，式
（1）可改写成
将式
（2）两边取拉氏变换，可求得转子直流回路的传递函数
式中TLr
——转子直流回路的时间常数，；
Ki
转子直流回路的放大系数，。
转子直流回路的动态结构框图如下图3所示。
需要指出，串级调速系统转子直流回路传递函数中的时间常数
TLr
和放大系数
KLr
都是转速n的函数，它们是非定常的。
图3转子直流回路动态框图
3.2异步电动机的传递函数
异步电动机的电磁转矩为
电力拖动系统的运动方程式为
或写成
式中IL——负载转矩TL所对应的等效直流电流。
由此可得异步电动机在串级调速时的传递函数为
其中，
为机电时间常数，TM
与
R、CE、CM
都有关系，所以也不是常数，而是Id和
n
的函数。
3.3串级调速系统的动态结构框图
把图1中的异步电动机和转子直流回路都画成传递函数框图，再考虑给定滤波环节和反馈滤波环节就可直接画出双闭环控制串级调速系统的动态结构框图，如下图4所示。
图4双闭环控制串级调速系统动态结构图
第4章：
调节器参数的设计
双闭环控制串级调速系统的动态校正一般主要按抗扰性能考虑，即应使系统在负载扰动时有良好的动态响应。
在采用工程设计方法进行动态设计时，可以像直流调速系统那样，电流环按典型I型系统设计，转速环按典型Ⅱ型系统设计。
4.1电流环的设计
图5电流环的动态结构图
电流环设计及参数计算：
1、时间常数的确定
（1）整流装置滞后时间常数:
由附录知三相桥式电路的平均失控时间
（2）电流滤波时间常数:
由给定数据知
=0.003s
（3）电流环小时间常数
按小时间常数近似处理，取
=+=0.0017s+0.003s=0.0047s
:
整流装置滞后时间常数,:
电流滤波时间常数
2、选择电流调节器结构
由附录表2知KT=0.5时,电流调节器超调量
而且对电源电压抗压性能:
=
因此可按典型I型系统设计。
电流调节器选用PI型，其传递函数为：
3．电流调节器参数的计算
ACR超前时间常数：
=T=T=0.019s
因此，电流环开环增益:
K===106.38s-1
于是，ACR的比例系数为：
K==0.46
所以，电流调节器传递函数为：
==
电流调节器的原理图如图6所示：
图6含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器原理图
4.2转速环的设计
图7转速环动态结构框图
转速环设计及参数计算：
1．时间常数的确定
（1）电流环等效时间常数为:
（2）转速滤波时间常数为:
=0.01s
（3）转速环小时间常数为:
=+=
2.选择转速调节器结构
由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；
又根据动态要求，应按典型Ⅱ型系统设计转速环。
故ASR选用PI调节器，其传递函数为：
3.转速调节器参数的计算
按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5,
ASR超前时间常数为：
=
转速换开环增益：
==s-1
因此ASR的比例系数为：
所以，转速调节器的传递函数为：
转速调节器的原理图如图8所示：
图8含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器
第5章串级调速系统的起动方式
串级调速系统是依靠逆变器提供附加电动势而工作的，为了使系统工作正常，对系统的起动与停车控制必须有合理的措施予以保证。
总的原则是在起动时必须使逆变器先于电机接上电网，停车时则比电机后脱离电网，以防止逆变器交流侧断电，而使晶闸管无法关断，造成逆变器的短路事故。
串级调速系统的起动方式通常有间接起动和直接起动两种。
5.1间接起动
大部分采用串级调速的设备是不需要从零速到额定转速作全范围调速的，特别对于风机、泵、压缩机等机械，其调速范围本来就不大，串级调速装置的容量可以选择比电动机小得多。
为了使串级调速装置不受过电压损坏，须采用间接起动方式，即将电动机转子先接入电阻或频敏变阻器起动，待转速升高到串级调速系统的设计最低转速时，才把串级调速装置投人运行。
由于这类机械不经常起动，所用的起动电阻等都可按短时工作制选用，容量与体积都较小。
从串电阻起动换接到串级调速可以利用对电动机转速的检测或利用时间原则自动控制。
图9串级调速系统简介启动控制原理图
图9所示是间接起动控制原理图。
起动操作顺序如下：
先合上装置电源总开关S，使逆变器在
βmin下等待工作。
然后依次接通接触器
K1，接人起动电阻
R，再接通K0，把电机定子回路与电网接通，电动机便以转子串电阻的方式起动。
待起动到所设计的nmin（smax）时接通
K2，使电动机转子接到串级调速装置，同时断开
K1，切断起动电阻，此后电动机就可以串级调速的方式继续加速到所需的转速运行。
不允许在未达到设计最低转速以前就把电动机转子回路与串级调速装置联通，否则转子电压会超过整流器件的电压定额而损坏器件，所以转速检测或起动时间计算必须准确。
停车时，由于没有制动作用，应先断开
K2，使电动机转子回路与串级调速装置脱离，再断开
K0，以防止当
K0
断开时在转子侧感生断闸高电压而损坏整流器与逆变器。
如果生产机械许可，也可以不用检测最低转速自动控制，而让电动机在串电阻方式下起动到最高速，切换到串级调速后，再按工艺要求调节到所需要的转速运行。
这种起动方式可以保证整流器与逆变器不致受到超过定额的电压，工作安全。
但电动机要先升到最高转速，再通过减速达到工作转速，对于有些生产机械是不允许的。
5.2直接启动
直接起动又称串级调速方式起动，用于可在全范围调速的串级调速系统。
在起动控制时让逆变器先于电动机接通交流电网，然后使电动机的定子与交流电网接通，此时转子呈开路状态，可防止因电动机起动时的合闸过电压通过转子回路损坏整流装置，最后再使转子回路与整流器接通。
在图5中，接触器的工作顺序为
S—K0—K2，此时不需要起动电阻。
当转子回路接通时，由于转子整流电压小于逆变电压，直流回路无电流，电动机尚不能起动。
待发出给定信号后，随着β的增大，逆变电压降低，产生直流电流，电动机才逐渐加速，直至达到给定转速。
第6章：
操作控制电路
6.1PLC的选择
PLC产品的种类繁多。
PLC的型号不同,对应着其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等均各不相同,适用的场合也各有侧重。
因此,合理选用PLC,对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。
PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。
PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下,力争最佳的性能价格比。
选择时应主要考虑到合理的结构型式,安装方式的选择,相应的功能要求,响应速度要求,系统可靠性的要求,机型尽量统一等因素。
综合以上因素，我们选择三菱系列的PLC。
6.2可编程序控制器的I/O接口
由控制电路可知，需要7个PC输入接口，6个输出接口。
故选择具有24个输入接口，16个输出接口的F-40MR可编程序控制器，I/O接口图如下图10所示。
图10F-40MR控制输入/输出接线图
6.3操作线路图的梯形图
（1）PC机执行程序是从头到尾扫描的，速度很快。
而继电器、接触器动作从吸合到释放有一段延时，否则会引起主电路短路，编程时考虑到这一点。
2C、FC之间的切换时增加了由T450，T451构成的延时1S的延时保护。
（2）控制电路图中的中间继电器和时间继电器都用PC软件中的中间继电器和时间继电器代替。
图11操作控制线路梯型图
6.4可编程序控制器程序清单
根据梯形图编写程序清单如下：
0LDIX400
1ORY430
2ANDX4O1
3ANIX402
4OUTY430
5LDY430
6ANIY434
7OUTY431
8LDIX403
9MCN0M100
11LDX404
12ORM101
13ANIX405
14ANIX406
15ANIM102
16OUTM101
17LDM101
18OUTT450K10
22LDIX402
23ANDT450
24OUTY4
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