帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計.doc

帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計一、 緒論 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，科技產(chǎn)品涵蓋著我們生活的方方面面。電動機(jī)作為一種便利的帶動工具，是我們生活和工業(yè)生產(chǎn)中重要的不可缺少的一部分，人類的生產(chǎn)生活已經(jīng)離不開它。對于我們來說，如何高效精確地控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，并且最低的成本去實(shí)現(xiàn)，才是我們最值得深入研究的課題。直流電動機(jī)具有良好的起、制動性能，方便控制，易于實(shí)現(xiàn)，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，并且直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實(shí)踐上都比較成熟，是研究其它調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在直流電動機(jī)中，帶電流截止負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用也較為廣泛，其廣泛應(yīng)用于軋鋼機(jī)、冶金、印刷、金屬切割機(jī)床等很多領(lǐng)域的自動控制中，雖然，在調(diào)速的高效性方面存在著局限性，但綜合各方面來看，它任然有它獨(dú)特的運(yùn)用前景。1.1設(shè)計的目的和意義（1）應(yīng)用所學(xué)的直流調(diào)速系統(tǒng)的基本知識與工程設(shè)計方法，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，確定系統(tǒng)的性能指標(biāo)與實(shí)現(xiàn)方案，進(jìn)行運(yùn)動系統(tǒng)的初步設(shè)計。（2）學(xué)會應(yīng)用MATLAB軟件，建立數(shù)學(xué)模型對控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，掌握系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響；（3）在理論設(shè)計與仿真研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Protel進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計，為畢業(yè)設(shè)計打下基礎(chǔ)。1.2設(shè)計要求本課程設(shè)計的對象是： 直流電機(jī)：2.2kW，220V，12.5A，1500 轉(zhuǎn)/分。電樞電阻1.2 ，整流裝置內(nèi)阻1.5，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)為35，堵轉(zhuǎn)電流，臨界截止電流。 要求設(shè)計一個帶直流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。其主要內(nèi)容為：（1）測定綜合實(shí)驗(yàn)中所用控制對象的參數(shù)（由實(shí)驗(yàn)完成）；（2）根據(jù)給定指標(biāo)設(shè)計帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，并選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)和具體實(shí)現(xiàn)電路。 （3）按設(shè)計結(jié)果組成系統(tǒng)，以滿足給定指標(biāo)。 （4）研究參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響。 （5）在時間允許的情況下進(jìn)行調(diào)試。1.3設(shè)計對象及有關(guān)數(shù)據(jù)（1）完成理論分析：a.調(diào)速范圍 D20，靜差率 S10；b.轉(zhuǎn)速超調(diào)n10%(在額定轉(zhuǎn)速時)；c.動態(tài)速降小于 10。 d.振蕩次數(shù)小于 2 次；進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)計算，完成轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器及電流截止負(fù)反饋的結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計；對整個調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能進(jìn)行分析； （2）完成系統(tǒng)電氣原理圖的設(shè)計晶閘管電動機(jī)系統(tǒng)主電路設(shè)計晶閘管整流電路方案的討論和選擇。整流變壓器額定容量、一次側(cè)和二次測電壓、電流的選擇。晶閘管的選擇及晶閘管保護(hù)電路的選擇。 平波電抗器的計算與選擇。觸發(fā)電路的選擇。 測速發(fā)電機(jī)的選擇及有關(guān)元件的選擇與計算。完成系統(tǒng)電氣原理圖的設(shè)計。二、帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系設(shè)計方案的選擇2.1 普通閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題（1）起動的沖擊電流-直流電動機(jī)全電壓起動時，如果沒有限流措施，會產(chǎn)生很大的沖擊電流，這不僅對電機(jī)換向不利，對過載能力低的電力電子器件來說，更是不能允許的。（2）閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定起動的沖擊電流-采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時，由于慣性，轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來，反饋電壓仍為零，相當(dāng)于偏差電壓，差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的 1+k 倍。這時，由于放大器和變換器的慣性都很小，電樞電壓一下子就達(dá)到它的最高值，對電動機(jī)來說，相當(dāng)于全壓起動，當(dāng)然是不允許的。（3）堵轉(zhuǎn)電流-有些生產(chǎn)機(jī)械的電動機(jī)可能會遇到堵轉(zhuǎn)的情況。例如，由于故障，機(jī)械軸被卡住，或挖土機(jī)運(yùn)行時碰到堅硬的石塊等等。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無限流環(huán)節(jié)，硬干下去，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護(hù)，一過載就跳閘，也會給正常工作帶來不便。2.2限流保護(hù)電流截止負(fù)反饋的提出為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動和堵轉(zhuǎn)時電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個物理量的負(fù)反饋。那么，引入電流負(fù)反饋，應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。通過對電流負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的分析?？紤]到，限流作用只需在起動和堵轉(zhuǎn)時起作用，正常運(yùn)行時應(yīng)讓電流自由地隨著負(fù)載增減，采用電流截止負(fù)反饋的方法，則當(dāng)電流大到一定程度時才接入電流負(fù)反饋以限制電流，而電流正常時僅有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起作用控制轉(zhuǎn)速。2.3 直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速方案的分析比較與選擇調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速有三種方法：（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。（2）減弱勵磁磁通。（3）改變電樞回路電阻R。 對于要求在一定范圍內(nèi)的無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式最好。改變電阻只能實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。變壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源。常用的可控直流電源有三種：（1）旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組（簡稱G-M系統(tǒng)）。用交流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，獲得可調(diào)的直流電壓。（2）靜止式可控整流器（簡稱V-M系統(tǒng)）。用靜止式可控整流器獲得可調(diào)的直流電壓。(3) 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器（簡稱PWM系統(tǒng)）。用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用電力電子開關(guān)器件斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，產(chǎn)生可變的平均電壓G-M系統(tǒng)所需要的設(shè)備多，體積大，費(fèi)用高，效率低，安裝須打地基，運(yùn)行有噪聲，維護(hù)不方便，因此現(xiàn)在已經(jīng)基本不再使用；PWM系統(tǒng)與V-M系統(tǒng)相比雖然有較大的優(yōu)越性，但僅在中、小容量系統(tǒng)的高動態(tài)應(yīng)用廣泛，而在大功率容量的電機(jī)中，對調(diào)速精度要求不高的場合，V-M系統(tǒng)任然適用，并且發(fā)揮著不可替代的作用。2.4 V-M系統(tǒng)的工作原理分析晶閘管電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡稱VM系統(tǒng)），其原理圖如圖1-1所示。圖中VT是晶閘管的可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，也大大提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能；反并聯(lián)兩組全控整流電路，就可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行。由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難；元件對過電壓、過電流以及過高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指標(biāo)超過允許值都可能在很短時間內(nèi)損壞元件。因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時還應(yīng)有足夠的余量。圖1-1 VM系統(tǒng)原理圖2.5設(shè)計參數(shù)的選擇（1）電機(jī)的參數(shù)選擇直流他勵電動機(jī)：功率PN2.2KW，額定電壓UN=220V，額定電流IN=12.5A, nN=1500r/min，電樞電阻1.2 ，整流裝置內(nèi)阻1.5，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)為35，堵轉(zhuǎn)電流，臨界截止電流。（2）測速發(fā)電機(jī)永磁式，額定數(shù)據(jù)為23.1W，110V，0.21A，1900r/min（3）調(diào)速指標(biāo)調(diào)速范圍D=20，轉(zhuǎn)差率S10%轉(zhuǎn)速超調(diào)n10%(在額定轉(zhuǎn)速時)；動態(tài)速降小于 10。 振蕩次數(shù)小于 2 次；三、帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主回路的選擇3.1 變壓器的參數(shù)計算及選型變壓器副邊電壓采用如下公式進(jìn)行計算： 因此變壓器的變比近似為：一次側(cè)和二次側(cè)電流I1和I2的計算I1=1.052870.861/3.45=75AI2=0.861287=247A變壓器容量的計算S1=m1U1I1=338075=85.5kVAS2=m2U2I2=3110247=81.5kVAS=0.5(S1+S2)=0.5(85.5+81.5)=83.5kVA因此整流變壓器的參數(shù)為：變比K=3.45，容量S=83.5KVA，聯(lián)結(jié)方式為：/Y。3.2 主電路元器件的參數(shù)計算與選型 3.2.1 主電路結(jié)構(gòu)選擇本設(shè)計采用橋式整流電路，其主要特點(diǎn)如下：輸出電壓高，紋波電壓小，管子所承受的最大反向電壓較低，電源變壓器充分利用，效率高。晶閘管的導(dǎo)通順序依次為VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。圖3-1三相橋式全控整流電路3.2.2晶閘管的額定參數(shù)計算晶閘管的額定電壓通常選取斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM和反向重復(fù)峰值電壓URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓，考慮到要留有一定的裕量，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的23倍；據(jù)有效值相等的原則，晶閘管的額定電流一般選取其通態(tài)平均電流的1.52倍。在三相橋式全控整流電路中，帶純阻性負(fù)載時，晶閘管兩端承受的最小峰值為；帶反電動勢負(fù)載時，晶閘管兩端承受的最大正反向峰值為；晶閘管的通態(tài)平均電流IVT=Id。則據(jù)=(23)/(23),I2=I,IVT=I,IVT(AV)= IVT/1.57(1.52)在本設(shè)計中，晶閘管的額定電流IVT(AV)=167334A晶閘管的額定電壓UN=5391617V3.2.3 平波電抗器的參數(shù)計算在V-M系統(tǒng)中，脈動電流會增加電機(jī)的發(fā)熱，同時也產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，對機(jī)械產(chǎn)生不利，為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動的措施，在本設(shè)計中采用設(shè)置平波電抗器的方法。Ud=2.34U2cos Ud=UN=220V, 取=0 一般取I dmin 為電動機(jī)額定電流的5%-10%,這里取10% 則U2=L=0.6933.2.4 整流裝置的保護(hù)與其他類型的電氣設(shè)相比，晶閘管元件有很多優(yōu)點(diǎn)，但是由晶閘管的伏安特性可知，元件的反向擊穿電壓較接近于運(yùn)行電壓，熱時間常數(shù)小，因此過電壓、過電流能力差，在短時間內(nèi)的過電壓、過電流都可能造成元件的發(fā)熱損壞。為了使晶閘管可靠工作，必須設(shè)置保護(hù)裝置。（1）過電壓保護(hù)如圖3-2所示，下圖是常見的三相RC過電壓抑制電路連接方式。 交流側(cè)RC過電壓保護(hù)的參數(shù)整定據(jù)公式C136Io%S1/ (一般取Io%=6.5%)=366.5(85.5/3)/)=69FR1=2.3/ S1(一般取=5%)=2.3(/ (85.5/3) ) =1.1(取1)圖3-2三相RC過電壓抑制電路直流側(cè)RC過電壓保護(hù)的參數(shù)整定C26Io%S2/ (一般取Io%=6.5%)=66.5(81.5/3)/=88FR2=2.3/ S2(一般取=5%) =2.3(/(81.5/3) =0.9（取1）（2）過電流保護(hù)保護(hù)變壓器的熔斷器的選擇據(jù)式IN.FE=(1.5-2)I1.NF (式中，I1.NF為變壓器的額定一次電流為75A)熔體額定電流為IN.FE=(1.5-2)75A=（112.5-150）A所以應(yīng)選熔斷器的型號為RM20-200。整流元件的快速熔斷器的選擇據(jù)式IN= IVT(AV)/ 1.57(式中IVT(AV)取240A)熔體額定電流為IN=240/1.57=152.8A所以快速熔斷器的型號為RLS-160。3.2.5晶閘管的觸發(fā)電路的選擇圖3-3給出了常見的三相橋式全控整流電路的晶閘管的觸發(fā)電路。對于三相全控整流或調(diào)壓電路，要求順序輸出的觸發(fā)脈沖依次間隔60。本設(shè)計采用三相同步絕對式觸發(fā)方式。根據(jù)單相同步信號的上升沿和下降沿，形成兩個同步點(diǎn)，分別發(fā)出兩個相位互差180的觸發(fā)脈沖。然后由分屬三相的此種電路組成脈沖形成單元輸出6路脈沖，再經(jīng)補(bǔ)脈沖形成及分配單元形成補(bǔ)脈沖并按順序輸出6路脈沖。本設(shè)計課題是三相全橋控橋整流電路中有六個晶閘管，觸發(fā)順序依次為：VT1VT2VT3VT4VT5VT6，晶閘管必須嚴(yán)格按編號輪流導(dǎo)通，6個觸發(fā)脈沖相位依次相差60O，可以選用3個KJ004集成塊和一個KJ041集成塊，即可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進(jìn)行脈沖放大，就可以構(gòu)成三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路如圖3-3。圖3-3三相橋式全控整流電路的集成觸發(fā)控制電路四、帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路的設(shè)計4.1控制電路的結(jié)構(gòu)選擇圖4-1所示是一個帶電流截止負(fù)反饋的無靜差的直流調(diào)速系統(tǒng)，采用比例積分調(diào)節(jié)器一實(shí)現(xiàn)無靜差，采用電流截止負(fù)反饋來限制動態(tài)過程的沖擊電流。TA為檢測電流的交流互感器，經(jīng)整流后得到電流反饋信號Ui。當(dāng)電流超過截止電流Idcr時，Ui高于穩(wěn)壓管VS的擊穿電壓，使晶體三極管VBT導(dǎo)通，則PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓Uc接近于零，電力電子變換器的輸出電壓Ud急劇下降，達(dá)到限流的目的。改變即可調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖4-1無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖4-2所示，上述無靜差調(diào)速系統(tǒng)的理想靜特性如圖實(shí)線所示。圖3-2 帶電流截止的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 當(dāng)時，系統(tǒng)無靜差，靜特性是不同轉(zhuǎn)速的一族水平線； 當(dāng)時，電流截止負(fù)反饋起作用，靜特性急劇下垂，基本上是一條垂直線。圖3-3無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（Ucom時，二極管導(dǎo)通，電流負(fù)反饋信號Ui即可加到放大器上去；當(dāng)IdRsUcom時，二極管截止，Ui既消失。截止電流Idcr=Ucom/ Rs。圖4-5b中利用穩(wěn)壓管VS擊穿電壓Ubr作為比較電壓，線路要簡單得多，但不能平滑調(diào)節(jié)截止電流。 （a）利用獨(dú)立直流電源作比較電壓 （b）利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓 圖4-5電流截止負(fù)反饋的電流檢測環(huán)節(jié) 所以選擇利用獨(dú)立電源作比較電壓環(huán)節(jié) ，見圖4-5a。4.3.2電流檢測環(huán)節(jié)的參數(shù)計算最大堵轉(zhuǎn)電流 應(yīng)小于電機(jī)允許的最大電流，一般為Idbl 2IN，故取Idbl =2 IN=212.5=25A（已知IN =12.5A）截止電流Idcr=Ucom/ Rs。從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看，希望穩(wěn)態(tài)范圍足夠大，截止電流應(yīng)大于電機(jī)的額定電流，一般取Idcr 1.2IN ；故取Idcr=1.2 IN=1.212.5=15A（已知IN =12.5A）由式和式可求出Rs=1.05，=15.75V4.4 系統(tǒng)的動態(tài)分析與設(shè)計圖4-3為反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，是由各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，按在系統(tǒng)中的相互關(guān)系組合起來的。圖4-3反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖其開環(huán)傳遞函數(shù)為 據(jù)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)和勞斯判據(jù)得，系統(tǒng)穩(wěn)定條件為計算系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的時間常數(shù)：（已知L=37.23mH）電磁時間常數(shù)為 機(jī)電時間常數(shù)為對于三相橋式整流電路，晶閘管裝置的滯后時間常數(shù)為所以為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)滿足穩(wěn)定條件，即因?yàn)镵=12.41594.82，所以閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：4.5 調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算與設(shè)計作為調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正裝置，且該直流調(diào)速系統(tǒng)是無靜差調(diào)速系統(tǒng)，所以常采