帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、o o課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題目：帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)院（系）：電院自動(dòng)化系年級(jí)專(zhuān)業(yè)：O O O學(xué)號(hào)：O O O O學(xué)生姓名：O O O O指導(dǎo)教師：O O O O教師職稱(chēng)：教授講師燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)院（系）：電氣工程學(xué)院基層教學(xué)單位：自動(dòng)化系學(xué)號(hào)。學(xué)生姓名。專(zhuān)業(yè)（班級(jí)）。設(shè)計(jì)題目帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)（4）設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 參 數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)：電動(dòng)機(jī)參數(shù)：P N= 2.2 KW、UN = 220V、I N= 12.5A、n N = 2 21500 rpm、U f= 220、I dm= 18.75 A、GD 0.1054.66=5.312kVA

2、二次電容：S2=m2U2|2=3 X10 X5.3=5.049kVA平均電容：S=0.5S1+S2)=0.5 .312+5.049)=5.181kVA因此整流變壓器的參數(shù)為：變比 K=3.45，容量S=5.181KVA，聯(lián)結(jié)方式 為： /Y連接。3.3晶閘管額定參數(shù)計(jì)算(1)額定電壓UTN的選擇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(shí)晶閘管所承受峰值電壓的23倍，查表知，晶閘管的電壓計(jì)算系數(shù)KUV =2.45按下列公式計(jì)算：UTN (2 3)KJVU2 (2 3) 2 45

3、110 539 808 5/(2)額定電流的IvT(AV)選擇受的最小峰值為 2U2 ；帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí), 峰值為.6U2 ；晶閘管的通態(tài)平均電流IVT晶閘管兩端承受的最大正反向了3 1 d 則據(jù) |2=1 d，|VT =31可得IVT（AV）= （1.5 2）IVT/1.57=（1.5 2）-ri.57=10.3413.79A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(shí)，晶閘管兩端承在本設(shè)計(jì)中，晶閘管的額定電流IVT（AV）=10.3413.79A晶閘管的額定電壓UN=539 808.5V3.4保護(hù)電路的設(shè)計(jì)晶閘管元件有換相

4、方便，無(wú)噪音的優(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(shí)間常數(shù)小，因此過(guò)電壓、過(guò)電 流能力差，在短時(shí)間內(nèi)的過(guò)電壓、過(guò)電流都可能造成元件的發(fā)熱損壞。 還需 要采取必要的過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)措施。正確的保護(hù)是晶閘管裝置能否可靠 地正常運(yùn)行的關(guān)鍵。3.4.1過(guò)電壓保護(hù)三相變壓器兩側(cè)采用阻容保護(hù)，如圖3-2交流側(cè)RC過(guò)電壓保護(hù)的參數(shù)整定（阻容吸收保護(hù)）根據(jù)公式圖3-2 RC過(guò)電壓抑制電路?5.312 X 10卄山卄? 6?2 = 6 X6.5 X 38。2= 1.43 （取 1.5 Q）（般取 lem =6.5）I em -變壓器勵(lì)磁電流百分?jǐn)?shù)?23 箱 y?；= 2

5、3 X 5.3：X 10 5 = 54.84?2取 55 Q ）一般取 UdL =5）直流側(cè)RC過(guò)電壓保護(hù)的參數(shù)整定（阻容吸收保護(hù)）? 6?| = 6 X6.5 X営；。；10 = 16.27 （取 16 卩 F （一般取 lem =6.5） ? 23 ?| 奇?= 23 X 50 送=4.83?2取 5 Q ） 一般取 UdL =5）3.4.2過(guò)電流保護(hù)（1）保護(hù)晶閘管熔斷器的選擇過(guò)電流保護(hù)措施很多，其中快速熔斷器的斷流時(shí)間短，保護(hù)性能較好, 是目前應(yīng)用最普遍的保護(hù)措施?？焖偃蹟嗥鞯慕臃ㄈ鐖D3-3所示。zf zf圖3-3直流側(cè)過(guò)電流保護(hù)在本系統(tǒng)中，據(jù)式IN= IVT（AV）/ 1.57（式中

6、IVT（AV）取15A）熔體額定電流為IN=15/1.57=9.55A，故選RLS 10的熔斷器，容體電流為10A。（型號(hào)）（2）保護(hù)變壓器熔斷器的選擇在本設(shè)計(jì)中，選用快速熔斷器進(jìn)行三相交流電路的一次側(cè)過(guò)電流保護(hù), 保護(hù)原理圖如圖3-4所示：曰 一 E E 一)9)9圖3-4一次側(cè)過(guò)電流保護(hù)熔斷器額定電壓不應(yīng)小于線(xiàn)路的工作電壓，由于一次側(cè)相電壓為220V，所以熔斷器額定電壓應(yīng)選取 250V。據(jù)式IN.FE=(1.52)II.NF (式中，II.NF為變壓器的額定一次電流為 4.66A)熔體額定電流為 IN.FE=(1.52) X 4.66A=6.999.32) A3.5勵(lì)磁電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用

7、三相零式整流電路作為勵(lì)磁電路，考慮到晶閘管價(jià)格較高， 用二極管來(lái)代替晶閘管作為整流元件，電路如圖3-5所示。參數(shù)整定：調(diào)節(jié)變壓器變比使U 2 =220V,則Ud 1.17U2 =1.17 X 220V=257.4V，調(diào)節(jié) Rp 使 U f =220V。圖3-5勵(lì)磁回路第4章系統(tǒng)控制回路設(shè)計(jì)4.1控制及驅(qū)動(dòng)回路的設(shè)計(jì)晶閘管觸發(fā)電路類(lèi)型有很多，有分立式、集成式和數(shù)字式，分立式相控 同步模擬電路相對(duì)來(lái)說(shuō)電路比較復(fù)雜；數(shù)字式觸發(fā)器可以在單片機(jī)上來(lái)實(shí)現(xiàn)， 而需要通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于集成電路可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功 耗低，調(diào)試方便，所以可以采用集成觸發(fā)器，選擇常用的KJ004集成塊和KJ041集成

8、塊。對(duì)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(jì)采用三相同步絕對(duì)式觸發(fā)方式。根據(jù)單相同步信號(hào)的上升沿和 下降沿，形成兩個(gè)同步點(diǎn)，分別發(fā)出兩個(gè)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(jì)課題是三相全橋控橋整 流電路中有六個(gè)晶閘管，觸發(fā)順序依次為：VT1 VT2VT3 VT4 VT5 VT6，晶閘管必須嚴(yán)格按編號(hào)輪流導(dǎo)通，6個(gè)觸發(fā)脈沖相位依次相差600, 可以選用3個(gè)KJ004集成塊和一個(gè)KJ041集成塊，即可形成六路雙脈沖， 再由六個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大，就可以構(gòu)成三相全控

9、橋整流電路的集成觸發(fā) 電路如圖4-1。圖4-1三相橋式全控整流電路的集成觸發(fā)控制電路(b)利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓4.2電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的參數(shù)計(jì)算與設(shè)計(jì)421電流檢測(cè)與反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中的電流截止負(fù)反饋的電流檢測(cè)環(huán)節(jié)如圖4-2所示，電流反饋信號(hào)取自串入電動(dòng)機(jī)電樞回路中的小阻值電阻Rs, IdRs正比于電流。設(shè)Idcr為臨界的截止電流，當(dāng)電流大于Idcr時(shí)，將電流負(fù)反饋信號(hào)加到放 大器的輸入端；當(dāng)電流小于Idcr時(shí)，將電流反饋切斷。為了實(shí)現(xiàn)這一作用， 須引入比較電壓，圖4-2a中用獨(dú)立的直流電源作為比較電壓，其大小可用 電位器調(diào)節(jié)，相當(dāng)于調(diào)節(jié)截止電流。在IdRs與Ucom之間串聯(lián)一個(gè)二極管VD，

10、當(dāng)IdRsUcom時(shí)，二極管導(dǎo)通，電流負(fù)反饋信號(hào) Ui即可加到放大器 上去；當(dāng)IdRs Ucom寸，二極管截止，Ui既消失。截止電流Idcr=Ucom/ Rs。圖3-5b中利用穩(wěn)壓管VS擊穿電壓Ubr作為比較電壓，線(xiàn)路要簡(jiǎn)單得 多，但不能平滑調(diào)節(jié)截止電流。本設(shè)計(jì)利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓。圖4-2電流截止負(fù)反饋的電流檢測(cè)環(huán)節(jié)當(dāng)Id ldcr時(shí)，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(xiàn)。穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4-4所示。KpKsUnKpKs 1 dRsUcom帶電流截止的無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的理想靜特性如圖4-5所示KpKsUn*IdRCenKpKs / Ce）圖4-3無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)

11、構(gòu)圖（ldldcr）般 KpKsRs截止電流 I dcrUcom-RT4.2.2電流檢測(cè)環(huán)節(jié)的參數(shù)計(jì)算最大堵轉(zhuǎn)電流. KpKs(Un Ucom) I dblR KPKSRS所以可以取|dbl U n U漪設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速給定電壓為15V 0 Idbl應(yīng)小于電機(jī)Rs允許的最大電流，一般為Idbl 1.2IN ;故取Idcr=1.2 IN=1.2 X 12.5=15（已知電機(jī)參數(shù) IN =12.5A）由式和式可求出nmaxn1n2圖4-5帶電流截止的無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性Rs=1.5 莒 Ucom=22.5V423電流檢測(cè)電路已知變壓器二次側(cè)電流為l2=15.3A，選電流互感器的二次側(cè)額定電流為?=5

12、A，則電流互感器變比?= ?= 15.3 -5 = 3.06經(jīng)整流橋后輸出電流？?= 08? =6.13A電位器參數(shù)選擇，已知？?= 15?心=?= 15十6.13 = 2.45 Q 取10Q 電位器負(fù)載最大功率 w=?= 15 X6.13 = 92?綜上所述 選擇10?100w規(guī)格的電位器。4.3轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)將直流測(cè)速發(fā)電機(jī)與待測(cè)電動(dòng)機(jī)同軸相連，則發(fā)電機(jī)輸出的是與電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速成比例的直流電壓，其極性反映轉(zhuǎn)向，用取樣電阻 RP即可取得轉(zhuǎn)速反 饋信號(hào)Un。轉(zhuǎn)速反饋電路原理圖如圖4-7所示。轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)Cetg 2，其中Cetg為測(cè)速發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，2為其輸出電位器的分壓系數(shù)。由前所

13、述，所選直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的 型號(hào)為ZYS-3A，由其相關(guān)參數(shù)可得轉(zhuǎn)速反饋電壓？?= ?X1500 =0.2 X 0.055 X1500?= 16.5?由于本設(shè)計(jì)限定給定范圍為15V ,故取20.2 不滿(mǎn)足要求。取 20.15 , ?初=?必 1500 = 0.15 X 0.055 X1500?= 12.375? ?因此取 2 0.15。電位器RP的電阻：RP CetgnN 0.055 20002750，本式取測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出最高電壓時(shí)0.21%0.2 0.2電流值為額定電流的20%計(jì)算。此時(shí)消耗的功率：?5= ?X !?= 0.055 X 1500 X 0.2 X 0.2? = 4.4?為了使電位

14、器溫度不致很高，實(shí)選瓦數(shù)應(yīng)為所消耗功率的一倍以上。故 選取電位器額定值為10W, 2.8K 。4.4系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析與設(shè)計(jì)4.4.1參數(shù)計(jì)算(1)電樞回路電磁時(shí)間常數(shù):電樞回路總電阻為：？=?y?+?=1.06+0.037+0.024=1.121Q電樞回路總電感為：？二？?+?+?=8.93+0.24+3.2=12.37mH電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)為：?=壘= ？丈(2)電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)：12.37mH=-=0.011s1.121 Q電動(dòng)機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)：?S?U?p?分？?=.匚0.138?nNV. min/ r15000. 0V. min/ r電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)：？?

15、=9.55?=1.318 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：GD2=0.105+0.709=0.814Kg.m2 機(jī)電時(shí)間常數(shù)為：?(0.709+0.105) X 9.8 X 1.121? = 0.1313s375?375 X 0.138 X 1.318(3) 三相橋式電路的平均失控時(shí)間為：?= 0.0017?(4)晶閘管裝置放大系數(shù)Ks令本系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器最大輸出電壓Uc二15V，晶閘管最大輸出整流電壓為Ud0=2.34? =257.4V,則Ks=器=零=17.16U c 15(5)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)a系統(tǒng)的給定電壓為15V，額定轉(zhuǎn)速為1500rpm。貝U轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)圖4-8反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖開(kāi)

16、環(huán)傳遞函數(shù)為：呵s爲(wèi)；2篤由于T? 4?,將開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)做近似處理得Ws)Ks/Ce1)( Ts 1)(邛1)n4.4.2系統(tǒng)的設(shè)計(jì)反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖4-8所示4.5調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算與設(shè)計(jì)使系統(tǒng)按典型U型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器應(yīng)設(shè)置為PID調(diào)節(jié)器，如圖4-9所示。R1COUn*Un*-an-anR0RO一+RbalGND圖4-9 PID調(diào)節(jié)器UcWASR s則傳遞函數(shù)應(yīng)為：(1S 1)( 2S 1)由于TmW(s)3sT|Tm忑(1sRo C RQCs RCQS2R)RCoGs(RGRQCQ)S1R)GsTi，做大慣性近似處理可得開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：1)( 2s 1) aT

17、ms2(Tss1)( Ts 1)4Ts，所以選擇1RQT Q.Q11S，用調(diào)節(jié)器零點(diǎn)消去控制Ks/Ce由于對(duì)象中大的時(shí)間常數(shù)點(diǎn)，以便校正成典型u型系統(tǒng)。因此傳遞函數(shù)為Ks / Ce ( 2s1) 1X ( 2s1)2aTms(人s般情況下，選中頻寬hTs5h 12h2Ts2W(s)KNs2(TsS1)其中 KNKNR0C0Ks3 mCe1)h=50. 00167s0. QQ835S6243027. 72250. 001672Ks3TmCe359. 28Scn3Tm1223. 88s符合條件。轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率：cn-KN 243027. 7 0. 008351檢驗(yàn)近似條件，轉(zhuǎn)速環(huán)大慣性環(huán)節(jié)近似處理

18、條件:取&20k ，結(jié)合上面公式可得KNTmCe0.0117.1643027. 7_0. 1313_0. 1380. 00022sGC。3R2R10.00022 F3廠(chǎng)20 1030. 00835 F20 1030. 0110. 0111060.011 F0.418 F1000k取 0.01 F取 0.5 F取 1000 k第5章系統(tǒng)輔助回路設(shè)計(jì)5.1直流穩(wěn)壓電源給定電壓的穩(wěn)定與否直接影響系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)精 度影響甚大。為此在調(diào)速系統(tǒng)中，給定電壓一般由穩(wěn)壓電源供給。根據(jù)對(duì)系 統(tǒng)調(diào)速精度的要求不同，可以采用不同型式的穩(wěn)壓電源。由于用集成穩(wěn)壓器組成的穩(wěn)壓電路簡(jiǎn)單， 穩(wěn)壓精度高，故

19、廣泛應(yīng)用在調(diào) 速系統(tǒng)中。這里選用 CM7815和CM7915三端集成穩(wěn)壓器作為控制電路電源，如圖5-1所示圖5-115V電流穩(wěn)壓電源原理圖原理圖器件明細(xì)表序號(hào)代號(hào)名稱(chēng)規(guī)格數(shù)量1B1,B2橋堆2A,200V22C1,C2電解電容2200 卩 F,63V23 :C3,C4電容0.1 卩 F247815三端集成穩(wěn)壓器+15V,1.5A157915三端集成穩(wěn)壓器-15V,1.5A16C5,C6電容0.33 卩 F27VD1,VD2二極管2CP122第6章軟件仿真與結(jié)論6.1軟件的仿真采用matlab仿真(1)米用PID調(diào)節(jié)時(shí)，仿真圖形如圖6-2所示(2)帶電流截止的無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)仿真波形如圖6-4所示

20、圖6-4帶電流截止的無(wú)靜差調(diào)速仿真波形(3)典型二型系統(tǒng)的伯德圖如圖6-6所示 76.76. ClCl ii：B9g_B9g_r r 43C-27-T)43C-27-T)ConiLhuOjs-ciri-e Gxple(-ll76P 0 QTB.町 gZT.H b比啊43Q2B43Q2B (s+ngS)(s+ngS)蠱(3r+55fi(3r+55fiB B BiBiC C or:tor:t iminus-iminus- r r i i rara ? zero/pnzero/pn 1 1 e/fe/f air:air: ncdelncdel . .圖6-5典型二型系統(tǒng)伯德圖程序-icL-icL圖6

21、-6 典型二型系統(tǒng)伯德圖6.2結(jié)論從波形圖可以看出，采用PID調(diào)節(jié)器可以實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差，加入帶電流截止 的負(fù)反饋后，可以抑制電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)的大電流產(chǎn)生。設(shè)計(jì)的典型二型系統(tǒng)，根據(jù)伯德圖可以看出，系統(tǒng)是穩(wěn)定的，且有一定 的相角裕度和增益裕度。第7章設(shè)計(jì)感想在做這次課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)到很多東西，包括軟件的安裝，AD、Visio和Multisim繪圖，MATLAB中仿真使用伯德圖的繪制，對(duì)一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等 等。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，使我對(duì)帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)分析 與設(shè)計(jì)有了更加深刻的認(rèn)識(shí)與理解，并且為以后的學(xué)習(xí)和工作打下了堅(jiān)實(shí)的 基礎(chǔ)。更近一步的掌握了最基本的工程設(shè)計(jì)步驟與方法。我明白了：在大學(xué)的課堂的學(xué)習(xí)里，老師只是把一些重點(diǎn)難點(diǎn)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)梳理一遍，給我們指 出學(xué)習(xí)的正確的方向，讓我們?cè)趯W(xué)習(xí)中少走彎路，一些最基本的基礎(chǔ)知識(shí)還 是要我們自