含有電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書專 業(yè)班 級學(xué) 生指導(dǎo)教師題 目電力拖動自動控制課程設(shè)計(jì)子 題含有電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時間2012年 12月 10 日 至 2012 年 12月 21日 共 2周設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)目的1. 通過課程設(shè)計(jì)掌握電流負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)方法。2. 掌握含電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的組成，分析設(shè)計(jì)內(nèi)容。3. 根據(jù)實(shí)際情況，掌握設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的一般方法。4. 培養(yǎng)自己科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度。設(shè)計(jì)內(nèi)容1. 電流截止環(huán)節(jié)的意義和引出方法。2. 電流截止環(huán)節(jié)對系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性有何影響。3. 穩(wěn)態(tài)有靜差，怎樣減小靜差。4. 動態(tài)過程的穩(wěn)定條件如何

2、界定。5. 詳細(xì)分析含電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性。6. 參數(shù)選擇：基本參數(shù)如下：直流電動機(jī)：220V，136A，1460r/min，Ce=0.127Vmin/r，允許過載倍數(shù)=1.5。晶閘管裝置放大系數(shù)：Ks=35。電樞回路總電阻：R=0.2。時間常數(shù)：Tl=0.03s，Tm=0.18s。電流反饋系數(shù)：=0.05V/A（10V/1.5Inom）。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：=0.007Vmin/r（10V/Nnom）。指導(dǎo)教師簽字： 系（教研室）主任簽字：1總體方案設(shè)計(jì)帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的設(shè)計(jì)方案本文主要分別從介紹電流截止負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)出發(fā)，將各自的特點(diǎn)結(jié)合再通過

3、數(shù)字式繪圖進(jìn)行原理結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，其總的數(shù)字式實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)有以下部分:1、變壓器部分此部分是將電網(wǎng)電壓引入，再將其設(shè)計(jì)為三種方式的輸出，分別是為電流互感器部分提供電壓的變壓器1，為穩(wěn)壓模塊提供電壓的變壓器3,和為控制信號產(chǎn)生部分提供電壓的變壓器2.2、主電路部分此部分理所當(dāng)然是整個設(shè)計(jì)的核心部分，其當(dāng)中有控制對象電機(jī)，還有我們主要需要設(shè)計(jì)出的控制晶閘管的開斷信號，當(dāng)然其中的轉(zhuǎn)速反饋電壓也是從此部分輸出。3、電流互感器部分此部分為電流截止負(fù)反饋部分提供反饋電流信號的核心部分，反饋電流信號將從這里引出通過晶閘管從而進(jìn)入主控電路。4、ASR和電流截止部分真?zhèn)€調(diào)速系統(tǒng)的主控部分，這個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性質(zhì)就由這個

4、部分決定，其中包括了電流截止負(fù)反饋電路和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電路。5、穩(wěn)壓模塊為控制信號模塊和一些其他需要供電的集成模塊器件供電。6控制信號產(chǎn)生部分此部分主要是產(chǎn)生控制前面主電路部分的晶閘管開通與關(guān)斷的，以有效地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動。7、控制信號的放大驅(qū)動部分輔助控制信號產(chǎn)生部分，使其產(chǎn)生更精確，更穩(wěn)定的控制信號，以使電機(jī)更好的運(yùn)行。2帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的分析與設(shè)計(jì)n 2.1電流截止負(fù)反饋的分析與設(shè)計(jì)問題的提出：（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

5、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(jiān)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。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

6、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。電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)如下圖： . （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 （c）封鎖運(yùn)算放大器的電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié) 圖1 電流截止負(fù)反饋的環(huán)節(jié) 圖（a）中用獨(dú)立的直流電源作

7、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。圖（b）中利用穩(wěn)壓管VS的擊穿電壓Ubr作比較電壓，線路要簡單得多，但不能平滑的調(diào)節(jié)電流值。圖（c）是反饋環(huán)節(jié)與運(yùn)放的連接電路。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)：圖2 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的I/O特性 圖3 帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 由圖2 可寫出該系統(tǒng)兩段靜特性的方程式： 當(dāng)時，引入電流負(fù)反饋，靜特性變?yōu)椋?（1） 圖4 帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性靜特性的幾個特點(diǎn)：（1）電流負(fù)反饋的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個大電阻 Kp Ks Rs ，因而穩(wěn)態(tài)速降極大，特性急劇下垂。（2）比較電壓 Ucom 與給定電壓 Un* 的作用一致，

8、好象把理想空載轉(zhuǎn)速提高到 （3）兩段式靜特性常稱作下垂特性或挖土機(jī)特性。當(dāng)挖土機(jī)遇到堅(jiān)硬的石塊而過載時，電動機(jī)停下，電流也不過是堵轉(zhuǎn)電流，在式（1）中，令 n = 0，得 一般,因此（4）最大截止電流應(yīng)小于電機(jī)允許的最大電流，一般取 ： Idbl =（1.52.0） IN從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看，希望穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍足夠大，截止電流應(yīng)大于電機(jī)的額定電流，一般?。?Idcr （1.11.2）IN（5）調(diào)速系統(tǒng)的起動過程 圖（a）帶電流截止負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 圖(b)理想的快速啟動過程 圖5 調(diào)速系統(tǒng)的起動過程n 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)1確定時間常數(shù)：有則，已知轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時間常數(shù)=0.01s，故轉(zhuǎn)速環(huán)

9、小時間常數(shù)。2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)：按設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器3計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)：按跟隨和抗干擾性能較好原則，取h=5,則ASR的超前時間常數(shù)為：，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 。ASR的比例系數(shù)為：。4檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為。電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為，滿足條件。轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為：，滿足近似條件。5計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容：取=40，則，取1.2。，取64，取1。故。其結(jié)構(gòu)圖如下：圖6 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器6校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量：計(jì)算，設(shè)理想空載z=0，h=5時，查得=81.2%，所以=2（）（）=，滿足設(shè)計(jì)要求.2.3電源設(shè)計(jì)該模塊的主要功能是為轉(zhuǎn)速給定電路提供電源，眾所周知，電源是一切電路的心臟，其性能

10、在很大程度上影響著整個電路的性能。為使系統(tǒng)很好的工作，本文特設(shè)計(jì)一款15V的直流穩(wěn)壓電源供電，其電路圖如圖2.3所示。直流穩(wěn)壓電源主要由兩部分組成：整流電路和濾波電路。整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)ㄗ饔茫虼硕O管是組成整流電路的關(guān)鍵元件。在小功率（1KW）整流電路中，常見的幾種整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。本設(shè)計(jì)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。圖7 15V電源電路原理圖濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩側(cè)并聯(lián)電容

11、器；或在整流電路輸出端與負(fù)載間串聯(lián)電感L，以及由電容、電感組合而成的各種復(fù)式濾波電路2.4 控制電路設(shè)計(jì)本控制系統(tǒng)采用含電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，其原理圖如圖2.4所示。圖8 含電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋原理圖圖中的電動機(jī)的電樞回路由晶閘管組成的三相橋式整流電路供電，通過與電動機(jī)同軸剛性連接的測速發(fā)電機(jī)TG檢測電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，并經(jīng)轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)分壓后取出合適的轉(zhuǎn)速反饋信號，此電壓與轉(zhuǎn)速給定信號經(jīng)速度調(diào)節(jié)器ASR綜合調(diào)節(jié)，ASR的輸出作為移相觸發(fā)器的控制電壓，由此組成轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中ASR采用比例積分調(diào)節(jié)器，屬于無靜差調(diào)速系統(tǒng)。為了防止在起動和運(yùn)行過程中出現(xiàn)過大的電流沖

12、擊，系統(tǒng)引入了電流截止負(fù)反饋。由電流變換器取出與電流成正比的電壓信號，當(dāng)電樞回路電流超過一定值時，將穩(wěn)壓管VS擊穿，送出電流反饋信號進(jìn)入ASR輸入端進(jìn)行綜合，以限止電流不超過其允許的最大值。改變即可調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。 圖8無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（） 圖9無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（）2.5 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)電路組成： 由三路相同的部分：同步過零和極性檢測、鋸齒波形成、鋸齒波比較，經(jīng)過抗干擾鎖定、脈沖形成等電路形成三相觸發(fā)調(diào)制脈沖或方波，由脈沖分配電路實(shí)現(xiàn)全控、半控的工作方式，再由驅(qū)動電路完成輸出驅(qū)動。 電路原理： 三相同步電壓經(jīng)過T型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入電路，同步電壓的零點(diǎn)設(shè)計(jì)為1/2電源電壓（電路

13、輸入端同步電壓峰峰值不宜大于電源電壓），通過過零檢測和極性判別電路檢測出零點(diǎn)和極性后，在Ca、Cb、Cc三個電容上積分形成鋸齒波。由于采用集中式恒流源，相對誤差極小，鋸齒波有良好的線性。電容的選取應(yīng)相對誤差小，產(chǎn)生鋸齒波幅度大且不平頂為宜。鋸齒波在比較器中與移相電壓比較取得交相點(diǎn)，移相電壓由4腳通過電位器或外電路調(diào)節(jié)而取得?？垢蓴_電路具有鎖定功能，在交相點(diǎn)以后鋸齒波或移相電壓的波動將不能影響輸出，保證交相唯一并且穩(wěn)定。 脈沖形成電路是由脈沖發(fā)生器給出調(diào)制脈沖（TC787），調(diào)制脈沖寬度可通過改變Cx電容的值來確定，需要寬則增大Cx，窄則減小Cx, 1000P電容約產(chǎn)生100S的脈沖寬度。被調(diào)制

14、脈沖的頻率-8/調(diào)制脈沖寬度。 脈沖分配及驅(qū)動電路是由6腳控制脈沖分配的輸出方式，6腳接低電平VL，輸出為半控方式，12、11、10、9、8、7分別輸出A、-C、B、-A、C、-B的單觸發(fā)脈沖，6腳接高電平VH，輸出為全控方式，分別輸出A、-C；-C、B；B、-A；-A、C；C、-B；-B、A的雙觸發(fā)脈沖，用戶可以選擇。5腳為保護(hù)端，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)過流過壓時，將5腳置高電平VH，輸出脈沖即被禁止。5腳還可以用作過零觸發(fā)系統(tǒng)的控制端，輸出端可驅(qū)動功率管，經(jīng)脈沖變壓器觸發(fā)可控硅；也可直接驅(qū)動光電耦合器，經(jīng)隔離觸發(fā)可控硅或驅(qū)動三級管。電路如圖2.7所示圖2.7 TC787引腳及外圍電路圖2.6總電路原理

15、圖如下2.7結(jié)論 本文實(shí)現(xiàn)了帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，介紹了帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的基本原理。用Protel繪制出了系統(tǒng)的工作原理圖，數(shù)字式結(jié)構(gòu)相比模擬電路而言，大大簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，且參數(shù)易于修改，靈活性大大加強(qiáng)，具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。通過分析與設(shè)計(jì)，可發(fā)現(xiàn)此種調(diào)速系統(tǒng)結(jié)合巧妙地結(jié)合兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，使得它更具通用性和實(shí)用性，但同時它也有一些弊端，在更高精度的控制下，還是得設(shè)計(jì)更為精密的系統(tǒng)。2.8心得體會通過本次課程設(shè)計(jì)，使我對電流負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)方法有了更加深刻的認(rèn)識，為以后的學(xué)習(xí)和工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在大學(xué)的課堂的學(xué)習(xí)只是在給我們灌輸專業(yè)知識，指導(dǎo)我們學(xué)習(xí)的方向。如果我們想把所學(xué)的用到我們現(xiàn)實(shí)的生活中去，則必須要有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，此次的設(shè)計(jì)為我奠定了一個理論基礎(chǔ)，同時我會在以后的學(xué)習(xí)、生活中磨練自己，使自己更好的將理論與實(shí)踐相結(jié)合，以取得更好的成果。此外在查找資料的過程中我也學(xué)到了許多新的知識，在和同學(xué)協(xié)作過程中增進(jìn)同學(xué)間的友誼，使我對團(tuán)隊(duì)精神的積極性和重要性有了更加充分的理解。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我才明白學(xué)習(xí)是一個長期積累的