VM雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)課程設計報告

1、VM雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)課程設計報告Newly compiled on November 23, 2020 課程名稱：專業(yè)實訓 專業(yè)：班級： 學號：姓名： 指導教師:-成績： 完成日期:2015年1月15日任務書題目：直流調速系統(tǒng)的設計設計內容及要求：單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)和雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計（-）主回路方案確定主要電氣設備的計算和選擇：1、整流變壓器的計算2、晶閘管整流元件：電壓定額、電流定額計算。3、系統(tǒng)各主要保護環(huán)節(jié)的設計：快速熔斷器計算選擇、阻容保護計算選擇計 算.°（-）控制回路選擇反饋元件的選擇，調節(jié)器的設計（三）畫出閉環(huán)調速系統(tǒng)電氣原理圖（四）撰寫設計說明書（報告）設計

2、環(huán)境:主要由主電路和控制電路組成，主電路由開關，變壓器，晶閘管整流裝置， 保護器件，直流電動機和測速裝置組成，控制電路主要由運算放大器構成的控制器 組成。實現(xiàn)目標：1、使學生進一步熟悉和掌握閉環(huán)直流調速系統(tǒng)工作原理，了解工程設計的基 本方法和步驟。2、熟練掌握主電路結構選擇方法，主電路元器件的選型計算方法。3、熟練掌握過電壓、過電流保護方式的配置及其計算。4、掌握電流、速度調節(jié)器的典型設計方法。5、掌握電氣系統(tǒng)線路圖繪制方法。6、掌握撰寫實訓報告的方法。1單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)主電路設計單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)是指只有一個轉速負反饋構成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在電 動機軸上裝一臺測速發(fā)電機SF,引出與轉速成正比

3、的電壓Uf與給定電壓t/d比 較后，得偏差電壓(/，經(jīng)放大器FD，產(chǎn)生觸發(fā)裝置CF的控制電壓Uk，用以控制 電動機的轉速，如圖所示。電壓放大器整流觸發(fā)裝置電動機負載速度檢測;直流調速系統(tǒng)原理框圖直流電機，額定電壓20V,額定電流7A,勵磁電壓20V,最大允許電流40 A o整流變壓器額定參數(shù)的計算為了保證負載能正常工作，當主電路的接線形式和負載要求的額定電壓確 定之后，晶閘管交流側的電壓U2只能在一個較小的范圍內變化，為此必須精確 計算整流變壓器次級電壓U?。(1) 二次側相電流和一次側相電流在精度要求不高的情況下，變壓器的二次側相電壓U2的計算公式：幾種整流線路變壓器電壓計算系統(tǒng)參數(shù)，如表所

4、示。表幾種整流線路變壓器電壓計算系統(tǒng)電路模式單相全波單相橋式三相半波二相橋式AC所以變壓器二次側相電壓為：t/2 =1.35x200.9 =30V變壓器的二次側電流12的計算公式： 幾種整流線路變壓器電流1皿2系數(shù)，如表。表幾種整流線路變壓器電流Id/I2電路模式電阻性負載電感性負載單相全控橋三相全控橋查表得，A = 1 o變壓器的二次側電流：yTA變壓器的一次側電流i!的計算公式：一次側電流：=/2= 7x30三220 = 0.954(2) 變壓器容量整流電路為單相橋式，取加=m =加2 = 1。二次容量：52 = m2U2I2 = 1 x 30 x 7 = 210W次容量:3=1x220x

5、0.95 = 209W平均計算容量：S = *(S+S2)= 209.5W整流器件晶閘管的參數(shù)計算及選擇額定電壓Utn、電流Itn、功率Ptn。整流元件的最大值電壓Utm和額定電流的計算系數(shù)K(b如表所示。表整流元件的最大值電壓Ug和額定電流的計算系數(shù)Kh電路模式Ue電阻性(K)電感性(Ke)單相橋式二相橋式查表得，%嚴邁U2、Kjb = 0.45取 UrN=30V, ITN = 40A, P,N = 5200W ,選擇 MEKD-ZL-50 型號整流模 塊一個。阻容保護電路的參數(shù)計算及選擇單相變壓器交流側過壓過流保護電容C和電阻R的計算：變壓器勵磁電流百分比：在101000Kv情況下，取41

6、0。變壓器的短路電壓百分比：在10-lOOOKv情況下，S%取510。幾種常見單相晶閘管阻容保護電路如圖所示。圖單相RC保護電路幾種常見三相晶閘管阻容保護電路如圖，圖所示。圖三相RC角型保護電路圖三相壓敏電阻保護電路控制電路設計單相整流模塊參數(shù)(1) 工作頻率f為50Hz。(2) 輸入線電壓范圍VIN (RMS)為30450VAC。(3) 控制信號電壓VCON為0 10VDC。(4) 控制信號ICON10MAo (5)、輸出電壓不對稱度 6%o(6) 輸出電壓溫度系數(shù) 600PPM/°Co(7) 模塊絕緣電壓 VISO (RMS) 22500V。整流模塊內部電路及使用和安裝：(1)

7、單相整流模塊內部電路，如圖所示。圖單相整流模塊(2) 模塊的使用安裝模塊電流規(guī)格選擇：為保證設備運轉正常，選取的模塊電流應為負載電流 的3倍，整個運行過程，負載電流不能超過模塊的額定電流。環(huán)境要求：模 塊的存貯和工作場所應干燥、通風、無塵、無腐蝕性氣體。工作環(huán)境溫度范圍 為-25°C +45°C。安裝步驟： 把散熱器和風機按通風要求安裝好，散熱器表面必須平整、光潔。在模 塊導熱底板與散熱器表面均勻涂覆一層導熱硅脂，然后用螺釘把模塊固定于散 熱器上，注意用力要均等。 因模塊工作電流較大，必須用帶接線鼻的多股銅線進行連接(禁用鋁 線).導線截面積按電流密度4A/mm2選取。嚴禁

8、將銅線直接壓接在模塊電 極上。 用接線鼻環(huán)帶將銅線扎緊，以免接觸不良而附加發(fā)熱，然后套上絕緣熱 縮管，用熱風或熱水加熱收縮。將接線鼻固定在模塊電極上，確保良好的平面 接觸，并用螺釘緊固。 注意模塊輸入輸出電極勿掀起，以免損壞模塊。 接控制線：接線見圖和表所示。圖五腳插座的對應順序表引腳接線+ 12引腳功能引線顏色5腳插座紅色GND黑色4GND黑色(灰色)3CON黃色2Econ橙色(褐色)1LM331芯片簡介及工作原理LM331采用單電源供電，電源電壓VCC,模擬信號Vin的輸入范圍VCCOV,頻率范圍為15OOKH乙 非線性低于。模擬信號經(jīng)積分器積分 處理后，在INPUT端變成與輸入電壓成正比

9、的穩(wěn)定電流輸入，通過LM331芯 片進行V/F轉換后，變成與電壓成正比的頻率信號,FOUT端輸出的頻率信號送到 計算機的計數(shù)/定時端口，計算機對頻率信號進行采集、處理、存儲。從而實現(xiàn)模 擬信號到數(shù)字信號的轉換。由于LM331的轉換線性度直接影響轉換結果的準確 性，而通常引起V/F轉換產(chǎn)生非線性誤差的原因是引腳1的輸出阻抗，它使輸 出電流隨輸入電壓的變化而變化，因而影響轉換精度，為克服此缺點，高精度 V/F轉換器在1腳和7腳間加入了一個積分器，這個積分器是由常規(guī)運放LF356 和積分電容C4構成的反積分器。LM331外部擴展電路如圖所示。圖LM331外部擴展電路運算放大LM324芯片簡介及工作原

10、理LM324系列運算放大器是價格便宜的帶差動輸入功能的四運算放大器°可 工作在單電源下，電壓范圍是。它采用14管腳雙列直插塑料(陶瓷)封裝， 外形如圖所示。它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用 外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖所示的符號來表示，它有5 個引出腳，其中“+”、為兩個信號輸入端，P+”、“V-”為正、負電源端， “Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-(-)為反相輸入端，表示運放輸出端 V。的信號與該輸入端的相位相反；Vi+ (+)為同相輸入端，表示運放輸出端 Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖所示。圖運算放大器圖lm3

11、24功能引腳圖LM324的特點：(1) 短跑保護輸出；(2) 真差動輸入級；(3) 可單電源工作：3V-32V ；(4) 低偏置電流:最大lOOnA (LM324A)；(5) 每封裝含四個運算放大器；(6) 具有內部補償?shù)墓δ埽?7) 共模范圍擴展到負電源；(8) 行業(yè)標準的引腳排列；(9) 輸入端具有靜電保護功能。光電編碼器光電編碼器是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈 沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤 和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方 形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋 轉.

12、經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過 計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當前電動機的轉速。此外，為 判斷旋轉方向，碼盤還可提供相位相差90。的兩路脈沖信號。光電編碼器 E6B2_C接線如圖所示。圖光電編碼器接線圖無靜差調速采用PI調節(jié)器的單閉環(huán)無靜差調速系統(tǒng)控制結構如圖所示。圖單閉環(huán)無靜差調速系統(tǒng)PI調節(jié)器控制結構圖單閉環(huán)調速系統(tǒng)控制電路如圖所示。圖單閉環(huán)調速系統(tǒng)控制電路圖單閉環(huán)調速系統(tǒng)主電路如圖所示。圖單閉環(huán)調速系統(tǒng)主電路2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)主要由給定環(huán)節(jié)、ASR、ACR、觸發(fā)器和整流裝置環(huán) 節(jié)、速度檢測環(huán)節(jié)以及電流檢測

13、環(huán)節(jié)組成。為了使轉速負反饋和電流負反饋分 別起作用，系統(tǒng)設置了電流調節(jié)器ACR和轉速調節(jié)器ASRO電流調節(jié)器ACR 和電流檢測反饋回路構成了電流環(huán)；轉速調節(jié)器ASR和轉速檢測反饋回路構成 轉速環(huán)，稱為雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。因轉速換包圍電流環(huán)，故稱電流環(huán)為內環(huán)，轉 速環(huán)為外環(huán)。在電路中，ASR和ACR串聯(lián)，即把ASR的輸出當作ACR的輸 入，再由ACR得輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)器。為了獲得良好的靜、動態(tài) 性能，轉速和電流兩個調節(jié)器一般都采用具有輸入輸出限幅功能的PI調節(jié)器， 且轉速和電流都采用負反饋閉環(huán)。該系統(tǒng)原理框圖如圖所示。電壓 卜AS卜閆 整流秒發(fā)裝置 H 電動機 卅 負載 T速度檢測圖雙閉

14、環(huán)直流調速系統(tǒng)原理框圖主電路設計本組雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計參數(shù)如下：直流他勵電動機：功率Pe二，額定電壓Ue=220V,額定電流Icm磁極對數(shù) P=l, ne=1500r/min,勵磁電壓220V,電樞繞組電阻主電路總電阻R二Q, Ks=27,電磁時間常數(shù)Tf,機電時間常數(shù)Tm=,濾波時間常數(shù)入Ton=,過 載倍數(shù)A電流給定最大值= 8V ,速度給定最大值U； = 10V , 0二A, a =Vmin /。整流變壓器額定參數(shù)的計算(1) 一次側相電流和二次側電流在精度要求不高的情況下，變壓器的二次側相電壓U?的計算公式：查表得，A = 2.34。所以變壓器二次側相電壓為：U2 =1.3x 22

15、0-2.34 = 122.22V變壓器的二次側電流12的計算公式：查表得，A = 1.22。變壓器的二次側電流：I2 = Id =6.5-1.225.33/1變壓器的一次側電流li的計算公式：一次側電流：人=厶(2) 變壓器容量整流電路為三相橋式，取加=m =加2 = 3。二次容量:S2 =m2U2I2次容量:S=加口人=3x220x2.96 = 1953.6W平均計算容量：5 = 1(S1+S2) = 1953.95VV整流器件晶閘管的參數(shù)計算及選擇額定電壓Utn、電流Itn、功率Ptn。查表得，UTm = y/6U2, Ktb = 0.368 o取UTN = 598.75V , 7=5.3

16、82/1, PTN = 3222.45VV ,選擇三相整流模塊 F18 系列SD57-16型號°阻容保護電路的參數(shù)計算及選擇(1) 單相變壓器交流側過壓過流保護電容C和電阻R的計算：變壓器勵磁電流百分比：在10-lOOOKv情況下，取410。變壓器的短路電壓百分比：在10-lOOOKv情況下，S%取510。1953 95C>6x5x- ，- 3.92uF 取122.22-R > 2.3x 122-22 -xVF 心 17.6Q 取 20Q1953.95(2) 保護電容的耐壓值計算雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)主電路雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)主電路如圖所示。圖雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)主電路雙閉環(huán)直流

17、調速系統(tǒng)控制電路的設計轉速、電流雙閉環(huán)設計原則雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)控制電路轉速、電流雙閉環(huán)設計原則：先內環(huán)后外 環(huán)。ACR電流環(huán)的設計(1)確定時間常數(shù)三相橋式電路的平均時空時間：人=00017$電流濾波時間常數(shù)：L =0.00315電流環(huán)時間常數(shù)：冬=Ts + Tm = 0.0017 + 0.003 1 = 0.0048$(2)選擇電流調節(jié)器結構根據(jù)設計要求而且互=衛(wèi)空 =0.6875v 10Tg 0.0048典型I型系統(tǒng)設計。電流調節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為：因此電流環(huán)可按（3）選擇電流調節(jié)器參數(shù)ACR超前時間常數(shù)：r, =Tt = O.O33s。 機電時間常數(shù)：Tm=o電流環(huán)開環(huán)增益：要

18、求<7,. <5%時，應取K兀= 0.5 于是，ACR的比例系數(shù)為（4）校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：coci = K, = 104.17/511）晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：叫上現(xiàn)在護我歸沁叱"2）忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件:滿足。ci 現(xiàn)在，3而*皿4心5滿足。3）小時間常數(shù)近似處理條件：軸富十0.0017x0.0031 Z145-2/-滿足?，F(xiàn)在，-匸匸=9 3忻3 V（5）計算調節(jié)器電阻和電容電流調節(jié)器原理圖，按所用運算放大器取心=40口，各電阻和電容值計算如下=1.013x400 = 4.520,取40K14x0.003140x10xl(y>F = 03

19、1“F ,取O33“FC產(chǎn)滬冊存叫“堿"，取兩"按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)指標為：丁 = 43%<5%,滿足 設計要求。其結構圖如圖所示:圖ACR電流調節(jié)器結構圖ASR轉速環(huán)的設計(1)確定時間常數(shù)1) 電動機電動勢系數(shù)為0 =匕匸竺=竺空也 = 013Hmin/廠Ne15002) 電流環(huán)等效時間常數(shù)為丄=2& = 0.00485 = 0.00965。Ki3) 轉速濾波時間常數(shù)7；”根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取7；, =0.01s4) 轉速環(huán)小時間常數(shù)抵按小時間常數(shù)近似處理，取?！?=2兀+7；” =0.0096 + 0.01 = 0.01965(2

20、) 選擇轉速調節(jié)器結構由于設計要求無靜差，轉速調節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；乂根據(jù)動態(tài)要求，應按典型II型系統(tǒng)設計轉速環(huán)。故ASR選用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：(3) 選擇轉速調節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h = 5,則ASR的超前時間常數(shù)為：轉速環(huán)開環(huán)增益：于是，ASR的比例系數(shù)為：" 2haRT“2x5x 0.007 x (3.7 + 7.4) x 0.0196_ (hZBCT_(4) 校驗近似條件1)轉速環(huán)截止頻率為2)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件:104.17 廠0.0048Sa 49.1s" >©“滿足現(xiàn)在，3店-= 3Xy 001 5_1 = 34,025-1 >% 滿足(5) 計算調節(jié)器電阻和電容按照轉速調節(jié)器原理，取&)=400,則(6) 校核轉速超調量退出飽和超調量的計算公式：5” =(蘭嚴)2(兄-2)巴叫殳Cbn Tg當力=5時，蘭込= 81.2%, An =