直流電動機(jī)可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 (1)

1、IV武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計報告摘要本次課程設(shè)計直流電機(jī)可逆調(diào)速系統(tǒng)利用的是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，因其具有調(diào)速范圍廣、精度高、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，所以在電氣傳動系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器, 即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR), 分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。本文對直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行了分析，對直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理進(jìn)行了一些說明，介紹了其主電路、檢測電路的設(shè)計，介紹了電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計以及系統(tǒng)中一些參數(shù)的計算。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)，可逆調(diào)速，參數(shù)計算，調(diào)速器。15武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計報告目錄1. 設(shè)計概述11.1 設(shè)計意義及

2、要求11.2 方案分析11.2.1 可逆調(diào)速方案11.2.2 控制方案的選擇22.系統(tǒng)組成及原理43.1設(shè)計主電路圖73.2系統(tǒng)主電路設(shè)計83.3 保護(hù)電路設(shè)計83.3.1 過電壓保護(hù)設(shè)計83.3.2 過電流保護(hù)設(shè)計93.4 轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計93.4.1電流調(diào)節(jié)器103.4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器103.5 檢測電路設(shè)計113.5.1 電流檢測電路113.5.2 轉(zhuǎn)速檢測電路123.6 觸發(fā)電路設(shè)計134. 主要參數(shù)計算144.1 變壓器參數(shù)計算144.2 電抗器參數(shù)計算144.3 晶閘管參數(shù)145設(shè)計心得156參考文獻(xiàn)16直流電動機(jī)可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計1. 設(shè)計概述1.1 設(shè)計意義及要求直流電動機(jī)

3、具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來看，直流拖動控制系統(tǒng)又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以應(yīng)該首先掌握直流拖動控制系統(tǒng)。本次設(shè)計最終的要求是能夠是電機(jī)工作在電動和制動狀態(tài)，并且能夠?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行調(diào)速，通過一定的設(shè)計，對整個電路的各個器件參數(shù)進(jìn)行一定的計算，由此得到各個器件的性質(zhì)特性。1.2 方案分析1.2.1 可逆調(diào)速方案使電機(jī)能夠四象限運(yùn)行的方法有很多，可以改變直流電機(jī)電樞兩端電壓的方向，可以改變直流電機(jī)勵磁電流的方向等等，即電樞電壓反接法和電樞勵磁反接法。電樞勵磁反接方法需要的晶閘管功率小，適用于被控電機(jī)容

4、量很小的情況，勵磁電路中需要串接很大的電感，調(diào)速時，電機(jī)響應(yīng)速度較慢，且需要設(shè)計很復(fù)雜的電路，故在設(shè)計中不采用這種方式。電樞電壓反接法可以應(yīng)用在電機(jī)容量很的情況下，且控制電路相對簡單，電樞反接反向過程很快，在實(shí)際應(yīng)用中常常采用，本設(shè)計中采用該方法。電樞電壓反接電路可以采用兩組晶閘管反并聯(lián)的方式，兩組晶閘管分別由不同的驅(qū)動電路驅(qū)動，可以做到互不干擾。圖1-1 兩組晶閘管反并聯(lián)示意圖如上圖，電動機(jī)正轉(zhuǎn)時，由正組晶閘管裝置VF供電；反轉(zhuǎn)時，由反組晶閘管裝置VR供電。兩組晶閘管分別由兩套觸發(fā)裝置控制，都能靈活地控制電動機(jī)的起、制動和升、降速。但是，不允許讓兩組晶閘管同時處于整流狀態(tài)，否則將造成電源短路

5、，因此對控制電路提出了嚴(yán)格的要求。1.2.2 控制方案的選擇 方案一：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)該方案主要由給定環(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)以及電流檢測環(huán)節(jié)組成。為了使轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋分別起作用，系統(tǒng)設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器ACR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR，別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。由于調(diào)速系統(tǒng)的主要被控量是轉(zhuǎn)速, 故把轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成的環(huán)作為外環(huán), 以保證電動機(jī)的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確跟隨給定電壓, 把由電流負(fù)反饋組成的環(huán)作為內(nèi)環(huán), 把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE，這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速檢測負(fù)載電流檢測整流觸發(fā)裝置ACRASR電壓電

6、動機(jī)圖1-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖方案二：單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)采用一個轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。將與測速電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的電壓Uf 與給定電壓Ud 比較后,得偏差電壓U ,經(jīng)放大器FD ,產(chǎn)生控制電壓Uk ,用以控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速,如圖所示。電壓整流觸發(fā)裝置電動機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)速檢測放大器圖1-3單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是比較基礎(chǔ)比較容易掌握的，它可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動，突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。原因是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能隨

7、心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，采用電流負(fù)反饋就可以得到近似的恒流過程。通過一定的比較，方案二采用雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)方法，雖然相對成本較高，但保證了系統(tǒng)的可靠性能，和對生產(chǎn)工藝的要求的滿足，既保證了穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定，同時也兼顧了啟動時啟動電流的動態(tài)過程，很好的滿足了生產(chǎn)需求。所以在此系統(tǒng)設(shè)計中選用第二種方案更為合適。2.系統(tǒng)組成及原理本次設(shè)計的直流電機(jī)可逆調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計原理圖如圖所示。圖2-1總體設(shè)計原理圖主電路采用三相橋式整流電路，其中串有過流和過壓保護(hù)電路。由于電流檢測信號中常有交流分量，須加低通濾波，其濾

8、波時間常數(shù)Toi按需要選定。濾波環(huán)節(jié)可以抑制反饋信號中的交流分量，但同時也給反饋信號帶來了延遲。為了平衡這一延遲作用，在給定信號通道中加入一個相同時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其作用是：讓給定信號和反饋信號經(jīng)過同樣的延遲，使二者在時間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜希瑥亩鴰碓O(shè)計上的方便。由測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有電機(jī)的換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用Ton表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道中也配上時間常數(shù)為Ton的給定濾波環(huán)節(jié)。直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由給定電壓、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、三相集成觸發(fā)器、三相全控橋、直流電動機(jī)及轉(zhuǎn)速、電流檢測裝置組成，其中主電路中串入平波電抗器，以

9、抑制電流脈動，消除因脈動電流引起的電機(jī)發(fā)熱以及產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩對生產(chǎn)機(jī)械的不利影響。有了以上的一些分析，本次設(shè)計的大致組成已經(jīng)成型，具體結(jié)構(gòu)如下圖圖2-2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制UPE部分，從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。兩個調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器，可以對負(fù)載變化和電網(wǎng)電壓的波動起抗擾的作用。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。其中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用是它能使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓

10、變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差，同時對負(fù)載變化起抗擾作用。電流調(diào)節(jié)器的作用是使電流緊緊跟隨外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量變化，對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用，也在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程；同時當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護(hù)作用。系統(tǒng)電氣原理圖如下圖所示。圖2-3系統(tǒng)電氣原理圖3.系統(tǒng)電路設(shè)計3.1設(shè)計主電路圖經(jīng)過查閱資料以及對設(shè)計要求的理解，我們采用按照如下電路所示的主電路作為整個設(shè)計的中心電路，由此電路可以客觀明朗的了解電路各部分的作用。3-1主電路圖3.2系統(tǒng)主電路設(shè)計主電路采用三相橋式整流電路。三相橋式整

11、流電路適用于拖動大功率電動機(jī)負(fù)載，并且電流脈動較小，因而常常被使用。如下圖3-2的主電路中，三相交流電經(jīng)由三相變壓器后，輸入整流橋。三相變壓器采用形解法。晶閘管整流橋只有在觸發(fā)裝置給出觸發(fā)信號后才會導(dǎo)通。整流橋輸出端串接平波電抗器TA，以減小輸出電流的脈動。圖3-2 系統(tǒng)主電路電氣原理圖3.3 保護(hù)電路設(shè)計3.3.1 過電壓保護(hù)設(shè)計電力電子裝置中過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類，外因過電壓是來自雷擊和系統(tǒng)的操作過程等外部因素。內(nèi)因主要是由于電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程產(chǎn)生的過電壓。對于外因過電壓可以設(shè)置避雷器、變壓器屏蔽層、靜電感應(yīng)過電壓抑制電容、壓敏電阻過電壓抑制器等等。本設(shè)計中采用R

12、C過電壓抑制電路如下圖，將該裝置置于供電變壓器的兩側(cè)或者是電力電子電路的直流側(cè)。圖3-3 RC網(wǎng)絡(luò)過壓保護(hù)示意圖3.3.2 過電流保護(hù)設(shè)計當(dāng)電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，就可能有出現(xiàn)過電流的現(xiàn)象。實(shí)際應(yīng)用的電力電子裝置中，一般采用快速熔斷器、直流快速斷路器、過電流繼電器等幾種方式組合使用。我們采用在電力變壓器副邊每相母線中串接快速熔斷器的方法。并根據(jù)變壓器副邊電壓和副邊電流的大小，選擇快速熔斷器的規(guī)格為。過流保護(hù)電路采用采用型過流保護(hù)電路如下圖。在三相母線每一相串接如圖的過流保護(hù)電路，其中由比較電路輸入電流限幅值。圖3-4 過流保護(hù)示意圖3.4 轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)

13、速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3-5所示：圖3-5直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)設(shè)計的一般原則是：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。在這里，首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù)按需要選定，以濾平電流檢測信號為準(zhǔn)。然而，在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。由測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用表示，根據(jù)和電流環(huán)

14、一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時間常數(shù)為的給定濾波環(huán)節(jié)。3.4.1電流調(diào)節(jié)器含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器如圖3-6所示，圖3-6含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器其中R4左端電壓為電流給定電壓，R8左端電壓為電流負(fù)反饋電壓，ACR輸出端電壓為電力電子變換器的控制電壓。3.4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖3-7所示：圖3-7含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器其中R3左端電壓為轉(zhuǎn)速給定電壓，R17左端電壓為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，ASR調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。3.5 檢測電路設(shè)計3.5.1 電流檢測電路使用霍爾電流傳感器可以檢測電流，把接到霍爾

15、傳感器上?；魻栃?yīng)傳感器，可以測量任意波形的電流和電壓。輸出端能真實(shí)地反映輸入端電流或電壓的波形參數(shù)。如圖3-8所示： 圖3-8 電流檢測電路3.5.2 轉(zhuǎn)速檢測電路轉(zhuǎn)速的檢測可把接到一個測速發(fā)電機(jī)上即可檢測轉(zhuǎn)速，如圖3-9所示： 圖3-9 轉(zhuǎn)速檢測電路檢測電路與調(diào)節(jié)器電路的連接圖如下圖所示。圖3-10 調(diào)節(jié)器及檢測電路電氣原理圖其中測速發(fā)電機(jī)及相關(guān)電路將電動機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過運(yùn)放的作用得到Un輸入到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的比較端。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出信號經(jīng)過由二極管構(gòu)成的限幅電路后輸入到電流調(diào)節(jié)器的比較端。將霍爾傳感器接入到主電路用以監(jiān)測電動機(jī)電樞電流，經(jīng)過由二極管構(gòu)成的三相橋式不控整流電路后，

16、再經(jīng)由運(yùn)放的比例作用輸入到電流調(diào)節(jié)器的比較端。電流調(diào)節(jié)器輸出信號經(jīng)過由二極管構(gòu)成的限幅電路后輸入到觸發(fā)電路的控制端。3.6 觸發(fā)電路設(shè)計 晶閘管觸發(fā)電路是通過控制觸發(fā)角的大小，即控制觸發(fā)脈沖的起始相位來控制輸出電壓的大小為了能夠?qū)崟r控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，必須能夠連續(xù)調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角。 對于三相整流橋的晶閘管觸發(fā)電路很重要的一點(diǎn)是保持觸發(fā)電路和主電路的同步，即要求觸發(fā)電路輸出的驅(qū)動脈沖信號與電源的頻率相同而且相位關(guān)系確定。為保證觸發(fā)電路和主電路頻率一致，在設(shè)計中采用了一個同步變壓器，將其一次側(cè)接入為主電路供電的電網(wǎng)，由其二次側(cè)提供同步信號接入觸發(fā)電路。在本設(shè)計中采用集成觸發(fā)器TC787作為晶閘管觸

17、發(fā)電路主要元器件。TC787具有功耗小，抗干擾性能好，移相范圍寬，裝調(diào)簡便，使用可靠，所以只需用一片芯片即可完成三相橋式晶閘管的驅(qū)動工作。圖3-11 觸發(fā)電路電氣原理圖三相同步電壓經(jīng)過T型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入電路。通過過零檢測和極性判別電路檢測出零點(diǎn)和極性后，在三個電容上積分形成鋸齒波，鋸齒波在芯片內(nèi)部的比較器中與移相電壓比較取得交相點(diǎn)，移相電壓由4號引腳輸入，在本設(shè)計中移相電壓為調(diào)節(jié)器輸出的控制電壓。觸發(fā)信號由712號引腳引出，分別接晶閘管門極控制晶閘管的導(dǎo)通。4. 主要參數(shù)計算4.1 變壓器參數(shù)計算 （4-1） ，取 （4-2） （4-3）其中系數(shù)0.9為電網(wǎng)波動系數(shù)，系數(shù)1-1.2為考慮各種因素的安

18、全系數(shù)，這里取1.1。電動勢系數(shù) （4-4）4.2 電抗器參數(shù)計算由于考慮到電動機(jī)不允許有過大的脈動電流通過，所以在整流電路的直流側(cè)串聯(lián)平波電抗器抑制較大的脈動電流。三相全控橋中，在這我們按5%的標(biāo)準(zhǔn)來計算 （4-5）4.3 晶閘管參數(shù)在橋式整流電路中晶閘管兩端承受的最大正反向電壓均為，晶閘管的額定電壓一般選取其最大正反向電壓的倍。帶反電動勢負(fù)載時，變壓器二次側(cè)電流有效值是其輸出直流電流有效值的一半，而對于橋式整流電路，晶閘管的通態(tài)平均電流，則在本設(shè)計中晶閘管的額定電流350V，在本設(shè)計中晶閘管的額定電壓選定為。晶閘管額定電壓和電流的具體數(shù)值可按此選取。5設(shè)計心得本設(shè)計綜合運(yùn)用了模擬電子技術(shù)、自動控制理論、電力電子技術(shù)、電機(jī)拖動技術(shù)以及電力拖動技術(shù)，同時也涉及了過控技術(shù)，充分體現(xiàn)了電力電子技術(shù)在此設(shè)計中的全面應(yīng)用。為了完成該設(shè)計，我們將許多已經(jīng)收起來的書本再次拿出來進(jìn)行研究，還從圖書館借閱相關(guān)資料，查詢了很多有關(guān)書籍，對于一些自己不能夠從書本和同學(xué)那解決的問題我還借助了網(wǎng)絡(luò)資源，通過網(wǎng)絡(luò)完成了一些自己所