帶電流截止負反饋的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的分析與設(shè)計

1、摘要帶電流截止負反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的在對調(diào)速精度要求不高的，大功率容量的電機中的應用是非常廣泛的，它具有控制簡單方便，調(diào)速性能較好，設(shè)備成本低等的優(yōu)點。本次設(shè)計是基于對組成調(diào)速系統(tǒng)的兩個主要部分：主電路，包括主回路方案的確定、元器件的參數(shù)計算和選型、觸發(fā)電路和保護環(huán)節(jié)；控制電路，包括轉(zhuǎn)速負反饋環(huán)節(jié)的參數(shù)計算、電流截止負反饋環(huán)節(jié)的參數(shù)計算，電流檢測環(huán)節(jié)和調(diào)節(jié)器的設(shè)計的分析、參數(shù)計算和設(shè)計，并且用Visio繪圖軟件畫出各主要部分的框圖和電氣原理圖。 關(guān)鍵詞：直流電機 V-M系統(tǒng) 電流截止負反饋 主電路 控制電路目錄前言1第1章 帶電流截止負反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計方案的確定 51.1 普

2、通閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題51.2 限流保護電流截止負反饋的提出51.3 直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速方案的分析比較與選擇51.4 V-M系統(tǒng)的工作原理分析61.5設(shè)計參數(shù)的選擇7第2章 帶電流截止負反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路的設(shè)計72.1 變壓器的參數(shù)計算及選型72.2 主電路元器件的參數(shù)計算與選型82.2.1 主電路結(jié)構(gòu)選擇82.2.2 晶閘管的額定參數(shù)計算82.2.3 平波電抗器的參數(shù)計算9第3章 帶電流截止負反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路的設(shè)計123.1控制電路的結(jié)構(gòu)選擇123.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的參數(shù)計算與設(shè)計133.3電流截止負反饋環(huán)節(jié)的參數(shù)計算與設(shè)計143.3.1 電流檢測與反饋143.3.

3、2 電流檢測環(huán)節(jié)的參數(shù)計算153.4 系統(tǒng)的動態(tài)分析與設(shè)計163.5 調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算與設(shè)計17第4章 帶電流截止負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總電氣原理圖17課程設(shè)計小結(jié)19參考文獻19課程設(shè)計任務(wù)書一題目：帶電流截止負反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的分析與設(shè)計二系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的分析與選型 1、主回路方案確定。2、控制回路選擇：調(diào)節(jié)放大器、觸發(fā)器、電流截止環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)速負反饋環(huán)節(jié)、調(diào)節(jié)器的設(shè)計、電流檢測環(huán)節(jié)（須對以上環(huán)節(jié)畫出線路圖，說明其原理）。三主要電氣設(shè)備的計算和選擇1、變壓器計算：變壓器原副邊電壓、電流、容量以及聯(lián)接組別選擇。2、電力電子器件：電壓定額、電流定額計算及定額選擇。3、系統(tǒng)各主要保護環(huán)節(jié)的設(shè)計：快

4、速熔斷器計算選擇、阻容保護計算選擇計算。4、平波電抗器選擇計算或濾波電路的選擇。四系統(tǒng)參數(shù)計算1、電流檢測環(huán)節(jié)、Rs的計算。2、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中、的計算。（輸入電阻均為40K。）3、動態(tài)性能指標、計算。五畫出調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖。六參考資料前言 科學技術(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的運轉(zhuǎn)，并且最低的成本去實現(xiàn)，才是我們最值得深入研究的課題。直流電動機具有良好的起、制動性能，方便控制，易于實現(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

5、實踐上都比較成熟，是研究其它調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在直流電動機中，帶電流截止負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)應用也較為廣泛，其廣泛應用于軋鋼機、冶金、印刷、金屬切割機床等很多領(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，它任然有它獨特的運用前景。第1章 帶電流截止負反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計方案1.1 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)速負反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時，由于

6、慣性，轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來，反饋電壓仍為零，相當于偏差電壓，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到它的最高值，對電動機來說，相當于全壓起動，當然是不允許的。（3）堵轉(zhuǎn)電流-有些生產(chǎn)機械的電動機可能會遇到堵轉(zhuǎn)的情況。例如，由于故障，機械軸被卡住，或挖土機運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，電流將遠遠超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護，一過載就跳閘，也會給正常工作帶來不便。1.2 限流保護電流截止負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

7、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，就應該引入那個物理量的負反饋。那么，引入電流負反饋，應該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。通過對電流負反饋和轉(zhuǎn)速負反饋的分析?？紤]到，限流作用只需在起動和堵轉(zhuǎn)時起作用，正常運行時應讓電流自由地隨著負載增減，采用電流截止負反饋的方法，則當電流大到一定程度時才接入電流負反饋以限制電流，而電流正常時僅有轉(zhuǎn)速負反饋起作用控制轉(zhuǎn)速。1.3 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

8、好。改變電阻只能實現(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)變流機組（簡稱G-M系統(tǒng)）。用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，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)器件斬波或進行脈寬調(diào)制，產(chǎn)生可變的平

9、均電壓G-M系統(tǒng)所需要的設(shè)備多，體積大，費用高，效率低，安裝須打地基，運行有噪聲，維護不方便，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)應用廣泛，而在大功率容量的電機中，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。1.4 V-M系統(tǒng)的工作原理分析晶閘管電動機調(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，就可實現(xiàn)電機的四象限運行

10、。由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕辉试S電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難；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裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時還應有足夠的余量。圖1-1 VM系統(tǒng)原理圖1.5設(shè)計參數(shù)的選擇（1）電機的參數(shù)選擇直流他勵電動機：功率PN22KW，額定電壓UN=220V，額定電流IN=116A,磁極對數(shù)P=2，nN=1500r/min,勵磁電壓220V,電樞繞組電阻Ra=0.32,主電路總電阻R0.5，電壓放大系數(shù) Ks=22，系統(tǒng)運動部分的飛輪慣量。（2）測速發(fā)電機永磁式，額定數(shù)

11、據(jù)為23.1W，110V，0.21A，1900r/min（3）調(diào)速指標調(diào)速范圍D=10，轉(zhuǎn)差率S5%第2章 帶電流截止負反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路的設(shè)計2.1 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=1.05×287×0.861/3.45=75AI2=0.861×287=247A變壓器容量的計算S1=m1U1I1=3×380×75=85.5kVAS2=m2U2I2=3×110×247=81.5kVAS=0.5×(S1+S2)=0.

12、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。2.2 主電路元器件的參數(shù)計算與選型 2.2.1 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。晶閘管的導通順序依次為VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。圖2-1三相橋式全控整流電路2.2.2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)重復峰值電壓UDRM和反向重復峰值電壓URRM中較小的標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

13、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，帶純阻性負載時，晶閘管兩端承受的最小峰值為；帶反電動勢負載時，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=5391617V2.2.3 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的發(fā)熱，同時也產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，對機械產(chǎn)生不利，為了避免或減輕這種影響，須采用抑制

14、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 為電動機額定電流的5%-10%,這里取10% 則U2=L=0.6932.2.4 整流裝置的保護與其他類型的電氣設(shè)相比，晶閘管元件有很多優(yōu)點，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)置保護裝置。（1）過電壓保護如圖2-2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過電壓保護的參數(shù)整定據(jù)公式C13&

15、#215;6×Io%×S1/ (一般取Io%=6.5%)=3×6×6.5×(85.5/3)×/)=69FR1=×2.3×/ S1×(一般取=5%)=×2.3×(/ (85.5/3) ×)× =1.1(取1)圖2-2三相RC過電壓抑制電路直流側(cè)RC過電壓保護的參數(shù)整定C26×Io%×S2/ (一般取Io%=6.5%)=6×6.5×(81.5/3×)/=88FR2=2.3×/ S2×(一般取=5%)

16、=2.3×(/(81.5/3×)× =0.9（取1）（2）過電流保護保護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。2.2.5晶閘管的觸發(fā)電路的選擇圖2-3給出了常見的三相橋式全控整流電路的晶閘

17、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，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)補脈沖形成及分配單元形成補脈沖并按順序輸出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，晶閘管必須嚴格按編號輪流導通，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，再由六個晶體管進行脈沖放大，就

18、可以構(gòu)成三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路如圖2-3。圖2-3三相橋式全控整流電路的集成觸發(fā)控制電路第3章 帶電流截止負反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路的設(shè)計3.1控制電路的結(jié)構(gòu)選擇圖3-1所示是一個帶電流截止負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)器一實現(xiàn)無靜差，采用電流截止負反饋來限制動態(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，達到限流的目的。改變即可調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。圖3-1無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)原理

19、圖如圖3-2所示，上述無靜差調(diào)速系統(tǒng)的理想靜特性如圖實線所示。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<時，系統(tǒng)無靜差，靜特性是不同轉(zhuǎn)速的一族水平線； 當時，電流截止負反饋起作用，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（<） 圖4-4無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（）3.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的參數(shù)計算與設(shè)計（1）額定負載時的穩(wěn)態(tài)速降應為:（2）求閉環(huán)系統(tǒng)應有的開環(huán)放大系數(shù)計算電動機的電動勢系數(shù)開環(huán)系統(tǒng)額定速降閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)（3）計算轉(zhuǎn)速負反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)和參數(shù)測速發(fā)電機的電動勢 轉(zhuǎn)速反饋電壓（=2Cetg 2取0.2）×1500

20、 =0.2 ×0.0579×1500=17.37V轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=0.2×0.0579V.min/r=0.01158V.min/r(4) 計算運算放大器的放大系數(shù)和參數(shù)運算放大器放大系數(shù)運算放大器型號取R0=40K，R1=R0 =18.47×40K=738.8 K3.3電流截止負反饋環(huán)節(jié)的參數(shù)計算與設(shè)計3.3.1 電流檢測與反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中的電流截止負反饋的電流檢測環(huán)節(jié)如圖4-5所示，電流反饋信號取自串入電動機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，當電流大于Idcr時，將電流負反饋信號加到放大器的輸入端；當電流小于I

21、dcr時，將電流反饋切斷。為了實現(xiàn)這一作用，須引入比較電壓，圖4-5a中用獨立的直流電源作為比較電壓，其大小可用電位器調(diào)節(jié)，相當于調(diào)節(jié)截止電流。在IdRs與Ucom之間串聯(lián)一個二極管VD，當IdRs>Ucom時，二極管導通，電流負反饋信號Ui即可加到放大器上去；當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電流截止負反饋的電流檢測環(huán)節(jié) 所以選擇利用獨立電源作比較電壓環(huán)節(jié) ，見圖4-5a。

22、3.3.2電流檢測環(huán)節(jié)的參數(shù)計算最大堵轉(zhuǎn)電流 應小于電機允許的最大電流，一般為Idbl =（1.52.0）IN，故取Idbl =1.5 IN=1.5×116=174A（已知IN =116A）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，截止電流應大于電機的額定電流，一般取Idcr （1.11.2）IN ；故取Idcr=1.2 IN=1.2×116=139A（已知IN =116A）由式和式可求出Rs=0.29，=40V3.4 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)應滿足穩(wěn)定條件，即因為K=49.6895.5，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