VM雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計報告

1、VM雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計報告Newly compiled on November 23, 2020 課程名稱：專業(yè)實訓(xùn) 專業(yè)：班級： 學(xué)號：姓名： 指導(dǎo)教師:-成績： 完成日期:2015年1月15日任務(wù)書題目：直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計設(shè)計內(nèi)容及要求：單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計（-）主回路方案確定主要電氣設(shè)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(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計：快速熔斷器計算選擇、阻容保護(hù)計算選擇計 算.°（-）控制回路選擇反饋元件的選擇，調(diào)節(jié)器的設(shè)計（三）畫出閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖（四）撰寫設(shè)計說明書（報告）設(shè)計

2、環(huán)境:主要由主電路和控制電路組成，主電路由開關(guān)，變壓器，晶閘管整流裝置， 保護(hù)器件，直流電動機(jī)和測速裝置組成，控制電路主要由運(yùn)算放大器構(gòu)成的控制器 組成。實現(xiàn)目標(biāo)：1、使學(xué)生進(jìn)一步熟悉和掌握閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理，了解工程設(shè)計的基 本方法和步驟。2、熟練掌握主電路結(jié)構(gòu)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(hù)方式的配置及其計算。4、掌握電流、速度調(diào)節(jié)器的典型設(shè)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(xùn)報告的方法。1單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是指只有一個轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在電 動機(jī)軸上裝一臺測速發(fā)電機(jī)SF,引出與轉(zhuǎn)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(jī)的轉(zhuǎn)速，如圖所示。電壓放大器整流觸發(fā)裝置電動機(jī)負(fù)載速度檢測;直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖直流電機(jī)，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(fù)載能正常工作，當(dāng)主電路的接線形式和負(fù)載要求的額定電壓確 定之后，晶閘管交流側(cè)的電壓U2只能在一個較小的范圍內(nèi)變化，為此必須精確 計算整流變壓器次級電壓U?。(1) 二次側(cè)相電流和一次側(cè)相電流在精度要求不高的情況下，變壓器的二次側(cè)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(cè)相電壓為：t/2 =1.35x200.9 =30V變壓器的二次側(cè)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(fù)載電感性負(fù)載單相全控橋三相全控橋查表得，A = 1 o變壓器的二次側(cè)電流：yTA變壓器的一次側(cè)電流i!的計算公式：一次側(cè)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(yán)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(hù)電路的參數(shù)計算及選擇單相變壓器交流側(cè)過壓過流保護(hù)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(hù)電路如圖所示。圖單相RC保護(hù)電路幾種常見三相晶閘管阻容保護(hù)電路如圖，圖所示。圖三相RC角型保護(hù)電路圖三相壓敏電阻保護(hù)電路控制電路設(shè)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(nèi)部電路及使用和安裝：(1)

7、單相整流模塊內(nèi)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(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，選取的模塊電流應(yīng)為負(fù)載電流 的3倍，整個運(yùn)行過程，負(fù)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(yīng)干燥、通風(fēng)、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(fēng)機(jī)按通風(fēng)要求安裝好，散熱器表面必須平整、光潔。在模 塊導(dǎo)熱底板與散熱器表面均勻涂覆一層導(dǎo)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(jìn)行連接(禁用鋁 線).導(dǎo)線截面積按電流密度4A/mm2選取。嚴(yán)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(fēng)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(yīng)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(jìn)行V/F轉(zhuǎn)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(jī)的計數(shù)/定時端口，計算機(jī)對頻率信號進(jìn)行采集、處理、存儲。從而實現(xiàn)模 擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。由于LM331的轉(zhuǎn)換線性度直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確 性，而通常引起V/F轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換精度，為克服此缺點，高精度 V/F轉(zhuǎn)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(yùn)放LF356 和積分電容C4構(gòu)成的反積分器。LM331外部擴(kuò)展電路如圖所示。圖LM331外部擴(kuò)展電路運(yùn)算放大LM324芯片簡介及工作原

10、理LM324系列運(yùn)算放大器是價格便宜的帶差動輸入功能的四運(yùn)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(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用 外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)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(fù)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(yùn)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(yùn)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(yùn)算放大器圖lm3

11、24功能引腳圖LM324的特點：(1) 短跑保護(hù)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(yùn)算放大器；(6) 具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ埽?7) 共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源；(8) 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列；(9) 輸入端具有靜電保護(hù)功能。光電編碼器光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈 沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)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(jī)同軸，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機(jī)同速旋 轉(zhuǎn).

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(dāng)前電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為 判斷旋轉(zhuǎn)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(diào)速采用PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖所示。圖單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器控制結(jié)構(gòu)圖單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)控制電路如圖所示。圖單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)控制電路圖單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主電路如圖所示。圖單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主電路2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計雙閉環(huán)直流調(diào)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(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ASRO電流調(diào)節(jié)器ACR 和電流檢測反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速檢測反饋回路構(gòu)成 轉(zhuǎn)速環(huán)，稱為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。因轉(zhuǎn)速換包圍電流環(huán)，故稱電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn) 速環(huán)為外環(huán)。在電路中，ASR和ACR串聯(lián)，即把ASR的輸出當(dāng)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(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用具有輸入輸出限幅功能的PI調(diào)節(jié)器， 且轉(zhuǎn)速和電流都采用負(fù)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(jī) 卅 負(fù)載 T速度檢測圖雙閉

14、環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖主電路設(shè)計本組雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)如下：直流他勵電動機(jī)：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(jī)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(cè)相電流和二次側(cè)電流在精度要求不高的情況下，變壓器的二次側(cè)相電壓U?的計算公式：查表得，A = 2.34。所以變壓器二次側(cè)相電壓為：U2 =1.3x 22

15、0-2.34 = 122.22V變壓器的二次側(cè)電流12的計算公式：查表得，A = 1.22。變壓器的二次側(cè)電流：I2 = Id =6.5-1.225.33/1變壓器的一次側(cè)電流li的計算公式：一次側(cè)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(hù)電路的參數(shù)計算及選擇(1) 單相變壓器交流側(cè)過壓過流保護(hù)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(hù)電容的耐壓值計算雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路如圖所示。圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路雙閉環(huán)直流

17、調(diào)速系統(tǒng)控制電路的設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)設(shè)計原則雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)設(shè)計原則：先內(nèi)環(huán)后外 環(huán)。ACR電流環(huán)的設(shè)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(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求而且互=衛(wèi)空 =0.6875v 10Tg 0.0048典型I型系統(tǒng)設(shè)計。電流調(diào)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(diào)節(jié)器參數(shù)ACR超前時間常數(shù)：r, =Tt = O.O33s。 機(jī)電時間常數(shù)：Tm=o電流環(huán)開環(huán)增益：要

18、求<7,. <5%時，應(yīng)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(hù)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(diào)節(jié)器電阻和電容電流調(diào)節(jié)器原理圖，按所用運(yùn)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(dá)到的動態(tài)指標(biāo)為：丁 = 43%<5%,滿足 設(shè)計要求。其結(jié)構(gòu)圖如圖所示:圖ACR電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖ASR轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(1)確定時間常數(shù)1) 電動機(jī)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(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)7；”根據(jù)所用測速發(fā)電機(jī)紋波情況，取7；, =0.01s4) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)抵按小時間常數(shù)近似處理，取兀“ =2兀+7；” =0.0096 + 0.01 = 0.01965(2

20、) 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由于設(shè)計要求無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；乂根據(jù)動態(tài)要求，應(yīng)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。故ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：(3) 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)器電阻和電容按照轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理，取&)=400,則(6) 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量退出飽和超調(diào)量的計算公式：5” =(蘭嚴(yán))2(兄-2)巴叫殳Cbn Tg當(dāng)力=5時，蘭込= 81.2%, An =