直流調速系統設計實訓報告

1、實訓報告課程名稱:專業(yè)實訓自動化班 級： 103031學 號:10303104姓名：徐紅穎指導教師:王艷秋成績:完成日期：2014年1月9日任務書題目：直流調速系統的設計設計內容及要求：單閉環(huán)直流調速系統和雙閉環(huán)直流調速系統的設計（一）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（二）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)調速系統電氣原理圖（四）撰寫設計說明書（報告）設計環(huán)境：主要由主電路和控制電路組成，主電路由開關，交流接觸器，晶閘管整流裝 置，保

2、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。實現目標：1、使學生進一步熟悉和掌握閉環(huán)直流調速系統工作原理，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)直流調速系統對于單閉環(huán)直流調速系統來說， 轉速是輸出量， 一般我們引入的是轉速負反 饋構成閉環(huán)調速系統。轉速負反饋系統是在電動機上安裝一臺測速電機TG,引出和輸出量轉速成正比的負反饋電壓 Un,和轉速給定電壓U

3、a*進行比較，得到 偏差電壓 Ua經過放大器A,產生驅動或觸發(fā)裝置的控制電壓 Uct,與控制電動 機的轉速， 組成了反饋控制的閉環(huán)調速系統。 在單閉環(huán)系統中， 轉速單閉環(huán)使用 較多。而一般采用的比例調節(jié)器的調速系統還是有靜差， 為了消除靜差， 可用積 分調節(jié)器替代比例調節(jié)器。反饋控制系統的規(guī)律是如果要想維持系統中的某個物理量基本不變， 就要引 用該量的負反饋信號去與恒量給定相比較， 組成一個閉環(huán)系統。 對于調速系統來 說，如果想提高靜態(tài)指標， 就得提高靜特性硬度， 也就是希望轉速在負載電流變 化時或受到擾動時基本不變。 要想維持轉速這一物理量不變化， 最有效和最直接 的方法就是采用轉速負反饋構

4、成轉速閉環(huán)調節(jié)系統。1.1 主電路設計直流調速系統電路的組成主要由主電路和控制電路兩大部分組成， 知道了電 路組成的兩大部分后， 就應該確定主電路的接線方式和系統的控制方案。 整流變 壓器由變壓部分和整流部分組成， 其變壓部分將電網電壓降壓并變成穩(wěn)定的交流 電，整流部分將變壓后的交流電整流為恒定 40V 的直流電壓供給直流電動機的 勵磁回路，整流變壓器變壓后的交流電兩端另接一個單相橋式全控整流電路， 輸 出的可調直流電加在直流電動機的電樞回路。 保護環(huán)節(jié)采用的是過電壓保護的一 種- 阻容吸收，將其并聯在整流變壓器二次側起到保護電路的作用。主電路的設計需要準備的資料：1 單相整流模塊： MZKD

5、-ZL-50 了解其功能，技術參數，電路內部結構，外部接法，控制線管腳接法，安裝說明2電機參數：直流電機，額定電壓 24V，額定電流6A，勵磁電壓24V，最 大允許電流50A，了解電機不同的接線形式，重點掌握電機他激（并激）方式的 接線方法。3 電機轉速測量的檢測器：光電編碼器（ E6B2-C）了解輸出方式，接線方式主電路的參數計算包括：整流變壓器額定參數的計算，晶閘管整流元件參數 計算機器件選擇，保護環(huán)節(jié)的設計與計算。I. 1.1整流變壓器額定參數的計算第一，在進行變壓器的參數計算之前，應要先確定負載電氣的直流電壓和電 流，確定交流設備的主電路接線形式和電網電壓。再計算次級電壓U2，U2數值

6、的選擇不可用過高也不可過小。第二，在進行整流變壓器的參數計算時，首先根據整流電路的型式和負載所 需要的整流電壓Ud和整流電流Id，計算二次電壓U2,二次電流12和一次電流II, 接著計算其一次，二次容量 S1和S2及平均計算容量S。1二次側相電壓U2：變壓器二次側相電壓 U2的計算公式為：U2(1.21.5)Udmax/A其中，Udmax為最大整流輸出電壓(V)，R為整流變壓器內阻和電抗器之 和 ( Q)，A為a =0時Ud與U2的比，見表1.1。表1.1幾種整流線路變壓器計算系統電路型式AC電路型式AC單相全波0.90.707三相半波1.170.866單相橋式0.90.707三相橋式2.34

7、0.52二次側相電流I2和一次側相電流I1對于不通型式的整流線路，變壓器二次，一次電流的有效值12、I1和負載電流Id的關系見表1.2。n為變壓器匝數比。二次側相電流I2 :I d / I 21 '|d |2 8A一次側相電流11 :U1 /U2 n I2/I1I1 I2/n 8 53.3/2201.94A3變壓器容量計算變壓器二次容量，一次容量，平均計算容量的公式為：S2mi? U 2123 m1U1I11S (S S2)24我組單閉環(huán)調速系統設計參數：直流電機，額定電壓20V,額定電流7A,勵 磁電壓20V，最大許電流40A。帶入計算公式得：ld /|21，|dI28A，u1/u2

8、 nl2/11丨1l2/n 853.3/2201.94AS1miU1l1220 1.94426.8WS2m?U 21253.38426.4WS （S1S2）/2426.6W1.1.2晶閘管整流元件參數計算機器件選擇晶閘管整流元件計算公式：Itn (1.52)KJd(ld最大負載電流)Utn (23)UtmRn u tn 1 tnUtn和Kfb的值，見表1.1.2。表1.2幾種晶閘管整流元件計算系統A/ u TM0.9/ .2U 2單相Kfb :0.45A/ U TM2.34/ “6U2三相Kfb :0.368Utn （23） Utm 2、2 53.3 150.73VItn （1.5 2）Kfb

9、 l dmax 2 0.4 6048APtn Utn Itn 150.73 487235.04W1.1.3保護環(huán)節(jié)的設計與計算1阻容保護電路為了防止系統內部瞬間過電壓沖擊(主要為斷路器、接觸器開斷產生的操作過電壓），過流，浪涌等對重要電氣設備的損傷，就要增加保護電路的設計，通 常的電路保護的方法有過壓保護和過流保護。 阻容保護是屬于過壓保護的常見一 個方法，它是將合適的電阻和電容串聯之后并聯在電路中以達到保護電路的作 用，可將阻容保護置裝放在變壓器的二次側或直流側，也可以并聯在整流元件兩端。此外，壓敏電阻也是一種常見的過壓保護， 并聯在保護器件兩端起到保護的 作用。在三相整流電路交流側有星型連

10、接和角型連接。熔斷器屬于過電流保護， 串聯在電路中使用。阻容吸收電路的參數計算根據變壓器鐵芯磁場釋放出來的能量轉化為電容 器電場的能量為依據。由于電容兩端的電壓不能突變，所以可以有效的抑制尖峰 過電壓。串連電阻的目的是為了在能量轉化過程中能消耗一部分能量，并且抑制LC回路的振蕩。凡是超過晶閘管正常工作的電壓即承受的最大峰值電壓的都算過電壓。產生過壓的原因是電路中電感元件聚集的能量驟然釋放或是外界侵入電路的大量電 荷累積。按過壓保護的部位來分，有交流側保護，直流側保護和元件保護。元件 保護主要是通過阻容吸收電路。阻容吸收電路的參數計算式根據變壓器鐵芯磁場 釋放出來的能量轉化為電容器電場的能量存儲

11、起來為依據的。由于電容兩端的電壓不能突變，所以可以有效的抑制尖峰過電壓。串阻的目的是為了在能量轉化過 程中能消耗一部分能量，并且抑制 LC回路的振蕩。以過電壓保護的部位來分， 有交流側過壓保護、直流側過電壓保護和器件兩端的過電壓保護三種。圖1.1交流側過壓保護iC2VT1sjTR：2圖1.3晶閘管兩端的電壓保護交流側過電壓保護的計算阻容保護if% 104uk%5102C 6if%S/U26 5 426.6 53.3 53.3 4.5 FR (2.3U22/S). Uk%/if%2.3 53.32 /426.615.32Ic 2 fcUc 10 66 2Ic 250 4.5 60 108.478

12、 10 ApR (34) IC2R 4 0.084782 15.320.44W2過流保護過電流保護：過電流保護就是當電流超過預定最大值時， 使保護裝置動作的 一種保護方式。當流過被保護原件中的電流超過預先整定的某個數值時， 保護裝 置啟動，并用時限保證動作的選擇性，使斷路器跳閘或給出報警信號。采用快速 熔斷器是電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種過流保護措施。3器件保護由于晶閘管的熱容量很小，一旦發(fā)生過電流時，溫度就會急劇上升可能燒壞 PN結，造成元件內部短路或開路。晶閘管發(fā)生過電流的原因主要有：負載端過 載或短路；某個晶閘管被擊穿短路，造成其他元件的過電流；觸發(fā)電路工作不正 ?；蚴芨蓴_，使晶

13、閘管誤觸發(fā)，引起過電流。晶閘管允許在短時間內承受一定的 過電流，所以過電流保護作用就在于當過電流發(fā)生時， 在允許的時間內將過電流 切斷，以防止元件損壞。晶閘管過電流的保護措施有下列幾種： 快速熔斷器：普通熔斷絲由于熔斷時間長，用來保護晶閘管很可能在晶閘管燒壞 之后熔斷器還沒有熔斷，這樣就起不了保護作用，因此必須采用專用于保護晶閘 管的快速熔斷器?？焖偃蹟嗥饔玫氖倾y質熔絲，在同樣的過電流倍數下，它可以 在晶閘管損壞之前熔斷，這是晶閘管過電流保護的主要措施。1.2控制電路設計1.2.1 LM331芯片工作原理LM331是美國NS公司生產的性能價格比較高的集成芯片,可用作精密頻率 電壓轉換器、A/D

14、轉換器、線性頻率調制解調、長時間積分器及其他相關器件。 LM331采用了新的溫度補償能隙基準電路，在整個工作溫度范圍內低到4.0V電源 電壓下都有極高的精度。LM331的動態(tài)范圍寬，可達100dB，線性度好，最大非線 性失真小于0.01%，工作頻率低到0.1Hz時尚有較好的線性；變換精度高，數字分辨 率可達12位;外接電路簡單，只需接入幾個外部元件就可方便構成V/F或F/V等變換電路，并且容易保證轉換精度。LM331器件管腳圖及管腳功能CURRENT 1OUTPUT 1FWE肛丈E匕LI3刃IWPTTFRBOnHfcT 3OUTPUT-THRESHOLCD"C圖1.5 LM331器件

15、管腳圖引腳1 CO電流輸出端使用中，通過一個電阻與電容的并聯網絡接地或用作V/f變換時與引腳6相連，接一個電阻與電容的并聯網絡到給定電壓設定端。引腳2 IREF參考電流輸入端通過一個可調電阻接地，該可調電阻設定內部 的工作電流，所以電阻要采用穩(wěn)定的無感電阻，其溫漂更小。引腳3 fO頻率輸出端用作V/f變換器時該端接地，用作V/f變換器時，該端 通過一個電阻接VS或單獨的輸出電源后作為頻率輸出端。引腳4 GND地端作為整個系統工作地端，使用中與 VCC地相連。引腳5 R/C定時比較器時間設置端分別通過一個電阻和電容接VS地端。引腳6 THS輸入比較器門坎設置端用法參見引腳 1是說明。引腳7 CI

16、同相輸入比較器的輸入端使用中，用作V/f變換器時，通過一個電 容接地，同時通過一個電阻接輸入電壓；用作f / V變換時，通過一個電阻接VCC 的同時，通過一個電容接輸入頻率fl。引腳8VS工作電源端接用戶提供的正工作電源，為抗干擾，應通過一個去 耦網絡到地。1.2.2 運算放大器LM324運算放大器工作原理：是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，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，除電源共同外， 四組運放相互獨立。它有5個引出腳，其中“ +”“兩個信號輸入端，“V+”“ V-”為正、負電源端，“V為輸出端中，Vi()為反相輸入端，表示運算放出端 Vo的型號與該輸出

17、端的相位相反；Vi+ (+)為同相輸入端，表示運放輸出端 V 偶的信號也該輸入端的相位相同。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?？晒ぷ髟趩坞娫聪拢妷悍秶?3.0V-32V或+16V。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100 nA (LM324A )； 5每封裝含四個運算放大器；6.具有內部補償的功能； 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。1.2.3光電編碼器光電編碼器E6B2_C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 脈沖或數字量的

18、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，經發(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90º的兩路脈沖信號。接線如圖1.7以下E6B2 主回路產弐橙松出信葺牒A軌自：編樹晞NPN 晶體管35mA 以下 DC30V DC5-5-24V+1540VGND圖1.7光電編碼器接線圖1.2.4無靜差調速要實現無靜差調速

19、直流調速系統應該是比例積分（PI）調節(jié)器。采用積分調節(jié)器，則控制電壓是轉速偏差電壓的積分，。當是階躍函數時， 按線性規(guī)律增長，每一時刻的大小和與橫軸所包圍的面積成正比。 對于閉環(huán)系統 中的積分調節(jié)器，不是階躍函數，而是隨轉速不斷變化的。當電動機起動后，隨 著轉速的升高，不斷減小，但積分作用使仍繼續(xù)增長，只不過的增長不再是線性 的了，每一時刻的大小仍和與橫軸所包圍的面積成正比。在動態(tài)過程中，當變化時，只要其極性不變，即只要仍是，積分調節(jié)器的輸出便一直增長；只有達到， =0，才停止上升，而達到其終值。在這里，值得特別強調的是，當=0時，并不是零，而是一個終值，如果不 再變化，這個終值便保持恒定而不

20、再變化，這是積分控制不同于比例控制的特點。 正因為如此，積分控制可以使系統在無靜差的情況下保持恒速運行，實現無靜差調速。上邊從無靜差的角度突出表明了積分控制優(yōu)于比例控制的地方，但是從另一方面看，在控制的快速性上，積分控制卻又不如比例控制。同樣在階躍輸入作用 之下，比例調節(jié)器的輸出可以立即響應，而積分調節(jié)器的輸出卻只能逐漸的變化， 如果既要穩(wěn)態(tài)精度高，又要動態(tài)響應快，該怎么辦呢？只要把比例和積分兩種控 制結合起來就行了，這便是比例積分（PI）控制。125控制電路原理圖SSIC34 總 s hT31Tlo一呂E5一昌siuIs一貝一呂,uR9-(弟 疋14弐S=?F圖1.8控制電路原理圖2雙閉環(huán)直

21、流調速系統轉速、電流雙閉環(huán)控制直流調速系統是性能好，應用最廣的直流調速系統。 該系統是在單閉環(huán)系統的基礎上加以改進后完成的。雙閉環(huán)直流調速系統采用轉 速負反饋和PI調節(jié)器，可以保證系統穩(wěn)定下實現轉速的無靜差。雙閉環(huán)直流繼 承了單閉環(huán)調速系統的優(yōu)點。2.1主電路設計 2.1.1整流變壓器額定參數的計算U,220VU2(1.2 1.5)Udmax/A 1.5 220/2.34141.03VK U 2/U1141.03/2200.64I2Id /1.22 733/1.22 600.81AI1KI 2 0.64 600.81 384.51AS1 m1U1I13 220 384.51253776.6S2

22、 m2U2I23 141.03 600.81 254196.70S (S1 S2)/2(253776.6254196.70)/2253986.652.1.2晶閘管整流元件參數計算機器件選擇晶閘管參數計算：額定電壓：Utn(2 3)Utm 2 .6 141.03 690.90V額定電流：ldmax IN 1.2 733879.6(為過載系數)ITN (1.5 2)KftJdmax 1.5 0.368 879.6 485.53A額定功率：FTn Utn Itn 690.90 485.53335459.03W2.1.3 保護環(huán)節(jié)的設計與計算if %是變壓器勵磁電流百分數，取 410；UK %是變壓器

23、的短路比，取 510；S 是變壓器的平均容量。C 6i f %S/U 22 6 5 253986.65 /141.032 383.09 FR 2.3U22 /S 2.3 141.032 / 253986.65 0.18IC 2 fcUc 10 6IC 2 50 10.65 141.03 10 6 0.47A2PR (34)IC2RPR 4 0.472 0.093 821.7 10 4W2.1.4主電路圖<-R圖2.1主電路圖2.2 控制電路設計本組直流直流他勵電動機：功率 R=1.45KW，額定電壓Ue 220V，額定電 流Ic 6.5A，磁極對數 P=1, nc 1500r/min ,

24、勵磁電壓220V，電樞繞組電阻 艮 3.7 ，主電路總電阻R=7.4 ，Ks 27 ,電磁時間常數Ti 0.033s，機電時 間常數Tm 0.26s，濾波時間常數To, 0.0031s，匚 0.01s，過載倍數 =1.5, 電流給定最大值U*m=8V，速度給定最大值U*n=10V，B =0.77V/A a =0.007V/min2.2.1 轉速、電流雙閉環(huán)設計原則在設計電流調節(jié)器時， 首先考慮應把電流環(huán)校正成哪一類典型系統。 從穩(wěn)態(tài) 要去上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉特性，采用 I 型系統就夠了。再 從動態(tài)要求上看， 實際系統不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調， 以 保證電流在

25、動態(tài)過程中部超過允許值， 而對電網電壓波動的及時抗擾作用只能是 次要的因素，為此，電流環(huán)應以跟隨性能為主，即選用典型 I 型系統。在設計轉速調節(jié)器時， 為了實現轉速無靜差， 在負載擾動作用點前必須有一 個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉速調節(jié)器 ASR 中，由于在擾動作用點后面已經有 了一個積分環(huán)節(jié)， 因此轉速開環(huán)傳遞函數贏共有兩個積分環(huán)節(jié)， 所以應該設計成 典型的 2 型系統，這要的系統同時也能滿足動態(tài)擾動性能好的要求。 至于其階躍 相應超調量較大的問題， 那是按照線性系統理論計算的數據， 實際系統中的轉速 調節(jié)器的飽和非線性性質會師超調量大大降低。 由此可見 ASR 也應該才用 PI 調 節(jié)器。2

26、.2.2 電流環(huán)設計在設計電流調節(jié)器，超調量 5%1 確定時間常數1）整流裝置滯后時間常數：Ts=0.0017s2）電流濾波時間常數：Toi 0.0026S3）電流環(huán)小時間常數之和：T i Ts Toi 0.0043s2 選擇電流調節(jié)器結構5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統設計電流調節(jié)器檢查對電源電壓的抗擾性能3電流調節(jié)器參數電流調節(jié)器超前時間常數:i Tl 0.023s電流環(huán)開環(huán)增益：要求5% KiT i 0.50.5T0.5 i0.00405 S1123 .5 s于是，ACR的比例系數:Ki (165.34 0.023 8 1.3 7.7)/(68.4 10)0.4454校驗近似條

27、件電流環(huán)截止頻率：1ci KI 165-34S1）校驗晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件1/3Ts 1/3 0.0017196.1165.34 Wci滿足近似條件2）校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件3 ,1/Tm tL 3、1/（0.126 0.023） 55.728 W,滿足條件3）校驗電流環(huán)小時間常數近似處理條件（1/3） J/tTt。：（1/3） .1/0.0017 0.0026 158.55 W滿足條件5計算調節(jié)器電阻和電容：R Ki Ro 0.445 40K17.8K 取 18KCi i /Ri 0.023/7.5 103 3.1 F取3 FCoi 4Toi/Ro 0.26

28、F取0.3 F2.2.3轉速換設計1確定時間常數：,12T i 0.0096sKii1)電流環(huán)等效時間常數：2Ti2 0.00430.0086s1/Ki2)轉速濾波時間常數：Ton0.0026s3)轉速環(huán)小時間常數：Tn 1/KiTon0.0086 0.0026 0.0112s2選擇轉速調節(jié)器結構按照設計要求，選用PI調節(jié)器3計算轉速調節(jié)器參數按跟隨和抗擾性能都較好的原則h=5n h Tn 5 0.01120.056s轉速環(huán)開環(huán)增益：Kn (h 1)/2h2T2 n 6/(2 52 0.01122) 956.63ASR的比例系數：Kn (h 1) CeTm/2h(5 1) 0.999 0.1338 0.1262/2 5 0.0067 2.5 0.011221.584校驗近似條件1) 電流環(huán)傳遞函數：(1/3) . K, /T-(1/3) .165.34/0.0043 65.36 WCn滿足簡化條件2) 轉速環(huán)小時間常數：(1/3), K, /Ton(1/3) 165.34/0.0026 84.06 WCn滿足近似條件5計算調節(jié)器電阻和電容：RnKn Ro 21.58 40K863.2K 取860KCn n/ Rn 0.056/8