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 備成本低等的優(yōu)點。本次設計是基于對組成調(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)器的設計的分析、參數(shù)計算和設計，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

2、系統(tǒng)總體設計方案的確定 51.1 普通閉環(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 主電路結構選擇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)控制電路的設計 123.1 控制電路的結構選擇123.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的參數(shù)計算與設計133.3 電流截止負

3、反饋環(huán)節(jié)的參數(shù)計算與設計143.3.1 電流檢測與反饋143.3.2 電流檢測環(huán)節(jié)的參數(shù)計算153.4 系統(tǒng)的動態(tài)分析與設計163.5 調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算與設計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 課程設計小結 1919參考文獻課程設計任務書一題目：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、

4、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)的設計： 快速熔斷器計算選擇、 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) Ucom 、Rs的計算。2、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中 C1、 R1 的計算。（輸入電阻均為 40K。）3、動態(tài)性能指標 Ts、 Tl 、Tm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

5、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)在理論和實踐上都比較成熟， 是研究其它調(diào)速系 統(tǒng)的基礎。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

6、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

7、，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

8、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。5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)

9、）。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， 利用電力電子開關器件斬波或進行脈寬調(diào)制， 產(chǎn)生可變的 平均電壓G-M 系統(tǒng)所需要的設備多，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

10、， 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。由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕?它不允許電流反向， 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

11、的散熱條件， 而且在選擇元件時還應 有足夠的余量。61.5 設計參數(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 GD 2 10N m2。（2）測速發(fā)電機永磁式，額定數(shù)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)主電路的設計2.1 變壓器的參數(shù)

12、計算及選型變壓器副邊電壓采用如下公式進行計算：U2U dmax nU TA cos min CU sh II 2N已知Ud max 220V,取UT 1V n 2 A 2.34 0.9 min 10Ush 0.05 因此變壓器的變比近似為： K U1 380 3.45 U 2 110I2NC 0.5則U2220 2 12.34 0.9(0.9848 0.5 0.05 1)110V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&

13、#215;75=85.5kVAS2=m2U2I2=3×110×247=81.5kVAS=0.5 ×(S1+S2)=0.5 ×(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)結方式為： /Y2.2 主電路元器件的參數(shù)計算與選型2.2.1 主電路結構選擇 本設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晶閘管的

14、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2U 2 ；帶反電動勢負載時，晶閘管兩端承受的最大正反向峰值為 6U2 ；晶閘管的通態(tài)平均電流IVT= 1 Id。 3則據(jù)UN= 6 UN (23)/ 2 UN (23),I2=23 Id ,IVT= 1 3IIVT（AV） = IVT/

15、1.57（1.52） 在本設計中，晶閘管的額定電流 IVT（AV） =167 334A 晶閘管的額定電壓 UN=539 1617V2.2.3 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， 須采用抑制電流脈動的措施， 在本設計 中采用設置平波電抗器的方法。Ud=2.34U2cosUd=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=Ud2. 34 cos 094.0171V2.34L=0.693U2dmin0.693 94.01710.1

16、17.537.23mH2.2.4 整流裝置的保護 與其他類型的電氣設相比， 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 C13×6×Io%×S1/ U 12 （一般取 Io%=6.5%） =3×6×6.5 ×(85.5/3)

17、10×3 /2202 ) =69FR1= 1 ×2.3 ×U12/ S1×I % (一般取 UdL %=5%)= 1 ×2.3 ×( 2202 / (85.5/3) 103×) × 5=1.1(取 1)C1TedC cd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×o%I×S2/ U 22 (一般取 Io%=6.5%)=6×6.5 ×(81.5/3 1×03 )/1102=88F般取 U dL % =5%)=2.3 ×(

18、1102 /(81.5/3 10×3 ) ×56.5=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 I N.FE=(1.5-2)I1.NF (式中， I1.NF 為變壓器的額定一次電流為 熔體額定電流為 IN.FE=(1.5-2) 7×5A= (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)10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。晶閘管的觸發(fā)電路的選擇圖 2-3

19、 給出了常見的三相橋式全控整流電路的晶閘管的觸發(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： VT1VT2 VT3VT4VT5 VT6，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

20、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， 就可以構成三相 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11第 3 章 帶電流截止負反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路的設計3.1 控制電路的結構選擇圖 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

21、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+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nmaxn1n2OIdcr圖 3-2 帶電流截止的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性12當Id<Idcr 時，系統(tǒng)無靜差，靜特性是不同轉(zhuǎn)速的一族水平線；當Id I dcr時，電流截止負反饋起作用，靜特性急劇下垂，基本上是一條垂直圖3-3無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖(Id <Idcr )圖 4-4 無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖 ( I d I dcr )3.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的參數(shù)計算與設計(1)額定負載時的穩(wěn)態(tài)速降應為nclnN sD(1 s)1500

22、 0.0510 (1 0.05)r /min 7.89r /min2)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)Ce1500UN INRa 220 116 0.5V min/ r 0.0947V min/rnN開環(huán)系統(tǒng)額定速降13I N R 116 0.32nopN r /min 391.97r / minop Ce0.0947 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)Knop 1 391.97 1 49.68ncl7.893)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Cetg 0.0579V min/ r etg 1900r/min轉(zhuǎn)速反饋電壓（ =2Cetg 2取 0.2）U n2Cetg

23、 ×1500 r/min =0.2 ×0.0579 ×1500=17.37V 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)2Cetg =0.2 ×(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)KpKK S Ce49.680.01158 22 / 0.0947. 18.47運算放大器型號取 R0=40K，R1= K p R0 =18.47 4×0K=738.8 K3.3 電流截止負反饋環(huán)節(jié)的參數(shù)計算與設計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 I

24、dcr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 Idcr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14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 I dcr=U com/ 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

25、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。電流檢測環(huán)節(jié)的參數(shù)計算UU最大堵轉(zhuǎn)電流 I dbl U n U comdblRsI dbl 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

26、.2×116=139A（已知 IN =116A）由式和式可求出15Rs=0.29， U com =40V3.4 系統(tǒng)的動態(tài)分析與設計圖 4-3 為反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖， 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)結構框圖其開環(huán)傳遞函數(shù)為W(s)K(Tss 1)(TmTls2 Tms 1)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2Tm (Tl Ts) Ts2KTlTs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 Tl L 0.03723H 0.074sl R 0.5機電時間常數(shù)為 TmGD R 10 0.5 s 0.156sm 375CeCm 375 0.0947 0.0947 30/對于三相橋式整流電路，晶閘管裝置的滯后時間常數(shù)為 Ts 0.00167 s 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Tm(Tl Ts) Ts2 0.156 (0.074 0.00167) 0.0016720.00167 0.074TlTsK 95.516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：W(s)49.68(0.00167s 1)(0.0115s2 0.156s 1)3.5 調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算與設計作為調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)校正裝置