PWM控制的直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)(課程設(shè)計(jì))

1、PWM控制的直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)(課程設(shè)計(jì)) 目 錄第一章 緒論 2第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 321設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求 322 現(xiàn)行方案的討論與比較 323 選擇PWM控制調(diào)速系統(tǒng)的理由 424 采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的理由4第三章 PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì) 531 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5com PWM變換器介紹 5com 泵升電路 1032 參數(shù)設(shè)計(jì)11com IGBT管的參數(shù)11com 緩沖電路參數(shù) 11com 泵升電路參數(shù) 12第四章 PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì) 1241 檢測(cè)環(huán)節(jié) 12com測(cè)環(huán)節(jié) 12com 電壓檢測(cè)環(huán)節(jié) 1642 調(diào)節(jié)器的選擇與調(diào)整 17com限幅

2、17com 調(diào)節(jié)器鎖零 1743 系統(tǒng)的給定電源給定積分器 17com 給定電源GS17com 給定積分器 1844 觸發(fā)電路的確定 18com 選用觸發(fā)電路時(shí)須考慮的因素18com 觸發(fā)電路同步電壓的選取19第五章 課程設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)21第六章 參數(shù)計(jì)算 2161 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2162 速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 22課程設(shè)計(jì)總結(jié)參考文獻(xiàn)第一章 緒論在電氣時(shí)代的今天電動(dòng)機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔弥绷麟姍C(jī)是最常見的一種電機(jī)在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用研究直流電機(jī)的控制和測(cè)量方法對(duì)提高控制精度和響應(yīng)速度節(jié)約能源等都具有重要意義電機(jī)調(diào)速問題一直是自動(dòng)化領(lǐng)域比較重要的問題之一不同領(lǐng)域?qū)τ陔姍C(jī)的調(diào)

3、速性能有著不同的要求因此不同的調(diào)速方法有著不同的應(yīng)用場(chǎng)合本文基于PWM的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究并設(shè)計(jì)出應(yīng)用于直流電動(dòng)機(jī)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)首先描述了變頻器的發(fā)展歷程提出了PWM調(diào)速方法的優(yōu)勢(shì)指出了未來(lái)PWM調(diào)速方法的發(fā)展前景點(diǎn)出了研究PWM調(diào)速方法的意義應(yīng)用于直流電機(jī)的調(diào)速方式很多其中以PWM變頻調(diào)速方式應(yīng)用最為廣泛而PWM變頻器中H型PWM變頻器性能尤為突出作為本次設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論本文將對(duì)PWM的理論進(jìn)行詳細(xì)論述在此基礎(chǔ)上本文將做出SG3525單片機(jī)控制的H型PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)然后對(duì)各個(gè)部分分別進(jìn)行論證力圖在每個(gè)組成單元上都達(dá)到最好的系統(tǒng)性能直流調(diào)速PWM SG3525 直流電

4、機(jī)電流超調(diào)量轉(zhuǎn)速超調(diào)量 22 現(xiàn)行方案的討論與比較直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種1調(diào)節(jié)電樞供電電壓U改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)這種方法最好變化遇到的時(shí)間常數(shù)較小能快速響應(yīng)但是需要大容量可調(diào)直流電源2改變電動(dòng)機(jī)主磁通改變磁通可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速但只能減弱磁通進(jìn)行調(diào)速簡(jiǎn)稱弱磁調(diào)速?gòu)碾姍C(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速屬恒功率調(diào)速方法變化時(shí)間遇到的時(shí)間常數(shù)同變化遇到的相比要大得多響應(yīng)速度較慢但所需電源容量小3改變電樞回路電阻R在電動(dòng)機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法設(shè)備簡(jiǎn)單操作方便但是只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速調(diào)速平滑性差機(jī)械特性較

5、軟空載時(shí)幾乎沒什么調(diào)速作用還會(huì)在調(diào)速電阻上消耗大量電能改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多目前很少采用僅在有些起重機(jī)卷?yè)P(yáng)機(jī)及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長(zhǎng)的傳動(dòng)系統(tǒng)中采用弱磁調(diào)速范圍不大往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速因此自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主改變電樞電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要方法調(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以下三種1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組以獲得可調(diào)的直流電壓2靜止可控整流器用靜止的可控整流器如汞弧整流器和晶閘管整流裝置產(chǎn)生可調(diào)的直流電壓3直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器用恒定直流電源或不可控整流電源供電利用

6、直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓PWM控制系統(tǒng)的理由脈寬調(diào)制器UPW采用美國(guó)硅通用公司Silicon General的第二代產(chǎn)品SG3525這是一種性能優(yōu)良功能全通用性強(qiáng)的單片集成PWM控制器由于它簡(jiǎn)單可靠及使用方便靈活大大簡(jiǎn)化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計(jì)及調(diào)試故獲得廣泛使用PWM系統(tǒng)在很多方面具有較大的優(yōu)越性1PWM調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡(jiǎn)單需用的功率器件少2開關(guān)頻率高電流容易連續(xù)諧波少電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小3低速性能好穩(wěn)速精度高調(diào)速范圍廣可達(dá)到110000左右4如果可以與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合則系統(tǒng)頻帶寬動(dòng)態(tài)響應(yīng)快動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)5功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)導(dǎo)通損耗小當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)開關(guān)損耗也不

7、大因而裝置效率較高6直流電源采用不可控整流時(shí)電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高 變頻調(diào)速很快為廣大電動(dòng)機(jī)用戶所接受成為了一種最受歡迎的調(diào)速方法在一些中小容量的動(dòng)態(tài)高性能系統(tǒng)中更是已經(jīng)完全取代了其他調(diào)速方式由此可見變頻調(diào)速是非常值得自動(dòng)化工作者去研究的在變頻調(diào)速方式中PWM調(diào)速方式尤為大家所重視這是我們選取它作為研究對(duì)象的重要原因同開環(huán)控制系統(tǒng)相比閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點(diǎn)在反饋控制系統(tǒng)中不管出于什么原因外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部變化只要被控制量偏離規(guī)定值就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差因此它具有抑制干擾的能力對(duì)元件特性變化不敏感并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性PI控制器時(shí)可以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度誤差為零但是如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能

8、要求較高如果要求快速起制動(dòng)突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照要求來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉(zhuǎn)矩另外單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗干擾性較差當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)必須待轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后調(diào)節(jié)作用才能產(chǎn)生因此動(dòng)態(tài)誤差較大在要求較高的調(diào)速系統(tǒng)中一般有兩個(gè)基本要求一是能夠快速啟動(dòng)制動(dòng)二是能夠快速克服負(fù)載電網(wǎng)等干擾通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)如果要求快速起動(dòng)必須使直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中輸出最大的恒定允許電磁轉(zhuǎn)矩即最大的恒定允許電樞電流當(dāng)電樞電流保持最大允許值時(shí)電動(dòng)機(jī)以恒加速度升速至給定轉(zhuǎn)速然后電樞電流立即降至負(fù)載電流值如果要求快速克服電網(wǎng)的干擾必須對(duì)電樞電流進(jìn)行調(diào)節(jié)以上兩點(diǎn)都涉及電樞電流的控制

9、所以自然考慮到將電樞電流也作為被控量組成轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)第三章 PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)31 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)com PWM變換器介紹脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要電路采用脈寬調(diào)制式變換器簡(jiǎn)稱PWM變換器PWM變換器有不可逆和可逆兩類可逆變換器又有雙極式單極式和受限單極式等多種電路PWM變換器不可逆PWM變換器分為無(wú)制動(dòng)作用和有制動(dòng)作用兩種圖a所示為無(wú)制動(dòng)作用的簡(jiǎn)單不可逆PWM變換器主電路原理圖其開關(guān)器件采用全控型的電力電子器件電源電壓一般由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控整流電路提供電容C的作用是濾波二極管VD在電力晶體管VT關(guān)斷時(shí)為電動(dòng)機(jī)電樞回路提供釋放電儲(chǔ)能的續(xù)流回路圖2-1 簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器電

10、路a原理圖 b電壓和電流波型電力晶體管VT的基極由頻率為其脈沖寬度可調(diào)的脈沖電壓驅(qū)動(dòng)在一個(gè)開關(guān)周期T內(nèi)當(dāng)時(shí)為正VT飽和導(dǎo)通電源電壓通過(guò)VT加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端當(dāng)時(shí)為負(fù)VT截止電樞失去電源經(jīng)二極管VD續(xù)流電動(dòng)機(jī)電樞兩端的平均電壓為 式中PWM電壓的占空比又稱負(fù)載電壓系數(shù)的變化范圍在01之間改變即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)圖b繪出了穩(wěn)態(tài)時(shí)電動(dòng)機(jī)電樞的脈沖端電壓平均電壓和電樞電流的波型由圖可見電流是脈動(dòng)的其平均值等于負(fù)載電流負(fù)載轉(zhuǎn)矩 直流電動(dòng)機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩電流比由于VT在一個(gè)周期內(nèi)具有開關(guān)兩種狀態(tài)電路電壓平衡方程式也分為兩階段即在期間 在期間式中RL電動(dòng)機(jī)電樞回路的總電阻和總電感E電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)

11、勢(shì)PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率都較高至少是14kHz因此電流的脈動(dòng)幅值不會(huì)很大再影響到轉(zhuǎn)速n和反電動(dòng)勢(shì)E的波動(dòng)就更小在分析時(shí)可以忽略不計(jì)視n和E為恒值這種簡(jiǎn)單不可逆PWM電路中電動(dòng)機(jī)的電樞電流不能反向因此系統(tǒng)沒有制動(dòng)作用只能做單向限運(yùn)行這種電路又稱為受限式不可逆PWM電路這種PWM調(diào)速系統(tǒng)空載或輕載下可能出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)性能均差圖a所示為具有制動(dòng)作用的不可逆PWM變換電路該電路設(shè)置了兩個(gè)電力晶體管VT1和VT2形成兩者交替開關(guān)的電路提供了反向電流的通路這種電路組成的PWM調(diào)速系統(tǒng)可在第III兩個(gè)象限中運(yùn)行VT1和VT2的基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓大小相等極性相反即當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)在一個(gè)周

12、期內(nèi)平均電流就為正值電流分為兩段變化在期間為正VT1飽和導(dǎo)通為負(fù)VT2截止此時(shí)電源電壓加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端電流沿圖中的回路流通在期間和改變極性VT1截止原方向的電流沿回路經(jīng)二極管VD2續(xù)流在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加反壓使VT2不可能導(dǎo)通因此電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)一般情況下實(shí)際上是電力晶體管VT1和續(xù)流二極管VD2交替導(dǎo)通而VT2則始終不導(dǎo)通其電壓電流波型如圖b所示與圖沒有VT2的情況完全一樣如果電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)運(yùn)行中要降低轉(zhuǎn)速可將控制電壓減小使的正脈沖變窄負(fù)脈沖變寬從而使電動(dòng)機(jī)電樞兩端的平均電壓降低但是由于慣性電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和反電動(dòng)勢(shì)E來(lái)不及立刻變化因而出現(xiàn)的情況這時(shí)電力晶體管VT2能在電動(dòng)

13、機(jī)制動(dòng)中起作用在期間VT2在正的和反電動(dòng)勢(shì)E的作用下飽和導(dǎo)通由E產(chǎn)生的反向電流沿回路通過(guò)VT2流通產(chǎn)生能耗制動(dòng)一部分能量消耗在回路電阻上一部分轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能存儲(chǔ)在回路電感中直到tT為止在也就是期間因變負(fù)VT2截止只能沿回路經(jīng)二極管VD1續(xù)流對(duì)電源回饋制動(dòng)同時(shí)在VD1上產(chǎn)生的壓降使VT1承受反壓而不能導(dǎo)通在整個(gè)制動(dòng)狀態(tài)中VT2和VD1輪流導(dǎo)通VT1始終截止此時(shí)電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)電壓和電流波型圖c反向電流的制動(dòng)作用使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降直到新的穩(wěn)態(tài)PWM變換電路這種電路構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)還存在一種特殊情況即在電動(dòng)機(jī)的輕載電動(dòng)狀態(tài)中負(fù)載電流很小在VT1關(guān)斷后即期間沿回路徑VD2的續(xù)流電流很快衰減到零如在圖d中的

14、期間的時(shí)刻這時(shí)VD2兩端的壓降也降為零而此時(shí)由于為正使VT2得以導(dǎo)通反電動(dòng)勢(shì)E經(jīng)VT2沿回路流過(guò)反向電流產(chǎn)生局部時(shí)間的能耗制動(dòng)作用到了期間VT2關(guān)斷又沿回路經(jīng)VD1續(xù)流到時(shí)衰減到零VT1在作用下因不存在而反壓而導(dǎo)通電樞電流再次改變方向?yàn)檠鼗芈方?jīng)VT1流通在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)VT1VD1VT2VD1四個(gè)電力電子開關(guān)器件輪流導(dǎo)通其電流波形示圖d綜上所述具有制動(dòng)作用的不可逆PWM變換器構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)電樞回路中的電流始終是連續(xù)的而且由于電流可以反向系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)二象限運(yùn)行有較好的靜動(dòng)態(tài)性能可逆PWM變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式有T型和H型兩種其基本電路如圖所示圖中a為T型PWM變換器電路b為H型PWM變換器

15、電路圖2-3 可逆PWM變換器電路 aT型 bH型T型電路由兩個(gè)可控電力電子器件和與兩個(gè)續(xù)流二極管組成所用元件少線路簡(jiǎn)單構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)便于引出反饋適用于作為電壓低于50V的電動(dòng)機(jī)的可控電壓源但是T型電路需要正負(fù)對(duì)稱的雙極性直流電源電路中的電力電子器件要求承受兩倍的電源電壓在相同的直流電源電壓下其輸出電壓的幅值為H型電路的一半H型電路是實(shí)際上廣泛應(yīng)用的可逆PWM變換器電路它由四個(gè)可控電力電子器件以下以電力晶體管為例和四個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路這種電路只需要單極性電源所需電力電子器件的耐壓相對(duì)較低但是構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)電樞兩端浮地H型變換器電路在控制方式上分為雙極式單極式和受限單極式三種雙極式H可

16、逆PWM變換器H橋主電路com 泵升電路當(dāng)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由高變低時(shí)減速或者停車儲(chǔ)存在電動(dòng)機(jī)和負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)部分的動(dòng)能將變成電能并通過(guò)PWM變換器回饋給直流電源當(dāng)直流電源功率二極管整流器供電時(shí)不能將這部分能量回饋給電網(wǎng)只能對(duì)整流器輸出端的濾波電容器充電而使電源電壓升高稱作泵升電壓過(guò)高的泵升電壓會(huì)損壞元器件因此必須采取預(yù)防措施防止過(guò)高的泵升電壓出現(xiàn)可以采用由分流電阻和開關(guān)元件電力電子器件VT組成的泵升電壓限制電路如圖所示當(dāng)濾波電容器C兩端的電壓超過(guò)規(guī)定的泵升電壓允許數(shù)值時(shí)VT導(dǎo)通將回饋能量的一部分消耗在分流電阻上這種辦法簡(jiǎn)單實(shí)用但能量有損失且會(huì)使分流電阻發(fā)熱因此對(duì)于功率較大的系統(tǒng)為了提高效率可

17、以在分流電路中接入逆變把一部分能量回饋到電網(wǎng)中去但這樣系統(tǒng)就比較復(fù)雜了IGBT管的參數(shù)IGBTInsulated Gate Bipolor Transistor叫做絕緣柵極雙極晶體管這種器件具有MOS門極的高速開關(guān)性能和雙極動(dòng)作的高耐壓大電流容量的兩種特點(diǎn)其開關(guān)速度可達(dá)1mS額定電流密度100Acm2電壓驅(qū)動(dòng)自身?yè)p耗小其符號(hào)和波形圖如圖所示NMOS場(chǎng)效應(yīng)管極限電壓Vm600極限電流Im耗散功率P200圖2-7 IGBT信號(hào)及波形圖com 緩沖電路參數(shù)如圖2-3 b 所示H橋電路中采用了緩沖電路由電阻和電容組成 IGBT的緩沖電路功能側(cè)重于開關(guān)過(guò)程中過(guò)電壓的吸收與抑制這是由于IGBT的工作頻率可

18、以高達(dá)3050kHz因此很小的電路電感就可能引起頗大的從而產(chǎn)生過(guò)電壓危及IGBT的安全逆變器中IGBT開通時(shí)出現(xiàn)尖峰電流其原因是由于在剛導(dǎo)通的IGBT負(fù)載電流上疊加了橋臂中互補(bǔ)管上反并聯(lián)的續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流所以在此二極管恢復(fù)阻斷前剛導(dǎo)通的IGBT上形成逆變橋臂的瞬時(shí)貫穿短路使出現(xiàn)尖峰為此需要串入抑流電感即串聯(lián)緩沖電路或放大IGBT的容量電容com 泵升電路參數(shù)如圖2-6所示泵升電路由一個(gè)電容量大的電解電容一個(gè)電阻和一個(gè)VT組成泵升電路中電解電容選取C 2000電壓U 450VVT選取IRGPC50U 型號(hào)的IGBT管電阻選取R 20第四章PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)41 檢測(cè)環(huán)節(jié)c

19、om測(cè)環(huán)節(jié)電流反饋環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)是主電路的電流量經(jīng)變換后獲得輸出為直流電壓的反饋量根據(jù)電流反饋環(huán)節(jié)的組成常用的電流反饋方式和檢測(cè)元件有下面幾種1利用整流橋直流側(cè)的電阻作檢測(cè)元件 在主電路直流側(cè)串接低阻值電阻以取得電流檢測(cè)信號(hào)如圖4-1所示這種電流檢測(cè)方法在電阻上會(huì)產(chǎn)生壓降或損耗有時(shí)可利用電動(dòng)機(jī)的換向繞組和補(bǔ)償繞組上的壓降作為電流信號(hào)上述方法主電路與控制電路在電路上需接入電流隔離器將作為隔離輸入信號(hào)隔離器的輸出再作為電流反饋信號(hào)2以交流電流互感器作為檢測(cè)元件對(duì)于整流電路而言輸出的直流電流與交流側(cè)的輸入電流有一定的關(guān)系即式中為與整流電路型式有關(guān)的比例關(guān)系如三相橋式電路 所以可以采用交流電流互感器檢

20、測(cè)然后經(jīng)整流后獲得以反映直流電流的大小但不反映電流極性這種檢測(cè)方式線路簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)隔離性好得到廣泛應(yīng)用 電流互感器的聯(lián)接方法在單相電路中其聯(lián)接比較簡(jiǎn)單在三相電路中一般有兩種Y形用三臺(tái)電流互感器和V形用兩臺(tái)聯(lián)結(jié)線路見圖4-2 對(duì)于定型生產(chǎn)的電流互感器額定容量是10或15VA二次電流是5A允許負(fù)載電阻很小得不到一般控制系統(tǒng)所需10V以上的電壓故應(yīng)采用LZK-1系列控制專用電流互感器在200A以上的大容量系統(tǒng)中常采用在標(biāo)準(zhǔn)互感器后面再加一級(jí)5A01A的互感器以擴(kuò)大互感器變壓比使二次電流減小負(fù)載電阻可達(dá)200以上可滿足系統(tǒng)對(duì)反饋信號(hào)電壓較大的要求線路見圖4-3使用交流互感器應(yīng)注意下面幾點(diǎn) 1 交流互感器一

21、次電流應(yīng)根據(jù)整流裝置輸出最大電流來(lái)選擇 2 工作時(shí)二次繞組不允許開路以防人身和設(shè)備事故 3 二次繞組一端應(yīng)接地 4 帶負(fù)載情況下拆除二次繞組時(shí)首先應(yīng)將其短路 5 具有續(xù)流二極管的半控橋式整流電路不能采用交流檢測(cè) 6 交流互感器正常工作時(shí)不允許飽和如在三相零式整流電路中采用交流側(cè)檢測(cè)方案則電流互感器應(yīng)改為曲折聯(lián)接以免引起交流互感器的直流磁化而無(wú)法工作3以直流電流互感器作為檢測(cè)元件 直流電流互感器實(shí)際上是一個(gè)由交直流同時(shí)控制的磁性元件直流電流變化時(shí)磁路中的磁化狀態(tài)發(fā)生變化從而使其二次側(cè)交流輸出量發(fā)生改變?nèi)缓蠼?jīng)整流后得到反饋信號(hào)圖45是其兩種形式的聯(lián)結(jié)方式采用直流互感器檢測(cè)比交流互感器復(fù)雜快速性稍差

22、但它用一臺(tái)直流互感器取代三臺(tái)交流互感器使檢測(cè)裝置大為簡(jiǎn)化且輸出信號(hào)功率大具有電氣隔離目前國(guó)內(nèi)定型生產(chǎn)的BLZ系列產(chǎn)品已被廣泛應(yīng)用4以霍爾效應(yīng)電流變換器作為檢測(cè)元件 霍爾變換器的線性度好無(wú)慣性裝置簡(jiǎn)單但是輸出電壓一般為mV級(jí)使用時(shí)須附加電壓放大器此外由于霍爾元件薄而脆安裝和使用時(shí)須特別小心并應(yīng)采取措施防止外界電磁干擾其線路原理可參閱有關(guān)專業(yè)書刊 由此可見系統(tǒng)對(duì)于電流反饋環(huán)節(jié)的基本要求是 1 電流反饋信號(hào)要保證10V左右信號(hào)大小取決于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR輸出限幅值的整定即 2 對(duì)電流反饋信號(hào)要求進(jìn)行濾波濾掉交流分量但濾波時(shí)間常數(shù)不得過(guò)大否則將使電流環(huán)的等效時(shí)間常數(shù)過(guò)大限制了電流環(huán)頻帶的展寬影響電流響應(yīng)

23、的快速性為抵消電流反饋通道濾波慣性的影響在電流調(diào)節(jié)器給定通道需設(shè)置給定濾波環(huán)節(jié)并使兩者時(shí)間常數(shù)大小相等見圖46 com測(cè)環(huán)節(jié) 在調(diào)速系統(tǒng)中常用整流裝置主回路的直流電壓作為電壓反饋信號(hào)最簡(jiǎn)單的方法是在盡量靠近電動(dòng)機(jī)電樞兩端的位置主回路平波電抗器之后直接引出直流電壓反饋信號(hào)但其輸入與輸出之間沒有電氣隔離容易造成事故這種方法只適用于小容量系統(tǒng)中 在較大容量系統(tǒng)中主回路直流電壓都在數(shù)百伏以上而控制回路電壓一般都在±15v左右故必須設(shè)置直流電壓隔離器利用直流電壓隔離器將輸入的直流電壓U_調(diào)制成方波通過(guò)變壓器的磁耦合再將交流方波解調(diào)成較小的直流反饋信號(hào)如圖47所示直流電壓隔離器常用的有二極管開關(guān)

24、型三極管開關(guān)型和利用晶閘管 1A以下 的反向開關(guān)特性組成的晶閘管型電壓隔離器前兩種不僅能反映直流電壓大小又能反映電壓方向故既可用于不可逆調(diào)速系統(tǒng)也適用于可逆系統(tǒng)而后者僅能反映電壓大小故只能用于不可逆系統(tǒng)由于后者具有電路簡(jiǎn)單調(diào)整方便線性度好等特點(diǎn)故在不可逆系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用42 調(diào)節(jié)器的選擇與調(diào)整 作為系統(tǒng)校正環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器是控制電路的關(guān)鍵部件在系統(tǒng)中使用各種類型的調(diào)節(jié)器可實(shí)現(xiàn)輸入輸出的PIDPIPDPID等多種運(yùn)算關(guān)系調(diào)節(jié)器的選擇與參數(shù)整定是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中極其重要的一環(huán)它對(duì)系統(tǒng)靜動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的優(yōu)劣起著決定作用調(diào)速系統(tǒng)對(duì)調(diào)節(jié)器的一般要求是 1 節(jié)器須能夠調(diào)零如果調(diào)節(jié)器在比例狀態(tài)下不能調(diào)零當(dāng)輸入為零

25、時(shí)輸出較大則應(yīng)更換器件 2 過(guò)調(diào)整消振電路參數(shù)能消除高頻振蕩 3 節(jié)器的正負(fù)輸出電壓不能過(guò)小一般要求輸出電壓接近直流穩(wěn)壓電源電壓 ±15v 對(duì)于PI調(diào)節(jié)器一般都要求輸出限幅4 調(diào)速系統(tǒng)中具有積分作用的電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須設(shè)置調(diào)節(jié)器鎖零環(huán)節(jié)5 節(jié)器的工作電源為直流穩(wěn)壓電源±15v或±12vcom 調(diào)節(jié)器限幅調(diào)速系統(tǒng)中為了保護(hù)電氣設(shè)備和機(jī)械設(shè)備的安全須限制電動(dòng)機(jī)的最大電流最大電壓以及晶閘管變流裝置的和角等一般都要求對(duì)調(diào)節(jié)器輸出限幅調(diào)節(jié)器輸出限幅值的計(jì)算與整定是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試工作中十分重要的環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)限幅的方法大體有兩類即外限幅和內(nèi)限幅電路圖如圖4-10所示圖4-9就是利

26、用二極管箝位的內(nèi)限幅電路 com鎖零前已述及系統(tǒng)中引入PI調(diào)節(jié)器即使系統(tǒng)在停車期間未加給定信號(hào)由于其積分作用調(diào)節(jié)器在干擾信號(hào)作用下也會(huì)有較大的輸出電壓這個(gè)輸出信號(hào)送給觸發(fā)裝置就會(huì)使觸發(fā)脈沖從初始相位 90o 前移而使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)這在控制上是不允許的所以在系統(tǒng)給出起動(dòng)指令之前必須對(duì)具有積分作用的調(diào)節(jié)器鎖零即把它的輸出鎖到零電位上43 系統(tǒng)的給定電源給定積分器com源GS在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速總是緊緊地跟隨給定量而變化給定電源的質(zhì)量在保證系統(tǒng)正常工作中是十分重要的因此高精度的調(diào)速系統(tǒng)必績(jī)要有更高精度的給定穩(wěn)壓電源作保證所以設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制方案擬定控制電路時(shí)必須十分注意對(duì)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與選擇由三端集成穩(wěn)壓器

27、件所組成的穩(wěn)壓電源線路簡(jiǎn)單性能穩(wěn)定工作可靠調(diào)整方便已逐漸取代分立元件在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用越來(lái)越廣泛系統(tǒng)中應(yīng)盡量采用這種集成穩(wěn)壓源以保證系統(tǒng)的可靠工作為防止大幅度電網(wǎng)電壓波動(dòng)給穩(wěn)壓電源工作帶來(lái)的困難目前已普遍采用恒壓變壓器作為穩(wěn)壓電源的電源變壓器這些在設(shè)計(jì)時(shí)都需引起注意com分器在VTH直流調(diào)速系統(tǒng)中突加轉(zhuǎn)速給定信號(hào)時(shí)電動(dòng)機(jī)在最大允許電流下實(shí)現(xiàn)恒流起動(dòng)轉(zhuǎn)速以最大加速度上升滿足最短時(shí)間控制但一般直流電動(dòng)機(jī)不允許過(guò)大的電流上升率有些生產(chǎn)設(shè)備本身不能承受過(guò)大的機(jī)械沖擊或生產(chǎn)工藝過(guò)程要求系統(tǒng)起制動(dòng)平穩(wěn)超調(diào)量小所以這時(shí)系統(tǒng)不能采用階躍給定方法而采用給定積分器作為給定裝置利用其輸出得到不同斜率的斜坡速度給定信號(hào)

28、滿足系統(tǒng)的要求 典型的給定積分器線路在控制系統(tǒng)中是一個(gè)通用的控制單元插件圖413是一種給定積分器的典型線路 轉(zhuǎn)速給定信號(hào)u0的上升率有三種方法改變電阻R改變電容C調(diào)節(jié)電壓u2調(diào)整時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)電位器RP或改變N1的輸出限幅 調(diào)整RPlRP2 的方法改變u2比較方便靈活故應(yīng)用時(shí)多采用這種方法當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)給定積分器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)大小相等 為防止給定積分器輸出電壓出現(xiàn)超調(diào)可在反饋回路引入R1C1組成的微分負(fù)反饋44 觸發(fā)電路的確定在晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)中觸發(fā)裝置是十分重要的控制單元目前觸發(fā)裝置的種類很多具體電路各式各樣設(shè)計(jì)者必須根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需要合理地選擇觸發(fā)電路com 選用觸發(fā)電路時(shí)須考慮的因素

29、 系統(tǒng)對(duì)觸發(fā)電路的要求是設(shè)計(jì)和選擇觸發(fā)電路的依據(jù)我們?cè)谶x用時(shí)應(yīng)考慮下列一些問題1觸發(fā)電路的工作一定要十分可靠這一點(diǎn)對(duì)可逆系統(tǒng)來(lái)說(shuō)尤為重要2移相范圍應(yīng)滿足系統(tǒng)要求對(duì)于不同整流型式不同負(fù)載性質(zhì)其移相范圍要求也不同晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)電感性負(fù)載 電流連續(xù) 若采用三相零式或三相全控橋線路對(duì)不可逆系統(tǒng)要求 0900對(duì)可逆系統(tǒng)則要求 01800實(shí)際系統(tǒng)中因有min和min角的限制故移相范圍小于1800同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路移相范圍可超過(guò)1800同步信號(hào)為正弦波的觸發(fā)電路其移相范圍小于1800單結(jié)晶體管觸發(fā)電路的移相范圍只有1500左右3不同整流電路對(duì)脈沖寬度的要求不同對(duì)單相三相半波和三相橋式半控整流電路

30、應(yīng)選擇單脈沖觸發(fā)電路對(duì)于三相橋式全控整流電路應(yīng)選擇雙窄脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)電路對(duì)于一些容量不大對(duì)觸發(fā)要求不高的系統(tǒng)選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的觸發(fā)電路一般情況下可使用由分立元件組成的觸發(fā)電路或集成移相觸發(fā)電路必要時(shí)可采用微機(jī)觸發(fā)電路 4觸發(fā)電路輸入輸出特性線性度要好以提高系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路線性度好適用于要求調(diào)速范周寬的系統(tǒng)同步信號(hào)為正弦波的觸發(fā)電路線性度稍差單結(jié)晶體管觸發(fā)電路其線性度更差且有一段死區(qū)一般用于小容量單相晶閘管系統(tǒng)中 5要求觸發(fā)器工作對(duì)電網(wǎng)電壓敏感同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路和同步信號(hào)為正弦波的觸發(fā)電路相比較前者較后者好6觸發(fā)脈沖信號(hào)應(yīng)有足夠的功率 電壓電流 和一定的寬度

31、7在大功率裝置中當(dāng)晶閘管采用串并聯(lián)時(shí)應(yīng)采用強(qiáng)觸發(fā)提高脈沖前沿陡度保證同臂元件導(dǎo)通的同時(shí)性 8最好采用集成電路觸發(fā)裝置使元件焊點(diǎn)接插件走線數(shù)量減少簡(jiǎn)化控制線路提高系統(tǒng)可靠性9在實(shí)際應(yīng)用中一般應(yīng)采取防止誤觸發(fā)的具體措施10對(duì)于共陰極接法的零式半波整流電路或半控橋式整流電路可采用一套觸發(fā)裝置對(duì)所有的晶閘管同時(shí)進(jìn)行觸發(fā)控制其余的整流電路形式一個(gè)觸發(fā)脈沖只能觸發(fā)一個(gè)晶閘管com 觸發(fā)電路同步電壓的選取為了讓變流器按規(guī)律正確工作同步電壓的相位極為重要它應(yīng)能準(zhǔn)確提供自然換相點(diǎn)保證在移相范圍內(nèi)對(duì)晶閘管元件進(jìn)行移相控制從而可對(duì)輸出電壓進(jìn)行連續(xù)控制在已知整流變壓器的接線組別選擇同步變壓器時(shí)的定相步驟如下1據(jù)整流變

32、壓器的接線組別繪制主電路變壓器次級(jí)電壓的向量圖有VT1的移相范圍和觸發(fā)電路移相控制原理確定觸發(fā)電路需要的同步信號(hào)us2的相位2選取超前us2相位3或6的電壓為同步電壓us1確定阻容濾波器由相控觸發(fā)電路同步方式確定同步變壓器次級(jí)相數(shù)由主電路電壓向量圖及對(duì)us1的相位要求確定同步變壓器的接線組別3按相位關(guān)系選取其他元件的同步電壓當(dāng)為三相橋式全控變流電路且為按元件獨(dú)立同步時(shí)各元件的同步電壓應(yīng)按順序滯后3從而可以確定其他各元件的同步電壓us1總體設(shè)計(jì)方案圖第五章 課程設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)功率Pe22KW額定電壓Ue 220V額定電流Ie 116A磁極對(duì)數(shù)P 2ne 1500rmin勵(lì)磁電壓220

33、V電樞繞組電阻Ra 0112主電路總電阻R032L3722mH 電樞電感平波電感和變壓器電感之和 電磁系數(shù)Ce 0138 VminrKs 22電磁時(shí)間常數(shù)TL 0116ms機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm 0157ms濾波時(shí)間常數(shù)Ton Toi 000235s過(guò)載倍數(shù)15電流給定最大值速度給定最大值第六章 參數(shù)計(jì)算61電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)按所用運(yùn)算放大器取 20K電樞回路總電阻R 20ACR積分時(shí)間常數(shù) 電流環(huán)開環(huán)增益要求時(shí)應(yīng)取因此 于是ACR的比例系數(shù)為 計(jì)算控制器的電阻電容值 取50K 如圖5-1所示為電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖圖5-1電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖62速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)可把已設(shè)計(jì)好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)為此需求出它的等效傳遞函數(shù)近似條件用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流閉環(huán)后整個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如-8a所示把給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)同時(shí)將給定信號(hào)改為Un s 再把時(shí)間常數(shù)為Ton和2Ti的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為Tn的慣性環(huán)節(jié)且Tn Ton2TI則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖可轉(zhuǎn)化成圖圖6-8 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖要把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型型系統(tǒng)