双闭环直流调速系统课程设计

本科课程设计报告 题 目 三相全控桥晶闸管双闭不可逆环直流调速系统设 计 院 系 电气与信息工程学院 班 级 自动化 08 4 班 姓 名 周婷婷 学 号 080502010419 指导教师 叶瑰昀 教师职称 教授 2011 年 12 月 8 日 I 摘摘 要要 从七十年代开始 由于晶闸管直流调速系统的高效 无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用 双闭环直流调速系统是一个典型的系统 该系统一般含晶闸管可控整流主电路 移相控制电路 转速 电流双闭环调速控制电路 以及缺相和过流保护电路等 给定信号为 0 10V 直流信号 可对主电路 输出电压进行平滑调节 采用双 PI 调节器 可获得良好的动静态效果 电流环校正成典型 I 型系统 为使系统在阶跃扰动时无稳态误差 并具有较好的抗扰性能 速度环设计成典型 型系统 转速 电流双闭环控制直流调速系统是性能很好 应用最广的直流调速系统 根据晶闸管的特性 通过调节控制角大小来调节电压 基于设计题目 直流电动机调速控制器选用了转速 电流双闭环 调速控制电路 在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电 本文首先确定整个设 计的方案和框图 然后确定主电路的结构形式和各元部件的设计 同时对其参数的计算 包括整流变 压器 晶闸管 电抗器和保护电路的参数计算 最后 即本文的重点设计直流电动机调速控制器电路 本文采用转速 电流双闭环直流调速系统为对象来设计直流电动机调速控制器 为了实现转速和电流 两种负反馈分别起作用 可在系统中设置两个调节器 分别调节转速和电流 即分别引入转速负反馈 和电流负反馈 二者之间实行嵌套联接 从闭环结构上看 电流环在里面 称作内环 转速环在外边 称做外环 这就形成了转速 电流双闭环调速系统 先确定其结构形式和设计各元部件 并对其参数 的计算 包括给定电压 转速调节器 电流调节器 检测电路 然后最后稳压电路的参数的计算 关键词 双闭环 转速调节器 电流调节器 稳态 动态 黑龙江科技学院课程设计报告 II 目 录 第 1 章 系统主电路的结构形式及参数计算 1 1 1 主电路的结构选择与确定 1 1 2 主电路各器件的选择和计算 2 1 2 1 整流变压器参数的计算和选择 2 1 2 2 整流元件晶闸管的选型 4 1 3 电抗器的设计 4 1 4 主电路保护电路设计 5 1 4 1 过电压保护设计 5 1 4 2 过电流保护设计 8 1 5 驱动电路的设计 10 1 5 1 晶闸管触发电路设计 10 1 5 2 脉冲变压器的设计 11 第 2 章 双闭环调速系统的组成及动静态结构框图 12 2 1 双闭环直流调速系统的组成 12 2 2 转速 电流双闭环直流调速系统的动静态结构框图 13 2 2 1 双闭环直流调速系统的稳态结构框图和静特性 13 2 2 2 双闭环直流调速系统的动态结构框图 14 第 3 章 双闭环调速系统调节器的动态设计 15 3 1 电流调节器的设计 15 3 2 转速调节器的设计 16 结论 20 收获和体会 21 参考文献 22 附附 表表 23 第 1 页 第第 1 章章 系统主电路的结构形式及参数计算系统主电路的结构形式及参数计算 1 1 主电路的结构选择与确定主电路的结构选择与确定 直流调速系统常用的直流电源有三种 旋转变流机组 静止式可控整流器 直流斩波器或脉宽调制变换 器 1957 年晶闸管问世 已生产成套的晶闸管整流装置 即右图 1 1 晶闸管 电动机调速系统 简称 V M 系统 的原理图 通过调节处罚装置 GT 的控制电压来移动触发脉冲的相位 即 c U 可改变平均整流电压 从而实现平滑调速 和旋转变流机组及 d U 离子拖动变流装置相比 晶闸管整流装置不进在经济性和可靠性上 都很大提高 而且在技术性能上也现实出较大的优越性 因此 本设计的要求应选择第二个可控直流电源 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说 以调节电枢 供电电压的方式为最好 自动控制的直流调速系统往往以调压调速 为主 根据晶闸管的特性 可以通过调节控制角大小来调节电 压 当整流负载容量较大或直流电压脉动较小时应采用三相整流电 路 其交流侧由三相电源供电 三相整流电路中又分三相半波和全控桥整流电路 因为三相半波整流电路在其变压器 的二次侧含有直流分量 故不采用 本设计采用了三相全控桥整流电路来供电 该电路是目前应用最广泛的整流电路 输出电压波动小 适合直流电动机的负载 并且该电路组成的调速装置调节范围广 能实现电动机连续 平滑地转速 调节 电动机不可逆运行等技术要求 主电路原理图如图 1 2 所示 三相全控制整流电路由晶闸管 VT1 VT3 VT5 接成共阴极组 晶闸管 VT4 VT6 VT2 接成共 阳极组 在电路控制下 只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管 以及接 在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管 同时导通时 才构成完整的整流电路 晶 图 1 2 主电路原理图 图 1 1 V M 系统原理图 黑龙江科技学院课程设计报告 第 2 页 闸管的控制角都是 在一个周期内 6 个晶闸管都要被触发一次 触发顺序依次为 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 晶闸管必须严格按编号轮流导通 6 个触发脉冲相位依次相差 只有这60 样才能使电路正常工作 为了使元件免受在突发情况下超过其所承受的电压电流的侵害 电路中加入了过电压 过电流等 保护装置 1 2 主电路各器件的选择和计算主电路各器件的选择和计算 1 2 1 整流变压器参数的计算和选择整流变压器参数的计算和选择 在一般情况下 晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致 此外 为了尽量减小 电网与晶闸管装置的相互干扰 要求它们相互隔离 故通常要配用整流变压器 这里选项用的变压器 的一次侧绕组采用联接 二次侧绕组采用 Y 联接 为整流变压器的总容量 为变压器一次侧的 SS 容量 为一次侧电压 为一次侧电流 为变压器二次侧的容量 为二次侧电压 为二次侧 1 U 1 I 2 S 2 U 2 I 的电流 为相数 以下就是各量的推导和计算过程 1 m 2 m 为了保证负载能正常工作 当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后 晶闸管交流侧 的电压只能在一个较小的范围内变化 为此必须精确计算整流变压器次级电压 影响值的因 2 U 2 U 2 U 素有 1 值的大小首先要保证满足负载所需求的最大电流值的 2 U maxd I 2 晶闸管并非是理想的可控开关元件 导通时有一定的管压降 用表示 T V 3 变压器漏抗的存在会产生换相压降 4 平波电抗器有一定的直流电阻 当电流流经该电阻时就要产生一定的电压降 5 电枢电阻的压降 综合以上因素得到的精确表达式为 2 U 1 1 max 2 max 1 1 100 d NaT d dK d I UrnU I U ICU AB I 式中表示当控制角时 整流电压平均值与变压器次级相电压有效值之比 0 2 d U A U 0 0 表示控制角为时和时整流电压平均值之比 0 d d U B U 0 0 C 是与整流主电路形式有关的系数 为变压器的短路电压百分比 100 千伏安以下的变压器取 100 1000 千伏安的变 K U 5 K U 压器取 510 K U 为电网电压波动系数 通常取 供电质量较差 电压波动较大的情况应取较小值 0 91 05 黑龙江科技学院课程设计报告 第 3 页 表示电动机电枢电路总电阻的标么值 对容量为的电动机 通常 N a N I R r U R 15 KW 0 040 08 a r 表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降 T nU 负载电流最大值 所以 表示允许过载倍数 maxd I maxddN II maxd dN I I 对于本设计 为了保证电动机负载能在额定转速下运转 计算所得应有一定的裕量 根据经验所 2 U 知 公式中的控制角应取 300 为宜 其中 A B C 可以查表0 9 2 34A 3 coscos30 2 O B 0 5C 5 K U 5 1 中三相全控桥 表 1 1 变流变压器的计算系数 整流电路 单相双 半波 单相半控 桥 单相 全控桥 三相半 波 三相半控 桥 三相全控 桥 带平衡电 抗器的双反 星形 02 d AUU 0 90 90 91 172 342 341 17 0 dd BUU cos 1 cos 2 cos cos 1 cos 2 cos cos C0 7070 7070 7070 8660 50 50 5 22 Id KII 0 707110 5780 8160 8160 289 1 2 5 7 0 159 220 N a N I R r U 以下为计算过程和结果 1 3 max 2 max 1 1 100 d NaT d dK d I UrnU I U ICU AB I 220 10 159 1 5 1 2 1 138 5 30 5 5 2 34 0 91 5 2100 V 这里可以取 实际选取为标准变压器时可以通过改变线圈匝数来实现 2 140UV 根据主电路的不同的接线方式 由表 1 1 查得即得出二次侧电流的有效值 22 0 816 Id KII 从而求的 出变压器二次侧容量 而一次相电流有效值 22Id IKI 2222 Sm U I 1212 IIUU 所以一次侧容量 一次相电压有效值取决于电网电压 所以变流变压器的平均容量为 2222 Sm U I 1 U 为各种接线形式时变压器次级电流有效值和负载电流平均值之比 12 1 2 SSS 2I K 对于本设计取 0 816 且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗 故 2I K 1 4 22 1 5 0 816 56 12 IN IKIA 黑龙江科技学院课程设计报告 第 4 页 根据整流变压器的特性 即 取 3 所以 所以整流变压器的容量为 11 1222 mU Im U I m 1 122 U IU I 1 5 1211 1222222 11 22 SSSmU Im U Im U I 1 6 11 1 3 1406 122 57SmU IKV A 设计时留取一定的裕量 可以取容量为整流变压器 3KV A 1 2 2 整流元件晶闸管的选型整流元件晶闸管的选型 正确选择晶闸管能够使晶闸管装置在保证可靠运行的前提下降低成本 选择晶闸管元件主要是选 择它的额定电压 和额定电流 TM U T AV I 首先确定晶闸管额定电压 晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压 TM U RM U 考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素 还要放宽 2 3 倍的安全系数 则计算公式 1 7 2 3 TMRM UU 对于本设计采用的是三相桥式整流电路 晶闸管按 1 至 6 的顺序导通 在阻感负载中晶闸管承受 的最大电压 22 62 45 RM UUU 故计算的晶闸管额定电压为 1 8 2 23 6 23 2 45 1406861029 TM UUVV 取 800V 再确定晶闸管额定电流 额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值 一般取按 T AV I 此原则所得计算结果的 1 5 2 倍 1 9 max 1 5 57 5 dN IIA 1 10 max 1 34 33 VTd IIA 由此可求出晶闸管的额定电流 其公式为 1 11 1 5 2 4 14 5 52 1 57 VT T AV I IAA 可以取额定电流为5A 1 3 电抗器的设计电抗器的设计 在 V M 系统中 脉动电流会增加电动机的发热 同时也产生脉动转矩 对机械不利 此外 电 波波形的断续给用平均值描述的系统带来一种非线性的因素 也引起机械特性的非线性 影响系统的 运行性能 因此 实际应用中希望尽量避免发生电流断续 为了避免或减轻电流脉动的影响 需采用抑制电流脉动的措施 主要有 黑龙江科技学院课程设计报告 第 5 页 1 增加整流电路相数 或采用多重化技术 2 设置电感量足够大的平波电抗器 平波电抗器的电感量一般按低速轻载时保证电流连续的条件来选择 通常首选给定最小电流 以 A 为单位 再利用它计算所需的总电感量 以为单位 减去电枢电感 即得平波电 mind ImH 抗器应有的电感值 对于三相桥式整流电路 总电感量的计算公式为 1 12 2 min 0 693 d U L I 一般取为电动机额定电流的 本次取 mind I5 10 mind I7 N I 即 1 13 2 min 0 6930 693 140 227 2 0 075 d U LmH I 直流电动机的电枢电感 单位为 L mH 1 14 3 10 2 DN a pwN K U LmH n n I 式中 计算系数 对于一般无补偿绕组电动机 对于快速无补偿绕组电动机 D K812 D K 对于有补偿绕组电动机 其余系数均为电动机额定值 68 D K 极对数 取 2 p n p n 即 1 15 33 10220 101073 33 222 1500 5 DN a pwN K U LmH n n I 实际要接入的平波电抗器电感 K L 1 16 227 273 3153 9 Ka LLLmH 可取 154 K LmH 1 4 主电路保护电路设计主电路保护电路设计 电力半导体元件虽有许多突出的优点 但承受过电流和过电压的性能都比一般电气设备脆弱的多 短时间的过电流和过电压都会使元件损坏 从而导致变流装置的故障 因此除了在选择元件的容量外 还必须有完善的保护装置 1 4 1 过电压保护设计过电压保护设计 过电压保护可分为交流侧和直流侧过电压保护 前常采用的保护措施有阻容吸收装置 硒堆吸收 装置 金属氧化物压敏电阻 这里采用金属氧化物压敏电阻的过电压保护 1 交流侧过电压保护 压敏电阻采用由金属氧化物 如氧化锌 氧化铋 烧结制成的非线性压敏元件作为过电压保护 其主要优点在于 压敏电阻具有正反向相同的陡峭的伏安特性 在正常工作时只有很微弱的电流 1mA 以下 通过元件 而一旦出现过电压时电压 压敏电阻可通过高达数千安的放电电流 将电压 黑龙江科技学院课程设计报告 第 6 页 抑制在允许的范围内 并具有损耗低 体积小 对过电压反映快等优点 因此 是一种较好的过电压 保护元件 本设计采用三相全控桥整流电路 变压器的绕组为 Y 联结 在变压器交流侧 采用 压敏电阻的保护回路 如下图 1 3 所示 图 1 3 二次侧过电压压敏电阻保护 1 压敏电阻的额定电压选择可按下式 1mA U 1 17 12 1 33 2 mAl UU 式中 压敏电阻的额定电压 1mA U 变压器二次侧的线电压有效值 对于星形接法的线电压等于相电压 2l U 22 3 l UU 1 18 1 1 33 23 140456 09 mA UV 2 计算压敏电阻泄放电流初值 即三相变压器时 1 19 02 2 3 RmZl IK I 式中 能量转换系数 Z K0 3 0 5 Z K 三相变压器空载线电流有效值 02l I 0222 5 5 0 306 ll IIIA 1 20 02 22 0 40 3060 158 33 RmZl IKIA 3 计算压敏电阻的最大电压的公式为 Rm U 1 21 1 a RmRRm UK I 式中 压敏元件特性系数 R K 压敏元件非线性系数 a 一般 在 20 25 之间 在取时 a 20a 1 1 4 RmA KU 1 22 11 20 1 4456 090 158582 25 a RmRRm UK IV 因此 压敏电阻额定电压取 585V 型压敏电阻 2 直流侧过电压保护 黑龙江科技学院课程设计报告 第 7 页 整流器直流侧在快速开关断开或桥臂快速熔断等情况 也会在 A B 之间产生过电压 可以用非 线性元气件抑制过电压 本设计压敏电阻设计来解决过电压时 击穿后 正常工作时漏电流小 损耗 低 而泄放冲击电流能力强 抑制过电压能力强 除此之外 它对冲击电压反应快 体积又比较小 故应用广泛 其电路图如右图 1 4 所示 压敏电阻的额定电压的选取可按下式计算 1mA U 压敏电阻承受的额定电压峰值 1 0 8 0 9 mA U 式中为压敏电阻的额定电压 为电网电压升高系数 一般取 1 05 1 10 压敏电阻承受的 1mA U 额定电压峰值就是晶闸管控制角时输出电压 30 d U 1 23 2min 3 6cos2 34 140283 71 2 d UUV 对于本设计 1 24 1 1 05 283 71331 94 371 65 0 8 0 9 0 8 0 9 mAd UUVV 因此 压敏电阻额定电压取 350V 型压敏电阻 3 晶闸管的过电压保护 晶闸管对过电压很敏感 当正向电压超过其断态重复峰值值电压一定值时 就会误导通 引发电 路故障 当外加的反向电压超过其反向重复峰值电压一定值时 晶闸管将会立即损坏 因此 DRM U 必须研究过电压的产生原因及抑制过电压的方法 过电压产生的原因主要是供给的电压功率或系统的 储能发生了激烈的变化 使得系统来不及转换 或者系统中原来积聚的电磁能量不能及时消散而造成 的 本设计采用如下图 1 5 阻容吸收回路来抑制过电压 通过经验公式 3 24 10 T CI 1030R 2 1 2 Rm PCU 图 1 5 阻容吸收回路 得 1 25 33 24 10 24 5 100 010 02 T CIF 图 1 4 压敏电阻保护电路 黑龙江科技学院课程设计报告 第 8 页 1 26 2624 11 0 02 101401 96 10 22 Rm ECUJ 由于一个周期晶闸管充放电各一次 因此 1 27 44 22 1 96 103 92 10 R EJ 1 28 4 3 92 10 0 0196 0 02 E PW T 功率选择留 5 6 倍裕量 1 29 5 6 5 6 0 01960 1 0 12PPWW 因此 电阻 R 选择 阻值为 功率选择 0 1W 的电阻 20 电容 C 选择 容量为的电容 0 02 F 1 4 2 过电流保护设计过电流保护设计 过电流保护措施有下面几种 可以根据需要选择其中一种或数种 1 在交流进线中串接电抗器或采用漏抗较大的变压器 这些措施可以限制短路短路电流 2 在交流侧设置电流检测装置 利用过电压信号去控制触发器 使脉冲快速后移或对脉冲进行 封锁 3 交流侧经电流互感器接入过电流继电器或直流侧接入过电流继电器 可以在发生过电流时动 作 断开主电路 4 对于大容量和中等容量的设备以及经常逆变的情况 可以用直流快速开关进行过载或短路保 护 直流开关的应根据下列条件选择 快速开关的额定电流额定整流电流 2l d I N I 快速开关的额定电压 额定整流电压 Kld U N U 快速开关的分断能力直流侧外部短路时稳态短路电流平均电流平均值 快速开关的动 2fdd I 20d I 作电流按电动机最大过载电流整定 2g d I 2g dN IKI 式中 K 为电动机最大过载倍数 一般不大于 2 7 为直流电动机的额定电流 N I 5 快速熔断器 它可以安装在交流侧或直流侧 在直流侧与元件直接串联 在选择时应注意以下问题 快熔的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值 熔断器的额定电流应大于溶体的额定电流 溶体的额定电流可按下式计算 KN I1 57 TaKNT III 1 三相交流电路的一次侧过电流保护 在本设计中 选用快速熔断器与电流互感器配合进行三相交流电路的一次侧过电流保护 保护原 理图 1 6 如下 黑龙江科技学院课程设计报告 第 9 页 图 1 6 一次侧过电流保护电路 1 熔断器额定电压选择 其额定电压应大于或等于线路的工作电压 本课题设计中变压器的一次侧的线电压为 380V 熔断器额定电压可选择 400V 2 熔断器额定电流选择 其额定电流应大于或等于电路的工作电流 本课题设计中变压器的一次侧的电流 1 I 1 30 22 1 1 1406 12 2 25 380 U I IA U 熔断器额定电流 1 31 1 1 61 62 253 6 FU IIA 因此 如图 4 4 在三相交流电路变压器的一次侧的每一相上串上一个熔断器 按本课题的设计要求 熔断器的额定电压可选 400V 额定电流选 3 6A 2 晶闸管过电流保护 晶闸管不仅有过电压保护 还需要过电流保护 由于半导体 器件体积小 热容量小 特别像晶闸管这类高电压 大电流的 功率器件 结温必须受到严格的控制 否则将遭至彻底损坏 当晶闸管中流过的大于额定值的电流时 热量来不及散发 使 得结温迅速升高 最终将导致结层被烧坏 晶闸管过电流保护 方法中最常用的是快速熔断器 快速熔断器由银质熔丝埋于石 英砂内 熔断时间极短 可以用来保护晶闸管 如上图 1 7 快 速熔断器保护 根据快速熔断器的要求 熔断器的额定电压 1 32 2 2 452 45 140343 KNRM UUUV 因此 按本课题的设计要求 用于晶闸管过电流保护的快速熔断器的额定电压可选择 350V 1 5 驱动电路设计驱动电路设计 1 5 1 晶闸管的触发电路设计晶闸管的触发电路设计 晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发咏冲 保证晶闸管在学要的时刻由阻断转为异 图 1 7 晶闸管过电流保 护 黑龙江科技学院课程设计报告 第 10 页 通 晶闸管触发电路往往包括触发时刻进行控制相位控制电路 触发脉冲的放大和输出环节 触发脉 冲的放大和输出环节中 晶闸管触发电路应满足下列要求 1 触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠异通 三相全控桥式电路应采用宽于 60 或采用相隔 60 的双窄脉冲 2 触发咏冲脉冲应有足够的幅度 对户外寒冷场合 脉冲电流的幅度应增人为器件最大触发 电流 3 一 5 倍 脉冲前沿的陡度一也需增加 一般需达 1 2A us 3 所提供的触发咏冲应不超过晶闸管门极 的电压 电流和功率定额 且在门极的伏安特性的 可靠触发阵 域之内 4 应有良好的抗干扰性能 温度稳定性及 与主电路的电气隔离 常用的晶闸管触发电路如右图 它由 V1 V2 构成的脉冲放大环节和脉冲变压器 TM 及附属电路 构成的脉冲输出环节两部组成 当 V1 V2 导通时 通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出出 发脉冲 VD1 和 R3 是为了 V1 V2 由导通变为直 截时脉冲变压器 TM 释放其储存的能量而设的 为 了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分 还需适当附 加其它的电路环节 晶闸管触发电路类型很多 有分立式 集成式和数字式 分立式相控同步模拟电路相对来说电路 比较复杂 数宇式触发器可以在单片 机上来实现 需要通过编程来实现 本设计不采用 由于集成 电路可靠性高 技术性能好 体积小 功耗低 调试方便 所以本设计采用的是集成触发器 选择目 前国内常用的 KJ KC 系例 木设计采用 KJ004 集成块和 KJ041 集成块 对于三相全控整流或调压电路 要求顺序输出的触发脉冲依次间隔 60 本设计采用三相同步绝 对式触发方式 根据单相同步信号的上升沿和下降沿 形成两个同步点 分别发出两个相位互差 180 的触发脉冲 然后由分属三相的此种电路组成脉冲形成单元输出 6 路脉冲 再经补脉冲形成及 分配单元形成补脉冲并按顺序输出 6 路脉冲 本设计课题是三相全控桥整流电路中有六个晶闸管 触 发顺序依次为 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 晶闸管必须严格按编号轮流导通 6 个触发脉冲相位依 次相差 60 可以选用 3 个 KJ004 集成块和一个 KJ041 集成块 即可形成六路双脉冲 再由六个晶 体管进行脉冲放大 就可以构成三相全控桥整流电路的集成触发电路如下图 1 3脚为6路单脉冲输入 15 10脚为6路双脉冲输出 至VT1至VT2 至VT3 至VT4至VT5至VT6 黑龙江科技学院课程设计报告 第 11 页 1 5 2 脉冲变压器的设计脉冲变压器的设计 本方案的双脉冲电路是采用性能价格比优 越的 每个触发单元的一个周期内输出两个相 隔 60 的脉冲的电路 如右图中两个晶闸管构 成一个 或 门 当 V5 V6 都导通时 uc5 约为一 15V 使截止 没有脉冲输出 但只要 中有 V5 V6 中一个截止就使得变为正电压 使得 V 7V8 导通就有脉冲输出 所以只要用 适当的信号来控制的 V5 或 V6 截止 前后问隔 60 就可以产生符合要求的双脉冲了 其 中 VD4 和 R17 的作用 主要是防止双窄脉冲 信号相互干扰 此触发脉冲环节的接线方式为 以 VT1 器件的触发单元而言 上图电路中的 Y 端应该接 VT2 器件触发单元的 X 端 因为 VT2 器件的第一个 脉冲比 VT1 器件的第一个脉冲滞后 60 所以当 VT2 触发单元的 V4 由截止变导通时 本身输出一 个脉冲 同时使 VT1 器件触发单元 V6 的管截止 给 VT1 器件补送一个脉冲 同理 VT1 器件触发 单元的 x 端应接 VT6 器件触发单元的 Y 端口依次类推 可以确定六个器件相应触发单元电路的双脉 冲环节间的相互接线 220V36V B TP 15V A VS 15V 15V 15VX Y 接封锁信号 R Q ust VD1VD2 C1R2 R4 TS V2R5 R8 R6 R7 R3 R9 R10 R11R12 R13 R14 R16 R15 R18 R17 RP1 uco up C2 C3 C3 C5 C6C7 R1 RP2 V1 I1c V3 V4 V6 V5 V7 V8 VD4 VD10VD5 VD6 VD7 VD9 VD8 VD15 VD11 VD14 黑龙江科技学院课程设计报告 第 12 页 第第 2 章章 双闭环调速系统的组成及动静态结构框图双闭环调速系统的组成及动静态结构框图 2 1 双闭环直流调速系统的组成双闭环直流调速系统的组成 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用 可在系统中设置两个调节器 分别调节转速和电流 即分别引入转速负反馈和电流负反馈 二者之间实行嵌套 或称串级 联接 如图 2 1 所示 图中 把 转速调节器的输出当作电流调节器的输入 再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器 UPE 从闭 环结构上看 电流环在里面 称作内环 转速环在外边 称作外环 这就形成了转速 电流双闭环调 速系统 图 2 1 转速 电流双闭环直流调速系统 ASR 转速调节器 ACR 电流调节器 TG 测速发电机 TA 电流互感器 UPE 电力电子变换器 转速给定电压 转速反馈电压 n U n U 电流给定电压 电流反馈电压 i U i U 为了获得良好的静 动态性能 转速和电流两个调节器一般都采用 PI 调节器 这样构成的双闭 环直流调速系统的电路原理图如下图 2 2 所示 图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性 它们是按照电力电子变换器的控制电压为正电压的情况标出的 并考虑到运算放大器的倒相作用 c U 图中还标出了两个调节器的输出都是带限幅作用的 转速调节器 ASR 的输出限幅电压决定了电 im U 流给定电压的最大值 电流调节器 ACR 的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压 cm U dm U 黑龙江科技学院课程设计报告 第 13 页 图2 2 双闭环直流调速系统电路原理图 2 2 转速转速 电流双闭环直流调速系统的动静态结构框图电流双闭环直流调速系统的动静态结构框图 2 2 1 双闭环直流调速系统的稳态结构框图和静特性双闭环直流调速系统的稳态结构框图和静特性 为了分析双闭环调速系统的静特性 必须先绘出它的稳态结构框图 如图 2 3 所示 它可以很方 便地根据原理图 见图 2 2 画出来 只要注意用带限幅的输出特性表示 PI 调节器就可以了 分析静 特性的关键是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征 一般存在两种状况 饱和 输出达到限幅值 不饱 和 输出未达到限幅值 当调节器饱和时 输出为恒值 输入量的变化不再影响输出 除非有反向的 输入信号使调节器退出饱和 换句话说 饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系 相当于使该 调节环开环 当调节器不饱和时 PI 的作用使输入偏差电压在稳态时总为零 U 转速反馈系数 电流反馈系 数 Ks 1 Ce U nUc Id E nUd0 Un ASR U i R ACR Ui UP E 黑龙江科技学院课程设计报告 第 14 页 2 3 双闭环直流调速系统的稳态结构框图 实际上 在正常运行时 电流调节器是不会达到饱和状态的 因此 对于静特性来说 只有调速 调节器饱和与不饱和两种状况 1 转速调节器不饱和 稳态时 他们的输入偏差电压都是零 因此 0 n U nn 2 转速调节器饱和 输出达到限幅值 转速外环呈开环状态 转速的变化对系统不再产生 im U 影响 双闭环系统变成一个电流无静差的点电流闭环调节系统 稳态时 im ddm U II 2 2 2 双闭环直流调速系统的动态结构框图双闭环直流调速系统的动态结构框图 首先我们看一下转速 电流双闭环直流调速系统的动态结构框图 如下图2 4所示 这就是我们 最终要设计成的图形 此图有滤波环节 包括电流滤波 转速滤波和两个给定信号的滤波环节 其中 电流反馈滤波时间常数 转速反馈滤波时间常数 oi T on T 图 2 4 双闭环调速系统的动态结构框图 由于电流检测信号中常含有交流分量 为了不使它影响到调节器的输入 需加低通滤波 这样的滤波 环节传递函数可用一阶惯性环节来表示 以滤平电流检测信号 然而 在抑制交流分量的同时 滤波 环节也延迟了反馈信号的作用 为了平衡这个迟延作用 在给定信号通道上加入一个同等时间常数的 惯性环节 称作给定滤波环节 其意义是 让给定信号和反馈信号经过相同的延时 使二者在时间上 得到恰当的配合 从而带来设计上的方便 由测速发电机得到的转速反馈电压含换向纹波 因此也需 要滤波 根据和电流环一样的道理 在转速给定通道上也加入滤波环节 黑龙江科技学院课程设计报告 第 15 页 第第 3 章章 双闭环调速系统调节器的动态设计双闭环调速系统调节器的动态设计 3 1 电流调节器的设计电流调节器的设计 1 确定时间常数 1 整流装置滞后时间常数 有附表 5 1 知 三相桥式电路的平均失控时间 S T 0 0017 S Tms 2 电流滤波时间常数 三相桥式电路的每个波头的时间是 为了基本滤平波头 应 oi T3 3ms 有 因此取 12 oi T3 3ms20 002 oi mssT 3 电流环小时间常数之和 按小时间常数近似处理 取 i T T T 0 0037s iSoi T 4 电磁时间常数的确定 由前述已求出电枢回路总电感 l T 3 1 2 1 min 0 693 140 277 2 7 5 l d U LKmH I 则电磁时间常数 3 2 277 2 0 0397 7 l l LmH Ts R 2 选择电流调节器的结构 根据设计要求 并保证稳态电流无静差 可按典型 I 型系统设计电流调节器 电流环控5 i 制对象是双惯性型的 因此可用 PI 型调节器 其传递函数为 3 3 1 ii ACR s i Ks W s 式中 电流调节器的比例系数 i K 电流调节器的超前时间常数 i 检查对电源电压的抗扰性能 参照附表 5 2 的典型 I 型系统动态抗扰性能 0 0397s 10 73 0 0037s l i T T 各项指标都是可以接受的 因此基本确定电流调节器按典型 I 型系统设计 3 计算电流调节器的参数 电流调节器超前时间常数 0 0397s il T 电流开环增益 要求7 时 取 5 i 0 5 Ii K T 因此 3 4 1 0 50 5 135 1 0 0037 I i Ks Ts 于是 ACR 的比例系数为 3 5 135 1 0 03977 0 578 50 1 3 Ii i s KR K K 式中 电流反馈系数 10 10 1 3 1 5 5 N VI 晶闸管专制放大系数 50 s K 黑龙江科技学院课程设计报告 第 16 页 4 校验近似条件 电流环截止频率 1 135 1 ciI Ks 1 晶闸管整流装置传递函数的近似条件 3 6 1 11 196 1 33 0 0017 ci s s Ts 满足近似条件 2 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 3 7 1 11 3314 76 1 040 0397 ci ml s T Tss 满足近似条件 电流环小时间常数近似处理条件 3 8 1 1111 180 78 330 00170 002 ci soi s TTss 满足近似条件 5 计算调节器电阻和电容 由图 3 1 按所用运算放大器取 各电阻和电容值为 0 40Rk 取 3 9 0 0 5784023 12 ii RK Rkk 24k 取 3 10 6 3 0 0397 1 65 10 24 10 i i i CFF R 1 65 F 取 3 11 6 3 0 440 002 0 2 100 2 40 10 oi oi T CFFF R 0 2 F 按照上述参数 电流环可以达到的动态跟随性能指标为7 满足设计要求 4 3 5 i 3 2 转速调节器的设计转速调节器的设计 1 确定时间常数 图 3 1 含滤波环节的 PI 型电流调节器 黑龙江科技学院课程设计报告 第 17 页 1 电流环等效时间常数 1 由前述已知 则 I K0 5 Ii K T 3 12 1 220 00370 0074 i I Tss K 2 转速滤波时间常数 根据所用测速发电机纹波情况 取 on T 0 01s on T 3 转速环小时间常数 按小时间常数近似处理 取 n T 3 13 1 0 00740 010 0174 non I TTsss K 2 选择转速调节器结构 按照设计要求 选用 PI 调节器 其传递函数式为 3 14 1 nn ASR n Ks Ws s 3 计算转速调节器参数 按跟随和抗扰性能都较好的原则 先取 h 5 则 ASR 的超前时间常数为 3 15 h 5 0 0174s 0 087s nn T 则转速环开环增益 3 16 22 2222 16 396 4 22 50 0174 N n h Kss h T 可得 ASR 的比例系数为 1 60 13 0 137 1 04 168 87 22 5 0 006770 0174 em n n hC T K h R T 3 17 式中 电动势常数 22052 8 0 137 min 1500 NNa e N UI R CVr n 转速反馈系数 min 1010 0 0067 min 1500 Nr VV Vr n 4 检验近似条件 转速截止频率为 3 18 11 1 396 40 08734 5 N cnNn K Kss 956 9 0174 0 58 0 0067 0 52 063 0 137 0 13 0 6 黑龙江科技学院课程设计报告 第 18 页 uF22 0F10175 2 10400 087 0 7 3 1 电流环传递函数简化条件为 3 19 11 11135 1 63 7 330 0037 I cn i K ss T 满足简化条件 2 转速环小时间常数近似处理条件为 3 20 11 11135 1 38 7 330 01 I cn on K ss T 满足近似条件 5 计算调节器电阻和电容 根据图 3 2 所示 取 则 0 40Rk 9 956 40 398 24 取 400 3 21 0 168 9406756 nn RK Rkk 6756k 6756k 6756k 取 0 22 3 22 0 02 F 3 0 440 01 1 40 10 on on T CFF R 取 1 F 3 23 6 校核转速超调量 当 h 5 时 查附表 5 3 典型型系统阶跃输入跟随性能指标得 不能满足设计要求 37 6 n 实际上 由于附表 6 3 是按线性系统计算的 而突加阶跃给定时 ASR 饱和 不符合线性系统的前提 应该按 ASR 退饱和的情况重新计算超调量 计算超调量 设理想空载起动时 负载系数 已知 0 58 0Z 5 N IA 1500 min N nr 1 5 7R 7R 当时 由附表 5 4 查得 0 137min e CVr 1 04 m Ts 0 0174 n Ts 5h 图 3 2 含滤波环节的 PI 型转速调节器 6 3 0 087 0 013 100 013 6756 10 n n n CFF R 黑龙江科技学院课程设计报告 第 19 页 而调速系统开环机械特性的额定稳态速降 max 81 2 b CC 3 24 maxmax 2 bNn n bbm CnCnT Z CnCnT 式中 电机中总电阻0 58 0 37 0 95 2 879 8 a RRR 7 R 调速系统开环机械特性的额定稳态速降 5 9 8 357 7 min 0 137 N N e I R nr C 为基准值 对应为额定转速 n1500 min N nr 根据式 3 24 计算得 6 7 8 3 25 357 70 0174 281 2 1 50 97 10 15001 04 n m nN T T n n z C C 2 b max 能满足设计要求 结结论论 黑龙江科技学院课程设计报告 第 20 页 通过本次对一个 V M 双闭环不可逆直流调速系统课程设计使我对电力电子技术电力 拖动自动控制系统有了进一步的了解与认识 对所学内容有了更深刻的印象 并且进一 步认识到工程设计时与实际相联系的重要性 比如在计算元件参数时计算出来的值往往 与实际生产参数不符 这就需要根据实际情况对参数进行取舍 另外 做设计时信息十 分重要 我运用文件检索工具查阅了大量的相关资料 这对设计大有益处 本次课程设 计为对我将来的毕业设计和工作需要打下了扎实的基础 本文是对双闭环直流电机调速系统的设计 通过一个星期的努力对该电路有了较为 深入的研究 也进一步熟悉了双闭环直流调速系统的结构形式 工作原理及各个器件的 作用和设计 本设计的主要工作是设计直流调速控制器的电路 设计的电路都是模拟电 路 详细地介绍了器件的保护 电流调调节器 转速调节器设计过程 当然还有其它电 路的设计 最后得到整个调速控制的电路原理图 课程设计期间 借用图书馆的书籍以及通过网络上的搜索 查阅了许多关于本设计 的书籍和资料 学会了如何使用现有的图书馆资料 让我真正的把在大学里学的课程运 用到实践的生活中 让我也体会到理论的重要 在指导老师的指导下 并与有共同设计 内容的同学交流 分析 整理和研究课题 先确立了设计基本思路 遇到问题及时与指 导老师沟通 在老师的指点和自己的努力 最后完成了整个设计 设计中 通过查阅书 籍 在了解的情况下运用公式按要求设计 一些简单的图形用画图板和 Word 中的画图 工具画出来 通过做课程设计 也有了不少的收获进一步了解和掌握了双闭环直流调速系统及其 控制电路的一些特性 比较全面的将所学的电力电子和电力拖动方面的知识运用于设计 当中 对设计中一些参数的计算也比较清析得到 整个双闭环直流调速电路分阶段地完 成 从电力电子方面的设计到电力拖动方面的设计 是一步一步的完成和组合 照搬理论会发现做出来的设计结果有点出入 因为理论是不考虑任何的外在原因 是在理想化的情况 而现实它则除了内在不可改变的原因 还有不可避免的外在原因 外在原因可以改变但是智能改善 所以本设计在有限的条件下和本人有限的学识 做出 的设计还是存在着一些不足 本设计采用 PI 调节器 输出的转速存在这超调量比较大 而且快速性也相对受到影响 则今后可以采用 PID 调节器可以全面的提高系统的控制性 能 但是具体实现与调试要复杂 做的工做比现在就更多 设计研究是一个漫长的过程 要想让它真正的使用到现实中 还需要不断的改善 最后 谢谢老师的悉心辅导和教诲 黑龙江科技学院课程设计报告 第 21 页 收获和体会收获和体会 通过做课程设计 我从中得了不少收获 在理论上 懂得了课本理论知识的重要性 在实践中 也学会了实践如何运用理论 理论联系实践 在做课程设计的过程中遇到了 很多问题 也克服了很多困难 希望自己能尽自己的力量做好每一件事 相信通过这次 的设计将在以后的学习和工作中给我不少的启发 我也会在今后更多的时间里学习各种 新知识 不断地扩充自己 在这几个星期的设计学习中 我得到了不少人的帮助和关怀 首先感谢我的指导老 师李国柱老师 在