V-M双闭环直流调速系统课程设计报告

1、实训报告课程名称：专业实训级：_姓名:专 业： 班学 号：指导教师： 成绩:完成日期：2015年1月15日任务书题目：直流调速系统的设计设计内容及要求：单闭环直流调速系统和双闭环直流调速系统的设计（一）主回路方案确定主要电气设备的计算和选择：1、整流变压器的计算2、晶闸管整流元件：电压定额、电流定额计算。3、系统各主要保护环节的设计：快速熔断器计算选择、阻容保护计算选择计算（二）控制回路选择反馈元件的选择，调节器的设计（三）画出闭环调速系统电气原理图（四）撰写设计说明书（报告）设计环境：主要由主电路和控制电路组成，主电路由开关，变压器，晶闸管整流装置， 保护器件，直流电动机和测速装置组成，控制

2、电路主要由运算放大器构成的控制器 组成。实现目标：1、使学生进一步熟悉和掌握闭环直流调速系统工作原理，了解工程设计的基本 方法和步骤。2、熟练掌握主电路结构选择方法，主电路元器件的选型计算方法。3、熟练掌握过电压、过电流保护方式的配置及其计算。4、掌握电流、速度调节器的典型设计方法。5、掌握电气系统线路图绘制方法。6掌握撰写实训报告的方法。1单闭环直流调速系统1.1主电路设计单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。 在电动 机轴上装一台测速发电机 SF，引出与转速成正比的电压 Uf与给定电压Ud比较 后，得偏差电压AU，经放大器FD，产生触发装置CF的控制电压Uk ,用以控

3、制电 动机的转速，如图1.1所示。图1.1单闭环直流调速系统原理框图直流电机，额定电压20V,额定电流7A ,励磁电压20V，最大允许电流40A1.1.1整流变压器额定参数的计算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 U2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U2。(1) 二次侧相电流和一次侧相电流在精度要求不高的情况下，变压器的二次侧相电压U2的计算公式：U 2( 1.2 1.5 ) U dmax / A几种整流线路变压器电压计算系统参数，如表1.1所示。表1.1几种整流线路变压器电压计算系统电路模式单相全波单相

4、桥式三相半波三相桥式A0.90.91.172.34C0.7070.7070.8660.5所以变压器二次侧相电压为：U 21.35200.930V变压器的二次侧电流I2的计算公式：1 d ：1 2A几种整流线路变压器电流Id/I2系数，如表1.2表1.2几种整流线路变压器电流ld/12电路模式电阻性负载电感性负载单相全控桥0.91三相全控桥1.221.22查表1.2得，A 1。变压器的二次侧电流：丨2 I d 7A 变压器的一次侧电流li的计算公式：一次侧电流：I, l2 U 2/U 17302200.95 A(2)变压器容量整流电路为单相桥式，取m mm2 1。二次容量：S2 m2U 2I21

5、 30 7210W一次容量：mU 1I1 1 220 0.95 209W 平均计算容量：S 扣 5) 209.5W1.1.2整流器件晶闸管的参数计算及选择额定电压UTN、电流|TN、功率PTN。整流元件的最大值电压UTM和额定电流的计算系数Kfb如表1.3所示表1.3整流兀件的最大值电压Utm和额定电流的计算系数Kfb电路模式Utm电阻性(Kfb)电感性(Kfb)单相桥式2U 20.5V0.45V三相桥式,6U 20.368V0.368V查表 1.3 得，UTm . 2u 2，Kfb 0.45Utn(2 3)U Tm 2 x2 30V 127.28VItn (1.52)Kfb|dm 2 0.4

6、5 40 36APtn UtnItn 127.28 364582.08W取Utn 130V , Itn 40A，Pn 5200W，选择 MEKD-ZL-50 型号整流模块 一个。1.1.3阻容保护电路的参数计算及选择单相变压器交流侧过压过流保护电容 C和电阻R的计算:2 1U 2 UK%C 6if % U2if %R 2.3 2S变压器励磁电流百分比：在101000Kv情况下，if %取410。变压器的短路电压百分比：在 101000Kv情况下，Uk%取510。209.5C 6 6 盯 8.38uF30302厂R 2.31 9.89Q209.5几种常见单相晶闸管阻容保护电路如图1.2所示。图1

7、.2单相RC保护电路几种常见三相晶闸管阻容保护电路如图1.3,图1.4所示1.2控制电路设计1.2.1单相整流模块参数(1) 工作频率f为50Hz。(2) 输入线电压范围 VIN (RMS)为30450VAC。(3) 控制信号电压 VCON为010VDC。(4) 控制信号ICONC 10 yA。(5)、输出电压不对称度V 6%(6) 输出电压温度系数v 600PPM/C。(7) 模块绝缘电压 VISO ( RMS) 2500V整流模块内部电路及使用和安装:图1.5单相整流模块(1)单相整流模块内部电路，如图1.5所示移相调控ECONCONGNDGHD一 EC12V(2)模块的使用安装模块电流规

8、格选择：为保证设备运转正常，选取的模块电流应为负载电流的1.53倍，整个运行过程，负载电流不能超过模块的额定电流。环境要求：模块的存贮和工作场所应干燥、通风、无尘、无腐蚀性气体。工作环境温度范围为 25C + 45C。安装步骤： 把散热器和风机按通风要求安装好，散热器表面必须平整、光洁。在模块 导热底板与散热器表面均匀涂覆一层导热硅脂，然后用螺钉把模块固定于散热器 上，注意用力要均等。 因模块工作电流较大，必须用带接线鼻的多股铜线进行连接 (禁用铝线)， 导线截面积按电流密度v 4A/mm 2选取。严禁将铜线直接压接在模块电极上。 用接线鼻环带将铜线扎紧，以免接触不良而附加发热，然后套上绝缘热

9、缩 管，用热风或热水加热收缩。将接线鼻固定在模块电极上，确保良好的平面接触， 并用螺钉紧固。 注意模块输入输出电极勿掀起，以免损坏模块。 接控制线：接线见图1.6和表1.4所示。1 EUON2 *CUK3 *GNCd GNC&DC12V图1.6五脚插座的对应顺序表1.4引脚接线引脚功能引线颜色5脚插座+ 12红色5GND黑色4GND黑色（灰色）3CON黄色2Econ橙色（褐色）11.2.2LM331芯片简介及工作原理LM331采用单电源供电，电源电压VCC，模拟信号Vin的输入范围-VCC 0V,频率范围为1500KHZ，非线性低于0.01%。模拟信号比经积分器积分处 理后，在INPUT端变成

10、与输入电压比 成正比的稳定电流输入，通过LM331芯片 进行V/F转换后，变成与电压成正比的频率信号，FOUT端输出的频率信号送到计 算机的计数/定时端口，计算机对频率信号进行采集、处理、存储。从而实现模拟 信号到数字信号的转换。由于LM331的转换线性度直接影响转换结果的准确性， 而通常引起V/F转换产生非线性误差的原因是引脚 1的输出阻抗，它使输出电流 随输入电压的变化而变化，因而影响转换精度，为克服此缺点，高精度V/F转换 器在1脚和7脚间加入了一个积分器，这个积分器是由常规运放LF356和积分电容C4构成的反积分器。LM331外部扩展电路如图1.7所示。图1.7 LM331外部扩展电路

11、1.2.3运算放大LM324芯片简介及工作原理LM324系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是 3.0V-32V。它采用14管脚双列直插塑料（陶瓷）封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器， 除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1.8所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“ +、-”为两个信号输入端，“V+” “V”为正、负电源端，“V”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端 Vo的信号与该输入端的相位相同

12、。C反相输入端）.v+LM324的引脚排列见图1.9所示图1.8运算放大器14 13 12 11 10 9 512 3 4 56 7图1.9 lm324功能引脚图LM324的特点：（1）短跑保护输出；（2）真差动输入级；（3）可单电源工作：3V-32V ；（4）低偏置电流：最大100nA（LM324A）；（5）每封装含四个运算放大器；（6）具有内部补偿的功能；（7）共模范围扩展到负电源；（8）行业标准的引脚排列；（9）输入端具有静电保护功能。1.2.4光电编码器光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成 脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光 栅盘和

13、光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干 个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动 机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲 信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90。的两路脉冲信号光电编码器E6B2_C接线如图1.10所示。1.2.5无静差调速采用PI调节器的单闭环无静差调速系统控制结构如图1.11所示图1.11单闭环无静差调速系统PI调节器控制结构图单闭环调速系统控制电路如图1.12所示HnsciMsxrg富1LTxs取nuTaa-rgSIfc- sS

14、T WiHHTJsi 4mgnu 2爵J畧宦ST:*INHT-a- -TAJ畫毎眾MOTa图1.12单闭环调速系统控制电路图单闭环调速系统主电路如图1.13所示图1.13单闭环调速系统主电路2双闭环直流调速系统2.1双闭环直流调速系统设计双闭环直流调速系统主要由给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、 速度检测环节以及电流检测环节组成。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作 用，系统设置了电流调节器 ACR和转速调节器ASR。电流调节器ACR和电流 检测反馈回路构成了电流环；转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环， 称为双闭环调速系统。因转速换包围电流环，故称电流环为内环，转速环为

15、外环。 在电路中，ASR和ACR串联，即把ASR的输出当作ACR的输入，再由ACR 得输出去控制晶闸管整流器的触发器。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具有输入输出限幅功能的 PI调节器，且转速和电流都 采用负反馈闭环。该系统原理框图如图 2.1所示。图2.1双闭环直流调速系统原理框图2.2主电路设计本组双闭环直流调速系统设计参数如下：直流他励电动机：功率Pe= 1.45KW，额定电压Ue=220V，额定电流|e=6.5A, 磁极对数P=1，ne=1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻Ra=3.7 Q主电路总电 阻R= 7.4 Q, Ks=27，电磁时间常数

16、Tl=0.033s,机电时间常数Tm=0.26s，滤波时 间常数Toi=0.0031s, Ton=0.01s,过载倍数 入=1.5，电流给定最大值 5m 8V， 速度给定最大值 10V，匸 0.77V/A，a 0.007 Vmin/。2.2.1整流变压器额定参数的计算(1) 一次侧相电流和二次侧电流在精度要求不高的情况下，变压器的二次侧相电压U2的计算公式：U 2( 1.2 1.5) U d max / A查表1.1得，A 2.34。所以变压器二次侧相电压为：U 21.32202.34122.22 V变压器的二次侧电流12的计算公式：Id :丨2 A查表1.2得, A 1.22。变压器的二次侧

17、电流：丨2 Id 6.5 1.225.33A变压器的一次侧电流I1的计算公式：U1/U2I2/ 丨1N一次侧电流：I 1 I 2U 2/U 15.33122.222202.96 A(2)变压器容量整流电路为三相桥式，取mm1m23 0二次容量：S2 m2U2*3 122.225.331954.3W一次容量：S, mU 1I13 220 2.961953.6W平均计算容量：S (S S2) 1953.95W22.2.2整流器件晶闸管的参数计算及选择额定电压Utn、电流Itn、功率Ptn 0查表 1.3 得，UTm6U2,心 0.368 0UTN (2 3)UTm 2,6 122.22V598.7

18、5VItn (1.52)Kfb|dm 1.5 0.368 1.5 6.5 5.382 APtn UtnItn 598.75 5.3823222.45W取 Utn 598.75V , Itn 5.382A , Rn 3222.45W，选择三相整流模块 F18系列SD57-16型号。2.2.3阻容保护电路的参数计算及选择(1 )单相变压器交流侧过压过流保护电容C和电阻R的计算:6%变压器励磁电流百分比：在101000Kv情况下，if %取410变压器的短路电压百分比：在 101000Kv情况下，Uk%取510。1953.95才C 6 523.92uF取 4.1uF122.22122.222i195

19、3.9517.6Q取20 Q(2) 保护电容的耐压值计算Uc 1.5U2 1.5 122.22 183.33/0.24A6Ic 2 fCUc102 3.14 50 4.1 183.33 102.2.4双闭环直流调速系统主电路双闭环直流调速系统主电路如图2.2所示IB別1曲加图2.2双闭环直流调速系统主电路2.3双闭环直流调速系统控制电路的设计2.3.1转速、电流双闭环设计原则双闭环直流调速系统控制电路转速、电流双闭环设计原则：先内环后外环2.3.2 ACR电流环的设计(1)确定时间常数三相桥式电路的平均时空时间：TS 0.0017s电流滤波时间常数：Toi 0.0031s电流环时间常数：T i

20、 Ts Toi 0.00170.0031(2)选择电流调节器结构T 0 033根据设计要求：i 5%，而且 丄 一 0.6875 10T i 0.00480.0048 s因此电流环可按典型I型系统设计。电流调节器选用PI型，其传递函数为：Wacr (s)Kiis 1iS(3) 选择电流调节器参数ACR超前时间常数：i Ti 0.033s机电时间常数：Tm=0.26s电流环开环增益：要求i 5%时，应取KiT i 0.5“0.50.5” .KI104.17 / sT i 0.0048i于是，ACR的比例系数为KiKi2.02iR0.033 (3.7 7.4)1104.17 -Ks27 0.77(

21、4) 校验近似条件电流环截止频率：ci KI 104.17 /s1)晶闸管装置传递函数近似条件:ci3Ts11现在 一196.111. s3TS 3 0.0017ci2)忽略反电动势对电流环影响的条件:cici满足。3TmTi现在，3J吉3彳出茨1 324/s满足3)小时间常数近似处理条件：ci 13TsToi 1 13 0.0017 0.0031 s1现在，145.2/sci满足(5)计算调节器电阻和电容电流调节器原理图，按所用运算放大器取R040k ，各电阻和电容值计算如下RiCiCoiKiRO 1.013 40k4.52k ，取 40ki 0.0336J3 10 FR 40.52 103

22、404 0.0031 106 F可 40 1030.82 F，取 0.82 F0.31 F，取 0.33 Fi %4.3%5%，满足设按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为: 计要求。其结构图如图2.3所示:Ri CiRD/EWZI 工CoinRbal图2.3 ACR电流调节器结构图2.3.3 ASR转速环的设计(1)确定时间常数1)电动机电动势系数为Ce2)电流环等效时间常数为Un InR 220 6.5 3.70.13V min/ r Ne150012T i 0.0048s 0.0096s。Ki3) 转速滤波时间常数Ton根据所用测速发电机纹波情况，取Ton0.01S4) 转速环小时间常

23、数T n0.010.0196s按小时间常数近似处理，取Tn 2T i Ton 0.0096(2)选择转速调节器结构又根据动态要求, 其传递函数为：由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节； 应按典型U型系统设计转速环。故 ASR选用PI调节器,Wasr(S) Knn s(3) 选择转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取 h 5，则ASR的超前时间常数为:hT n 5 0.0196s0.098s转速环开环增益:h 1 2h2T n2 于是，ASR的比例系数为： K (h 1) CeTmn 2h RT nKn6 22 52 0.01962 s6 0.77 0.13 0.262 5 0.007(3.77.4)6.1s 20.250.0196(4)校验近似条件1)转速环截止频率为cnKn kKn10.5978s2)电流环传递函数简化条件:1现在，3Ti1104.173 、0.00483)时间常数近似处理条件:1104.173 0.016.1 0.098s满足1 s1 s满足(5)计算调节器电阻和电容按照转速调节器原理,取Rq40k，则RnKnRoCnConnRn4TonRq10.250.098450 1034 0