自控晶闸管驱动直流电机说明书要点计划

1、自控系统课程设计双闭环不可逆直流调速系统姓名：班级：学号：指导老师：摘要转速、电流双闭环三相全桥晶闸管控制直流调速系统是性能很好、 应用最广的直流调速系统。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。本设计采用转速、 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，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。 先确定电机参数和器件参数在设计调节器值。先 确定 其结 构形 式和

2、 设计各 元部件，并 对其参 数计算。最 后采用matlab/simulink对整个调速系统进行了仿真分析1 绪论1.1 直流调速系统的概述三十年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机组及水银整流装置使直流电气转动完成了一次大的飞跃。同时，控制电路已经实现高度集成化，小型化，高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化，完善化，系列化，标准化，在可逆脉宽调速，高精度的电气转动领域中仍然难以代替。直流调速是指人为的或自然的改变直流电机的转速，以满足工作机

3、械要求。从机械性能上看，就是通过改变电机的参数或外加电压的方法来改变电机的机械特性，从而改变电动机机械特性和工作机械特性的交点，使电机的稳定转速发生变化。直流电机具有良好的起，制动性能，宜于在广泛的范围内平滑调速，在轧钢机，矿井卷扬机，挖掘机，海洋钻机，金属切削机床，造纸机，高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展的很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。1.2研究课题的目的和意义在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远

4、，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统地勘电压扰动的性能要差一些。双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速动态变化会比单闭环系统小得多。用经典的动态校正设计调节器需同时解决稳，准，快，抗干扰等个反面相互有矛盾的静动态性能要求，需要设计者扎实的理论基础和丰富的实践经验，而初学者则不易掌握，于是有必要建立使用的设计方法。大多数现代的电力拖动自动控制系统均可低阶系统近似。若事先深入研究低阶典型系统的形式再与图表对照，设计过程就简单多了。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。1.3 设计要求与内容设计要求1、晶闸管整流装置采用三相桥式全

5、控整流电路。2、 z2系列直流电动机调速要求稳态响应无误差。3、电流环超调量 5%，转速环按典型 ii 型系统设计4、要求在给定输入作用下的调节时间最短。设计内容与步骤1 、复习有关教材、到图书馆查找有关资料，了解、熟悉系统的工作原理。2 、总体方案的构思根据设计的要求和条件进行认真分析与研究，找出关键问题。广开思路，利用巳有的各种理论知识，提出尽可能多的方案，作出合理的选择。画出其原理框图。3 、总体方案的确定原理框图中可由一个或多个框图组成，各有独立的功能，用文字写于框中。框图按信息流向从左至右或从上到下布置。每个框图有一个或多个单元电路，注意集成电路等元器件的功能、先进性、价格、购买是否

6、容易?4 、单元电路的设计与选择单元电路结构形式：运用巳学过的电工基础、模拟电子、数字电子、电力电子、计算机控制技术、自动控制系统等技术和知识进行设计。或者从其他的文献资料中选取与要求相近的电路加以适当改进，择优选择。元器件的选择：多查阅器件手册、资料，熟悉常用的元器件型号、性能。考虑价格、货源、体积等要求。5 、单元电路之间的设计单元电路确定后，要认真考虑他们之间的耦合方式、时序配合以及相互干扰的级联问题。双闭环直流调速系统的组成2.1 直流电机的供电需要三相直流电，在生活中提供的三相交流380v 电源，因此要进行整流，则本设计采用三相桥式整流电路变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给直

7、流电动机。如图 1 设计的总框架。图 1 双闭环直流调速系统设计总框架2.2双闭环直流调速系统的结构图带有转速反馈和给定阻容滤波、 电流反馈和给定阻容滤波的电流转速双闭环直流调速系统的结构图如图 1 所示。如图 12.3双闭环直流调速系统的数学模型根据图 1 所示的结构图可得双闭环调速控制系统的数学模型如图2。如图 22.2 系统的自动调节过程在图一中，电流互感器lh 将交流电流按一定变比检测出来，经过整流滤波后在检测电位器 rf 上形成电压 u f ，其分压值 u gi 作为电流调节器acr的负反馈量。电流调节器的给定量 u gi 是速度调节器的输出量。电流给定量与电流负反馈量的差值信号经比

8、例积分环节放大后作为晶闸管触发电路的控制信号u c ，控制晶闸管整流电压的平均值，在电枢回路产生负载需要的电枢电流i d 。显然，i d 大，交流侧电流有效值i 2 也大，反之亦然，说明i d 与 i 2 成比例。由电流检测环节，电流调节器及触发整流装置构成电流内环。由于电流内环的给定量u gi 的极性为“”，且调节器后无反相器，当u gi沿负极性方向电位降低时，u c 增大，触发角减小，整流电压平均值增大，电枢电流i d 增大，输出转矩增大，以拖动增大了的负载。事实上，当负载增大时，在电枢电流i d 尚未来得及增大时，电动机的转速将降低以维持功率平衡， 转速的降低使测速发电机的端电压降低，

9、使转速调节器输入端的电流平衡关系被破坏， 给定电流大于反馈电流， 其差值经转速调节器的反馈支路在电阻 rn 上产生压降并给电容c on 充电，使 u gi 的电位降低，导致 i d 增大。i d 增大表现的是拖动转矩的增加， 使转速回升。若转速的回升达不到先前的水平，asr调节器的反馈支路仍有充电电流使u gi 的电位继续降低， u c 继续增大， i d 继续增大，使转速进一步回升，直至恢复到原来的水平。可见，对转速而言，速度调节器 asr的 pi 结构使转速是无差系统。若负载转矩太大，即使电动机的电枢电流达到最大允许值时仍无法提供相匹配的转矩， 则电流环应当产生截止电流以保护电动机免遭烧毁

10、。这时的u gi 应当降到负限幅。上述分析表明，电流环的给定量随负载变化的要求由速度调节器自动地改变改变的结果能够自动满足负载对电枢电流的需求，可见电流环是个电流随动系统。当电流给定量改变时，如u gi 的电位沿负极性方向降低，在整流装置未来得及反应时，电流反馈量尚未变化， 于是，给定电流和反馈电流的差值使电流调节器acr反馈支路沿箭头方向给电容coi 充电并在电阻 ri 上产生电压降，使 u c 电位增加，触发角减小，整流电流有效值增加。当反馈量 u fi 与给定量 u gi 平衡时（大小相等、方向相反），acr反馈支路电流为0，但此时电容上的电压记录了电容的充电过程， u c 的电位比以前

11、的增加了，触发角减小了使整流电流维持在新的水平。另一方面，电流环还有抑制环内扰动量的功能。例如，电网电压降低时，整流电压平均值降低， 导致电枢电流降低， 交流侧电流有效值降低。 电流互感器检测到减小的电流使 u fi 减小，同样给电容 coi 沿箭头方向充电并在电阻ri 上产生电压降使 u c 电位增加，触发角减小，整流电流维持在新的水平。事实上，在电流环的调节器过程中，转速环也在调节。表现在：电枢电流的降低使电磁转矩小于负载转矩，导致电动机的转速降低， 。测速发电机检测到转速降低了，以电压的形式反馈到速度调节器 asr的输出端，使 asr的反馈支路沿箭头方向给电容 con 充电，并在电阻rn

12、 上产生电压降，使u gi 的电位沿负极性方向降低，增大了电流调节器acr反馈支路的充电电流，使u c 电位加快增加。一般内环调节的速度快， 外环调节的速度慢。 所以，增加电流内环可以及时抑制环内的扰动，这是单闭环控制系统所不具备的。 一般说来，速度给定控制系统的响应性能主要是抗扰性能， 它要求扰动量来时， 系统能立即做出反应， 及时消除扰动对输出量的影响。 对随动控制系统而言， 响应性能则主要是跟随性能， 它要求系统的输出量能及时准确地跟踪给定量的变化。2.5双闭环直流调速系统的电流调节环以 acr为核心的电流环作用是稳定电流，稳态时，u= -u* +u = -u*i+iifi i d=0，

13、即 id=u* i / 其中 uf i =i d， 为电流反馈系数。当u*i一定时，由于电流负反馈的作用，使输出电流保持在u*i/ 数值上。当 id u*i / 时，调节过程如下：i dui （ ui*i d） u ctud 0id最终可保持电枢电流稳定。当电流下降时，也有类似的调节过程。图 3 含滤波环节的 pi 型电流调节器2.6 双闭环直流调速系统的速度调节环以 asr 为核心的转速环作用是稳定转速，稳态时，un = u*n-ufn=0 ，其中 ufn= n即n= u*n / 。其中 为转速反馈系数。当 u*n 一定时，转速 n 将稳定在 u*n / 数值上。当 nu*n / 时，其自动

14、调节过程如下：负载nun（un*n） 0ui*0ui0uctudn最终可保持转速稳定。当转速上升时，也有类似的调节过程。图 4 含滤波环节的 pi 型转速调节器3 晶闸管整流器设计1. 晶闸管主电路如图如图 3-1 所示，为三相桥式全控带阻感负载， 根据要求要考虑电动机的电枢电感与电枢电阻， 故为阻感负载。习惯将其中阴极连接在一起的3 个晶闸管称为共阴极组；阳极连接在一起的3 个晶闸管称为共阳极组。共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3 个晶闸管分别为vt1、vt3、vt5， 共阳极组中与a、b、c 三相电源相接的 3 个晶闸管分别为 vt4、vt6、vt2。晶闸管的导通顺序为vt1 vt2

15、vt3vt4vt5 vt6。变压器为 y 型接法。变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免 3 次谐波流入电网3-12、整流变压器的选择由系统要求可知，整流变压器一、二次线电压分别为380v 和 220v，由变压器为y 接法可知变压器二次侧相电压为：u 2220v127v3变比为u 1380k3.0u 2127变压器一次和二次侧的相电流计算公式为：k i 1i di 1ki 2k i 2 i d而在三相桥式全控中ki1ki220.8163i d2.68a所以变压器的容量分别如下：变压器次级容量为：s13u 2i2变压器初级容量为：s23u1i1变压器容量为：ss1s22即：3127

16、0.8162.6833802.680.816s23.00.855kw变压器参数归纳如下：初级绕组三角形接法u 1 380v ， i 1 0.72896 a ；次级绕组星形接法， u 2127v ， i22.18688 a ；容量选择为 0.855kw。3、晶闸管的选择晶闸管的额定电压由三相全控桥式整流电路的波形知，晶闸管最大正、 反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值u fmurm6u2故桥臂的工作电压幅值为：u m6 127 311.1v考虑裕量，则额定电压为：u n2 3 u m2 3311.1622.2 933.3 v晶闸管的额定电流实际计算中，常常是负载的平均电流已知，整流器连接及运行方

17、式已经确定，即流过晶闸管的最大电流有效值和负载平均电流有固定系数关系。这样通过查对应系数使计算过程简化。当整流电路电抗足够大且整流电流连续时， 可用下述经验公式近似地估算晶闸管额定通态平均电流it(av )。i t ( av )(1.5 2) k it i d m ax1.50.3671.52.682.21301 a式中k it晶闸管电流计算系数；i整流器输出最大平均电流（a ）;当采用晶闸管作d max为电枢供电时，取 i d m ax 为电动机工作电流的最大值。4、晶闸管的保护电路、晶闸管的过电流保护： 过电流可分为过载和短路两种情况，可采用多种保护措施。对于晶闸管初开通时引起的较大的di

18、/dt，可在晶闸管的阳极回路串联入电感进行抑制；对于整流桥内部原因引起的过流以及逆变器负载回路接地时可以采用接入快速熔短器进行保护。如图4-1 所示：图 4-1 串联电感及熔断器抑制回路、晶闸管的过电压保护： 晶闸管的过电压保护主要考虑换相过电压抑制。晶闸管元件在反向阻断能力恢复前，将在反向电压作用下流过相当大的反向恢复电流。当阻断能力恢复时， 因反向恢复电流很快截止，通过恢复电流的电感会因高电流变化率产生过电压， 即换相过电压。 为使元件免受换相过电压的危害，一般在元件的两端并联rc电路。如图 4-2 所示：图 4-2 并联 rc电路阻容吸收回路5、电流互感器的选择应用直流电流互感器或霍尔直

19、流电流传感器可直接检测电流电枢电流，将连接电动机电枢回路的导体穿过它们的线圈，检测元件的输出端接可调电位器。设电流变比为k zl ，则可调电位器rf 上的电压为 u frf k zl i d ，取电位器的分压比为2 ，则反馈电压为u fi2 rf k zl i di d其中，电流反馈系数为u gi102 rf k zl3.73i dm2.686、晶闸管触发电路本系统中选择模拟集成触发电路kj004，kj004 可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。kj004 器件输出两路相差 180 度的移相脉冲， 可以方便地构成全控桥式触发器线路。kj004 电路

20、具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。原理图如下：图 6-1 kj004 的电路原理图4 基本参数的计算与确定4.1 直流电机的基本参数晶闸管供电的双闭环直流调速系统， 整流装置采用三相桥式电路， 基本数据如下：额定电压 :un=220v额定电流 :in=2.68额定转速： ne =1500r/min电枢电阻： ra=13飞轮力矩： 0.012 kg m2采用三相桥式整流电路，整流器内阻rv=1晶闸管触发整流装置放大倍数kv=504.2 参数的选取和计算1、三相桥式晶闸管整流装置的滞后时间11tvs 0.0017

21、s2mf26502、电枢回路总电阻rrarv(131)143、电动机的电势常量ceu n i n rn220 2.68 13 v (r / min) 10.123v (r / min) 1ne15004、调节器输入回路电阻r0一般调节器的输入电阻均取相同数值。这里取r0 =20k。5、电流反馈系数设最大允许电流i ami n ,于是i dmi n2.68当系统处于稳态，电流被认为是无静差时，则ac 入口偏差电压u fiu giufi0故u giu fii d当电枢电流处于最大允许电流时，此时速度调节器的输出量为u gi u gim ，由于 u gii dm 可以求得电流反馈系数u gi10i

22、dmv/a 3.73v/a2.686、给定环节及反馈环节的时间常数由于在电流检测信号和转速检测信号中含有较多的谐波分量，而这些谐波分量会使系统产生振荡。因此，反馈信号一般都经滤波。电流反馈信号的滤波时间常数tf ；一般取（ 13）ms，在此取 tfi =2ms 。而转速反馈信号一般取自测速发电机，当转速低时，谐波频率较低，容易引起机械振荡，故转速反馈滤波时间常数tfn 一般取（ 520 ）ms,在此取 tfn =10ms 。为了补偿电流、速度反馈的惯性影响，在速度给定和电流给定的输入端设置给定滤波电容器，使得电流给定滤波时间常数 tcitfi ，速度给定滤波时间常数tcntfn 。目前给定滤波

23、器和反馈滤波器多设在调节器输入端，如图三和图四， 其计算时间常数的公式为：t 1 r0c047、直流电动机的电磁时间常数计算电枢电感 lmkd u n103，公式中 p 为电动机刺激对数， k d 为计算系2pni n数，对一般无补偿电机， k d =812 ， p=2, 取 k d =10 则k du n 10310220103lm2pni n2 21500136.81mh2.68故，电磁时间常数为：lm136.81/ 103tl140.00977 sr8、直流电机的机电时间常数为机械特性曲线斜率飞轮力矩90 0.0120.00288stm3753750ra90 ，其中 ce nu ni n

24、 ra 0.123 。机械特性曲线斜率9.55(ce n ) 2nn9、转速反馈系数u gn120.008vmin/ rne15005 设计电流环三相桥式全控整流电路一个工频电周期有 6 个波头的导通时间为 3.33ms，一般取 1/2 1 波头时间为电流环滤波时间常数时可以将脉动电流量滤除。这里取toi0.002s ；晶闸管触发装置平均延时时间为ts0.0017 s ；则近似的电流环小时间常数为t itstoi0.00170.0020.0037（公式 1）由于电动机电枢回路的电磁时间常数为tl0.00977 s ，选择电流环pi 调节器的积分时间常数i0.00977 可以对消 tl 惯性环节

25、。根据要求选择电流调节器的放大系数时可使电流超调量限制在5%之内，电流环的开环放大时数需要满足11k i135.12t i2 0.0037可得（公式 2）k i r i135.1 140.00977（公式 3）k pi500.099k s3.73取 r010k，则运算放大器的参数应满足2rik pi r00.099 20 1.98 ki0.00977fci1.984.93ri10004toi40.002fcoi200.4ro1000（公式 4）（公式 5）（公式 6）6 设计转速环电流环近似的惯性环节时间常数为2t i20.00370.0074 s ，转速换滤波时间常数由测速发电机的脉动纹波情况可取ton0.01s ，则近似的转速环小时间常数为t n2t iton0.00740.010.0174（公式 7）选择 pi 型转速调节器可使系统成为ii 型系统。按 m r min 准则设计转速调节器。可知， h5 时给定量作用下的调节时间最短，为ts9.55t n9.550.01740.166s（公式 8）转速调节器的积分时间常数为nht n50.01740.087s（公式 9）计算转速环调节器的比例放大系数为h151396.4（公式 10）k n2t 2n2520.017422h计算转速调节器的比例放大系数为k n n tmce 396.40.087 3