带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统的分析与设计(DOC)

1、摘要带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的在对调速精度要求不高的， 大功 率容量的电机中的应用是非常广泛的， 它具有控制简单方便， 调速性能较好， 设 备成本低等的优点。本次设计是基于对组成调速系统的两个主要部分：主电路，包括主回路方 案的确定、元器件的参数计算和选型、触发电路和保护环节；控制电路，包括转 速负反馈环节的参数计算、 电流截止负反馈环节的参数计算， 电流检测环节和调 节器的设计的分析、参数计算和设计，并且用 Visio 绘图软件画出各主要部分的 框图和电气原理图。关键词： 直流电机 V-M 系统 电流截止负反馈 主电路 控制电路16目录前言 1第 1 章 带电流截止负反馈的闭环直流

2、调速系统总体设计方案的确定 51.1 普通闭环直流调速系统 及其 存在 的问 题 51.2 限流保护电流截止负反馈的提出51.3 直流调速系统调速方案的分析比较与选择51.4 V-M 系统的工作原理分析61.5 设计参数的选择7第 2 章 带电流截止负反馈的闭环直流调速系统主电路的设计 72.1 变压器的参数计算及选型72.2 主电路元器件的参数计算与选型82.2.1 主电路结构选择82.2.2 晶闸管的额定参数计算82.2.3 平波电抗器的参数计算9第 3 章 带电流截止负反馈的闭环直流调速系统控制电路的设计 123.1 控制电路的结构选择123.2 转速环的参数计算与设计133.3 电流截

3、止负反馈环节的参数计算与设计143.3.1 电流检测与反馈143.3.2 电流检测环节的参数计算153.4 系统的动态分析与设计163.5 调节器的参数计算与设计17第 4 章 带电流截止负反馈闭环直流调速系统总电气原理图 17 课程设计小结 1919参考文献课程设计任务书一题目：带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的分析与设计 二系统各环节的分析与选型1、主回路方案确定。2、控制回路选择：调节放大器、触发器、电流截止环节，转速负反馈环节、调节器的设计、电流检测环节（须对以上环节画出线路图，说明其原理） 。 三主要电气设备的计算和选择1、变压器计算：变压器原副边电压、电流、容量以及联接组别选择。

4、2、电力电子器件：电压定额、电流定额计算及定额选择。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4、平波电抗器选择计算或滤波电路的选择。四系统参数计算1、电流检测环节 Ucom 、Rs的计算。2、转速调节器中 C1、 R1 的计算。（输入电阻均为 40K。）3、动态性能指标 Ts、 Tl 、Tm计算。五画出调速系统电气原理图六参考资料前言 科学技术的发展日新月异，科技产品涵盖着我们生活的方方面面。电动机 作为一种便利的带动工具，是我们生活和工业生产中重要的不可缺少的一部分， 人类的生产生活已经离不开它。 对于我们来说， 如何高效精确地控制电机的运转， 并且最低的成

5、本去实现，才是我们最值得深入研究的课题。直流电动机具有良好的起、制动性能，方便控制，易于实现，宜于在大范围 内平滑调速， 并且直流调速系统在理论和实践上都比较成熟， 是研究其它调速系 统的基础。在直流电动机中，带电流截止负反馈直流调速系统应用也较为广泛， 其广泛应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切割机床等很多领域的自动控制中，虽 然，在调速的高效性方面存在着局限性， 但综合各方面来看， 它任然有它独特的 运用前景。第 1 章 带电流截止负反馈的闭环直流调速系统总体设计方案1.1 普通闭环直流调速系统及其存在的问题（1）起动的冲击电流 - 直流电动机全电压起动时， 如果没有限流措施， 会 产生很大的

6、冲击电流， 这不仅对电机换向不利， 对过载能力低的电力电子器件来 说，更是不能允许的。（2）闭环调速系统突加给定起动的冲击电流 - 采用转速负反馈的闭环调速 系统突然加上给定电压时， 由于惯性， 转速不可能立即建立起来， 反馈电压仍为 零，相当于偏差电压，差不多是其稳态工作值的 1+k 倍。这时，由于放大器和 变换器的惯性都很小， 电枢电压一下子就达到它的最高值， 对电动机来说， 相当 于全压起动，当然是不允许的。（3）堵转电流 - 有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。 例如，由 于故障， 机械轴被卡住， 或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。 由于闭环系统的 静特性很硬，若无限流环节，硬干

7、下去，电流将远远超过允许值。如果只依靠过 流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。1.2 限流保护电流截止负反馈的提出 为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题， 系统中必须有 自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变， 就应该引入那个物理量的负反馈。 那么，引入电流负反馈， 应该能够保持电流基 本不变，使它不超过允许值。通过对电流负反馈和转速负反馈的分析。考虑到， 限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增 减，采用电流截止负反馈的方法， 则当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以 限制电流，而电流正常时仅有

8、转速负反馈起作用控制转速。1.3 直流调速系统调速方案的分析比较与选择 调节电动机的转速有三种方法：（ 1）调节电枢供电电压 U。（ 2）减弱励磁磁通 。（ 3）改变电枢回路电阻 R。对于要求在一定范围内的无级平滑调速的系统来说， 以调节电枢供电电压的 方式最好。 改变电阻只能实现有级调速； 减弱磁通虽然能够平滑调速， 但调速范 围不大，往往只是配合调压方案， 在基速（额定转速） 以上作小范围的弱磁升速。 因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。变压调速是直流调速系统的主要方法， 调节电枢供电电压需要有专门的可控 直流电源。常用的可控直流电源有三种：（1）旋转变流机组（简称 G-M 系

9、统）。用交流电动机和直流发电机组成机 组，获得可调的直流电压。（2）静止式可控整流器（简称 V-M 系统）。用静止式可控整流器获得可调 的直流电压。（3）直流斩波器或脉宽调制变换器 （简称 PWM 系统）。用恒定直流电源或 不可控整流电源供电， 利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制， 产生可变的 平均电压G-M 系统所需要的设备多，体积大，费用高，效率低，安装须打地基，运 行有噪声，维护不方便，因此现在已经基本不再使用； PWM 系统与 V-M 系统相 比虽然有较大的优越性， 但仅在中、 小容量系统的高动态应用广泛， 而在大功率 容量的电机中， 对调速精度要求不高的场合， V-M 系统任然适

10、用， 并且发挥着不 可替代的作用。1.4 V-M 系统的工作原理分析晶闸管电动机调速系统（简称 VM 系统），其原理图如图 1-1 所示。图 中 VT 是晶闸管的可控整流器，通过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移动触 发脉冲的相位，即可改变平均整流电压 Ud，从而实现平滑调速，也大大提高了 系统的动态性能；反并联两组全控整流电路，就可实现电机的四象限运行。由于晶闸管的单向导电性， 它不允许电流反向， 给系统的可逆运行造成困难； 元件对过电压、 过电流以及过高的 du/dt 和 di/dt 都十分敏感， 其中任一指标超过 允许值都可能在很短时间内损坏元件。因此必须有可靠的保护装置和符合要

11、求的散热条件， 而且在选择元件时还应 有足够的余量。1.5 设计参数的选择（1）电机的参数选择 直流他励电动机：功率 PN22KW ，额定电压 UN=220V，额定电流 IN=116A,磁 极对数 P=2，nN=1500r/min,励磁电压 220V, 电枢绕组电阻 Ra=0.32, 主电路总电 阻 R0.5，电压放大系数 Ks=22，系统运动部分的飞轮惯量 GD 2 10N m2。（2）测速发电机永磁式，额定数据为 23.1W，110V，0.21A，1900r/min （3）调速指标调速范围 D=10，转差率 S5%第 2 章 带电流截止负反馈的闭环直流调速系统主电路的设计2.1 变压器的参

12、数计算及选型变压器副边电压采用如下公式进行计算：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 0.05I2NC 0.5则U2220 2 12.34 0.9(0.9848 0.5 0.05 1)110V因此变压器的变比近似为： K U1 380 3.45 U 2 110一次侧和二次侧电流 I1和 I2的计算I1=1.05 ×287×0.861/3.45=75AI2=0.861 ×287=247A 变压器容量的计算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因此整流变压器的参数为： 变比 K=3.45，容量 S=83.5KVA ，联结方式为： /Y2.2 主电路元器件的参数计算与选型2.2.1 主电路结构选择 本设计采用桥式整流电路，其主要特点如下：输出电压高，纹波电压小， 管子所承受的最大反向电压较低，电源变压器充分利用， 效率高。晶闸管的导通 顺序依次为 VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6 。图 2-1 三相桥式全控整流电路2.2.

14、2晶闸管的额定参数计算晶闸管的额定电压通常选取断态重复峰值电压 UDRM 和反向重复峰值电压 URRM 中较小的标值作为该器件的额定电压，考虑到要留有一定的裕量，一般取 额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的 23 倍；据有效值相等的原则， 晶闸管的额定电流一般选取其通态平均电流的 1.52 倍。在三相桥式全控整流 电路中，带纯阻性负载时，晶闸管两端承受的最小峰值为2U 2 ；带反电动势负载时，晶闸管两端承受的最大正反向峰值为 6U2 ；晶闸管的通态平均电流IVT= 1 Id。 3则据UN= 6 U N (23)/ 2 UN(23),I2=23 Id ,IVT= 1 3IIVT（AV） =

15、 IVT/1.57（1.52） 在本设计中，晶闸管的额定电流 IVT（AV） =167 334A 晶闸管的额定电压 UN=539 1617V2.2.3 平波电抗器的参数计算在 V-M 系统中，脉动电流会增加电机的发热，同时也产生脉动转矩，对机 械产生不利， 为了避免或减轻这种影响， 须采用抑制电流脉动的措施， 在本设计 中采用设置平波电抗器的方法。Ud=2.34U2cosUd=UN=220V, 取 =0°一般取 I dmin 为电动机额定电流的 5%-10%, 这里取 10% 则U2=Ud2. 34 cos 094.0171V2.34L=0.693U2dmin0.693 94.017

16、10.1 17.537.23mH2.2.4 整流装置的保护 与其他类型的电气设相比， 晶闸管元件有很多优点， 但是由晶闸管的伏安特 性可知，元件的反向击穿电压较接近于运行电压，热时间常数小，因此过电压、 过电流能力差， 在短时间内的过电压、 过电流都可能造成元件的发热损坏。 为了 使晶闸管可靠工作，必须设置保护装置。（1）过电压保护如图 2-2所示，下图是常见的三相 RC 过电压抑制电路连接方式。 交流侧 RC 过电压保护的参数整定据公式 C13×6×Io%×S1/ U 12 （一般取 Io%=6.5%） =3×6×6.5 ×(85.

17、5/3) 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图 2-2 三相 RC 过电压抑制电路 直流侧 RC 过电压保护的参数整定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%)56.5熔体额

18、定电流为 IN=240/1.57=152.8A 所以快速熔断器的型号为 RLS-160。2.2.5晶闸管的触发电路的选择图 2-3 给出了常见的三相桥式全控整流电路的晶闸管的触发电路。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桥控桥整流电路中有六个晶闸管， 触 发顺序依次为： VT1

19、VT2 VT3VT4VT5 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 60O，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图 2-3。第 3 章 带电流截止负反馈的闭环直流调速系统控制电路的设计3.1 控制电路的结构选择图 3-1 所示是一个带电流截止负反馈的无静差的直流调速系统， 采用比例积 分调节器一实现无静差，采用电流截止负反馈来限制动态过程的冲击电流。 TA 为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号Ui 。当电流超过截止电流 Idcr 时，

20、Ui 高于稳压管 VS 的击穿电压， 使晶体三极管 VBT 导通，则 PI 调节 器的输出电压 Uc 接近于零，电力电子变换器的输出电压 Ud 急剧下降，达到限+如图 3-2 所示，上述无静差调速系统的理想静特性如图实线所示nmaxn1n2OIdcr图 3-2 带电流截止的无静差直流调速系统的静特性当Id<Idcr 时，系统无静差，静特性是不同转速的一族水平线；当Id Idcr 时，电流截止负反馈起作用，静特性急剧下垂，基本上是一条垂直图3-3无静差直流调速系统稳态结构图(Id <Idcr )图 4-4 无静差直流调速系统稳态结构图 ( I d I dcr )3.2 转速环的参数计

21、算与设计(1)额定负载时的稳态速降应为nclnN sD(1 s)1500 0.0510 (1 0.05)r /min 7.89r /min2)求闭环系统应有的开环放大系数计算电动机的电动势系数Ce1500UN INRa 220 116 0.5V min/ r 0.0947V min/rnN开环系统额定速降I N R 116 0.32nopN r /min 391.97r / minop Ce0.0947 闭环系统的开环放大系数Knop 1 391.97 1 49.68ncl7.893)计算转速负反馈环节的反馈系数和参数测速发电机的电动势Cetg 0.0579V min/ r etg 1900r

22、/min转速反馈电压（ =2Cetg 2取 0.2）U n2Cetg ×1500 r/min =0.2 ×0.0579 ×1500=17.37V 转速反馈系数2Cetg =0.2 ×0.0579V.min/r=0.01158V.min/r(4) 计算运算放大器的放大系数和参数 运算放大器放大系数KpKK S Ce49.680.01158 22 / 0.0947. 18.47运算放大器型号取 R0=40K，R1= K p R0 =18.47 4×0K=738.8 K3.3 电流截止负反馈环节的参数计算与设计3.3.1 电流检测与反馈直流调速系统中

23、的电流截止负反馈的电流检测环节如图 4-5 所示，电流反馈 信号取自串入电动机电枢回路中的小阻值电阻 Rs，IdRs正比于电流。 设Idcr为临 界的截止电流，当电流大于 Idcr 时，将电流负反馈信号加到放大器的输入端；当 电流小于 Idcr时，将电流反馈切断。为了实现这一作用， 须引入比较电压，图 4-5a 中用独立的直流电源作为比较电压， 其大小可用电位器调节， 相当于调节截止电 流。在 IdRs与 Ucom之间串联一个二极管 VD，当 IdRs>Ucom时，二极管导通，电流负反馈信号 Ui 即可加到放大器上去；当 IdRsUcom 时，二极管截止， Ui 既消 失。截止电流 I

24、dcr=U com/ Rs。图 4-5b 中利用稳压管 VS 击穿电压 Ubr 作为比较电压，线路要简单得多，但不能平滑调节截止电流。a）利用独立直流电源作比较电压（ b）利用稳压管产生比较电压图 4-5 电流截止负反馈的电流检测环节所以选择利用独立电源作比较电压环节 ，见图 4-5a。3.3.2电流检测环节的参数计算UU最大堵转电流 I dbl U n U comdblRsI dbl 应小于电机允许的最大电流，一般为 Idbl =（1.52.0）IN，故取Idbl =1.5 IN=1.5 ×116=174A（已知 IN =116A）截止电流 Idcr=Ucom/ Rs。从调速系统的

25、稳态性能上看， 希望稳态范围足够大， 截止电流应大于电机的额定电流，一般取 Idcr（1.11.2）IN ；故取Idcr=1.2 IN=1.2×116=139A（已知 IN =116A）由式和式可求出Rs=0.29， U com =40V3.4 系统的动态分析与设计图 4-3 为反馈控制闭环直流调速系统的动态结构框图， 是由各环节的传递函数，按在系统中的相互关系组合起来的。21图 4-3 反馈控制闭环直流调速系统的动态结构框图其开环传递函数为W(s)K(Tss 1)(TmTls2 Tms 1)据系统的闭环传递函数和劳斯判据得，系统稳定条件为2Tm (Tl Ts) Ts2KTlTs计算

26、系统中各环节的时间常数： (已知 L=37.23mH) 电磁时间常数为 Tl L 0.03723H 0.074sl R 0.5机电时间常数为 TmGD R 10 0.5 s 0.156sm 375CeCm 375 0.0947 0.0947 30/对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为 Ts 0.00167 s 所以为保证系统稳定，开环放大系数应满足稳定条件，即Tm(Tl Ts) Ts2 0.156 (0.074 0.00167) 0.0016720.00167 0.074K 95.5因为 K=49.6895.5，所以闭环系统是稳定的系统的开环传递函数为：W(s)49.68(0.00

27、167s 1)(0.0115s2 0.156s 1)3.5 调节器的参数计算与设计作为调速系统的动态校正装置，且该直流调速系统是无静差调速系统，所以常采用 PI调节器来实现，其线路图 4-6 所示。图 4-6 PI 调节器线路图PI 调节器的的传递函数为Wpi sK pi s 1sKpi为 PI 调节器的比例放大系数 C1= / R0 ；Kpi=R1/ R0； 为 PI 调节器积 分时间常数 所以 PI 调节器的阻容具体参数计算如下：已知 Kpi =Kp =18.47，R0=40K，取 =0.05；R1= K p ×R0 =18.47 ×40=738.8 KC1= / R0 =0.05/40