带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统设计

1、目录摘要21主电路的设计21.1变压器参数的设计与计算21.2平波电抗器参数的设计与计算31.3晶闸管元件参数的计算31.4保护电路的设计42反馈调速及控制系统42.1闭环调速控制系统42.2带电流截止负反馈闭环控制系统52.3调节器设定82.4控制及驱动电路设计93参数计算103.1基本参数计算103.2电流截止负反馈环节参数计算与设计123.3调节器的参数设计与计算123.4调节器串联校正设计154总电气图165心得体会18参考资料18带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统设计摘要直流电动机具有良好的起、制动性能，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

2、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最为广泛，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。本次课设就带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统进行参数的设计。1主电路的设计1.1变压器参数的设计与计算变压器副边电压采用如下公式进行计算： 因此变压器的变比近似为：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=3×380×75=85.5kVAS2=m2U2I2=3×110×

3、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=83.5kVA1.2平波电抗器参数的设计与计算 Ud=2.34U2cos Ud=UN=220V, 取=0° U2=Idmin=(5%-10%)IN,这里取10% 则L=0.693 1.3晶闸管元件参数的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。晶闸管的额定电流一般选取其通态平均电流的1.5-2倍。在桥式整流电路中晶闸管两端承受的最大正反向电压均为，晶闸

4、管的额定电压一般选取其最大正反向电压的2-3倍。带反电动势负载时，变压器二次侧电流有效值I2是其输出直流电流有效值Id的一半，而对于桥式整流电路，晶闸管的通态平均电流IVT=I，则在本设计中晶闸管的额定电流IVT(AV)=523-698A本设计中晶闸管的额定电压UN=311-466V1.4保护电路的设计对于过电压保护本设计采用RC过电压抑制电路，该装置置于供电变压器的两侧或者是电力电子电路的直流上，如图1-1所示。对于过电流保护本设计采用在电力变压器副边每相母线中串接快速熔断器的方法来保护电路图1-1过压保护电路2反馈调速及控制系统2.1闭环调速控制系统将开环系统改为单闭环转速负反馈调速系统，

5、并采用PI调节器，就既保证动态性能，又能作到转速的无静差，较好的解决开环系统的不足，此闭环系统的工作原理是：将直流电动机转速变化信号反馈到触发环节，来自动增大或减小触发角来自动调节整流输出电压Uds，即可达到稳定,其系统结构框图如图2-1所示触发电路整流电路电动机转速反馈电 源UdsU-图2-1 单闭环转速负反馈系统框图2.2带电流截止负反馈闭环控制系统在转速反馈控制直流调速系统中存在一个问题，在启动、制动过程和堵转状态时，电枢电流会过大。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

6、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，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。电流截止负反馈环节如图2-2中的（a）(b)(c)图： . （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（c）封锁运算放大器的电流截止负反馈环节 图2-2电流截止负反馈的环节 图（a）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。图（b）中利

7、用稳压管VS的击穿电压Ubr作比较电压，线路要简单得多，但不能平滑的调节电流值。图（c）是反馈环节与运放的连接电路。由系统稳态结构可写出该系统两段静特性的方程式： 当时，引入电流负反馈，静特性变为： 图2-3带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性静特性的几个特点：（1）电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻 Kp Ks Rs ，因而稳态速大，特性急剧下垂。（2）比较电压 Ucom 与给定电压 Un* 的作用一致， 好像把理想空载转速提高到 （3）两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性。当挖土机遇到坚硬的石块而过载电动机停下，电流也不过是堵转电流，在式（1）中，令 n = 0，得一般,因此

8、（4）最大截止电流由给定条件知堵转电流 Idbl=2IN =35A, 截止电流 Idcr=1.5IN=26.25A（5）带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态系统结构框图及结构图如图2-4及图2-5KpKs1/CeRsRUfnUfiUgnIdRs-UbjnUcUnUdoUbj图2-4带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态系统结构框图图2-5含电流截止负反馈的转速负反馈原理图2.3调节器设定 如图2-6微PI调节器即比例积分调节器既结构图用于实现系统的无静差调速系统 图2-6 PI调节器的结构图 比例积分调节器的控制传递函数为： =/ 为PI调节器的比例放大系数= / 为PI调节器超前时间常数。比例调节

9、器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。积分调节器到稳态时Un =0，只要历史上有过Un ，其积分就有一定数值，足以产生稳态运行所需要的控制电压。如图2-7为采用PI调节器单闭环调速系统动态校正特性 图2-7采用PI调节器单闭环调速系统2.4控制及驱动电路设计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；数字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，本设计采用K

10、J004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桥控桥整流电路中有六个晶闸管，触发顺序依次为：VT1VT2VT3VT4VT5VT6，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

11、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5.3。图2-8 三相全控桥整流电路的集成触发控制电路3参数计算3.1基本参数计算1）额定负载时的稳态速降应为: 2）闭环系统应有的开环放大系数：计算电动机的电动势系数：开环系统额定速降为：闭环系统的开环放大系数为：3）计算转速负反馈环节的反馈系数和参数 设在额定转速下稳态时的给定电压为，则须有 故转速反馈环节的放大系数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Kp为:5)判断系统的稳定性计算：由已知平波电抗器：RL=0. 3。电枢回路总电阻 R=2.85 ，总电感 L=200mH所以系统中各环节的时间常数：电磁时间常

12、数Tl: 机电时间常数Tm: 晶闸管装置的滞后时间常数Ts:0.00167S计算出开环放大系数应满足的稳定条件为K98.67，又因为K=122.48，所以系统不稳定。3.2电流截止负反馈环节参数计算与设计如图3-1.其工作原理是：利用独立的直流电源作为比较电压，其大小可用电位器调节，相当于可调截至（保护）电流值。当时，二极管导通，电流截止负反馈信号加到放大器上去，从而使晶闸管系统输出电压减小，机械特性呈下垂特性；当时，二极管截止，消失。由所给的技术参数值可。为了减小所产生的功耗，选择为，可得。M+- UdId RsVDUi Ucom接放大器M图3-1电流截止负反馈环节3.3调节器的参数设计与计

13、算在设计闭环调速系统时，常常会遇到动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾的情况，这时，必须设计一个合适的动态校正装置，用它来改造系统，使它同时满足动态稳定性和稳态性能指标两方面要求。动态校正的方法很多，而且对于一个系统来说，能够符合要求的校正方案也不是唯一的。在电力拖动自动控制系统中，最常用的是串联校正和反馈校正。串联校正比较简单，也容易实现。对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统，由于其传递函数的阶次较低，一般采用PID调节器的串联校正方案就能完成动态校正的任务。PID调节器中有PD、PI和PID三种类型。由于PD调节器构成的超前校正，可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性，但稳定精度可能受到影

14、响；由PI调节器构成的滞后校正，可以保证稳定精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的。一般调速系统的要求以动态稳定性和稳态精度为主，对快速性要求差一些，所以采用PI调节器。如图3-2所示：图3-2比例积分（PI）调节器线路图现在我们利用PI调节器来校正，原系统的传递函数如下其中， ，由于因此分母中的二次项可以分解成两个一次项之积， 编写Matlab程序如下 k=122.47/(0.00167*0.161*0.07);z= ; p=-1/0.0067 -1/0.07 -1/0.161; num,den=zp2tf(z,p,k);bode(num,den);margin(num,den);gri

15、d 其所得伯德图如图3-3所示 3-3系统校正前bode图由于原始系统不稳定，表现为放大系数K过大，截止频率过高，应该设法把他们压下来。因此，把校正环节的转折频率设置在远低于原始系统截止频率处,令,使校正装置的比例微分项与原始系统中时间常数最大惯性环节对消,从而选定。其次，为了使校正后的系统具有足够的稳定裕度，它的对数幅频特性应以的斜率穿越线，将原始的对数幅频和相频特性压低，使校正以后系统的对数幅频和相频特性的截止频率。这样，在处，应有根据以上两点，校正环节添加部分的对数特性就可以确定下来了：取，为了使，取，在伯德图上查得相应的，因而因为 ，所以 ，于是PI调节器的传递函数为： 最后选择PI调

16、节器的阻容参数，选取，则，取，取3.4调节器串联校正设计校正后系统开环传递函数为编写Matlab程序如下：k=502/(0.00167*0.66*0.07);z= ;p=-1/0.00167 -1/0.07 0;num,den=zp2tf(z,p,k);bode(num,den);margin(num,den);grid所得伯德图如图3-4所示。由图3-4可以看出，校正后系统的幅值裕度和稳定裕度都满足稳定的条件，但截至频率变低，快速性被压低，显然这是一个稳定的方案，最终能使系统稳定。综上所述，转速调节器的类型和参数选择是正确的，即选为PI调节器，参数为，。图3-4校正后bode图4总电气图本电

17、气原理图由AUTOCAD中制成截图。设计完成后其电气原理图如图4-1所示图4-1带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统电气原理总图5心得体会本文实现了带电流截止负反馈的转速负反馈的直流调速系统的设计，介绍了带电流截止负反馈的转速负反馈的基本原理。通过参数的设计达到了题目的要求。通过本次课程设计，使我对电流负反馈的转速负反馈直流调速系统分析与设计方法有了更加深刻的认识，为以后的学习和工作打下了坚实的基础。在大学的课堂的学习只是在给我们灌输专业知识，指导我们学习的方向。如果我们想把所学的用到我们现实的生活中去，则必须要有扎实的理论基础，此次的设计为我奠定了一个理论基础，同时我会在以后的学习、生活中磨练自己，使自己更好的将理论与实践相结合，以取得更好的成果。此外在查找资料的过程中我也学到了许多新的知识，在和同学协作过程中增进同学间的友谊，使我对团队精神的积极性和重要性有了更加充分的理解。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以