毕业设计-电流与转速双闭环直流调速系统的设计与研究.doc

1 目录目录 摘要摘要.2 第一章第一章 转速、电流双闭环直流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统主电路设计主电路设计.3 （一）转速、电流双闭环直流调速系统的系统组成3 （二）转速、电流双闭环直流调速系统的原理图：3 （三）器件的选择及参数的计算4 1.3.1 可控整流变压器的选择及计算4 1.3.2 晶闸管选择及计算4 1.3.3 晶闸管的保护：5 1.3.4 平波电抗器的选择及计算5 1.3.5 快速熔断器选择及计算6 1.3.6 自锁电路6 1.3.7 调节器的选择及计算7 （二）转速调节器结构的选择：7 第二章转速、电流双闭环直流调速系统第二章转速、电流双闭环直流调速系统调节器设计调节器设计.7 （一）电流调节器设计7 （二）转速调节器设计8 （三）反号器9 第三章第三章 转速、电流双闭环直流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统原理简述原理简述.9 （一）触发电路原理.9 第四章转速、电流双闭环直流调速系统第四章转速、电流双闭环直流调速系统反馈、保护及其他电路反馈、保护及其他电路10 （一） 转速反馈环节 FBS.10 （二）电流反馈环节及过流保护环节11 （三）零速封锁器 DZS11 （四） 过电压保护和 TA 互感器 .11 （五） 给定器.12 （六）稳压电源12 第五章第五章 调试并验证双闭环调速系统的起动性能调试并验证双闭环调速系统的起动性能.12 （一）调试双闭环调速系统的起动性能12 总结：总结：.15 参考文献：参考文献：.16 2 摘要摘要 本文所论述的是“转速、电流双闭环直流调速系统转述单闭环直流调速系统的 主电路设计与研究” 。主电路设计是依据晶闸管-电动机（VM）系统组成，其 系统由整流变压器 TR、晶闸管整流调速装置、平波电抗器 L 和电动机-发电机 组等组成。整流变压器 TR 和晶闸管整流调速装置的功能是将输入的交流电整 流后变成直流电；平波电抗器 L 的功能是使输出的直流电流更平滑；电动机-发 电机组提供三相交流电源。 关键词：主电路 整流变压器 晶闸管整流调速装置 平波电抗器 3 第一章第一章 转速、电流双闭环直流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统主电路设计主电路设计 （一）转速、电流双闭环直流调速系统的系统组成（一）转速、电流双闭环直流调速系统的系统组成 图 1-1 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 Un*-转速给定电压 Un-转速反馈电压 Ui*-电流给定电压 Ui-电流反馈电压 为实现转速和电流两种负反馈分别作用，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。二者之间实行嵌套连接， 如图所示。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。 （二）转速、电流双闭环直流调速系统的原理图：（二）转速、电流双闭环直流调速系统的原理图： 图 1-2 双闭环直流调速系统电路原理图 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上图所示。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 Uc 为 正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示了两个调 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 Uim*决定后 了电流给定电压的最大值，电流调节器 ACR 的输出限幅电压 Ucm 限制电压 Ucm 限制了电力电子变换器的最大输出电压 Udm。 （三）器件的选择及参数的计算（三）器件的选择及参数的计算 4 1.3.1 可控整流变压器的选择及计算可控整流变压器的选择及计算 作为整流装置电源用的变压器称为整流变压器。 一般的变压器有整流跟变压两项功能,其中整流是把交流变直流。整流的过程中, 采用三相桥式全控整流电路。 三相桥式全控整流电路原理图如下： 图 1-3 三相桥式全控整流电路原理图 可控整流的原理：当晶闸管的阳极和阴极之间承正向电压并且门极加触发信号 晶闸管导通，并且去掉门极的触发信号晶闸管依然维持导通。当晶闸管的阳极 和阴极之间承受反向电压并且门极不管加不加触发信号晶闸管关断。 可控整流变压器的参数计算：（参考课程设计一数据） 选择一台主变压器计算如下： 一次绕组为 0.22KV 二次绕组为 0.232KV 由直流发电机额定数据得：PN=0.185KW P30=PN=0.185KW 查附录表 1 得实验室小型电热设备的 cos=1.0 tan=0 Q30= P30tan=0.1850=0KV*A S30= P30cos=0.1851.0=0.185 KV*A 只装一台主变压器应全部满足用电设备总计算负荷 S30的需要： 即 STSNTS30 选择 SNT=0.2 KV*A 所以所选变压器的型号为：S9-0.2/0.38 型。 1.3.2 晶闸管选择及计算晶闸管选择及计算 晶闸管导通的条件：受正向阳极电压，同时受正向门极电压，一旦导通后，门 极信号去掉后晶闸管仍导通。晶闸管维持导通的条件：继续受正向阳极电压， 同时流过晶闸管的电流大于它的维持电流。晶闸管关断条件：必须去掉阳极所 加的正向电压，或者给阳极施加一反电压，或者设法使流过晶闸管的电流降到 接近于零的某一数值以下。 晶闸管参数计算如下：（参考课程设计一数据） Ud=Cen+IdR=0.1551600+1.152.3=305.53V U2=Ud/2.34=305.53/2.34=130.57V Id0=Udo/R=305.53/52.3=5.84A 5 Ivt=Id0/3-1/2=3.37A Ivt(AV)=Ivt/1.57=2.15A URM=61/2U2=319.83V 可选用的晶闸管为：KP 5-8 型 表 1.1 型 号 T y p e 通态 平均 电流 IT（ AV） A 正向 电流 有效 值 IF(A V) A 通 态 峰 值 电 压 V T M 正反 向重 复峰 值电 压 VRR M V 正反 向重 复峰 值电 流 IRR M mA 触 发 电 流 IG T m A 触 发 电 压 V G T V 维 持 电 流 IH M A 断态 电压 临界 上升 率 dv/d t V/s 通态 电流 临界 上升 率 di/dt A/s 工作 结温 Tj 结 壳 热 阻 Pj c /W 外型 Outli ne 推荐 散热 器 K P 5 A 58 2 . 2 200 2000 8. 0 5 45 2. 5 5 45 50 0 / - 40 +25 0 3. 0 B1SZ13 1.3.3 晶闸管的保护：晶闸管的保护： 晶闸管的保护电路，大致可以分为两种情况：一种是在适当的地方安装保护器 件，例如，R-C 阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。 再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压 或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源 逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。 （1）晶闸管的过流保护）晶闸管的过流保护 晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类:一类是由于整流电路内部原因； 另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，另外，如整流变压器 中心点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对地短路。 1.对于第一类过流，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地 时，可以采用第一种保护措施，最常见的就是接入快速熔短器的方式。 2、对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采 用电子电路进行保护。 （2）晶闸管的过压保护）晶闸管的过压保护 晶闸管设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过 电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。 1.过电压保护的第一种方法是并接 R-C 阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆 等非线性元件加以抑制。 2.过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。 1.3.4 平波电抗器的选择及计算平波电抗器的选择及计算 平波电抗器：平波电抗器用于整流以后的直流回路中。整流电路的脉波数总是 有限的，在输出的整直电压中总是有纹波的。这种纹波往往是有害的，需要由 平波电抗器加以抑制。 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。 对于三相桥式整流电路：（参考课程设计一数据） 6 L=0.693U2/Idmin 又因为一般 Idmin 为电动机额定电流的 5%10%，这里去 10%。In=1.1A 因此：L=0.693U2/0.11 Ud=Cen+IdR=0.1551600+1.152.5=305.75V U2=Ud/2.34=305.75/2.34=123.93V 所以：L=0.693*123.93/0.11=780.76mh 1.3.5 快速熔断器选择及计算快速熔断器选择及计算 熔断器作用： 当电路发生故障或异常时，伴随着电流不断升高，可能损坏电路 中的某些重要器件或贵重器件，也有可能烧毁电路甚至造成火灾。若安置了熔 断器，那么，熔断器就会在电流异常升高到一定的高度和一定的时候，自身熔 断切断电流，从而起到保护电路安全运行的作用。 快速熔断器的额定电流的计算如下： ITN=IT/2 (A) 其中 IT 为晶闸管的额定通态平均电流，即为 5A。 因此：ITN=7.854A。 快速熔断器的额定电压 UTN 可用下列公式计算： UTNKUTUV/21/2 UV=U2=130.662V； KUT 为元件电压计算系数,查表得 2.45。 因此：UTN226.36V 所以应选用的熔断器为：RT0100 型。 1.3.6 自锁电路自锁电路 在接触器的“自锁”电路，简单的两位按钮“开”和“断”，接触器的线圈一个接头， 根据线圈的电压要求，接上一条火线或零线。在按电钮“开”的时候，由按钮接 通线圈的另一个接头，提供了线圈电压，接触器吸和。当按钮断开时，按钮的 这一条火线，通过接触器的辅助接点，继续为线圈提供电压，接触器还可以保 持接通状态，这就是接触器的“自锁”。如果要断开接触器，就按动按钮开关的 “停”，接触器失电，断开了电路。如图所示： 图 1-4 自锁电路原理图 1.3.7 调节器的选择及计算调节器的选择及计算 系统给定: U*nm=U*im=10V =1.5 Idm=Id 转速反馈系数： = U*nm/nmax=10/1600=0.006V.min/r 7 电流反馈系数： = U*im/Idm=10/1.11.5=6.06V/A （一）电流调节器结构的选择：（一）电流调节器结构的选择： 电流环的传递函数可以写成：电流环以跟随性能为主，即选用典型 I 系统。 图 1.5 电流环等效近似处理后校正成为典型 I 系统框图 ACR 选用 PI 型电流调节器，传函如下： WACR（S）=Ki（is +1）/is Ki-电流调节器的比例系数； i-电流调节器的超前时间常数。 （二）转速调节器结构的选择：（二）转速调节器结构的选择： 转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型 II 系统，系统 同时也能满足动态抗扰性能好的要求。 图 1-6 转速环等效近似处理后校正成为典型 II 系统框图 ASR 也应该采用 PI 调节器，其传递函数为： WASR（s）= Kn（ns +1）/ns Kn-转速调节器的比例系数； n-转速调节器的超前时间常数。 第二章转速、电流双闭环直流调速系统第二章转速、电流双闭环直流调速系统调节器设计调节器设计 （一）电流调节器设计（一）电流调节器设计 2.1.1 确定时间常数确定时间常数 1）整流装置滞后时间常数 Ts。 按表 1-2，三相桥式电路的平均失控时间 Ts=0.0017s。 2）电流滤波时间常数 Toi。三相桥式电路每个波头的时间是 3.3ms,为了基本滤 平波头，应有（12）Toi=3.33ms,因此取 Toi=2ms=0.002s。 3）电流环小时间常数之 Ti近似处理，取 Ti =Ts+Toi=0.0037s。 4）电枢回路电磁时间常数 Tl TlL/R0.781/52.30.015s 5）电力拖动系统时间常数 Tm由实验测得 Tm=40ms0.04s 8 2.1.2 选择电流调节器结构选择电流调节器结构 根据设计要求 5，并保证稳态电流无差，可按典型 I 型系统设计电流 调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用 PI 型电流调节器，其传递函 数为 W(s)=Ki(iS+1)/iS。 检查对电源电压的抗干扰性能： Tl /TI =0.015s/0.0037s=4.05,参照书中表 2-3 的典型型系统动态抗扰性能， 各项指标都是可以接受的。 2.1.3 计算电流调节器参数计算电流调节器参数 电流调节器超前时间常数：i=Tl=0.015s。 电流环开环增益：要求 i5时,查表得 KITi=0.5,因此 KI=0.5/0.0037s=135.1s-1 于是，ACR 的比例系数为 Ki=KIiR/Ks=135.10.01552.3/122.56.060.143 2.1.4 校验近似条件校验近似条件 电流环截止频率：Wci=KI=135.1s-1 晶闸管整流装置传递函数近似条件 1/3Ts=1/30.0017s=191.6s-1Wci 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 31/TmTl=31/0.04s0.015s122.47s-1Wci 满足近似条件。 电流环小时间常数近似处理条件 1/31/TsToi=1/31/0.00170.002=180.8s-1Wci 满足近似条件。 2.1.5 计算调节器电阻和电容计算调节器电阻和电容 所用运算放大器取 R0=40k，各电阻和电容值为 Ri=KiR0=0.143405.72K Ci=i/Ri=0.015/5.72=2.62F Coi=4Toi/R0=40.002/40=0.2F （二）转速调节器设计（二）转速调节器设计 2.2.1 确定时间常数确定时间常数 1）电流环等效时间常数 1/KI 已知 KITi=0.5，则 1/KI2Ti20.0037s0.0074s 2）转速时间常数 Ton。根据所用测速发电机纹波情况，取 Ton=0.01s 3）转速小时间常数 Tn。按小时间常数近似处理，取 9 Tn1/KITon0.0174s 2.2.2 选择电流调节器结构选择电流调节器结构 由于设计要求无静差,故选用 PI 型电流调节器，其传递函数为 W(s)=Ki(iS+1)/iS。 2.2.3 计算转速调节器参数计算转速调节器参数 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 n=hTn=50.0174s=0.087s 转速开环增益 KN=(h+1)/2h2Tn2=6/2520.0174=396.4s-2 ASR 的比例系数为 Kn=(h+1)CeTm/2hRTn=66.060.1550.04 / 250.00625 52.3 0.0174=3.96 2.2.4 检验近似条件检验近似条件 转速环截止频率为 Wcn=KN/W1=KNn=396.40.087=34.5s-1 1)电流环传递函数简化条件为 （KI /Ti）/3（135.1 /0.0037）/3=63.7s-1Wcn 2）转速环小时间常数近似处理条件为 （KI /Ton）/3=（135.1 /0.01）/3=38.7s-1Wcn 2.2.5 计算调节器电阻和电容计算调节器电阻和电容 取 R0=40k，各电阻和电容值为 Rn=KnR0=3.9640=158.4k Cn=n/Rn=0.087 / 158.4103=5.4910-3F Con=4Ton/R0=40.01/40103=1F 2.2.6 校核转速超调量校核转速超调量 n=2(Cmax / Cb)(-Z)(nN/n*)(Tn / Tm)=281.2%(1.5-0.5) (0.852.3/0.155/1600)0.0174/0.04=11.92%15% 能满足设计要求。 转速调节器具有将输入的给定信号与反馈信号进行加,减,比例,积分,违反等 一些运算的功能,使其输出量能根据输入的信号按照某种预定的规律变化。上图 为转速调节器电路图。 （三）反号器（三）反号器 10 图 2-1 反号器电路图 反号器 AR 由运算放大器及有关电阻组成，如图 2-3 所示。用于调速系统 中信号需要倒相的场合。反号器的输入信号由信号放大器的反相输入，故输出 电压为： Uout =(RP+R3) / R1 调解 RP 的可动触点，可改变 RP 的数值，使 RP+R3=R1,则 Uout=Uin， 输入与输出成倒相关系。 第三章第三章 转速、电流双闭环直流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统原理简述原理简述 （一）触发电路原理（一）触发电路原理 三相桥式全控整流电路相当于一组共阴极的三相半波和一组共阳极的三相半波 可控整流电路串联起来构成的。习惯上将晶闸管按照其导通顺序编号，共阴极 的一组为 VT1、VT3 和 VT5，共阳极的一组为 VT2、VT4 和 VT6。 图 4-1 三相桥式电阻性负载全控整流电路 图 4-2 三相桥式电阻性负载 a=0时波形 11 图 4-3 三相桥式全控整流电路触发脉冲 第四章转速、电流双闭环直流调速系统第四章转速、电流双闭环直流调速系统反馈、保护及其他电路反馈、保护及其他电路 （一）（一） 转速反馈环节转速反馈环节 FBS (1) 转速反馈环节主要作用是将测速发电机输出的电压进行滤波，滤除交流分 量并变换为能满足系统需要的与电动机转速成正比的电压作为系统的转速反馈 信号，另外还备有转速的检测信号。 图 4-1 转速反馈环节 FBS 电路图 （二）电流反馈环节及过流保护环节（二）电流反馈环节及过流保护环节 (1) 交流互感器测得晶闸管交流进线的电流，以获得过电流信号。图 54 是过流保护电路的电路图。 图 4-2 过流保护电路的电路图 12 （三）零速封锁器（三）零速封锁器 DZS 零速封锁器的作用是当系统处于停车状态时，即给定电压为零，同时电动机转 速也为零时，将系统中所有调节器锁零，以避免停车时，由于各调节器的零点 漂移，致使晶闸管整流电路有微量的输出，从而使电动机出现窜动现象。 （四）（四） 过电压保护和过电压保护和 TA 互感器互感器 压敏电阻 RV 三角形联结进行交流侧的过电压保护，电流互感器 TA 可取得与 主电路电流成正比的电流信号用于控制系统中。 图 4-3 过电压保护和 TA 互感器 （五）（五） 给定器给定器 给定器可以产生幅值可调和极性可变的阶跃给定电压或可平滑调节的给定电压。 图 4-4 给定器的电路图 （六）稳压电源（六）稳压电源 (1) 稳压电源输出稳定的15V 直流电源向所有需要直流电源的各控制单元供 电，它由整流、滤波、稳压三个部分组成。 第五章第五章 调试并验证双闭环调速系统的起动性能调试并验证双闭环调速系统的起动性能 （一）调试双闭环调速系统的起动性能（一）调试双闭环调速系统的起动性能 5.1.1 双闭环调速系统调试选择双闭环调速系统调试选择 (1)先部件，后系统。即先将各单元的特性调好，然后才能组成系统。 (2)先开环，后闭环。即使系统能正常开环运行，然后在确定电流和转速均为负 反馈时组成闭环系统。 (3)先内环，后外环。即先调试电流内环，然后调转速外环。 5.1.2 开环外特性的测定开环外特性的测定 13 (1)控制电压 UCt 由给定器 Ug 直接接入，直流发电机所接负载电阻 Rd 断开。 (2)使 Ug=0，调节偏移电压电位器，使 稍大于 90，合上主电路电源。逐渐 增加给定电压 Ug，使电机起动，升速，调节 Ug 使电机空载转速 n0=1500r/min，再调节负载电阻 Rd,改变负载,在直流电机空载至额定负载范围, 测取 78 点,读取电机转速 n,电机电枢电流 Id,即可测出系统的开环外特性 n=f(Id) 。 表 51 开环特性 n=f(Id)的测定 n(r/min)120011901180117011601140 Id(A)0.580.680.710.750.80.9 注意：，若给定电压 Ug 为 0 时，电机缓慢启动，则表明 太小，需后移。 5.1.3 单元部件调试单元部件调试 ASR 调试：使调节器为 PI 调节器，加入一定的输入电压，调整正、负限幅电位 器 RP1，RP2，是输出正负值等于5V。 ACR 调试：使调节器为 PI 调节器，加入一定的输入电压，调整正、负限幅电 位器，使脉冲前移 30，使脉冲后移 30，反馈电位器 RP3 逆时针 旋到底，使放大倍数最小。 5.1.4 系统调试系统调试 将 Ublf 接地，Ublr 悬空，即使用一组桥六个晶闸管。 (1)电流环调试电流环调试 电动机不加励磁 (a)系统开环，即控制电压 Uct 由给定器 Ug 直接接入，开关 S 拨向左边，主回 路接入电阻 Rd 并调至最大（Rd 由 MEL03 的两只 900 电阻并联） 。逐渐增 加给定电压，用示波器观察晶闸管整流桥两端电压波形。在一个周期内，电压 波形应有 6 个对称波头平滑变化。 (b)增加给定电压，减小主回路串接电阻 Rd，直至 Id=1.1Inom，再调节 MCL 31 挂箱上的电流反馈电位器 RP，使电流反馈电压 Ui 近似等于速度 ASR 的输 出限幅值（ASR 的输出限幅值为5V） 。 (c)MCL31 的 G（给定）输出电压 Ug 接至 ACR 的“3”端，ACR 的输出 “7”端接至 Uct，即系统接入已接成 PI 调节的 ACR 组成电流单闭环系统。 ACR 的“9” 。 “10”端接 MCL11 电容器，可预置 7.5 F，同时，反馈电位 器 RP3 逆时针旋到底，使放大倍数最小。逐渐增加给定电压 Ug，使之等于 ASR 输出限幅值（5V） ，观察主电路是否小于或等于 1.1Inom，如 Id 过大， 则应调整电流反馈电位器，使 Ui 增加，直至 Id 1.1Inom；如 Id Inom，则 可将 Rd 减小直至切除，此时应增加有限，小于过电流保护整定值，这说明系 统已具有限流保护功能。测定并计算电流反馈系数。 (2)速度变换器的调试速度变换器的调试 电动机加额定励磁。 (a)系统开环，即给定电压 Ug 直接接至 Uct，Ug 作为输入给定，逐渐加正给定， 当转速 n=1500r/min 时，调节 FBS（调速变换器）中速度反馈电位器 RP，使速 度反馈电压为=5V 左右，计算速度反馈系数。 (b)速度反馈极性判断：系统中接入 ASR 构成转素单闭环系统，即给定电压 Ug 14 接至 ASR 的第 2 端，ASR 的第 3 端接至 Uct。调节 Ug（Ug 为负电压） ，若稍 加给定，电机转速即达最高速且调节 Ug 不可控，则表明单闭环系统速度反馈 极性有误。但若接成转速电流双闭环系统，由于给定极性改变，故速度反馈 极性可不变。 5.1.5