完整版直流调速系统设计实训报告

1、课程名称:专 业:学 号:指导教师:完成日期:专业实训自动化10303104王艳秋2014年1月级:名:绩:103031徐红颖任务书题目：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，交流接触器，晶闸管整流装 置，保护器件，直流

2、电动机和测速装置组成，控制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对于单闭环直流调速系统来说， 转速是输出量， 一般我们引入的是转速负反 馈构成闭环调速系统。转速负反馈系统是在电动机上安装一台测速电机TG,引出和输出量转速成正比的负反馈电压 Un,和转速给定电压Ua*进行比较

3、，得到 偏差电压 Ua经过放大器A,产生驱动或触发装置的控制电压 Uct,与控制电动 机的转速， 组成了反馈控制的闭环调速系统。 在单闭环系统中， 转速单闭环使用 较多。而一般采用的比例调节器的调速系统还是有静差， 为了消除静差， 可用积 分调节器替代比例调节器。就要引反馈控制系统的规律是如果要想维持系统中的某个物理量基本不变， 用该量的负反馈信号去与恒量给定相比较， 组成一个闭环系统。 对于调速系统来 说，如果想提高静态指标， 就得提高静特性硬度， 也就是希望转速在负载电流变 化时或受到扰动时基本不变。 要想维持转速这一物理量不变化， 最有效和最直接 的方法就是采用转速负反馈构成转速闭环调节

4、系统。1.1 主电路设计直流调速系统电路的组成主要由主电路和控制电路两大部分组成， 知道了电 路组成的两大部分后， 就应该确定主电路的接线方式和系统的控制方案。 整流变 压器由变压部分和整流部分组成， 其变压部分将电网电压降压并变成稳定的交流 电，整流部分将变压后的交流电整流为恒定 40V的直流电压供给直流电动机的 励磁回路， 整流变压器变压后的交流电两端另接一个单相桥式全控整流电路， 输 出的可调直流电加在直流电动机的电枢回路。 保护环节采用的是过电压保护的一 种- 阻容吸收，将其并联在整流变压器二次侧起到保护电路的作用。主电路的设计需要准备的资料：1 单相整流模块： MZKD-ZL-50了

5、解其功能，技术参数，电路内部结构，外部接法，控制线管脚接法，安装说明2电机参数：直流电机，额定电压 24V，额定电流6A，励磁电压24V，最 大允许电流50A，了解电机不同的接线形式，重点掌握电机他激（并激）方式的 接线方法。3 电机转速测量的检测器：光电编码器（ E6B2-C）了解输出方式，接线方式。主电路的参数计算包括：整流变压器额定参数的计算，晶闸管整流元件参数计算机器件选择，保护环节的设计与计算。1.1.1整流变压器额定参数的计算第一，在进行变压器的参数计算之前，应要先确定负载电气的直流电压和电流，确定交流设备的主电路接线形式和电网电压。再计算次级电压U2，U2数值的选择不可用过高也不

6、可过小。第二，在进行整流变压器的参数计算时，首先根据整流电路的型式和负载所 需要的整流电压Ud和整流电流Id，计算二次电压U2,二次电流I2和一次电流11,接着计算其一次，二次容量 S1和S2及平均计算容量S。1二次侧相电压U2:变压器二次侧相电压 U2的计算公式为:U2(1.2 1.5)U d max /A其中，Udmax为最大整流输出电压(V)，R为整流变压器内阻和电抗器之 和 ( Q)，A为a =0时Ud与U2的比，见表1.1。表1.1几种整流线路变压器计算系统电路型式AC电路型式AC单相全波0.90.707三相半波1.170.866单相桥式0.90.707二相桥式2.340.52二次侧

7、相电流12和一次侧相电流11n为变压器匝数比。对于不通型式的整流线路，变压器二次，一次电流的有效值12、I1和负载电流Id的关系见表1.2。二次侧相电流I2 :d / I 21，d I 2 8A一次侧相电流11:U1/U2 n I2/I1I1I2/n 8 53.3/2201.94A3变压器容量计算变压器二次容量，一次容量，平均计算容量的公式为:S2m? U 2122(S S2)4我组单闭环调速系统设计参数:直流电机，额定电压20V,额定电流7A，励磁电压20V，最大许电流40A。带入计算公式得:1，|d I2 8A，I1I2 / n8 53.3/2201.94AS1miU1l1220 1.94

8、426.8WS2mzUzI253.3 8426.4WS (SiS2)/2426.6WU1/U2 n I2/I11.1.2晶闸管整流元件参数计算机器件选择晶闸管整流元件计算公式：Itn (1.52)Kfbld(ld最大负载电流)Utn (23)UtmRnU tn 1 TNUtn和Kfb的值，见表1.1.2。表1.2几种晶闸管整流元件计算系统A/ U TM0.9/du 2单相Kfb : 0.45A/ U TM2.34M/6U2三相Kfb : 0.368Utn(23)UTM 2 72 53.3 150.73VI TNPTN(匸5 2) Kfb I dmax 2 0.4 6048AUtn Itn 15

9、0.73 487235.04W1.1.3保护环节的设计与计算1阻容保护电路为了防止系统内部瞬间过电压冲击(主要为断路器、接触器开断产生的操作过电压），过流，浪涌等对重要电气设备的损伤，就要增加保护电路的设计，通 常的电路保护的方法有过压保护和过流保护。 阻容保护是属于过压保护的常见一 个方法，它是将合适的电阻和电容串联之后并联在电路中以达到保护电路的作 用，可将阻容保护置装放在变压器的二次侧或直流侧， 也可以并联在整流元件两 端。此外，压敏电阻也是一种常见的过压保护， 并联在保护器件两端起到保护的 作用。在三相整流电路交流侧有星型连接和角型连接。熔断器属于过电流保护, 串联在电路中使用。阻容吸

10、收电路的参数计算根据变压器铁芯磁场释放出来的能量转化为电容 器电场的能量为依据。由于电容两端的电压不能突变，所以可以有效的抑制尖峰过电压。串连电阻的目的是为了在能量转化过程中能消耗一部分能量，并且抑制LC回路的振荡。凡是超过晶闸管正常工作的电压即承受的最大峰值电压的都算过电压。产生 过压的原因是电路中电感元件聚集的能量骤然释放或是外界侵入电路的大量电 荷累积。按过压保护的部位来分，有交流侧保护，直流侧保护和元件保护。元件 保护主要是通过阻容吸收电路。阻容吸收电路的参数计算式根据变压器铁芯磁场释放出来的能量转化为电容器电场的能量存储起来为依据的。由于电容两端的电 压不能突变，所以可以有效的抑制尖

11、峰过电压。串阻的目的是为了在能量转化过 程中能消耗一部分能量，并且抑制 LC回路的振荡。以过电压保护的部位来分， 有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。1: H/1.0:LIClCL /1Z I/ I ,BfaIH|-=c_nC RV0图2.1主电路图ZZI F I d GC Rn2.2 控制电路设计本组直流直流他励电动机：功率 Fe=1.45KW，额定电压Ue 220V，额定电流Ic 6.5A，磁极对数 P=1, nc 1500r/min ,励磁电压220V，电枢绕组电阻 艮 3.7 ，主电路总电阻R=7.4 ， Ks 27 ,电磁时间常数Ti 0.033s，机电时

12、间常数Tm 0.26s，滤波时间常数Toi 0.0031s，T。. 0.01s，过载倍数=1.5,电流给定最大值U*m=8V，速度给定最大值U*n=10V，P =0.77V/A a =0.007V/min 2.2.1 转速、电流双闭环设计原则在设计电流调节器时， 首先考虑应把电流环校正成哪一类典型系统。 从稳态 要去上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用 I 型系统就够了。再 从动态要求上看， 实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调， 保证电流在动态过程中部超过允许值， 而对电网电压波动的及时抗扰作用只能是 次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，即选用典型 I 型系统

13、。在设计转速调节器时， 为了实现转速无静差， 在负载扰动作用点前必须有一 个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中，由于在扰动作用点后面已经有 了一个积分环节， 因此转速开环传递函数赢共有两个积分环节， 所以应该设计成 典型的 2 型系统，这要的系统同时也能满足动态扰动性能好的要求。 至于其阶跃 相应超调量较大的问题， 那是按照线性系统理论计算的数据， 实际系统中的转速 调节器的饱和非线性性质会师超调量大大降低。 由此可见 ASR 也应该才用 PI 调 节器。2.2.2 电流环设计在设计电流调节器，超调量1 确定时间常数5%1）整流装置滞后时间常数：Ts=0.0017s2）电流滤波时间常

14、数：Toi 0.0026S3）电流环小时间常数之和：TiTs Toi 0.0043s2 选择电流调节器结构可按典型I型系统设计电流调节器。5%，并保证稳态电流无差, 检查对电源电压的抗扰性能3电流调节器参数电流调节器超前时间常数:电流环开环增益：要求i5%Tl 0.023sKiT i 0.50.50.51 10.00405 S 123 .5 S于是，ACR的比例系数:Ki (165.340.023 8 1.3 7.7)/(68.4 10)0.445 4校验近似条件电流环截止频率:1ci Ki 165-34S1)校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件1/3rs 1/3 0.0017196.1165

15、.34 Wci满足近似条件2)校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件J1/Tm Tl 3 j1/(0.126 0.023) 55.728 WCi 满足条件校验电流环小时间常数近似处理条件3)(1/3) J1/T； Toi(1/3) J1/0.0017 0.0026 158.55 W满足条件Ki Ro0.445 40K17.8K 取 18KCii/Ri0.023/7.5 1033.1 F取3 FCoi4Toi / Ro0.26 F取0.3 F2.2.3转速换设计确定时间常数:1k|2T i 0.0096s1)电流环等效时间常数:1/K|2Ti2 0.00430.0086s2)转速滤波时间常数

16、:Ton0.0026s3)转速环小时间常数:Tn 1/KiTon0.0086 0.0026 0.0112s2选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器3计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则h=55 0.01120.056s转速环开环增益:Kn (h 1)/2h2T2 n6/(2 52 0.01122)956.63ASR的比例系数:Kn (h 1) CeTm/2h RT.(5 1) 0.999 0.1338 0.1262/221.585 0.0067 2.5 0.01124校验近似条件1)电流环传递函数：(1 /3)jK| /Ti(1 /3)7165.34/0.004365.36

17、Wen满足简化条件2）转速环小时间常数:(1/3)JK /Ton(1/3) J165.34/0.002684.06 Wen满足近似条件5计算调节器电阻和电容:Rn Kn Ro 21.58 40K863.2K 取860KCn n/ Rn 0.056/860 1030.0651 F取 0.06 F1030.26 F取0.3 FCon 4Ton / Ro 4 0.0026/406校核转速超调量当h=5时，查表得n 37.6%，不能满足设计要求，由于所得到的超调量是 按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应按ASR退饱和的情况重新计算超调量。n2（片）（Cb459.7

18、1500 =2.2%5%，满足设计要求。2 81.2% 1.3Tm0.00430.126都说大学是人生重要的转折点， 现在我们已经站在大学的末端， 转眼间就要 毕业了，马上要进行学生时代最后一次实训， 我们都很珍惜而且特别认真的对待 这次实训。进行完大学的最后的考试过后我们就开始实训，刚开始老师让我们自行分 组，同学都根据自己的意愿自行结组。 因为我们之前在准备研究生考试， 所以最 后分配完成后我和我一起考研的小伙伴一组， 因为考试的原因， 我们错过了一些 步骤，不过，在考完之后，我们用自己的课余时间追上了进度，查阅资料，了解 与这次实训相关的知识， 很认真的完成了复习和学习。 之后， 老师给我们几个小 组发了实物原件， 要进行电路图的排布和焊接了， 我们两个反复讨论怎么才能吧 电路图拍的既简单又好看， 而这期间发生了许多分歧但是最后我们一起讨论还是 达成了一致。 虽然有话说是三人行必有我师， 但是两个人也可以互相当老师。 从 这次实训中我学到了许多我以前不了解的知识， 最后就是写实训报告了， 这是最 难的步骤， 我们都集思广益终于完成了， 由于我们总是算错