带电流截止负反馈的晶闸管直流单闭环调速系统设计

1、西华大学课程设计说明书 一、前言： 电动机作为一种有利工具，在日常生活中得到了广泛的应用。而直流电动机具有很好的启动，制动性能，所以在一些可控电力拖动场所大部分都采用直流电动机。而在直流电动机中，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。而在其中又以带电流截至负反馈的晶闸管直流单闭环调速系统最为常用。整个系统由晶闸管、电流截至负反馈环节、晶闸管触发电路、平波电抗器、过电压保护装置、过电流保护装置、比例积分调节器、转速反馈环节构成，能很好的实现直流电动机的调速过程。二、设计内容： （1）、调速的方案选择： 1. VM系统简介 晶

2、闸管电动机调速系统（简称VM系统），其简单原理图如图1。图中VT是晶闸管的可控整流器，它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型。优点：通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压从而实现平滑调速。缺点：1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。2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求的散热条件，而且在选择元件时还应有足够的余量。 图12、开环系统和闭环系统的选择 上述图1所示的系统是一个开环系统，调节控制电压Uc就可

3、以改变电动机的转速，如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，但是许多需要调速的生产机械常常对静差率有一定的要求，所以这时开环调速就不满足要求。这时我们就可选用闭环调速系统。闭环调速系统和开环调速系统相比，在静特性方面有一下几个有点：a、 闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多。b、 闭环系统的静差率要比开环系统小得多。c、 如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围。3、电流截止负反馈 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，

4、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)（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（

5、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：静特性的几个特点： 图2-3带电流截止负反馈 闭环调速系统的静特性（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）这样的两段式静特性下垂特性或挖土机特性。当挖土机遇到

6、坚硬的石块而过载时，电动机停下，电流也不过是堵转电流Idbl，在上式中，令n=0，得 一般,因此Idbl应小于电动机允许的最大电流，一般为（1.52）In。另一方面，从调速系统的稳态性能上看，希望CA段的运行范围足够大，截至电流Idcr应大于电机的额定电流，例如，取Idc（1.11.2）In。这些都是设计电流截至负反馈环节参数的依据。2、确定直流调速系统的总体结构框图KpKs1/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（2）、主电路的设计虽然三相半波可控整流电路使用的晶闸管个数只是三相全控桥整流电路的一半，但它的

7、性能不及三相全控桥整流电路。三相全控桥整流电路是目前应用最广泛的整流电路，其输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广（将近50）。把该电路应用于本设计，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。三相全控桥整流电路实际上是组成三相半波晶闸管整流电路中的共阴极组和共阳极组串联电路，如图六所示。三相全控桥整流电路可实现对共阴极组和共阳极组同时进行控制，控制角都是。在一个周期内6个晶闸管都要被触发一次，触发顺序依次为：，6个触发脉冲相位依次相差。为了构成一个完整的电流回路，要求有两个晶闸管同时导通，其中一个在共阳极组，另外一个在共阴极组。为此，晶闸管

8、必须严格按编号轮流导通。晶闸管与 按A相，晶闸管与 按B相，晶闸管与 按C相，晶闸管接成共阳极组，晶闸管 接成共阴极组。在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电路。由于电网电压与工作电压（U2）常常不一致，故在主电路前端需配置一个整流变压器，以得到与负载匹配的电压，同时把晶闸管装置和电网隔离，可起到降低或减少晶闸管变流装置对电网和其他用电设备的干扰。考虑到控制角增大，会使负载电流断续，并且负载为直流电动机时，由于电流断续和直流的脉动，会使晶闸管导通角减少，整流器等效内阻增大

9、，电动机的机械特性变软，换向条件恶化，并且增加电动机的损耗，故在直流侧串接一个平波电抗器，以限制电流的波动分量，维持电流连续。为了使元件免受在突发情况下超过其所承受的电压电流的侵害，电路中加入了过电压、过电流保护装置。2.1 、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×

10、;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=83.5kVA2.2、 平波电抗器参数的设计与计算 Ud=UN=220V, U2=Idmin=(5%-10%)IN,这里取10% 则L=0.693 2.3、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，晶闸管的额定电压一般选取其最大正反向电压的

11、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=311-466V2.4、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，过压保护电路图如下图3.1所示：图2.1过压保护电路图(3)、晶闸管触发电路的设计： 晶闸管触发电路类型很多，有分立式、集成式和数字式

12、，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KJ004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

13、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下图3.1所示： 图3.1三相全控桥整流电路的集成触发控制电路（4）、控制电路的设计与参数计算本次课程设计的内容是带电流截止负反馈的晶闸管直流单闭环调速系统设计，所以需要计算各种基本调速系统的数据参数，以下即为本次设计所需的技术数据：技术数据：直流电动机的额定参数为60 kW、220V、

14、305A、1000 r/min，电枢电阻Rs0.066，电机过载系数为1.5，系统总电感为2.16mH。电枢回路总电阻可取为R=Ra+Rrec=0.18，系统总飞轮矩GD2=78 N·m。使系统达到静态指标D20，S<5%，动态性能指标为相位裕量60°，并使系统可以在阶跃给定信号下直接启动。晶闸管装置：三相桥式全控整流电路，整流变压器Y/Y联结，二次电压E2t=220V，触发整流环节的放大系数KS=44。 测速发电机，永磁式，ZYS231/110型；额定数据为23.1W,110V,0.21A,1900r/min。 4.1调速系统基本参数计算根据以上数据和稳态要求计算参

15、数如下：（1） 为了满足D=20，s5%，额定负载时调速系统的稳态速降为：（2） 根据，求出系统的开环放大系数：式中 （3） 计算测速反馈环节的放大系数和参数：反馈系数 式中Un设定为10V（4）计算运算放大器的放大系数和参数：实取Kp=41按运算放大器参数，取则 （5) 判断系统的稳定性计算：电枢回路总电阻 R=0.18 ，总电感 L=2.16mH所以系统中各环节的时间常数：电磁时间常数Tl: Tl =L/R=2.16mH/0.18 =0.012s电力拖动机电时间常数: 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K66.988，又因为K=103.44，

16、所以系统不稳定。4.2、电流截止负反馈环节参数计算与设计M+- UdId RsVDUi Ucom接放大器M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。电流截止负反馈的电路原理图如下图3.3所示：图3.3电流截止负反馈环节4.3、 调节器的参数设计与计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

17、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

18、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。如下图4.4所示：图4.4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K=103.44，T1=0.012，由于因此分母中的二次项可以分解成两个一次项之积，T1=0.084 ,T2=0.014W（s）所对应的伯特图，应用MATLAB仿真软件绘制如下图4.5所示：图4.5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,

19、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：因此 代入已知数据，得 s-1取 ，为了使，取，查得L1=37.9db，L2=-37.9db。从特性2可以看出 所以 又 所以 已知,则 ,所以取 ，取三、系统的计算机仿真1、仿真软件介绍： 此次系统的仿真，我们选择用MATLAB中的Simulink来实现，在Simulink中，我们把系统的框图输入进去，再将各个部分的函数输入进去，就可以获得我们需要的仿真

20、图。2、系统的仿真 我们先将我们需要仿真的模型建好，如下图然后我们加入阶跃输入，再进行仿真观察示波器波形然后我们再加入负载扰动，再观察示波器波形四、总结体会： 本文实现了带电流截止负反馈的晶闸管的直流单闭环调速系统的设计，介绍了带电流截止负反馈的转速调节的基本原理。通过参数的设计达到了题目的要求。通过本次课程设计，使我对电流截至负反馈的晶闸管直流单闭环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