电压单闭环直流调速

1、等级: 湖南工程学院课 程 设 计课程名称 专业综合课程设计 课题名称 电压单闭环不可逆直流调速系统 专 业 自动化 班 级 1101班 学 号 201101020114 姓 名 张 辉 指导教师 李祥来、赵葵银、沈细群等 2014年9月1 日 湖南工程学院课 程 设 计 任 务 书 课程名称 专业综合课程设计 课 题 电压单闭环不可逆直流调速系统 专业班级 自动化1101班 学生姓名 张 辉 学 号 201101020114 指导老师 李祥来、赵葵银、沈细群等 审 批 黄 峰 任务书下达日期 2014年9月1日任务完成日期 2014年9月 16日设计内容与设计要求设计内容：1. 电路功能：1

2、）用晶闸管缺角整流实现直流调压，控制直流电动机的转速。2）电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：整流电路及保护电路。控制电路主要环节：触发电路、电压电流检测单元、驱动电路、检测与故障保护电路。3）主电路电力电子开关器件采用晶闸管、IGBT或MOSFET。4）系统具有完善的保护2. 系统总体方案确定3. 主电路设计与分析1）确定主电路方案2）主电路元器件的计算及选型3）主电路保护环节设计4. 控制电路设计与分析1）检测电路设计2）功能单元电路设计3）触发电路设计4）控制电路参数确定设计要求：1设计思路清晰，给出整体设计框图；2单元电路设计，给出具体设计思路和电路；3分析所有单元电路与总电路

3、的工作原理，并进行试验调试。并给出必要的波形分析。4绘制总电路图， 5写出设计报告；主 要 设 计 条 件1.设计参数1）输入输出电压：（AC）220（1+15%）、2）最大输出电压、电流根据电机功率予以选择3）要求电机能实现单向无级调速4）电机型号布置任务时给定2.可提供实验与仿真条件电力电子与运动控制技术训练室提供实验条件说 明 书 格 式目 录1课程设计封面；2任务书；3说明书目录；4设计总体思路，主电路设计；5控制单元电路设计（各单元电路图）；6实验或仿真调试等。7总结与体会；8附录（完整的总电路图）；9参考文献；10、课程设计成绩评分表进 度 安 排设计时间分为二周第一周星期一:课题

4、内容介绍和查找资料；星期二:总体电路方案确定星期三:主电路设计星期四:控制电路设计星期五:控制电路设计；第二周星期一: 控制电路设计星期二：电路原理及波形分析、实验调试及仿真等星期四五:写设计报告，打印相关图纸；星期五下午:答辩及资料整理参 考 文 献参考文献1王兆安电力电子技术（第5版）机械工业出版社，20082孙培德现代运动控制技术及其应用电子工业出版社，20123陈伯时电力拖动自动控制系统（第4版）机械工业出版社，20124曾 毅运动控制系统工程机械工业出版社，20145刘定建，朱丹霞实用晶闸管电路大全机械工业出版社，19966刘星平电力电子技术及电力拖动自动控制系统校内，1999目 录

5、第1章 概述. .11.1 设计要求.2 1.2 设计参数.2 1.3 系统组成.2 1.4工作原理.3第2章 主电路设计.5 2.1 主电路的分析.52.2 单相桥式全控整流电路的计算.62.3 晶闸管电路参数计算分析.7第3章 控制电路的设计.9 3.1 锯齿波同步移相触发电路.9 3.2检测与保护电路设计.10 3.3 调节电路设计.12第4章 电路调试.13 4.1 主电路调试.13 4.2 基本单元部件调试.13 4.3 调试注意事项.14总结.15参考文献.16附录.17 第1章 概述调速控制系统是通过对电动机的控制，将电能转换成机械能，并且控制工作机械按给定的运动规律运行的装置，

6、用直流电动机作为原动机的传动方式称为直流调速。直流调速系统具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。调速系统是最基本的拖动控制系统。相比于交流调速系统，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟 。本次设计主要介绍了单闭环不可逆直流调速系统的方案比较以及确定，主电路设计控制电路等。为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和 多闭环系统)。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用 多闭环系统。 按反馈的方式不同可分为转速反馈， 在电流单闭环中， 将反映电流变化的电流互感器输出

7、电压信号作为反馈信号加到 “电流 调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较，经放大后，得到移相控制电压Uct，控制整流 桥的“触发电路”，改变“三相全控整流”的电压输出，从而构成了电流负反馈闭环系统。 电机的最高转速也由电流调节器的输出限幅所决定。同样，电流调节器若采用P（比例）调 节，对阶跃输入有稳态误差，要消除该误差将调节器换成PI(比例积分)调节。当“给定”恒 定时，闭环系统对电枢电流变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的电 枢电流能稳定在一定的范围内变化。1.1 设计要求1）用晶闸管缺角整流实现直流调压，控制直流电动机的转速。2）电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环

8、节：整流电路及保护电 路。控制电路主要环节：触发电路、电压电流检测单元、驱动电路、 检测与故障保护电路。3）主电路电力电子开关器件采用晶闸管、IGBT或MOSFET。4）系统具有完善的保护。1.2设计参数1）输入输出电压：（AC）220（1+15%）、2）最大输出电压、电流根据电机功率予以选择3）要求电机能实现单向无级调速4）电机型号布置任务时给定1.3 系统组成 电压单闭环不可逆直流调速系统的电路组成：电路由主电路与控制电路组成，主电路的主要环节：整流电路及保护电路。控制电路主要环节：触发电路、电压电流检测单元、驱动电路、检测与故障保护电路。带转速负反馈的单闭环直流调速系统的原理图如图1所示

9、图1 电压单闭环直流调速系统原理图A是调节器，当其选用比例放大器时，就是一个有静差的单闭环调速系统。GT是触发器装置。UPE是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三相交流电，输出为可控的直流电压Ud，TG是测速发电机，它与电动机同轴安装。给定电位器RP1通常由一个稳压电源供电，以保证转速给定信号U*n的精度。Rp2是为获得调速负反馈系数而设置的一个电位器。1.4工作原理可控整流是把交流电变成大小可调的直流电，把晶闸管和整流二极管都堪称理想元件，即导通时的正向电压江和关断时的漏电流均忽略不计，并且导通榆关断都是瞬时完成的。 共阴极组的自然换向点在wt1、wt3、wt5时刻，分别触发晶闸管VT1,

10、VT3,VT5共阴极组的自然换向点在wt2,wt4,wt6时刻分别VT2,VT4,VT6触发晶闸管。两族的自然换向点对应相差60°，电路对应在本组内换流，即vt1-vt3-vt5-vt1,vt2vt4vt6vt2,每个管子轮流导通120°，对共阴极而言，其输出电压波形是三项相电压波形的正半周的包络线；对共阳极组而言其输出电压波形是三项相电压波形的负半周的包络线。三相桥式全控整流的输出电压为两组输出电压之和，是相电压波形正负包络线下的面积，当a60°时，Ud的波形均为正值。所以本设计中a60°。 三相桥式全控整流电路在任何时刻必须保证有两个晶闸管同时导通才

11、能构成电流回路晶闸管换流只在本组内进行，每隔120度环流一次。三相桥式全控整流电路的负载电压ud波形是六个不同的线电压的组合，当a=0度时，为三相线电压的正向包络线，每周期脉动六次，基波频率为30HZ，其脉动系数SU=0.05，基本是一个平稳的直流。带大电感负载时，其平均值为Ud=2.34U2COSa=135U2lCOSa (0°a90°)三相全控桥式整流电路控制角a的起算点为相邻相电压的交点。由于线电压超前相电压30°。所以波形上a距波形原点的距离为a+30°。图2 晶闸管直流调速实验系统原理图第2章 主电路的设计2.1 主电路的分析设计要求中提供的电

12、动机为直流电动机，因此需要用到整流电路。整流电路是电力电子电路中经常用的一种电路，它将交流电转变为直流电。这里要求设计的主电路为单相全控桥式晶闸管电路，接电动机负载。由于电动机是阻感负载，且工作时相当于反电动势负载，因此要分别予以分析考虑。晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。 在电力电子电路中，可能会出现一些突发情况，比如电压过大、电流过大、电压电流变化速率过快等等，这些都会使晶闸管烧坏，导致整个电路不能正常工作，因此，需要额外的设计保护电路对晶闸管进行过电压过电流保护，从而保证电力电子电路正常工作。他励直流电动机是由其他直流电源单

13、独供给励磁电流的电动机，它将直流电能转变为机械能。从整个系统来看，单相桥式全控整流电路将交流电网中的交流电转变成直流电，直流电驱动直流电动机工作，但为了保护晶闸管正常工作，需要围绕晶闸管设计触发电路、过电压和过电流保护电路。从整个系统来看，单相桥式全控整流电路将交流电网中的交流电转变成直流电，直流电驱动直流电动机工作，但为了保护晶闸管正常工作，需要围绕晶闸管设计触发电路、过电压和过电流保护电路。晶闸管可控整流装置带电动机负载组成的系统，习惯上称为晶闸管直流电动机系统，是电力拖动系统中主要的一种，也是可控整流装置的主要用途之一。这里用到的控制电路为单相桥式全控。2.2 单相桥式全控整流电路的计算

14、 整流电路直流电压的平衡方程为： 式中，为电路总的阻抗，它包括变压器等效电阻、电枢电阻以 及重叠角引起的阻抗。由于电流断续对电动机负载是很不利的，因此需要串联一平波电抗 器来保证电流连续。当电流连续时，电动机转速与电流的关系如下 式所示。 在单相全控桥式整流电路中， 式中，为晶闸管正向压降，一般为1V左右； 为电动机在额定磁通下的电动机转速比； 为电路总的阻抗；所谓阻感负载就是负载中既有电阻，又有电感。在正半周，触发角处给晶闸管和加触发脉冲使其开通，。负载中有电感存在使负载电流不能突变，电感对负载电流起平波作用，假设负载电感很大，负载电流连续且波形近似为一水平线，其波形如图4所示。过零变负时，

15、由于电感的作用晶闸管和中仍流过电流，并不关断。至+时刻，给和加触发脉冲，因和本已承受正电压，故两管导通。和导通后，通过和分别向和施加反压使和关断，流过和的电流迅速转移到和上，此过程称为换相，亦称换流。至下一周重复上述过程，如此循环下去。波形如图2所示。其平均值为： 单相桥式全控整流电路带阻感负载时，晶闸管承受的最大正反向电压均为。图3 单相全控桥式整流带阻感负载时的工作波形2.3 晶闸管电路参数计算分析1. 晶闸管电压定额的确定通常取晶闸管的（断态重复峰值电压）和（反复重复峰值电压）中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量，一般额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的

16、23倍，即：2. 晶闸管电流定额的确定晶闸管允许通过的额定电流有效值大于实际流过晶闸管电流最大有效值，即：其中，为通态平均电流其中，为实际电流有效值。第3章 控制电路的设计控制电路采用转速单闭环调速系统控制，采用闭环系统可以比开环系统获得更硬的机械特性，而且静差率比开环小得多，并且在静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。但在闭环式必选设置放大器。如果只采用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍然是有静差的，这样的系统叫做有静差调速系统，它依赖于被调量的偏差进行控制，而反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定，但反馈控制系统所能抑制的知识被反馈环包围的前向通道上的扰动。3.1 锯齿波同步移相

17、触发电路 锯齿波同步移相触发电路的原理图如图3所示。锯齿波同步移相触发电路由同步检测、锯齿波形成、移相控制、脉冲形成、脉冲放大等环节组成。 由V3、VD1、VD2、C1等元件组成同步检测环节，其作用是利用同步电压来控制锯齿波的宽度。由V1、V2等元件组成的恒流源电路，当V3截止时，恒流源对C2充电形成锯齿波；当V3导通时，电容C2通过R4、V3放电。调节电位器RP1可以调节恒流源的电流大小，从而改变了锯齿波的斜率。控制电压，偏移电压和锯齿波的电压在V5基极综合叠加，从而构成移相控制环节，RP2、RP3分别调节控制电压和偏移电压的大小。V6、V7构成脉冲形成放大环节，C5为避免触发强电容改善脉冲

18、前沿，由脉冲变压器输出触发脉冲。 锯齿波同步移相触发电路各点电压波形如图4所示。图4锯齿波同步移相触发电路原理图3.2 检测和保护电路设计本电路主要功能是检测主电源输出的电流反馈信号，并且当主电源输出电流超过某一设定值时发出过流信号切断控制屏输出主电源。其原理如图5所示。TA1、TA2、TA3为电流互感器的输出端，它的电压高低反映三相主电路输出的电流大小，面板上的三个圆孔均为观测孔，打开电源开关后，过流保护就处于工作状态。(1)电流反馈与过流保护单元的输入端TA1、TA2、TA3，来自电流互感器的输出端，反映负载电流大小的电压信号经三相桥式整流电路整流后加至RP1、RP2、及R1、R2、VD7

19、组成的3条支路上，其中:R2与VD7并联后再与R1串联，在VD7的阳极取零电流检测信号从“1”端输出，供零电平检测用。当电流反馈的电压比较低的时候，“1”端的输出由R1、R2分压所得，VD7处于截止状态。当电流反馈的电压升高的时候，“1”端的输出也随着升高，当输出电压接近0.6V左右时，VD7导通，使“1”端输出始终钳位在0.6V左右。将RP1的滑动抽头端输出作为电流反馈信号，从“2”端输出，电流反馈系数由RP1进行调节。RP2的滑动触头与过流保护电路相连，调节RP2可调节过流动作电流的大小。(2)当电路开始工作时，由于V2的基极有电容C2的存在，V3必定比V2要先导通，V3的集电极低电位，V

20、4截止，同时通过R4、VD8将V2基极电位拉低，保证V2一直处于截止状态。(3)当主电路电流超过某一数值后，RP2上取得的过流电压信号超过稳压管V1的稳压值，击穿稳压管，使三极管V2导通，从而V3截止，V4导通使继电器K动作，控制屏内的主继电器掉电，切断主电源，挂件面板上的声光报警器发出告警信号，提醒操作者实验装置已过流跳闸。调节RP2的抽头的位置，可得到不同的电流报警值。(4)过流的同时，V3由导通变为截止，在集电极产生一个高电平信号从“3”端输出，作为推信号供电流调节器（调节器II）使用。图5 电流反馈与过流保护原理图3.3 调节电路设计 调节器I的功能是对给定和反馈两个输入量进行加法、减

21、法、比例、积分和微分等运算，使其输出按某一规律变化。调节器I由运算放大器、输入与反馈环节及二极管限幅环节组成。其原理如图6所示。在图6中“1、2、3”端为信号输入端，二极管VD1和VD2起运放输入限幅，保护运放的作用。二极管VD3、VD4和电位器RP1、RP2组成正负限幅可调的限幅电路。由C1、R3组成微分反馈校正环节，有助于抑制振荡，减少超调。R7、C5组成速度环串联校正环节，其电阻、电容均从DJK08挂件上获得。改变R7的阻值改变了系统的放大倍数，改变C5的电容值改变了系统的响应时间。RP3为调零电位器。电位器RP1、RP2、RP3均安装面板上。电阻R7、电容C1和电容C5两端在面板上装有

22、接线柱，可根据需要外接电阻及电容，一般在自动控制系统实验中作为速度调节器使用。调节器I原理图如图6 图6 调节器I原理图第4章 电路调试4.1 主电路调试1.电源控制屏开关按需要设定2.晶闸管触发整流电路的检查和调整。检查和调整锯齿波触发器。用双踪示波器观察A、B、C三相的锯齿波，并调节A、B、C三相锯齿波斜率调节电位器（在各观测孔左侧），使三相锯齿波斜率尽可能一致。控制回路直接用给定电Ug作为移相控制电压Uct，将给定开关S2拨到接地位置（即Uct=0），调节偏移电压电位器，用双踪示波器观察A相同步电压信号和VT1的输出波形，使=120°(注意此处的表示三相晶闸管电路中的移相角，它

23、的0°是从自然换流点开始计算，而单相晶闸管电路的0°移相角表示从同步信号过零点开始计算，两者存在相位差，前者比后者滞后30°)。适当增加给定Ug的正电压输出，观测脉冲波形。3.晶闸管电动机系统开环机械特性的测定将给定输出Ug直接接入移相控制电压Uct，直流发电机接负载电阻R，Ld用选择200mH，将给定的输出调到零。先闭合励磁电源开关，按下起动按钮，使主电路输出三相交流电源，然后从零开始逐渐增加“给定”电压Ug，使电动机慢慢起动并使转速 n 达到1200rpm。改变负载电阻R的阻值，使电动机的电枢电流从空载直至Ied，然后再改变负载电阻R的阻值，使主回路电流从Ie

24、d减少到空载电流。4.2 基本单元部件调试（1）移相控制电压Uct调节范围的确定 直接将给定电压Ug接入移相控制电压Uct的输入端，“三相全控整流”输出接电阻负载R，用示波器观察Ud的波形。当给定电压Ug由零调大时，Ud将随给定电压的增大而增大，当Ug超过某一数值时，此时Ud接近为输出最高电压值Ud，一般可确定“三相全控整流”输出允许范围的最大值为Udmax=0.9Ud，调节Ug使得“三相全控整流”输出等于Udmax，此时将对应的Ug的电压值记录下来，Uctmax= Ug，即Ug的允许调节范围为0Uctmax。如果我们把输出限幅定为Uctmax的话，则“三相全控整流”输出范围就被限定，不会工作

25、到极限值状态，保证六个晶闸管可靠工作。（2）调节器的调整调节器调零将调节器所有输入端接地，再将可调电阻120K接到调节器I，将电容短接，使之成为P (比例)调节器。用万用表的毫伏档测量调节器的输出，调节调零电位器RP3，使之输出电压尽可能接近于零。调整输出正、负限幅值将可调电容0.47uF接入，使调节器成为PI (比例积分)调节器，将调节器I的所有输入端上的接地线去掉，给定输出端接到调节器I输出，当加+5V的正给定电压时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为-6V；当调节器输入端加-5V的负给定电压时，调整正限幅电位器RP1，使之输出电压尽可能接近于0。4.3 调试注意事项(1) 电机起动前

26、，应先加上电动机的励磁，才能使电机起动。在起动前必须将移相控制电压调到零，使整流输出电压为零，这时才可以逐渐加大给定电压，不能在开环或速度闭环时突加给定，否则会引起过大的起动电流，使过流保护动作，告警，跳闸。(2) 在连接反馈信号时，给定信号的极性必须与反馈信号的极性相反，确保为负反馈，否则会造成失控。 (3) 直流电动机的电枢电流不要超过额定值使用，转速也不要超过1.2倍的额定值。以免影响电机的使用寿命，或发生意外。(4) DJK04与DJK02-1不共地，所以实验时须短接DJK04与DJK02-1的地。总结 单闭环不可逆直流调速系统最终能较好的运行，从零开始加给定电压，速度从零开始上升，系统能够正常的启动，是速度升至给定的速度值。 如果从零开始升速启动的过程中出现了过流报警现象，而此时的转速并不高，负荷也不是很大的时候，我认为这时虽然各个单元都已经调试好，但并不等于整个系统参数就已经很好，这是不同的，应为系统的各个单元模块之间有一定