带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统设计

1、带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统设计一、绪论科学技术的发展日新月异，科技产品涵盖着我们生活的方方面面。 电动机 作为一种便利的带动工具，是我们生活和工业生产中重要的不可缺少的一部分， 人类的生产生活已经离不开它。对于我们来说，如何高效精确地控制电机的运转, 并且最低的成本去实现，才是我们最值得深入研究的课题。直流电动机具有良好的起、制动性能，方便控制，易于实现，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较为广泛， 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中，

2、虽 然，在调速的高效性方面存在着局限性， 但综合各方面来看，它任然有它独特的 运用前景。1.1设计的目的和意义(1) 应用所学的直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确 定系统的性能指标与实现方案，进行运动系统的初步设计。(2) 学会应用MATLA软件，建立数学模型对控制系统进行仿真研究， 掌握系统 参数对系统性能的影响；(3) 在理论设计与仿真研究的基础上， 应用Protel进行控制系统的设计，为毕 业设计打下基础。1.2设计要求本课程设计的对象是：直流电机：2.2kW，220V，12.5A，1500转/分。电枢电阻1.2，整流装置内阻1.5，触发整流环节的放大倍数为35,堵转

3、电流Idbl 21 N，临界截止电流Idcr1.2In。要求设计一个带直流截止负反馈的转速 单闭环调速系统。其主要内容为:(1) 测定综合实验中所用控制对象的参数(由实验完成)(2) 根据给定指标设计带电流截止负反馈的转速调节器，并选择调节器参数和具体实现电路。(3) 按设计结果组成系统，以满足给定指标。(4) 研究参数变化对系统性能的影响。(5) 在时间允许的情况下进行调试。1.3设计对象及有关数据(1) 完成理论分析:a调速范围D = 20,静差率S< 10%;b.转速超调C nW 10%(在额定转速时);C.动态速降小于10%。 d.振荡次数小于2次；进行系统参数计算，完成转速调节

4、器及电流截止负反馈的结构与参数设计; 对整个调速系统的动态性能进行分析;(2) 完成系统电气原理图的设计 晶闸管一电动机系统主电路设计 晶闸管整流电路方案的讨论和选择。 整流变压器额定容量、一次侧和二次测电压、电流的选择。 晶闸管的选择及晶闸管保护电路的选择。 平波电抗器的计算与选择。 触发电路的选择。 测速发电机的选择及有关元件的选择与计算。 完成系统电气原理图的设计。、带电流截止负反馈的闭环直流调速 系设计方案的选择2.1普通闭环直流调速系统及其存在的问题(1) 起动的冲击电流-直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电机换向不利，对过载能力低的电力电子器件

5、来 说，更是不能允许的。(2) 闭环调速系统突加给定起动的冲击电流-采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零，相当于偏差电压，差不多是其稳态工作值的1+k倍。这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压一下子就达到它的最高值， 对电动机来说，相当 于全压起动，当然是不允许的。(3) 堵转电流-有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。例如，由于故障，机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于闭环系统的 静特性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值。如果只依靠过 流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来

6、不便。2.2限流保护一电流截止负反馈的提出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。2.3直流调速系统调速方案的分析比较与选择调节电动机的转速有三种方法:(1)

7、 调节电枢供电电压U。(2) 减弱励磁磁通。(3) 改变电枢回路电阻R。对于要求在一定范围内的无级平滑调速的系统来说， 以调节电枢供电电压的 方式最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范 围不大，往往只是配合调压方案，在基速(额定转速)以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。变压调速是直流调速系统的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控 直流电源。常用的可控直流电源有三种:(1) 旋转变流机组(简称 G-M系统)。用交流电动机和直流发电机组成机组，获得可调的直流电压。(2) 静止式可控整流器(简称 V-M系统)。用静止式可控整流器获

8、得可调的直流电压。(3) 直流斩波器或脉宽调制变换器(简称PWM系统)。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制， 产生可变的平均电压G-M系统所需要的设备多，体积大，费用高，效率低，安装须打地基，运行有噪声，维护不方便，因此现在已经基本不再使用；PWM系统与V-M系统相比虽然有较大的优越性，但仅在中、小容量系统的高动态应用广泛,而在大功率容量的电机中，对调速精度要求不高的场合，V-M系统任然适用,并且发挥着不可替代的作用。2.4 V-M系统的工作原理分析晶闸管一电动机调速系统(简称 V M系统)，其原理图如图1-1所示。图中VT是晶闸管的可控整流器，通过调节

9、触发装置 GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压Ud，从而实现平滑调速，也大大提高了系统的动态性能；反并联两组全控整流电路，就可实现电机的四象限运行。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;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。2.5设计参数的选择(1) 电机的参数选择直流他励电动机：功率Pn = 2.2KW，额定电压Un=220V，额定电流In=12.5A,5nN=1500r/mi n,电

10、枢电阻1.2，整流装置内阻1.5，触发整流环节的放大倍数为35,堵转电流ldbl21 N，临界截止电流1 dcr 1.2In(2)测速发电机永磁式，额定数据为23.1W，110V，0.21A，1900r/min(3) 调速指标 调速范围D=20,转差率SWI0%转速超调C nW 10%(在额定转速时); 动态速降小于10%。 振荡次数小于2次;、带电流截止负反馈的闭环直流调速 系统主回路的选择3.1变压器的参数计算及选型变压器副边电压采用如下公式进行计算:U2U d max nU TA cos minlCUsh 1 2N已知Udmax上1l2N220/,取 Ut 1VC 0.5则 U2n 2

11、A 2.34220 2 10.9 min 10 Ush 0.05110/2.34 0.9(0.9848 0.5 0.05 1)因此变压器的变比近似为:K 土 型 3.45U2110一次侧和二次侧电流|1和|2的计算Ii=1.05 ：287>0.861/3.45=75A12=0.861 287=247A变压器容量的计算S1=m1U1l1 =3 >380 >75=85.5kVAS2=m2U2l2=3 >110 >247=81.5kVAS=0.5 1+S2)=0.5 (85.5+81.5)=83.5kVA2 力”;u带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统设计因此整流变

12、压器的参数为：变比K=3.45，容量S=83.5KVA，联结方式为：/ /Y。3.2主电路元器件的参数计算与选型3.2.1主电路结构选择本设计采用桥式整流电路，其主要特点如下：输出电压高，纹波电压小，管 子所承受的最大反向电压较低，电源变压器充分利用， 效率高。晶闸管的导通顺1” 门bLr>r序依次为 VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。1负csUI图3-1三相桥式全控整流电路3.2.2晶闸管的额定参数计算晶闸管的额定电压通常选取断态重复峰值电压U DRM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，考虑到要留有一定的裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受

13、峰值电压的 23 倍;据有效值相等的原则,晶闸管的额定电流一般选取其通态平均电流的1.52倍。在三相桥式全控整流电路中，带纯阻性负载时，晶闸管两端承受的最小峰值为72u2 ;带反电动势负 载时，晶闸管两端承受的最大正反向峰值为 V6u2 ；晶闸管的通态平均电流|VT=d。则据 Un =屈 Un （23）/0 U N （23）, |2=尿 Id ,|VT=为？ I d,IVT(AV)= |vt/1.57(1.52)在本设计中，晶闸管的额定电流I vt(av) =167334A晶闸管的额定电压Un=5391617V323平波电抗器的参数计算在V-M系统中，脉动电流会增加电机的发热，同时也产生脉动转

14、矩，对机 械产生不利，为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，在本设计 中采用设置平波电抗器的方法。Ud=2.34U2cosUd=UN=220V,取 =0°一般取I dmin为电动机额定电流的5%-10%,这里取10%则U2=522094.0 仃1V2.34cos02.34L=0.693 H 0.693 94.017137.23mHI d min0. 117.53.2.4整流装置的保护与其他类型的电气设相比，晶闸管元件有很多优点，但是由晶闸管的伏安特 性可知，元件的反向击穿电压较接近于运行电压，热时间常数小，因此过电压、 过电流能力差，在短时间内的过电压、过电流都可能造成元

15、件的发热损坏。 为了 使晶闸管可靠工作，必须设置保护装置。(1)过电压保护如图3-2所示，下图是常见的三相 RC过电压抑制电路连接方式。 交流侧RC过电压保护的参数整定 据公式 Ci> 3X 6oOSi/ Ui2( 一般取 lo%=6.5%) =3>6>6.5 X85.5/3) 1X/2202)=69 uFR1=3 3XJ12/ S1 XU dL%j %(一般取 UdL%=5%)39=1 X2.3X2202/ (85.5/3) 103X 彳右=1.1 Q(取 1 Q)图3-2三相RC过电压抑制电路17 直流侧RC过电压保护的参数整定C2>6W<S2/ U22(一般

16、取 Io%=6.5%)=60.5(81.5/3 1貳)/1102=88 uFR2=2.3 刘 22/ S2屮U dL % % (一般取 UdL% =5%)=2.3 (1102/(81.5/3 1衣)(质=0.9Q (取 1Q)(2) 过电流保护保护变压器的熔断器的选择据式In.fe=(1.5-2)|1.nf(式中，I1.NF为变压器的额定一次电流为 75A)熔体额定电流为 In.fe=(1.5-2) 75A= (112.5-150) A所以应选熔断器的型号为RM20-200。 整流元件的快速熔断器的选择据式 In= Ivt(av)/ 1.57(式中 IvT(Av)取 240A)熔体额定电流为I

17、n=240/1.57=152.8A所以快速熔断器的型号为RLS-160。3.2.5晶闸管的触发电路的选择图3-3给出了常见的三相桥式全控整流电路的晶闸管的触发电路。带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统设计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：VT

18、1 VT2-VT3-VT VT5-VT6,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 60°,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图3-3。至VT6 样応5 洋VT4 cgVT3 单gvry f全VT1A JJ5頁（1510脚为6路双脉冲输出）仃飞脚为3路单脉冲输入）JHaantllj c22 3 Z 5G7 SRK _E4Rs 5 4 - J 2 1 o >-11QJHnHe r7415723 4567 67十IS1-15VL-O图3-3三相桥式全控整

19、流电路的集成触发控制电路四、带电流截止负反馈的闭环直流调速 系统控制电路的设计4.1控制电路的结构选择TA图4-1所示是一个带电流截止负反馈的无静差的直流调速系统，采用比例积分调节器一实现无静差，采用电流截止负反馈来限制动态过程的冲击电流。为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号Ui。当电流超过截止电流Ider时，Ui高于稳压管VS的击穿电压，使晶体三极管VBT导通，则PI调节 器的输出电压Uc接近于零，电力电子变换器的输出电压 Ud急剧下降，达到限TA流的目的。改变Un即可调节电动机的转速。VTR1C1RoUUdIdRbal图4-1无静差直流调速系统原理图如图4-2所示，上述无静差调

20、速系统的理想静特性如图实线所示。图3-2带电流截止的无静差直流调速系统的静特性当IdVider时，系统无静差，静特性是不同转速的一族水平线;带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统设计当Id > Ider时，电流截止负反馈起作用，静特性急剧下垂，基本上是一条垂直线。图3-3无静差直流调速系统稳态结构图(Id < Ider)I U comI d Rs " U com1ZRsId? UnKp1 /Ce图4-4无静差直流调速系统稳态结构图(Id > Ider )4.2转速环的参数计算与设计(1)额定负载时的稳态速降应为：nel1500 0.1 r/min 8.33r/mi

21、nD(1 s) 20 (1 0.1)(2)求闭环系统应有的开环放大系数计算电动机的电动势系数Un 丨 N RaCenN220 12.5 1.5v mjn/ r0.1342V min/r1500开环系统额定速降InR nop CCegr/min0.1342111.77r/min 闭环系统的开环放大系数K 4 1111.77 1 12.41cl 8.33(3) 计算转速负反馈环节的反馈系数和参数测速发电机的电动势110VCetg 歸mn 0.0579V min/r转速反馈电压(a =2Cetga取0.2)Un 2Cetg X500 r/min=0.2 X0579 1500=17.37V 转速反馈系

22、数2Cetg =0.2 X.0579V.min/r=0.01158V.min/r(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12.41KKp Ks/Ce 0.01158 35/0.1342.4.11运算放大器型号取 Ro=4OKQ , Ri=Kp Ro =4.11X 40KQ=164.37KQ4.3电流截止负反馈环节的参数计算与设计4.3.1电流检测与反馈直流调速系统中的电流截止负反馈的电流检测环节如图4-5所示，电流反馈信号取自串入电动机电枢回路中的小阻值电阻Rs，IdRs正比于电流。设Idcr为临界的截止电流，当电流大于Ide r时，将电流负反馈信号加到放大器的输入端；当电流小于

23、Ider时，将电流反馈切断。为了实现这一作用，须引入比较电压，图4-5a 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。在IdRs与Ucom之间串联一个二极管 VD，当ldRs>Ucom时，二极管导通，电流负反馈信号Ui即可加到放大器上去；当IdRs<Jcom时，二极管截止，Ui既消 失。截止电流I dcr=Ucom/ Rs。带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统设计图4-5b中利用稳压管VS击穿电压Ubr作为比较电压，线路要简单得多,但不能平滑调节截止电流。r=i -+(a)禾U用独立直流电源作比较电压(b)利用稳压管产生比较电压图4-5电流截止

24、负反馈的电流检测环节所以选择利用独立电源作比较电压环节，见图4-5a。4.3.2电流检测环节的参数计算最大堵转电流Idb, 冒Idbi应小于电机允许的最大电流，一般为Idbl < 2In,故取Idbl =2 In=2X12.5=25A （已知 In =12.5A）截止电流ldcr=Ucom/ Rs。从调速系统的稳态性能上看，希望稳态范围足够大，截止电流应大于电机的 额定电流，一般取Ider羽.2|N ;故取Idcr=1.2 In=1.2 >t2.5=15A （已知 In =12.5A）由式和式可求出Rs=1.05Q，Ucom=15.75V4.4系统的动态分析与设计图4-3为反馈控制

25、闭环直流调速系统的动态结构框图，是由各环节的传递函 数，按在系统中的相互关系组合起来的。5-ri .巧3 -1©十*并）CL图4-3反馈控制闭环直流调速系统的动态结构框图其开环传递函数为KW(s)(TsS 1)(TmTlS2 TmS 1)据系统的闭环传递函数和劳斯判据得，系统稳定条件为KTm(TiTs) Ts2TiTs计算系统中各环节的时间常数：（已知L=37.23mH）L 0.03723H 0.025s R 1.52机电时间常数为TmGD R 40 1.5s 0.930s375CeCm 375 0.1342 0.1342 30/电磁时间常数为Ti40 1.5对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为Ts 0.00167S所以为保证系统稳定，开环放大系数应满足稳定条件，即2 2,Tm(Tl Ts) Ts0.930 (0.025 0.00167) 0.00167“0.00167 0.025K594.82因为K=12.41屿94.82,所以闭环系统是稳定的。2加加#带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统设计12.41系统的开环传递函数为:W(S) (0.00167s 1)(0.0115s2 0.930s 1)4.5调节器的参数计算与设计作为调速系统的动态校正装置，且该直流调速系统是无静差调速系统，所以常采用PI调节器来实现，其线路图4-6所示。#PI