实训报告12303125

1、实 训 报 告课程名称： 专业实训 专 业： 自动化 班 级： 123031 学 号： 12303125 姓 名： 陈家男 指导教师： 王艳秋 成 绩： 完成日期： 2016 年 1月15 日1 单闭环直流调速系统主电路的设计直流调速是现代电力电子拖动自动控制系统中发展较早的技术。在 20 世纪60 年代随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力传动控制技术研究和应用的繁荣。 七十年代以来 国内外在电气传动领域里大量地采用“晶闸管整流电动机调速”技术。尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但是晶闸管整流调速系统在工业生产中的应用量还是占有相当大的比重。尽管目前交

2、流调速的迅速发展，交流调速技术技术越趋成熟以及交流电动机的经济性和易维护性。使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。某些场合往往要求直流电机的转速在一定范围内可调节，例如，电车、机床等，调节 （1）改变电机两端电压； 范围根据负载的要求而定。调速可以有三种方法： （2）改变磁通； （3）在电枢回路中，串联调节电阻。本设计采用第一种方法：通过改变施加于电机两端 的电压大小达到调节直流电机转速的目的。在现代电子产品中，自动控制系统，电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等方面， 直流电机

3、都得到了广泛的应用。所以直流电机的控制是一门很实用的技术。直流电机，大体上可 分为四类：几相绕组的步进电机、永磁式换流器直流电机、伺服电机、 两相低电压交流电机、直流电机具有良好的启动性能和调速特性，它的特点是启动转矩大，最大转矩大， 能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。与交流调速相 比，直流电机结构复杂，生产成本高，维护工作量大。随着大功率晶体管的问世以及矢 量控制技术的成熟，使得矢量控制变频技术获得迅猛发展，从而研制出各种类型、各种 功率的变频调速装置，并在工业上得到广泛应用。适用范围：直流调速器在数控机床、 造纸印刷、纺织印染、光缆线缆设备、包装机械、电工机械

4、、食品加工机械、橡胶机械、 生物设备、印制电路板设备、实验设备、焊接切割、轻工机械、物流输送设备、机车车 辆、医疗设备、通讯设备、雷达设备、卫星地面接受系统等行业广泛应用。1.1 整流变压器参数的计算1.1.1 整流变压器二次侧相电压为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后，晶闸管交流侧的电压只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器次级电压电网电压波动系数=0.9，A=0.9,C=0.707,= ,=0.05,所以 1.1.2 二次侧相电流和一次侧相电流所以变压器电压比为：二次侧相电流：一次侧相电流：1.1.3 变压器容量二次容量：一次容量：平均计算

5、容量：1.2 整流器件晶闸管的参数计算及选择1.2.1 电压、电流定额取，选择KP300-8晶闸管6只。1.2.2 阻容保护电路的参数计算及选择 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

6、型连接。熔断器属于过电流保护，串联在电路中使用。阻容吸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

7、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。 图1.1 交流侧过压保护图1.2直流侧过压保护图1.3 晶闸管两端的电压保护1.3 过流保护过电流保护：过电流保护就是当电流超过预定最大值时，使保护装置动作的一种保护方式。当流过被保护原件中的电流超过预先整定的某个数值时，保护装置启动，并用时限保证动作的选择性，使断路器跳闸或给出报警信号。采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过流保护措施。图1.4 晶闸管两端的电压保

8、护1.4 器件保护由于晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度就会急剧上升可能烧坏PN结，造成元件内部短路或开路。晶闸管发生过电流的原因主要有：负载端过载或短路；某个晶闸管被击穿短路，造成其他元件的过电流；触发电路工作不正常或受干扰，使晶闸管误触发，引起过电流。晶闸管允许在短时间内承受一定的过电流，所以过电流保护作用就在于当过电流发生时，在允许的时间内将过电流切断，以防止元件损坏。晶闸管过电流的保护措施有下列几种：快速熔断器：普通熔断丝由于熔断时间长，用来保护晶闸管很可能在晶闸管烧坏之后熔断器还没有熔断，这样就起不了保护作用，因此必须采用专用于保护晶闸管的快速熔断器。快速熔断器用的是银质熔丝

9、，在同样的过电流倍数下，它可以在晶闸管损坏之前熔断，这是晶闸管过电流保护的主要措施。 2 单闭环直流调速系统控制电路的设计2.1 整流模块2.1.1 单相整流模块参数（1）工作频率f为50Hz。（2）输入线电压范围VIN（RMS）为30450VAC。（3）控制信号电压VCON为010VDC。（4）控制信号ICON10A。（5）输出电压不对称度6。（6）输出电压温度系数600PPM/。（7）模块绝缘电压VISO（RMS）2500V。2.12 块内部电路及使用和安装（1） 单相整流模块内部电路，如图2.1图2.1 单相整流模块（2）模块的使用安装 模块电流规格选择：为保证设备运转正常，选取的模块电

10、流应为负载电流的1.53倍，整个运行过程，负载电流不能超过模块的额定电流。 环境要求：模块的存贮和工作场所应干燥、通风、无尘、无腐蚀性气体。工作环境温度范围为2545 安装步骤 把散热器和风机按通风要求安装好，散热器表面必须平整、光洁。在模块导热底板与散热器表面均匀涂覆一层导热硅脂，然后用螺钉把模块固定于散热器上，注意用力要均等。 因模块工作电流较大，必须用带接线鼻的多股铜线进行连接（禁用铝线），导线截面积按电流密度4A/mm 2 选取。严禁将铜线直接压接在模块电极上。 用接线鼻环带将铜线扎紧，以免接触不良而附加发热，然后套上绝缘热缩管，用热风或热水加热收缩。将接线鼻固定在模块电极上，确保良好

11、的平面接触，并用螺钉紧固。 注意模块输入输出电极勿掀起，以免损坏模块。 接控制线：控制插口有两种开式。一种为5脚，另种为15脚。5脚、15脚的接线见图2.2及2.3和表2.1 图2.2 五脚插座的对应顺序 图2.3 十五脚插座的对应顺序 表2.1 引脚接线引脚功能 引线颜色 5脚插座 15脚插座 12 红色 5 1 GND 黑色 4 2 GND 黑色(灰色) 3 3 CON 黄色 2 4 ECON 橙色(褐色)1 5 2.2 LM331芯片简介及工作原理LM331采用单电源供电，电源电压VCC，模拟信号 的输入范围-VCC0V,频率范围为1500KHZ，非线性低于0.01。模拟信号 经积分器积

12、分处理后,在INPUT端变成与输入电压 成正比的稳定电流输入,通过LM331芯片进行V/F转换后,变成与电压成正比的频率信号,FOUT端输出的频率信号送到计算机的计数/定时端口,计算机对频率信号进行采集、处理、存储。从而实现模拟信号到数字信号的转换。由于LM331的转换线性度直接影响转换结果的准确性，而通常引起V/F转换产生非线性误差的原因是引脚1的输出阻抗，它使输出电流随输入电压的变化而变化，因而影响转换精度，为克服此缺点，高精度V/F转换器在1脚和7脚间加入了一个积分器，这个积分器是由常规运放LF356和积分电容C4构成的反积分器。内部电路图如图2.2图2.2 内部电路图LM331器件管脚

13、图及管脚功能 图1.5 LM331器件管脚图2.3 运算放大环节ML324LM324系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V或+16V。LM324的特点： 短跑保护输出2.真差动输入级3.可单电源工作：3V-32V4.低偏置电流：最大100nA（LM324A）5.每封装含四个运算放大器。6.具有内部补偿的功能。7.共模范围扩展到负电源8.行业标准的引脚排列9.输入端具有静电保护功能。图1.6 LM324引脚图2.4 光电编码器2.41 光电编码器E6B2_C光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感

14、器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90º的两路脉冲信号。接线如图2.3图2.3 光电编码器接线图2.5 单闭环调速系统控制电路图单闭环调速系统控制电路如图2.4.图2.4 单闭环调速系统控制电路3 双闭环直流调速系统主电路的设计3.1 主电路的选择和参数的计算3.1.1 二次

15、侧相电压查表得，忽略时有：3.12 次侧相电流和一次侧相电流所以变压器电压比为：一次侧相电流：二次侧相电流：3.1.3 变压器容量一次容量：二次容量：平均计算容量：3.14 电压、电流定额取=800V 取=5A3.1.5 保护环节的计算和选择 直流调速系统主电路如图2.5图2.5 双闭环直流调速系统主电路4 双闭环直流调速系统控制电路的设计 双臂环直流调速系统增加了电流调节器。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，以保证电流在动态

16、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。 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。4.1 电流环的设计4.1.1.确定时间常数：=+=4.

17、1.2选择电流调节器结构 根据设计要求：，而且 因此电流环可按典型型系统设计。电流调节器选用PI型，其传递函数为 4.1.3.选择电流调节器参数ACR超前时间常数：。 电流环开环增益：要求时，应取于是，ACR的比例系数为 4.1.4校验近似条件电流环截止频率 （1）晶闸管装置传递函数近似条件： 现在 满足近似条件（2）忽略反电动势对电流环影响的条件： 现在， 满足近似条件。（3）小时间常数近似处理条件：现在， 满足近似条件。4.1.5. 计算调节器电阻和电容 电流调节器原理图，按所用运算放大器取，各电阻和电容值计算如下 ，取 , 取 ，取 按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为：，满足设计要

18、求。4.2 转速环的设计4.2.1确定时间常数 （1）电流环等效时间常数为 （2）转速滤波时间常数 根据所用测速发电机纹波情况，取 （3）转速环小时间常数 按小时间常数近似处理，取4.2.2选择转速调节器结构 由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型型系统设计转速环。故ASR选用PI调节器，其传递函数为4.2.3选择转速调节器参数 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取，则 ASR的超前时间常数为 转速环开环增益 于是，ASR的比例系数由式（4-76）为 4.2.4校验近似条件 由式（4-24），转速环截止频率为 （1）电流环传递函数简化条件：。 现在 满足简化条件。（2）时间常数近似处理条件： 现在， 满足近似条件。4.2.5计算调节器电阻和电容 转速调节器原理图，取，则 4.2.6校核转速超调量 由式（4-84），当时，而因此总 结通过为期近一个月的实训课，我们掌握了调速系统的基本原理，以及该系统的优良性能 在实际应用的广泛性。我们了解到几乎所有的自动化工厂几乎都应用这一技术，足以说明该系统在现代化生活中的重要性。大学