V-M双闭环直流调速系统课程设计报告

1、实 训 报 告课程名称： 专业实训 专 业： 班 级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 成 绩： 完成日期： 2015 年 1月15 日任 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，变压器，晶闸管整流装置，保护

2、器件，直流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。211 单闭环直流调速系统1.1 主电路设计单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。在电动机轴上装一台测速发电机SF ,引出与转速成正比的电压Uf 与给定电压Ud 比较后,得偏差电压U ,经放大

3、器FD ,产生触发装置CF 的控制电压Uk ,用以控制电动机的转速,如图1.1所示。放大器电压整流触发装置负载电动机 速度检测图1.1 单闭环直流调速系统原理框图直流电机，额定电压20V，额定电流7A，励磁电压20V，最大允许电流40A。1.1.1 整流变压器额定参数的计算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U2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U2。 （1）二次侧相电流和一次侧相电流 在精度要求不高的情况下，变压器的二次侧相电压U2的计算公式： 几种整流线路变压器电压计算系统参数，如表1.1所示。表1.1 几种

4、整流线路变压器电压计算系统电路模式单相全波单相桥式三相半波三相桥式A0.90.91.172.34C0.7070.7070.8660.5所以变压器二次侧相电压为：变压器的二次侧电流I2的计算公式：几种整流线路变压器电流Id/I2系数，如表1.2。表1.2 几种整流线路变压器电流Id/I2电路模式电阻性负载电感性负载单相全控桥0.91三相全控桥1.221.22查表1.2得，。变压器的二次侧电流：变压器的一次侧电流I1的计算公式：一次侧电流：（2）变压器容量整流电路为单相桥式，取。二次容量：一次容量：平均计算容量：1.1.2 整流器件晶闸管的参数计算及选择额定电压UTN、电流ITN、功率PTN。整流

5、元件的最大值电压UTM和额定电流的计算系数Kfb如表1.3所示。表1.3 整流元件的最大值电压UTM和额定电流的计算系数Kfb电路模式UTM电阻性(Kfb)电感性(Kfb)单相桥式0.5V0.45V三相桥式0.368V0.368V查表1.3得，取，选择MEKD-ZL-50型号整流模块一个。1.1.3 阻容保护电路的参数计算及选择单相变压器交流侧过压过流保护电容C和电阻R的计算： 变压器励磁电流百分比：在101000Kv情况下，取410。变压器的短路电压百分比：在101000Kv情况下，取510。几种常见单相晶闸管阻容保护电路如图1.2所示。图1.2 单相RC保护电路几种常见三相晶闸管阻容保护电

6、路如图1.3，图1.4所示。 图1.3 三相RC角型保护电路 图1.4 三相压敏电阻保护电路1.2 控制电路设计1.2.1 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。整流模块内部电路及使用和安装：（1）单相整流模块内部电路，如图1.5所示。图1.5 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，选取的模块电流应为负载电流的1.5

7、3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，确保良好的平面接触，并用螺钉

8、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：接线见图1.6和表1.4所示。图1.6 五脚插座的对应顺序表1.4 引脚接线引脚功能 引线颜色 5脚插座 12 红色 5 GND 黑色 4 GND 黑色(灰色) 3 CON 黄色 2 ECON 橙色(褐色)1 1.2.2 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Vin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

9、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。LM331外部扩展电路如图1.7所示。图1.7 LM331外部扩展电路1.2.3 运算放大LM324芯片简介及工作原理LM324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

10、，电压范围是3.0V-32V 。它采用14管脚双列直插塑料（陶瓷）封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1.8所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图1.9所示。      图1.8 运算放大器 

11、0;              图1.9 lm324功能引脚图LM324的特点：（1）短跑保护输出；（2）真差动输入级；（3）可单电源工作：3V-32V；（4）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。1.2.4 光电编码器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器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光

12、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90°的两路脉冲信号。光电编码器E6B2_C接线如图1.10所示。图1.10 光电编码器接线图1.2.5 无静差调速采用PI调节器的单闭环无静差调速系统控制结构如图1.11所示。图1.11 单闭环无静差调速系统PI调节器控制结构图单闭环调速系统控制电路如图1.12所示。图1.12 单闭环

13、调速系统控制电路图单闭环调速系统主电路如图1.13所示。图1.13 单闭环调速系统主电路2 双闭环直流调速系统2.1 双闭环直流调速系统设计双闭环直流调速系统主要由给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环；转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭环调速系统。因转速换包围电流环，故称电流环为内环，转速环为外环。在电路中，ASR和ACR串联，即把ASR的输出当作ACR的输入，再由ACR得输出去控制晶闸管整流器的触

14、发器。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用具有输入输出限幅功能的PI调节器，且转速和电流都采用负反馈闭环。该系统原理框图如图2.1所示。电流检测整流触发装置ASRACR负载电压电动机速度检测 图2.1 双闭环直流调速系统原理框图2.2 主电路设计本组双闭环直流调速系统设计参数如下：直流他励电动机：功率Pe1.45KW，额定电压Ue=220V，额定电流Ie=6.5A,磁极对数P=1，ne=1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻Ra=3.7,主电路总电阻R7.4，Ks=27，电磁时间常数TL=0.033s，机电时间常数Tm=0.26s，滤波时间常数Toi=0.00

15、31s，Ton=0.01s，过载倍数1.5，电流给定最大值，速度给定最大值，0.77V/A，0.007 Vmin。2.2.1 整流变压器额定参数的计算（1）一次侧相电流和二次侧电流在精度要求不高的情况下，变压器的二次侧相电压U2的计算公式：查表1.1得，。所以变压器二次侧相电压为：变压器的二次侧电流I2的计算公式：查表1.2得，。变压器的二次侧电流：变压器的一次侧电流I1的计算公式：一次侧电流：（2）变压器容量整流电路为三相桥式，取。二次容量：一次容量：平均计算容量：2.2.2 整流器件晶闸管的参数计算及选择额定电压UTN、电流ITN、功率PTN。查表1.3得，。取，选择三相整流模块F18系列

16、SD57-16型号。2.2.3 阻容保护电路的参数计算及选择（1）单相变压器交流侧过压过流保护电容C和电阻R的计算： 变压器励磁电流百分比：在101000Kv情况下，取410。变压器的短路电压百分比：在101000Kv情况下，取510。 取4.1uF 取20（2）保护电容的耐压值计算2.2.4 双闭环直流调速系统主电路双闭环直流调速系统主电路如图2.2所示。图2.2 双闭环直流调速系统主电路2.3 双闭环直流调速系统控制电路的设计2.3.1 转速、电流双闭环设计原则双闭环直流调速系统控制电路转速、电流双闭环设计原则：先内环后外环。2.3.2 ACR电流环的设计（1）确定时间常数三相桥式电路的平

17、均时空时间：电流滤波时间常数：电流环时间常数：（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： （3）选择电流调节器参数ACR超前时间常数：。机电时间常数：Tm=0.26s。 电流环开环增益：要求时，应取 于是，ACR的比例系数为 （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 。2) 忽略反电动势对电流环影响的条件： 现在，。3) 小时间常数近似处理条件：现在，。（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

18、到的动态指标为：，满足设计要求。其结构图如图2.3所示：图2.3 ACR电流调节器结构图2.3.3 ASR转速环的设计（1）确定时间常数1) 电动机电动势系数为2) 电流环等效时间常数为。3) 转速滤波时间常数根据所用测速发电机纹波情况，取4) 转速环小时间常数 按小时间常数近似处理，取（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：（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的比例系数为： （4）校验近似条件1) 转速环截止频率为 2) 电流环传递函数简化条件： 现在，3) 时间常数近似处理条件： 现在，（5）计算调节器电阻和电容按照转速调节器原理，取，则 （6）校核转速超调量 退出饱和超调