带电流截止负反馈的单闭环无静差直流调速系统设计

1、 。课 程 设 计 说 明 书题目：带电流截止负反馈的单闭环无静差直流调速系统设计学院（系）： 电院自动化系 年级专业： 。 学 号： 。 学生姓名： 。 指导教师： 。 教师职称： 教授 讲师 燕山大学本科生课程设计（论文）燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院 基层教学单位：自动化系 学 号。学生姓名。专业（班级）。设计题目带电流截止负反馈的单闭环无静差直流调速系统设计 (4)设计技术参数相关数据：电动机参数：2.2 KW、220V、12.5A、1500 rpm、U220、18.75、Ra1.06、La8.93mH；其它参数：整流侧内阻Rn0.037、整流变压器漏感 0.24

2、mH、电抗器直流电阻0.024、电抗器电感3.20mH、负载GD2折算值0.709 Kg.m2。设计要求：1）无静差；2）动态性能指标：稳定且留有一定的相角、增益稳定裕度；3）采用工程设计法，试按典型型系统设计。4）用仿真软件进行仿真，对结果进行分析。设计要求1、完成设计说明书一份（包括原理的简要说明和主要参数的计算过程）；文稿用钢笔或圆珠笔书写，字迹应工整、清晰；2、绘制电气原理图（包括主电路、控制回路）A2图纸一张，可用铅笔绘制，应符合相关制图标准；3、设计说明书和电气原理图必须按“电气图形符号”和“电气技术文字符号”的国家标准，并规定主回路用粗实线、控制回路用细实线；4、设计说明书应包含

3、封皮、目录、正文、参考文献等，字数要满足规定。工作量1、说明书一份不少于6000字。2、A2图纸一张，手工或CAD绘图。3、参考文献不少于3篇。工作计划1、查阅有关资料；2、分析并确定控制方案，完成简装操作电路。3、主回路的设计、计算，并确定主要元器件（包括必要的保护环节）；4、电流截止负反馈环节设计、转速调节器设计及参数计算。5、电气原理图设计6、撰写设计说明书参考资料1）电力拖动自动控制系统 陈伯时 主编 （教材）2）电力电子变流技术 黄俊 主编（教材）3）电力拖动自动控制系统习题例题集 童福尧（教材）4）电气控制李仁 主编（教材）5）自选其他有关资料指导教师签字。基层教学单位主任签字。说

4、明：此表一式二份，学生、指导教师各一份。 2017年7月1日摘要转速反馈控制直流调速系统把转速作为系统的被调节量，检测误差，纠正误差，有效地解决了调速范围和静差率的矛盾，抑制直至消除扰动造成的影响。在采用了比例积分调节器后，又能实现无静差。然而转速反馈控制的直流调速系统还存在一个问题，在起、制动过程和堵转状态时，必须限制电枢电流。引入电流负反馈，可以让他不超过允许值。当电流大到一定程度时出现电流负反馈，即电流截止负反馈。本次设计是基于对组成调速系统的两个主要部分：主电路，包括主回路方案的确定、元器件的参数计算和选型、触发电路和保护环节；控制电路，包括转速负反馈环节的参数计算、电流截止负反馈环节

5、的参数计算，电流检测环节和调节器的设计的分析、参数计算和设计，并且用仿真波形通过MATLAB来进行调节器的参数调节。关键词：电流截止负反馈 主电路 控制电路 调节器III燕山大学本科生课程设计（论文）目录摘要II第1章 系统设计要求1第2章 控制系统整理方案设计22.1 系统总体设计22.2 直流调速系统调速方案比较32.2.1 调速的方法32.2.2 变压调速4第3章 系统主回路设计63.1 主回路结构选择63.2 变压器参数计算及选型63.2.1 整流变压器二次侧电压计算63.2.2 整流变压器电流计算73.2.3 变压器容量的计算73.3 晶闸管额定参数计算73.4 保护电路的设计83.

6、4.1 过电压保护83.4.2 过电流保护93.5 励磁电路的设计10第4章 系统控制回路设计114.1 控制及驱动回路的设计114.2 电流截止负反馈环节的参数计算与设计124.2.1 电流检测与反馈124.2.2 电流检测环节的参数计算144.2.3 电流检测电路154.3 转速反馈环节154.4 系统的动态分析与设计164.4.1 参数计算164.4.2 系统的设计174.5 调节器的参数计算与设计18第5章 系统辅助回路设计195.1 直流稳压电源19第6章 软件仿真与结论206.1 软件的仿真206.2 结论23第7章 设计感想24参考文献25IV第1章 系统设计要求1、系统实现无静

7、差；2、动态性能指标：稳定且留有一定的相角、增益稳定裕度；3、采用工程设计法，试按典型型系统设计。4、用仿真软件进行仿真，对结果进行分析。1燕山大学本科生课程设计（论文）第2章 控制系统整理方案设计2.1 系统总体设计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。

8、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不便。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

9、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。 图2-1是带电流截止的无静差直流调速系统，采用PID调节器以实现无静差，采用电流截止环节来限制电枢电流。TA为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号Ui。当电流达到截止电流Idcr时，Ui高于稳压管VS的击穿电压，使晶体管VT导通，忽略晶体管的导通压降，则PID调节器的输出电压Uc为零，电力电子变换器UPE的输出电压Ud=0,达到限制电流的

10、目的。电动机的电枢回路由晶闸管组成的三相桥式整流电路供电，通过与电动机同轴刚性连接的测速发电机TG检测电动机的转速，并经转速环节分压后取出合适的转速反馈信号Un，此电压与转速给定信号经速度调节器ASR综合调节，ASR输出作为移相触发器的控制电压Uc，由此组成转速负反馈单闭环直流调速系统。改变给定电压即可调节电动机的转速。图2-1 无静差直流调速系统2.2 直流调速系统调速方案比较2.2.1 调速的方法他励直流电动机的转速公式：式中：U为他励电动的电枢电压 I为电枢电流 E为电枢电动势 R为电枢回路的总电阻 n为电机的转速 为励磁磁通 为电机的电动势系数（1）调节电枢供电电压U（2）减弱励磁磁通

11、（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，减弱磁通虽然能都平滑调速，但调速范围不大，往往只能是配合方案，在基速以上做小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。2.2.2 变压调速晶闸管电动机调速系统（简称VM系统），其原理图如图2-2所示。图中VT是晶闸管的可控整流器，通过调节触发装置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；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

12、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。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；反并联两组全控整流电路，就可实现电机的四象限运行。图2-2 VM调速系统原理图第3章 系统主回路设计3.1 主回路结构选择本设计采用三相桥式全控整流电路，其主要特点有：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。晶闸管的导通顺序依次为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。如图3-1所示。图3-1 三相桥式全控整流电路3.2 变压器参数计算及选型3.2.1 整流变压器二次侧电压计算

13、变压器副边电压采用如下公式进行计算： 已知三相全控整流电压的计算系数为KUV=2.34,电网电压的波动系数为b=0.900.95,查表并考虑10°的裕量可得cosmin=0.985，由电机参数可知UN=220V,代入公式计算出取U2=110V，因此变压器的变比近似为：3.2.2 整流变压器电流计算一次侧电流：考虑变压器自身的励磁电流时， 应乘以1.05左右的系数，查表知，一次侧相电流计算系数KIL=0.816，由电机参数可知Idm=18.75，代入公式计算出 I1=1.05×18.75×0.816/3.45=4.66A 二次侧电流，查表知，二次相电流计算系数KIV

14、=0.816，由电机参数知Idm=18.75，代入公式计算出I2=0.816×18.75=15.3A3.2.3 变压器容量的计算 变压器一次、二次绕组相数m1=m2=3一次容量：S1=m1U1I1=3×380×4.66=5.312kVA二次电容：S2=m2U2I2=3×110×15.3=5.049kVA平均电容：S=0.5×(S1+S2)=0.5×(5.312+5.049)=5.181kVA因此整流变压器的参数为：变比K=3.45，容量S=5.181KVA，联结方式为：/Y连接。3.3 晶闸管额定参数计算（1）额定电压的选择

15、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，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峰值电压的23倍，查表知，晶闸管的电压计算系数=2.45按下列公式计算：（2）额定电流的选择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；带反电动势负载时，晶闸管两端承受的最大正反向峰值为；晶闸管的通态平均电流则据I2=I，IVT=I，可得 IVT(AV)= (1.52)IVT/1.57=(1.52)=10.3413.79A在本设计

16、中，晶闸管的额定电流IVT(AV)=10.3413.79A晶闸管的额定电压UN=3.4 保护电路的设计晶闸管元件有换相方便，无噪音的优点，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件的发热损坏。还需要采取必要的过电压、过电流保护措施。正确的保护是晶闸管装置能否可靠地正常运行的关键。3.4.1 过电压保护三相变压器两侧采用阻容保护，如图3-2。图3-2 RC过电压抑制电路交流侧RC过电压保护的参数整定（阻容吸收保护）根据公式C16IemS1U12 =6×6.5×5.312

17、15;1033802=1.43F（取1.5F）(一般取=6.5)-变压器励磁电流百分数R12.3U12S1UdLIem=2.3×38025.312×10356.5=54.84(取55) (一般取=5)直流侧RC过电压保护的参数整定（阻容吸收保护） C26IemS2U22 =6×6.5×5.049×1031102=16.27F（取16F）(一般取=6.5)R22.3U22S2UdLIem=2.3×11025.049×10356.5=4.83(取5) (一般取=5)3.4.2 过电流保护（1）保护晶闸管熔断器的选择过电流保护措施

18、很多，其中快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断器的接法如图3-3所示。 图3-3 直流侧过电流保护 在本系统中，据式IN= IVT(AV)/ 1.57(式中IVT(AV)取15A) 熔体额定电流为IN=15/1.57=9.55A，故选RLS10的熔断器，容体电流为10A。(型号)（2）保护变压器熔断器的选择在本设计中，选用快速熔断器进行三相交流电路的一次侧过电流保护，保护原理图如图3-4所示：图3-4 一次侧过电流保护熔断器额定电压不应小于线路的工作电压，由于一次侧相电压为220V，所以熔断器额定电压应选取250V。 据式IN.FE=(1.52)I1.NF

19、 (式中，I1.NF为变压器的额定一次电流为4.66A)熔体额定电流为IN.FE=(1.52)×4.66A=（6.999.32）A3.5 励磁电路的设计本设计采用三相零式整流电路作为励磁电路，考虑到晶闸管价格较高，用二极管来代替晶闸管作为整流元件，电路如图3-5所示。参数整定：调节变压器变比使=220V,则=1.17×220V=257.4V，调节使=220V。图3-5 励磁回路25燕山大学本科生课程设计（论文）第4章 系统控制回路设计4.1 控制及驱动回路的设计晶闸管触发电路类型有很多，有分立式、集成式和数字式，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

20、单片机上来实现，而需要通过编程来实现。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，所以可以采用集成触发器，选择常用的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

21、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图4-1。图4-1 三相桥式全控整流电路的集成触发控制电路4.2 电流截止负反馈环节的参数计算与设计4.2.1 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4-2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Idcr时，将电流负反馈信号加到放大器的输入端；当电流小于Idcr时，将电流反馈切断。为了实现这一作用，须

22、引入比较电压，图4-2a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IdRs>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IdRsUcom时，二极管截止，Ui既消失。截止电流Idcr=Ucom/ Rs。图3-5b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。本设计利用稳压管产生比较电压。（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 图4-2电流截止负反馈的电流检测环节当IdIdcr，电流负反馈被截止，系统无静差，静特性只有转速负反馈调速系

23、统的静特性，静特性是不同转速的一族水平线。稳态结构图如图4-3所示。 图4-3 无静差直流调速系统稳态结构图（Id<Idcr）当Id>Idcr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。稳态结构图如图4-4所示。图4-4 无静差直流调速系统稳态结构图（Id>Idcr）带电流截止的无静差直流调速系统的理想静特性如图4-5所示图4-5 带电流截止的无静差直流调速系统的静特性4.2.2 电流检测环节的参数计算最大堵转电流 一般所以可以取 设计转速给定电压为15V。应小于电机允许的最大电流，一般为Idbl 2IN，故取 Idbl =2 IN=2×12.5=

24、25A（已知电机参数IN =12.5A）截止电流 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Idcr 1.2IN ；故取Idcr=1.2 IN=1.2×12.5=15A（已知电机参数IN =12.5A）由式和式可求出 Rs=1.5，=22.5V4.2.3 电流检测电路电流检测电路如图4-6所示 图4-6 电流检测电路已知变压器二次侧电流为I2=15.3A，选电流互感器的二次侧额定电流为I2i=5A，则电流互感器变比KI=I2I2i=15.3÷5=3.06经整流桥后输出电流Idi=I2i0.816=6.13A电位器参数选择，已知Un*=

25、15V,RP=Un*Idi=15÷6.13=2.45 取10电位器负载最大功率W=UmIdi=15×6.13=92w综上所述 选择10 100w规格的电位器。4.3 转速反馈环节将直流测速发电机与待测电动机同轴相连，则发电机输出的是与电动机转速成比例的直流电压，其极性反映转向，用取样电阻RP即可取得转速反馈信号Un。转速反馈电路原理图如图4-7所示。 转速反馈环节的反馈系数，其中为测速发电机的电动势系数，为其输出电位器的分压系数。由前所述，所选直流测速发电机的型号为ZYS-3A，由其相关参数可得转速反馈电压Un=2Cetg×1500=0.2×0.055&

26、#215;1500V=16.5V，由于本设计限定给定范围为,故取0.2不满足要求。取0.15，Un=2Cetg×1500=0.15×0.055×1500V=12.375V,因此取0.15。 电位器的电阻：,本式取测速发电机输出最高电压时电流值为额定电流的20%计算。此时消耗的功率:WRP=NnCetg×INTG=0.055×1500×0.2×0.2W=4.4W为了使电位器温度不致很高，实选瓦数应为所消耗功率的一倍以上。故选取电位器额定值为10W，2.8。图4-7 转速反馈电路原理图4.4 系统的动态分析与设计4.4.1 参数

27、计算（1）电枢回路电磁时间常数：电枢回路总电阻为：R=Ra+Rn+RH=1.06+0.037+0.024=1.121电枢回路总电感为：L=La+LT+LH=8.93+0.24+3.2=12.37mH电枢回路电磁时间常数为：Tl=LR=12.37mH1.121=0.011s（2）电力拖动系统机电时间常数:电动机在额定磁通下的电动势系数：Ce=UN-INRanN=0.138电动机在额定励磁下的转矩系数：Cm=9.55Ce=1.318系统的转动惯量为：GD²=0.105+0.709=0.814Kg.m²机电时间常数为:Tm=GD2R375CeCm=(0.709+0.105)

28、15;9.8×1.121375×0.138×1.318=0.1313s（3）三相桥式电路的平均失控时间为：Ts=0.0017s（4）晶闸管装置放大系数Ks令本系统电流调节器最大输出电压Uc15V，晶闸管最大输出整流电压为Ud0=2.34U2=257.4V，则KsUd0Uc257.41517.16（5）转速反馈系数系统的给定电压为15V，额定转速为1500rpm。则转速反馈系数4.4.2 系统的设计反馈控制闭环直流调速系统的动态结构框图如图4-8所示图4-8 反馈控制闭环直流调速系统的动态结构框图开环传递函数为： 由于Tm>4Tl，将开环传递函数做近似处理得4

29、.5 调节器的参数计算与设计使系统按典型型系统设计，则转速调节器应设置为PID调节器，如图4-9所示。 图4-9 PID调节器则传递函数应为：由于，做大惯性近似处理可得开环传递函数为：由于，所以选择，用调节器零点消去控制对象中大的时间常数点，以便校正成典型型系统。因此传递函数为 其中一般情况下，选中频宽h=5转速环截止频率：检验近似条件，转速环大惯性环节近似处理条件：符合条件。取，结合上面公式可得 取0.01 取0.5 取1000第5章 系统辅助回路设计5.1 直流稳压电源给定电压的稳定与否直接影响系统给定转速的稳定程度，对调速系统精度影响甚大。为此在调速系统中，给定电压一般由稳压电源供给。根

30、据对系统调速精度的要求不同，可以采用不同型式的稳压电源。由于用集成稳压器组成的稳压电路简单，稳压精度高，故广泛应用在调速系统中。这里选用CM7815和CM7915三端集成稳压器作为控制电路电源，如图5-1所示。 图5-1 ±15V电流稳压电源原理图原理图器件明细表序号代号名称规格数量1B1,B2桥堆2A,200V22C1,C2电解电容2200F,63V23C3,C4电容0.1F247815三端集成稳压器+15V,1.5A157915三端集成稳压器-15V,1.5A16C5,C6电容0.33F27VD1,VD2二极管2CP122第6章 软件仿真与结论6.1 软件的仿真采用matlab仿真（1）采用PID调节时，仿真图形如图6-2所示图6-1 PID转速无静差仿真图图6-2 PID转速无静差仿真波形（2）带电流截止的无静差调速系统仿真波形如图6-4所示。图6-3 带电流截止的无静差调速仿真图图6-4 带电流截止的无静差调速仿真波形（3）典型二型系统的伯德图如图6-6所示。图6-5 典型二型系统伯德图程序 图6-6 典型二型系统伯德图6.2 结论从波形图可以看出，采用PID调节器可以实现无静差，加入带电流截止的负反馈后，可以抑制电机在启动时的大电流产生。设计的典型二型系统，