帶電流截止負反饋的轉速單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計.doc

帶電流截止負反饋的轉速單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計一、 緒論 科學技術的發(fā)展日新月異，科技產品涵蓋著我們生活的方方面面。電動機作為一種便利的帶動工具，是我們生活和工業(yè)生產中重要的不可缺少的一部分，人類的生產生活已經離不開它。對于我們來說，如何高效精確地控制電機的運轉，并且最低的成本去實現(xiàn)，才是我們最值得深入研究的課題。直流電動機具有良好的起、制動性能，方便控制，易于實現(xiàn)，宜于在大范圍內平滑調速，并且直流調速系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟，是研究其它調速系統(tǒng)的基礎。在直流電動機中，帶電流截止負反饋直流調速系統(tǒng)應用也較為廣泛，其廣泛應用于軋鋼機、冶金、印刷、金屬切割機床等很多領域的自動控制中，雖然，在調速的高效性方面存在著局限性，但綜合各方面來看，它任然有它獨特的運用前景。1.1設計的目的和意義（1）應用所學的直流調速系統(tǒng)的基本知識與工程設計方法，結合生產實際，確定系統(tǒng)的性能指標與實現(xiàn)方案，進行運動系統(tǒng)的初步設計。（2）學會應用MATLAB軟件，建立數(shù)學模型對控制系統(tǒng)進行仿真研究，掌握系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響；（3）在理論設計與仿真研究的基礎上，應用Protel進行控制系統(tǒng)的設計，為畢業(yè)設計打下基礎。1.2設計要求本課程設計的對象是： 直流電機：2.2kW，220V，12.5A，1500 轉/分。電樞電阻1.2 ，整流裝置內阻1.5，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)為35，堵轉電流，臨界截止電流。 要求設計一個帶直流截止負反饋的轉速單閉環(huán)調速系統(tǒng)。其主要內容為：（1）測定綜合實驗中所用控制對象的參數(shù)（由實驗完成）；（2）根據(jù)給定指標設計帶電流截止負反饋的轉速調節(jié)器，并選擇調節(jié)器參數(shù)和具體實現(xiàn)電路。 （3）按設計結果組成系統(tǒng)，以滿足給定指標。 （4）研究參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響。 （5）在時間允許的情況下進行調試。1.3設計對象及有關數(shù)據(jù)（1）完成理論分析：a.調速范圍 D20，靜差率 S10；b.轉速超調n10%(在額定轉速時)；c.動態(tài)速降小于 10。 d.振蕩次數(shù)小于 2 次；進行系統(tǒng)參數(shù)計算，完成轉速調節(jié)器及電流截止負反饋的結構與參數(shù)設計；對整個調速系統(tǒng)的動態(tài)性能進行分析； （2）完成系統(tǒng)電氣原理圖的設計晶閘管電動機系統(tǒng)主電路設計晶閘管整流電路方案的討論和選擇。整流變壓器額定容量、一次側和二次測電壓、電流的選擇。晶閘管的選擇及晶閘管保護電路的選擇。 平波電抗器的計算與選擇。觸發(fā)電路的選擇。 測速發(fā)電機的選擇及有關元件的選擇與計算。完成系統(tǒng)電氣原理圖的設計。二、帶電流截止負反饋的閉環(huán)直流調速系設計方案的選擇2.1 普通閉環(huán)直流調速系統(tǒng)及其存在的問題（1）起動的沖擊電流-直流電動機全電壓起動時，如果沒有限流措施，會產生很大的沖擊電流，這不僅對電機換向不利，對過載能力低的電力電子器件來說，更是不能允許的。（2）閉環(huán)調速系統(tǒng)突加給定起動的沖擊電流-采用轉速負反饋的閉環(huán)調速系統(tǒng)突然加上給定電壓時，由于慣性，轉速不可能立即建立起來，反饋電壓仍為零，相當于偏差電壓，差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的 1+k 倍。這時，由于放大器和變換器的慣性都很小，電樞電壓一下子就達到它的最高值，對電動機來說，相當于全壓起動，當然是不允許的。（3）堵轉電流-有些生產機械的電動機可能會遇到堵轉的情況。例如，由于故障，機械軸被卡住，或挖土機運行時碰到堅硬的石塊等等。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無限流環(huán)節(jié)，硬干下去，電流將遠遠超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護，一過載就跳閘，也會給正常工作帶來不便。2.2限流保護電流截止負反饋的提出為了解決反饋閉環(huán)調速系統(tǒng)的起動和堵轉時電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個物理量基本不變，就應該引入那個物理量的負反饋。那么，引入電流負反饋，應該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。通過對電流負反饋和轉速負反饋的分析。考慮到，限流作用只需在起動和堵轉時起作用，正常運行時應讓電流自由地隨著負載增減，采用電流截止負反饋的方法，則當電流大到一定程度時才接入電流負反饋以限制電流，而電流正常時僅有轉速負反饋起作用控制轉速。2.3 直流調速系統(tǒng)調速方案的分析比較與選擇調節(jié)電動機的轉速有三種方法：（1）調節(jié)電樞供電電壓U。（2）減弱勵磁磁通。（3）改變電樞回路電阻R。 對于要求在一定范圍內的無級平滑調速的系統(tǒng)來說，以調節(jié)電樞供電電壓的方式最好。改變電阻只能實現(xiàn)有級調速；減弱磁通雖然能夠平滑調速，但調速范圍不大，往往只是配合調壓方案，在基速（額定轉速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調速系統(tǒng)往往以變壓調速為主。變壓調速是直流調速系統(tǒng)的主要方法，調節(jié)電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源。常用的可控直流電源有三種：（1）旋轉變流機組（簡稱G-M系統(tǒng)）。用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，獲得可調的直流電壓。（2）靜止式可控整流器（簡稱V-M系統(tǒng)）。用靜止式可控整流器獲得可調的直流電壓。(3) 直流斬波器或脈寬調制變換器（簡稱PWM系統(tǒng)）。用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用電力電子開關器件斬波或進行脈寬調制，產生可變的平均電壓G-M系統(tǒng)所需要的設備多，體積大，費用高，效率低，安裝須打地基，運行有噪聲，維護不方便，因此現(xiàn)在已經基本不再使用；PWM系統(tǒng)與V-M系統(tǒng)相比雖然有較大的優(yōu)越性，但僅在中、小容量系統(tǒng)的高動態(tài)應用廣泛，而在大功率容量的電機中，對調速精度要求不高的場合，V-M系統(tǒng)任然適用，并且發(fā)揮著不可替代的作用。2.4 V-M系統(tǒng)的工作原理分析晶閘管電動機調速系統(tǒng)（簡稱VM系統(tǒng)），其原理圖如圖1-1所示。圖中VT是晶閘管的可控整流器，通過調節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓Ud，從而實現(xiàn)平滑調速，也大大提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能；反并聯(lián)兩組全控整流電路，就可實現(xiàn)電機的四象限運行。由于晶閘管的單向導電性，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難；元件對過電壓、過電流以及過高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指標超過允許值都可能在很短時間內損壞元件。因此必須有可靠的保護裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時還應有足夠的余量。圖1-1 VM系統(tǒng)原理圖2.5設計參數(shù)的選擇（1）電機的參數(shù)選擇直流他勵電動機：功率PN2.2KW，額定電壓UN=220V，額定電流IN=12.5A, nN=1500r/min，電樞電阻1.2 ，整流裝置內阻1.5，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)為35，堵轉電流，臨界截止電流。（2）測速發(fā)電機永磁式，額定數(shù)據(jù)為23.1W，110V，0.21A，1900r/min（3）調速指標調速范圍D=20，轉差率S10%轉速超調n10%(在額定轉速時)；動態(tài)速降小于 10。 振蕩次數(shù)小于 2 次；三、帶電流截止負反饋的閉環(huán)直流調速系統(tǒng)主回路的選擇3.1 變壓器的參數(shù)計算及選型變壓器副邊電壓采用如下公式進行計算： 因此變壓器的變比近似為：一次側和二次側電流I1和I2的計算I1=1.052870.861/3.45=75AI2=0.861287=247A變壓器容量的計算S1=m1U1I1=338075=85.5kVAS2=m2U2I2=3110247=81.5kVAS=0.5(S1+S2)=0.5(85.5+81.5)=83.5kVA因此整流變壓器的參數(shù)為：變比K=3.45，容量S=83.5KVA，聯(lián)結方式為：/Y。3.2 主電路元器件的參數(shù)計算與選型 3.2.1 主電路結構選擇本設計采用橋式整流電路，其主要特點如下：輸出電壓高，紋波電壓小，管子所承受的最大反向電壓較低，電源變壓器充分利用，效率高。晶閘管的導通順序依次為VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。圖3-1三相橋式全控整流電路3.2.2晶閘管的額定參數(shù)計算晶閘管的額定電壓通常選取斷態(tài)重復峰值電壓UDRM和反向重復峰值電壓URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓，考慮到要留有一定的裕量，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的23倍；據(jù)有效值相等的原則，晶閘管的額定電流一般選取其通態(tài)平均電流的1.52倍。在三相橋式全控整流電路中，帶純阻性負載時，晶閘管兩端承受的最小峰值為；帶反電動勢負載時，晶閘管兩端承受的最大正反向峰值為；晶閘管的通態(tài)平均電流IVT=Id。則據(jù)=(23)/(23),I2=I,IVT=I,IVT(AV)= IVT/1.57(1.52)在本設計中，晶閘管的額定電流IVT(AV)=167334A晶閘管的額定電壓UN=5391617V3.2.3 平波電抗器的參數(shù)計算在V-M系統(tǒng)中，脈動電流會增加電機的發(fā)熱，同時也產生脈動轉矩，對機械產生不利，為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動的措施，在本設計中采用設置平波電抗器的方法。Ud=2.34U2cos Ud=UN=220V, 取=0 一般取I dmin 為電動機額定電流的5%-10%,這里取10% 則U2=L=0.6933.2.4 整流裝置的保護與其他類型的電氣設相比，晶閘管元件有很多優(yōu)點，但是由晶閘管的伏安特性可知，元件的反向擊穿電壓較接近于運行電壓，熱時間常數(shù)小，因此過電壓、過電流能力差，在短時間內的過電壓、過電流都可能造成元件的發(fā)熱損壞。為了使晶閘管可靠工作，必須設置保護裝置。（1）過電壓保護如圖3-2所示，下圖是常見的三相RC過電壓抑制電路連接方式。 交流側RC過電壓保護的參數(shù)整定據(jù)公式C136Io%S1/ (一般取Io%=6.5%)=366.5(85.5/3)/)=69FR1=2.3/ S1(一般取=5%)=2.3(/ (85.5/3) ) =1.1(取1)圖3-2三相RC過電壓抑制電路直流側RC過電壓保護的參數(shù)整定C26Io%S2/ (一般取Io%=6.5%)=66.5(81.5/3)/=88FR2=2.3/ S2(一般取=5%) =2.3(/(81.5/3) =0.9（取1）（2）過電流保護保護變壓器的熔斷器的選擇據(jù)式IN.FE=(1.5-2)I1.NF (式中，I1.NF為變壓器的額定一次電流為75A)熔體額定電流為IN.FE=(1.5-2)75A=（112.5-150）A所以應選熔斷器的型號為RM20-200。整流元件的快速熔斷器的選擇據(jù)式IN= IVT(AV)/ 1.57(式中IVT(AV)取240A)熔體額定電流為IN=240/1.57=152.8A所以快速熔斷器的型號為RLS-160。3.2.5晶閘管的觸發(fā)電路的選擇圖3-3給出了常見的三相橋式全控整流電路的晶閘管的觸發(fā)電路。對于三相全控整流或調壓電路，要求順序輸出的觸發(fā)脈沖依次間隔60。本設計采用三相同步絕對式觸發(fā)方式。根據(jù)單相同步信號的上升沿和下降沿，形成兩個同步點，分別發(fā)出兩個相位互差180的觸發(fā)脈沖。然后由分屬三相的此種電路組成脈沖形成單元輸出6路脈沖，再經補脈沖形成及分配單元形成補脈沖并按順序輸出6路脈沖。本設計課題是三相全橋控橋整流電路中有六個晶閘管，觸發(fā)順序依次為：VT1VT2VT3VT4VT5VT6，晶閘管必須嚴格按編號輪流導通，6個觸發(fā)脈沖相位依次相差60O，可以選用3個KJ004集成塊和一個KJ041集成塊，即可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大，就可以構成三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路如圖3-3。圖3-3三相橋式全控整流電路的集成觸發(fā)控制電路四、帶電流截止負反饋的閉環(huán)直流調速系統(tǒng)控制電路的設計4.1控制電路的結構選擇圖4-1所示是一個帶電流截止負反饋的無靜差的直流調速系統(tǒng)，采用比例積分調節(jié)器一實現(xiàn)無靜差，采用電流截止負反饋來限制動態(tài)過程的沖擊電流。TA為檢測電流的交流互感器，經整流后得到電流反饋信號Ui。當電流超過截止電流Idcr時，Ui高于穩(wěn)壓管VS的擊穿電壓，使晶體三極管VBT導通，則PI調節(jié)器的輸出電壓Uc接近于零，電力電子變換器的輸出電壓Ud急劇下降，達到限流的目的。改變即可調節(jié)電動機的轉速。圖4-1無靜差直流調速系統(tǒng)原理圖如圖4-2所示，上述無靜差調速系統(tǒng)的理想靜特性如圖實線所示。圖3-2 帶電流截止的無靜差直流調速系統(tǒng)的靜特性 當時，系統(tǒng)無靜差，靜特性是不同轉速的一族水平線； 當時，電流截止負反饋起作用，靜特性急劇下垂，基本上是一條垂直線。圖3-3無靜差直流調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖（Ucom時，二極管導通，電流負反饋信號Ui即可加到放大器上去；當IdRsUcom時，二極管截止，Ui既消失。截止電流Idcr=Ucom/ Rs。圖4-5b中利用穩(wěn)壓管VS擊穿電壓Ubr作為比較電壓，線路要簡單得多，但不能平滑調節(jié)截止電流。 （a）利用獨立直流電源作比較電壓 （b）利用穩(wěn)壓管產生比較電壓 圖4-5電流截止負反饋的電流檢測環(huán)節(jié) 所以選擇利用獨立電源作比較電壓環(huán)節(jié) ，見圖4-5a。4.3.2電流檢測環(huán)節(jié)的參數(shù)計算最大堵轉電流 應小于電機允許的最大電流，一般為Idbl 2IN，故取Idbl =2 IN=212.5=25A（已知IN =12.5A）截止電流Idcr=Ucom/ Rs。從調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看，希望穩(wěn)態(tài)范圍足夠大，截止電流應大于電機的額定電流，一般取Idcr 1.2IN ；故取Idcr=1.2 IN=1.212.5=15A（已知IN =12.5A）由式和式可求出Rs=1.05，=15.75V4.4 系統(tǒng)的動態(tài)分析與設計圖4-3為反饋控制閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖，是由各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，按在系統(tǒng)中的相互關系組合起來的。圖4-3反饋控制閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖其開環(huán)傳遞函數(shù)為 據(jù)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)和勞斯判據(jù)得，系統(tǒng)穩(wěn)定條件為計算系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的時間常數(shù)：（已知L=37.23mH）電磁時間常數(shù)為 機電時間常數(shù)為對于三相橋式整流電路，晶閘管裝置的滯后時間常數(shù)為所以為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，開環(huán)放大系數(shù)應滿足穩(wěn)定條件，即因為K=12.41594.82，所以閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：4.5 調節(jié)器的參數(shù)計算與設計作為調速系統(tǒng)的動態(tài)校正裝置，且該直流調速系統(tǒng)是無靜差調速系統(tǒng)，所以常采