VM轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、 v-m轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。根據(jù)晶閘管的特性，通過調(diào)節(jié)控制角大小來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電樞電壓。基于設(shè)計(jì)題目，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制器選用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制電路。在設(shè)計(jì)中調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用了三相全控橋整流電路來供電。本文首先確定整個(gè)設(shè)計(jì)的方案和框圖。然后確定主電路的結(jié)構(gòu)形式和各元部件的設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)其參數(shù)的計(jì)算，包括整流變壓器、晶閘管、電抗器和保護(hù)電路的參數(shù)計(jì)算。接著驅(qū)動(dòng)電路即晶閘管觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)。本文的重點(diǎn)設(shè)計(jì)為直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制器電路，本文采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)為對(duì)象來設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制器

2、。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋，二者之間實(shí)行嵌套聯(lián)接。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱做外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。先確定其結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)各元部件，并計(jì)算其參數(shù)，包括直流穩(wěn)壓電源、給定電路、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、電流檢測(cè)與反饋電路和觸發(fā)電路參數(shù)計(jì)算，最后畫出了調(diào)速控制電路電氣原理圖。關(guān)鍵詞： 雙閉環(huán)； 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；電流調(diào)節(jié)器 目錄摘要0目錄1第一章 設(shè)計(jì)要求41.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容41.2 設(shè)計(jì)要求41.3 設(shè)計(jì)參數(shù)4第二章 控制系統(tǒng)工作原理及其設(shè)計(jì)52.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速

3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖52.2 v-m直流調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介62.3 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)組成62.4.1 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖82.4.2 動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型102.5 整流電路的選擇11第三章 雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)主回路設(shè)計(jì)123.1 電動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)計(jì)算123.2 主回路參數(shù)計(jì)算及元器件選擇133.2.1 整流變壓器的容量計(jì)算和選擇133.2.2 整流元件晶閘管的選型143.2.3 平波電抗器設(shè)計(jì)15 3.2.4 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的選型153.3 主回路保護(hù)電路設(shè)計(jì)163.3.1 過電壓保護(hù)163.3.2 過電流保護(hù)183.4 晶閘管的觸發(fā)回路設(shè)計(jì)213.5 勵(lì)磁回路設(shè)計(jì)23第四章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制

4、回路設(shè)計(jì)244.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)244.1.1 確定時(shí)間常數(shù)244.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)264.3 反饋回路設(shè)計(jì)314.3.1 電流檢測(cè)與反饋回路設(shè)計(jì)314.3.2 轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)31第五章 輔助回路設(shè)計(jì)325.1 直流穩(wěn)壓電源325.2 給定電路335.3 限幅電路335.4 操作回路34設(shè)計(jì)感想35參考文獻(xiàn)36第一章 設(shè)計(jì)要求1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容1、查閱有關(guān)資料，分析并確定控制方案，完成簡(jiǎn)裝操作電路。2、調(diào)速系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)、計(jì)算，并確定主要元器件（包括有變壓器、晶閘管和必要的保護(hù)環(huán)節(jié)）。3、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)形式的確定，參數(shù)的設(shè)計(jì)、計(jì)算。4、直流穩(wěn)壓電源、勵(lì)磁回路、

5、接觸器操作回路等的設(shè)計(jì)。5、 繪制v-m雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖。1.2 設(shè)計(jì)要求1、調(diào)速范圍d=20，靜差率s5%。在整個(gè)調(diào)速范文內(nèi)要求轉(zhuǎn)速無(wú)級(jí),平滑可調(diào)。2、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：電流環(huán)超調(diào)量； 空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n，滿足近似條件。2） 忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的近似條件為現(xiàn)有，不滿足近似條件。3） 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為 。現(xiàn)有=180.8，滿足近似條件。5. 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容由圖6.1，按所用運(yùn)算放大器取r0=40k，各電阻和電容值為，取15k。,取0.6uf。，取。按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為，滿足設(shè)計(jì)要求。4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

6、器的設(shè)計(jì)電流環(huán)經(jīng)簡(jiǎn)化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，這樣用電流環(huán)等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下圖4-3所示。1、 確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)的等級(jí)時(shí)間常數(shù)為=2=0.0074s，(在電流環(huán)中已取因）。 取轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù) ，那么轉(zhuǎn)速環(huán)的時(shí)間常數(shù)為=0.0074s+0.01s=0.0174s。 圖4-2 含濾波環(huán)節(jié)的pi型電流調(diào)節(jié)器原理圖 圖4-3 轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2、選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器當(dāng)中。這樣轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型ii型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要

7、求。因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也應(yīng)該采用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可表示為： 3.、計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) 跟隨和抗擾性能都較好的原則，先取h=5，則asr的超前時(shí)間常數(shù)為 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益可得asr的比例系數(shù)為：式中轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)4、檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為（1） 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為，滿足簡(jiǎn)化條件。（2） 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為，滿足近似條件。5、計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 根據(jù)圖4-4所示，取，則，取250。，取0.4uf。，取。6.校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當(dāng)h=5時(shí)，由典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)可知，不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，突加階躍給定時(shí)，asr飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按asr退飽和的情況重新計(jì)

8、算超調(diào)量。 設(shè)理想空載起動(dòng)時(shí)，負(fù)載系數(shù)，已知，。當(dāng)時(shí)， 圖4-4 含濾波環(huán)節(jié)的pi型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器而調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速超調(diào)量: 式中：1)由前面計(jì)算得調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降 。 2) 為基準(zhǔn)值，對(duì)應(yīng)為額定轉(zhuǎn)速。計(jì)算得，不能滿足設(shè)計(jì)要求。7、 轉(zhuǎn)速超調(diào)的抑制從計(jì)算得的退飽和超調(diào)量，可知不滿足動(dòng)態(tài)指標(biāo)要求，因此需加轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋。加入這個(gè)環(huán)節(jié)可以抑制甚至消滅轉(zhuǎn)速超調(diào)，同時(shí)可以大大降低動(dòng)態(tài)速降。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，加入轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖4-5所示。和普通的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器相比，在轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)上并聯(lián)了微分電容cdn和濾波電阻rdn，即在轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的基礎(chǔ)上再疊加一個(gè)帶濾波的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的基礎(chǔ)

9、上再疊加一個(gè)帶濾波的轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋信號(hào)。 圖4-5 帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器含有轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下圖4-6所示： 圖4-6 含有轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋環(huán)節(jié)中待定的參數(shù)是和，其中轉(zhuǎn)速微分時(shí)間常數(shù)，而且轉(zhuǎn)速微分濾波時(shí)間常數(shù)已經(jīng)選定為=0.01s，只要確定，就可以計(jì)算出和。 工程設(shè)計(jì)方法近似計(jì)算公式。 設(shè)理想空載起動(dòng)時(shí)，負(fù)載系數(shù)，已知：，。設(shè)計(jì)要求動(dòng)態(tài)最大超調(diào)，取轉(zhuǎn)速超調(diào)量為，則： 則：微分電容 ，?。?濾波電阻 ，取。4.3 反饋回路設(shè)計(jì)4.3.1電流檢測(cè)與反饋回路設(shè)計(jì) 此電路主要作用是獲得與主電路電流成正比的電流信號(hào)，經(jīng)過由電流互感器組成的濾波整

10、流器，用在系統(tǒng)控制中。在主電路輸出端即可獲取與主電路電流成正比的電流信號(hào)，起到電氣隔離的作用。其電路原理圖如圖4-6所示 圖4-6 電流檢測(cè)與反饋回路 4.3.2 轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)設(shè)計(jì) 將直流測(cè)速發(fā)電機(jī)與待測(cè)電動(dòng)機(jī)同軸相連，則發(fā)電機(jī)輸出的是與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成比例的直流電壓，其極性反映轉(zhuǎn)向，用取樣電阻rp即可取得轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)un。轉(zhuǎn)速反饋電路原理圖如圖所示 轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)，其中為測(cè)速發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，為其輸出電位器的分壓系數(shù)。由前所述，所選直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的型號(hào)為zys-3a，由其相關(guān)參數(shù)可得轉(zhuǎn)速反饋電壓，由于本設(shè)計(jì)限定給定范圍為,故取0.2不滿足要求。取0.15，,因此取0.15。 電位器的電

11、阻：,本式取測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出最高電壓時(shí)電流值為額定電流的20%計(jì)算。此時(shí)消耗的功率:為了使電位器溫度不致很高，實(shí)選瓦數(shù)應(yīng)為所消耗功率的一倍以上。故選取電位器額定值為10w，2.8。 圖4-7 轉(zhuǎn)速反饋電路原理圖第五章 輔助回路設(shè)計(jì)5.1 直流穩(wěn)壓電源在電力電子電路中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電。小功率穩(wěn)壓電源的組成包括電源變壓器，整流，濾波和穩(wěn)壓電路四部分組成。 本設(shè)計(jì)電源變壓器采用單相變壓器，整流電路采用單相橋式電路，濾波電路采用電容濾波電路，穩(wěn)壓電路采用可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器電路。電路圖如圖5-1所示。 變壓器變壓后45v電壓經(jīng)單相橋式整流后向給定電路提供電源。將變壓器線圈分為兩部分，中

12、間接地，則正負(fù)電壓同時(shí)輸出。元器件型號(hào)及參數(shù)計(jì)算：選取變壓器二次側(cè)輸入電流為40ma。(1) 變壓器的選擇 變壓器的變比k=（2）二極管的選擇 流經(jīng)二極管的平均電流。 圖5-1 直流穩(wěn)壓電源連接圖 二極管承受的最大反向電壓。 則可以選取50ma，100v的整流二極管。（3）的電容的選擇 電容的作用是將整流后輸出電流的兩峰值拉平，使輸出電流幅值基本恒定，所以電容值較大，在此選擇1000uf。電容是為了防止穩(wěn)壓器輸入端接線過長(zhǎng)而產(chǎn)生的電感效應(yīng)，感應(yīng)電流一般較小，因此我們?nèi)‰娙葜禐?.5uf。電容是為了防止輸出電壓有較大的波動(dòng)，在此處取為1uf。(4)穩(wěn)壓器的選擇 穩(wěn)壓器w78系列輸出的固定正電壓有

13、5v、6v、9v、12v、15v、18v、24v七個(gè)不同等級(jí)。w79系列輸出固定負(fù)電壓，其參數(shù)與w78系列基本相同。給定電路輸出電壓為,所以我們選擇： 固定正電壓輸出穩(wěn)壓器w7815一只 固定負(fù)電壓輸出穩(wěn)壓器w7915一只5.2 給定電路電壓給定電路由兩個(gè)限流電阻，兩個(gè)電位器及兩個(gè)鈕子開關(guān)組成。s2為正負(fù)極性切換開關(guān)，輸出正負(fù)電壓的大小由兩個(gè)電位器來調(diào)節(jié)，其輸出電壓范圍為。s1為輸出控制開關(guān)，打到運(yùn)行側(cè)，允許電壓輸出，打到停止側(cè)，其輸出恒為零。其原理圖如圖5-2所示。5.3 限幅電路二極管vd1、vd2和電位器rp1、rp2組成正負(fù)限幅可調(diào)的限幅電路，。當(dāng)0時(shí)，a點(diǎn)電壓為正值，正限幅使a點(diǎn)電位

14、鉗位在正限幅值處。其電路原理圖如圖5-3所示。5.4 操作回路 按下按鈕sb2，接觸器km線圈得電，主觸點(diǎn)閉合，電機(jī)得電運(yùn)行，同時(shí)其輔助常開觸點(diǎn)閉合形成自鎖。按下按鈕sb1，km線圈失電，主觸點(diǎn)斷開，電機(jī)失電，停止運(yùn)行。當(dāng)勵(lì)磁回路電流小于限定值時(shí)，欠電流繼電器常開觸點(diǎn)斷開，同樣，電機(jī)失電，停止運(yùn)行，以防止勵(lì)磁電流過小，電機(jī)飛車。其連接圖如圖5-4所示。 圖5-2 電壓給定電路原理圖 圖5-3 限幅電路原理圖 圖5-4 操作回路連接圖 sb1停止按鈕 km電源接觸器 sb2啟動(dòng)按鈕 ki失磁保護(hù)動(dòng)合觸點(diǎn) 設(shè)計(jì)感想 通過本次對(duì)v-m雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)使我對(duì)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有了進(jìn)

15、一步的了解與認(rèn)識(shí)，對(duì)所學(xué)內(nèi)容有了更深刻的印象，并且進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到工程設(shè)計(jì)時(shí)與實(shí)際相聯(lián)系的重要性，比如在計(jì)算元件參數(shù)時(shí)計(jì)算出來的值往往與實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)不符，這就需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)參數(shù)進(jìn)行取舍。另外，做設(shè)計(jì)時(shí)信息十分重要，我運(yùn)用文件檢索工具查閱了大量的相關(guān)資料，這對(duì)設(shè)計(jì)大有益處。本次課程設(shè)計(jì)為對(duì)我將來的畢業(yè)設(shè)計(jì)和工作需要打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。在做這次課程設(shè)計(jì)期間遇到了很多問題，有關(guān)于設(shè)計(jì)的專業(yè)知識(shí)問題，也有軟件使用上的問題，雖然網(wǎng)上查了不少資料，也查閱了一些書籍，但是并沒有得到較好的解決，后來通過老師和同學(xué)的幫忙，終于完成了設(shè)計(jì)。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，我不斷翻閱資料，并借助網(wǎng)絡(luò)的幫助，了解到課本的理論知識(shí)的重要性，而且也明白理論應(yīng)聯(lián)系實(shí)踐，把理論中所學(xué)的知識(shí)靈活地運(yùn)用起來。在設(shè)計(jì)中遇到的各種各樣的問題需要耐心、仔細(xì)地分析從而讓我的性格更加沉穩(wěn).這個(gè)課程設(shè)計(jì)讓我對(duì)word和visio軟件的使用更加熟悉，特別是公式方面的輸入技巧，更加深了我對(duì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和理解。相信通過這次的設(shè)計(jì)將在以后的畢業(yè)設(shè)計(jì)中給我不少的啟發(fā)。我也會(huì)在今后更多