直流調速系統(tǒng)設計與調試

1、綜合實驗1設計說明書題 目 直流調速系統(tǒng)設計與調試 系 部 自動化系 專 業(yè) 自動化 班 級 自動化092班 學 號 09423002 09423004 09423013 09423022 姓 名 裴玉柱 劉 勇 薛 尚 劉鯤鵬 指導老師 劉艷 于美榮 日 期2012年11月23日2012年12月06日 直流調速系統(tǒng)設計與調試31 技術要求：32 硬件系統(tǒng)設計42.1 驅動電路：42.2 控制電路：43 直流調速系統(tǒng)參數和環(huán)節(jié)特性的測定：53.1 電樞回路總電阻r的測定53.2 電樞回路電感l(wèi)的測定63.4 直流電動機-發(fā)電機-測速發(fā)電機組的飛輪慣量gd2 的測定73.4 主電路電磁時間常數t

2、d的測定83.5 電動機電勢常數ce和轉矩常數cm的測定83.6 系統(tǒng)機電時間常數tm的測定83.7 晶閘管觸發(fā)及整流裝置特性ud=f(ug)和測速發(fā)電機特性utg=f(n)的測定94 直流調速系統(tǒng)設計95 系統(tǒng)調試與分析105.1雙閉環(huán)系統(tǒng)的調試105.2 系統(tǒng)的分析147 參考文獻：15直流調速系統(tǒng)設計與調試1 技術要求：（1）設計出三相全控橋式整流電路拓撲結構；（2）設計出觸發(fā)系統(tǒng)和功率放大電路；（3）采用開環(huán)控制、轉速單閉環(huán)控制、轉速外環(huán)+電流內環(huán)控制。（4）器件選擇：晶閘管選擇、晶閘管串聯、并聯參數選擇、平波和均衡電抗選擇、晶閘管保護設計直流調速器就是調節(jié)直流電動機速度的設備，上端和

3、交流電源連接，下端和直流電動機連接，直流調速器將交流電轉化成兩路輸出直流電源，一路輸入給直流電機礪磁（定子），一路輸入給直流電機電樞（轉子），直流調速器通過控制電樞直流電壓來調節(jié)直流電動機轉速。同時直流電動機給調速器一個反饋電流，調速器根據反饋電流來判斷直流電機的轉速情況，必要時修正電樞電壓輸出，以此來再次調節(jié)電機的轉速。直流電機的調速方案一般有下列3種方式：1、改變電樞電壓；2、改變激磁繞組電壓；3、改變電樞回路電阻。 最常用的是調壓調速系統(tǒng)，即1（改變電樞電壓）.一種模塊式直流電機調速器，集電源、控制、驅動電路于一體，采用立體結構布局，控制電路采用微功耗元件，用光電耦合器實現電流、電壓的隔

4、離變換，電路的比例常數、積分常數和微分常數用pid適配器調整。該調速器體積小、重量輕，可單獨使用也可直接安裝在直流電機上構成一體化直流調速電機，可具有調速器所應有的一切功能。一種模塊式直流電機調速器，集電源、控制、驅動電路于一體，采用立體結構布局，控制電路采用微功耗元件，用光電耦合器實現電流、電壓的隔離變換，電路的比例常數、積分常數和微分常數用pid適配器調整。該調速器體積小、重量輕，可單獨使用也可直接安裝在直流電機上構成一體化直流調速電機，可具有調速器所應有的一切功能 現代工業(yè)自動化的高速發(fā)展也給直流電機的控制與調速提供了大范圍的應用與更新:如遠程信號傳輸,遠距離調速,高溫環(huán)境的遙控調速與控

5、制,手動自動集成等。2 硬件系統(tǒng)設計2.1 驅動電路：驅動電路輸出電功率，驅動電動機的電樞繞組，并受控于控制電路。驅動電路由大功率開關器件組成。正是由于晶閘管的出現，直流電動機才從有刷實現到無刷的飛躍。但由于晶閘管是只具備控制接通，而無自關斷能力的半控性開關器件，其開關頻率較低，不能滿足無刷直流電動機性能的進一步提高。隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，出現了全控型的功率開關器件，其中有可關斷晶體管（gto）、電力場效應晶體管（mosfet）、金屬柵雙極性晶體管igbt模塊、集成門極換流晶閘管（igct）及近年新開發(fā)的電子注入增強柵晶體管（iegt）。隨著這些功率器件性能的不斷提高，相應的無刷電動機的

6、驅動電路也獲得了飛速發(fā)展。目前，全控型開關器件正在逐漸取代線路復雜、體積龐大、功能指標低的普通晶閘管，驅動電路已從線性放大狀態(tài)轉換為脈寬調制的開關狀態(tài)，相應的電路組成也由功率管分立電路轉成模塊化集成電路，為驅動電路實現智能化、高頻化、小型化創(chuàng)造了條件。2.2 控制電路：無刷直流電動機通過控制驅動電路中的功率開關器件，來控制電機的轉速、轉向、轉矩以及保護電機，包括過流、過壓、過熱等保護。控制電路最初采用模擬電路，控制比較簡單。如果將電路數字化，許多硬件工作可以直接由軟件完成，可以減少硬件電路，提高其可靠性，同時可以提高控制電路抗干擾的能力，因而控制電路由模擬電路發(fā)展到數字電路目前，控制電路一般有

7、專用集成電路、微處理器和數字信號處理器等三種組成形式。對電機控制要求不高的場合，由專業(yè)集成電路組成控制電路是簡單實用的方法；由于數字信號處理器運算快，外圍電路少，系統(tǒng)組成簡單、可靠，使得直流無刷電動機的組成大為簡化，性能大大改進，有利于電機的小型化和智能化，因而數字信號處理器是控制電路發(fā)展的方向。3 直流調速系統(tǒng)參數和環(huán)節(jié)特性的測定：為研究晶閘管電動機系統(tǒng)，須首先了解電樞回路的總電阻r、總電感l(wèi)以及系統(tǒng)的電磁時間常數td與機電時間常數tm，這些參數均需通過實驗手段來測定，具體方法如下：3.1 電樞回路總電阻r的測定電樞回路的總電阻r包括電機的電樞電阻ra、平波電抗器的直流電阻rl及整流裝置的內

8、阻rn，即r = ra十rl十rn （1）由于阻值較小，不宜用歐姆表或電橋測量，因是小電流檢測，接觸電阻影響很大，故常用直流伏安法。為測出晶閘管整流裝置的電源內阻須測量整流裝置的理想空載電壓u0，而晶閘管整流電源是無法測量的，為此應用伏安比較法，實驗線路如圖1所示。將變阻器r1、r2接入被測系統(tǒng)的主電路，測試時電動機不加勵磁，并使電機堵轉。合上s1、s2，調節(jié)給定使輸出直流電壓ud在30%ued70%ued范圍內，然后調整r2使電樞電流在80%ied90%ied范圍內，讀取電流表a和電壓表v2的數值為i1、u1，則此時整流裝置的理想空載電壓為udo=i1r+u1 （2）調節(jié)r1使之與r2的電阻

9、值相近，拉開開關s2，在ud的條件下讀取電流表、電壓表的數值i2、u2，則 udoi2r十u2 （3）求解（2）、（3）兩式，可得電樞回路總電阻:r（u2-u1）/（i1-i2） (4)如把電機電樞兩端短接，重復上述實驗，可得rl十rn=(u2-u1)/(i1-i2) (5)則電機的電樞電阻為ra=r-(rl十rn)。 (6)同樣，短接電抗器兩端，也可測得電抗器直流電阻rl。圖1 伏安比較法實驗線路圖3.2 電樞回路電感l(wèi)的測定電樞回路總電感包括電機的電樞電感l(wèi)a、平波電抗器電感l(wèi)d和整流變壓器漏感l(wèi)b，由于lb數值很小，可以忽略，故電樞回路的等效總電感為 lla+ld (7)電感的數值可用交

10、流伏安法測定。實驗時應給電動機加額定勵磁，并使電機堵轉，實驗線路如圖2所示。圖2 測量電樞回路電感的實驗線路圖實驗時交流電壓由djk01電源輸出，接djk10的高壓端，從低壓端輸出接電機的電樞，用交流電壓表和電流表分別測出電樞兩端和電抗器上的電壓值ua和ul及電流i,從而可得到交流阻抗za和zl，計算出電感值la和ld，計算公式如下: (8) (9) (10) (11)3.4 直流電動機-發(fā)電機-測速發(fā)電機組的飛輪慣量gd2 的測定電力拖動系統(tǒng)的運動方程式為t-tz=(gd2/375)dn/dt (12)式中，t為電動機的電磁轉矩，單位為nm；tz為負載轉矩，空載時即為空載轉矩tk，單位為nm

11、，n為電機轉速，單位為rpm。電機空載自由停車時，t=0，tz=tk，則運動方程式為: (13)從而有 (14)式中gd2的單位為nm2；tk可由空載功率pk(單位為w)求出: (15) (16) dn/dt可以從自由停車時所得的曲線nf(t)求得，其實驗線路如圖3 圖3 測定gd2時的實驗線路圖電動機加額定勵磁，將電機空載啟動至穩(wěn)定轉速后，測量電樞電壓ua和電流ia0,然后斷開給定，用數字存儲示波器記錄n=f(t)曲線，即可求取某一轉速時的tk和dn/dt。由于空載轉矩不是常數，可以以轉速n為基準選擇若干個點，測出相應的tk和dn/dt，以求得gd2的平均值。由于本實驗裝置的電機容量比較小，

12、應用此法測gd2時會有一定的誤差。3.4 主電路電磁時間常數td的測定采用電流波形法測定電樞回路電磁時間常數td，電樞回路突加給定電壓時，電流id按指數規(guī)律上升: 其電流變化曲線如圖4所示。當t=td時，有實驗線路如圖5所示。電機不加勵磁，調節(jié)給定使電機電樞電流在50%ied90%ied范圍內。然后保持ug不變，將給定的s2撥到接地位置，然后撥動給定s2從接地到正電壓躍階信號，用數字存儲示波器記錄id=f（t）的波形，在波形圖上測量出當電流上升至穩(wěn)定值的63.2%時的時間，即為電樞回路的電磁時間常數td。圖4 電流上升曲線 圖5 測定td的實驗線路圖3.5 電動機電勢常數ce和轉矩常數cm的測

13、定將電動機加額定勵磁，使其空載運行，改變電樞電壓ud，測得相應的n即可由下式算出ce:式中，ce的單位為v/(rpm)。轉矩常數(額定磁通)cm的單位為nm/a。cm可由ce求出: cm = 9.55 ce3.6 系統(tǒng)機電時間常數tm的測定系統(tǒng)的機電時間常數可由下式計算 由于tmtd，也可以近似地把系統(tǒng)看成是一階慣性環(huán)節(jié)，即當電樞突加給定電壓時，轉速n將按指數規(guī)律上升，當n到達穩(wěn)態(tài)值的63.2%時,所經過的時間即為拖動系統(tǒng)的機電時間常數。測試時電樞回路中附加電阻應全部切除，突然給電樞加電壓，用數字存儲示波器記錄過渡過程曲線n=f(t)，即可由此確定機電時間常數。3.7 晶閘管觸發(fā)及整流裝置特性

14、ud=f(ug)和測速發(fā)電機特性utg=f(n)的測定實驗線路如圖3所示，可不接示波器。電動機加額定勵磁，逐漸增加觸發(fā)電路的控制電壓ug，分別讀取對應的ug、utg、ud、n的數值若干組，即可描繪出特性曲線ud=f(ug)和utg =f(n)。 由ud=f(ug)曲線可求得晶閘管整流裝置的放大倍數曲線ks=f(ug):ks =ud/ug 通過上述實驗測得以下數據：4 直流調速系統(tǒng)設計雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)是由速度調節(jié)器和電流調節(jié)器進行綜合調節(jié)，可獲得良好的靜、動態(tài)性能（兩個調節(jié)器均采用pi調節(jié)器），由于調整系統(tǒng)的主要參量為轉速，故將轉速環(huán)作為主環(huán)放在外面，電流環(huán)作為副環(huán)放在里面，這樣可以抑制電網電

15、壓擾動對轉速的影響。實驗系統(tǒng)的原理框圖組成如下：圖6 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理框圖啟動時，加入給定電壓ug，“速度調節(jié)器”和“電流調節(jié)器”即以飽和限幅值輸出，使電動機以限定的最大啟動電流加速啟動，直到電機轉速達到給定轉速(即ug =ufn)，并在出現超調后，“速度調節(jié)器”和“電流調節(jié)器”退出飽和，最后穩(wěn)定在略低于給定轉速值下運行。系統(tǒng)工作時，要先給電動機加勵磁，改變給定電壓ug的大小即可方便地改變電動機的轉速。“速度調節(jié)器”、“電流調節(jié)器”均設有限幅環(huán)節(jié)，“速度調節(jié)器”的輸出作為“電流調節(jié)器”的給定，利用“速度調節(jié)器”的輸出限幅可達到限制啟動電流的目的?！半娏髡{節(jié)器”的輸出作為“觸發(fā)電路”的控制

16、電壓uct，利用“電流調節(jié)器”的輸出限幅可達到限制的目的。5 系統(tǒng)調試與分析5.1雙閉環(huán)系統(tǒng)的調試1、雙閉環(huán)調速系統(tǒng)調試原則先單元、后系統(tǒng)，即先將單元的參數調好，然后才能組成系統(tǒng)。先開環(huán)、后閉環(huán)，即先使系統(tǒng)運行在開環(huán)狀態(tài)，然后在確定電流和轉速均為負反饋后，才可組成閉環(huán)系統(tǒng)。 先內環(huán)，后外環(huán)，即先調試電流內環(huán)，然后調試轉速外環(huán)。先調整穩(wěn)態(tài)精度，后調整動態(tài)指標。2、djk02和djk02-1上的“觸發(fā)電路”調試 打開djk01總電源開關，操作“電源控制屏”上的“三相電網電壓指示”開關，觀察輸入的三相電網電壓是否平衡。將djk01“電源控制屏”上“調速電源選擇開關”撥至“直流調速”側。用10芯的扁平

17、電纜，將djk02的“三相同步信號輸出”端和djk02-1“三相同步信號輸入”端相連,打開djk02-1電源開關，撥動 “觸發(fā)脈沖指示”鈕子開關，使“窄”的發(fā)光管亮。觀察a、b、c三相的鋸齒波，并調節(jié)a、b、c三相鋸齒波斜率調節(jié)電位器（在各觀測孔左側），使三相鋸齒波斜率盡可能一致。將djk04上的“給定”輸出ug直接與djk02-1上的移相控制電壓uct相接，將給定開關s2撥到接地位置（即uct=0），調節(jié)djk02-1上的偏移電壓電位器，用雙蹤示波器觀察a相同步電壓信號和“雙脈沖觀察孔” vt1的輸出波形，使=150。適當增加給定ug的正電壓輸出，觀測djk02-1上“脈沖觀察孔”的波形，此

18、時應觀測到單窄脈沖和雙窄脈沖。用8芯的扁平電纜，將djk02-1面板上“觸發(fā)脈沖輸出”和“觸發(fā)脈沖輸入”相連，使得觸發(fā)脈沖加到正反橋功放的輸入端。將djk02-1面板上的ulf端接地，用20芯的扁平電纜，將djk02-1的“正橋觸發(fā)脈沖輸出”端和djk02“正橋觸發(fā)脈沖輸入”端相連，并將djk02“正橋觸發(fā)脈沖”的六個開關撥至“通”，觀察正橋vt1vt6晶閘管門極和陰極之間的觸發(fā)脈沖是否正常。3、控制單元調試移相控制電壓uct調節(jié)范圍的確定直接將djk04“給定”電壓ug接入djk02-1移相控制電壓uct的輸入端，“三相全控整流”輸出接電阻負載r，用示波器觀察ud的波形。當給定電壓ug由零調

19、大時，ud將隨給定電壓的增大而增大，當ug超過某一數值時，此時ud接近為輸出最高電壓值ud，一般可確定“三相全控整流”輸出允許范圍的最大值為udmax=0.9ud，調節(jié)ug使得“三相全控整流”輸出等于udmax，此時將對應的ug的電壓值記錄下來，uctmax= ug，即ug的允許調節(jié)范圍為0uctmax。如果我們把輸出限幅定為uctmax的話，則“三相全控整流”輸出范圍就被限定，不會工作到極限值狀態(tài)，保證六個晶閘管可靠工作。最后測得uctmax= ug=2.23v調節(jié)器的調零 將djk04中“調節(jié)器i”所有輸入端接地，再將djk08中的可調電阻120k接到“調節(jié)器i”的“4”、“5”兩端，用導

20、線將“5”、“6”短接，使“調節(jié)器i”成為p (比例)調節(jié)器。用萬用表的毫伏檔測量調節(jié)器i的“7”端的輸出，調節(jié)面板上的調零電位器rp3，使之電壓盡可能接近于零。將djk04中“調節(jié)器ii”所有輸入端接地，再將djk08中的可調電阻13k接到“調節(jié)器ii”的“8”、“9”兩端，用導線將“9”、“10”短接，使“調節(jié)器ii”成為p（比例）調節(jié)器。用萬用表的毫伏檔測量調節(jié)器ii的“11”端，調節(jié)面板上的調零電位器rp3，使之輸出電壓盡可能接近于零。調節(jié)器正、負限幅值的調整 把“調節(jié)器i”的“5”、“6”短接線去掉，將djk08中的可調電容0.47uf接入“5”、“6”兩端，使調節(jié)器成為pi (比例

21、積分)調節(jié)器，將“調節(jié)器i”所有輸入端的接地線去掉，將djk04的給定輸出端接到調節(jié)器i的“3”端，當加+5v的正給定電壓時，調整負限幅電位器rp2，使之輸出電壓為-6v，當調節(jié)器輸入端加-5v的負給定電壓時，調整正限幅電位器rp1，使之輸出電壓盡可能接近于零。把“調節(jié)器ii”的“9”、“10”短接線去掉，將djk08中的可調電容0.47uf接入“9”、“10”兩端，使調節(jié)器成為pi（比例積分）調節(jié)器，將“調節(jié)器ii”的所有輸入端的接地線去掉，將djk04的給定輸出端接到調節(jié)器ii的“4”端。當加+5v的正給定電壓時，調整負限幅電位器rp2，使之輸出電壓盡可能接近于零；當調節(jié)器輸入端加-5v的

22、負給定電壓時，調整正限幅電位器rp1，使調節(jié)器i的輸出正限幅為uctmax。電流反饋系數的整定直接將“給定”電壓ug接入djk02-1移相控制電壓uct的輸入端，整流橋輸出接電阻負載r，負載電阻放在最大值，輸出給定調到零。按下啟動按鈕，從零增加給定，使輸出電壓升高，當ud=220v時，減小負載的阻值，調節(jié)“電流反饋與過流保護”上的電流反饋電位器rp1，使得負載電流id=l.3a時，“2”端if的的電流反饋電壓ufi=6v，這時的電流反饋系數= ufi/id= 4.615v/a。轉速反饋系數的整定直接將“給定”電壓ug接djk02-1上的移相控制電壓uct的輸入端，“三相全控整流”電路接直流電動

23、機負載，ld用djk02上的200mh，輸出給定調到零。按下啟動按鈕，接通勵磁電源，從零逐漸增加給定，使電機提速到n =150orpm時，調節(jié)“轉速變換”上轉速反饋電位器rp1，使得該轉速時反饋電壓ufn=-6v，這時的轉速反饋系數=ufn/n =0.004v/(rpm)。4、開環(huán)外特性的測定djk02-1控制電壓uct由djk04上的給定輸出ug直接接入，“三相全控整流”電路接電動機，ld用djk02上的200mh，直流發(fā)電機接負載電阻r，負載電阻放在最大值，輸出給定調到零。按下啟動按鈕，先接通勵磁電源，然后從零開始逐漸增加“給定”電壓ug，使電機啟動升速，轉速到達1200rpm。增大負載(即減小負載電阻r阻值)，使得電動機電流id=ied，可測出該系統(tǒng)的開環(huán)外特性n =f（id）5、系統(tǒng)靜特性測試按圖5-10接線， djk04的給定電壓ug輸出為正給定，轉速反饋電壓為負電壓，直流發(fā)電機接負載電阻r，ld用djk02上的200mh，負載電阻放在最大值，給定的輸出調到零。將“調節(jié)器i”、“調節(jié)器ii”都接成p（比例）調節(jié)器后，接入系統(tǒng)，形成雙閉環(huán)不可逆系統(tǒng)，按下啟動按鈕，接通勵磁電源，增加給定，觀察系統(tǒng)能否正常運行，確認整個系統(tǒng)的