V-M雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、實(shí) 訓(xùn) 報(bào) 告課程名稱： 專業(yè)實(shí)訓(xùn) 專 業(yè)： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 成 績(jī)： 完成日期： 2015 年 1月15 日任 務(wù) 書(shū)題目：直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求：?jiǎn)伍]環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（一）主回路方案確定主要電氣設(shè)備的計(jì)算和選擇：1、整流變壓器的計(jì)算2、晶閘管整流元件：電壓定額、電流定額計(jì)算。3、系統(tǒng)各主要保護(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)：快速熔斷器計(jì)算選擇、阻容保護(hù)計(jì)算選擇計(jì)算。（二）控制回路選擇反饋元件的選擇，調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)（三）畫(huà)出閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖（四）撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（報(bào)告）設(shè)計(jì)環(huán)境： 主要由主電路和控制電路組成，主電路由開(kāi)關(guān)，變壓器，晶閘管整流裝置，保護(hù)

2、器件，直流電動(dòng)機(jī)和測(cè)速裝置組成，控制電路主要由運(yùn)算放大器構(gòu)成的控制器組成。實(shí)現(xiàn)目標(biāo)：1、使學(xué)生進(jìn)一步熟悉和掌握閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理，了解工程設(shè)計(jì)的基本方法和步驟。 2、熟練掌握主電路結(jié)構(gòu)選擇方法，主電路元器件的選型計(jì)算方法。 3、熟練掌握過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)方式的配置及其計(jì)算。 4、掌握電流、速度調(diào)節(jié)器的典型設(shè)計(jì)方法。 5、掌握電氣系統(tǒng)線路圖繪制方法。 6、掌握撰寫(xiě)實(shí)訓(xùn)報(bào)告的方法。211 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)1.1 主電路設(shè)計(jì)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是指只有一個(gè)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在電動(dòng)機(jī)軸上裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)SF ,引出與轉(zhuǎn)速成正比的電壓Uf 與給定電壓Ud 比較后,得偏差電壓U ,經(jīng)放大

3、器FD ,產(chǎn)生觸發(fā)裝置CF 的控制電壓Uk ,用以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,如圖1.1所示。放大器電壓整流觸發(fā)裝置負(fù)載電動(dòng)機(jī) 速度檢測(cè)圖1.1 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖直流電機(jī)，額定電壓20V，額定電流7A，勵(lì)磁電壓20V，最大允許電流40A。1.1.1 整流變壓器額定參數(shù)的計(jì)算為了保證負(fù)載能正常工作，當(dāng)主電路的接線形式和負(fù)載要求的額定電壓確定之后，晶閘管交流側(cè)的電壓U2只能在一個(gè)較小的范圍內(nèi)變化，為此必須精確計(jì)算整流變壓器次級(jí)電壓U2。 （1）二次側(cè)相電流和一次側(cè)相電流 在精度要求不高的情況下，變壓器的二次側(cè)相電壓U2的計(jì)算公式： 幾種整流線路變壓器電壓計(jì)算系統(tǒng)參數(shù)，如表1.1所示。表1.1 幾種

4、整流線路變壓器電壓計(jì)算系統(tǒng)電路模式單相全波單相橋式三相半波三相橋式A0.90.91.172.34C0.7070.7070.8660.5所以變壓器二次側(cè)相電壓為：變壓器的二次側(cè)電流I2的計(jì)算公式：幾種整流線路變壓器電流Id/I2系數(shù)，如表1.2。表1.2 幾種整流線路變壓器電流Id/I2電路模式電阻性負(fù)載電感性負(fù)載單相全控橋0.91三相全控橋1.221.22查表1.2得，。變壓器的二次側(cè)電流：變壓器的一次側(cè)電流I1的計(jì)算公式：一次側(cè)電流：（2）變壓器容量整流電路為單相橋式，取。二次容量：一次容量：平均計(jì)算容量：1.1.2 整流器件晶閘管的參數(shù)計(jì)算及選擇額定電壓UTN、電流ITN、功率PTN。整流

5、元件的最大值電壓UTM和額定電流的計(jì)算系數(shù)Kfb如表1.3所示。表1.3 整流元件的最大值電壓UTM和額定電流的計(jì)算系數(shù)Kfb電路模式UTM電阻性(Kfb)電感性(Kfb)單相橋式0.5V0.45V三相橋式0.368V0.368V查表1.3得，取，選擇MEKD-ZL-50型號(hào)整流模塊一個(gè)。1.1.3 阻容保護(hù)電路的參數(shù)計(jì)算及選擇單相變壓器交流側(cè)過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電容C和電阻R的計(jì)算： 變壓器勵(lì)磁電流百分比：在101000Kv情況下，取410。變壓器的短路電壓百分比：在101000Kv情況下，取510。幾種常見(jiàn)單相晶閘管阻容保護(hù)電路如圖1.2所示。圖1.2 單相RC保護(hù)電路幾種常見(jiàn)三相晶閘管阻容保護(hù)電

6、路如圖1.3，圖1.4所示。 圖1.3 三相RC角型保護(hù)電路 圖1.4 三相壓敏電阻保護(hù)電路1.2 控制電路設(shè)計(jì)1.2.1 單相整流模塊參數(shù)（1）工作頻率f為50Hz。（2）輸入線電壓范圍VIN（RMS）為30450VAC。（3）控制信號(hào)電壓VCON為010VDC。（4）控制信號(hào)ICON10A。（5）、輸出電壓不對(duì)稱度6。（6）輸出電壓溫度系數(shù)600PPM/。（7）模塊絕緣電壓VISO（RMS）2500V。整流模塊內(nèi)部電路及使用和安裝：（1）單相整流模塊內(nèi)部電路，如圖1.5所示。圖1.5 單相整流模塊（2）模塊的使用安裝 模塊電流規(guī)格選擇：為保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，選取的模塊電流應(yīng)為負(fù)載電流的1.5

7、3倍，整個(gè)運(yùn)行過(guò)程，負(fù)載電流不能超過(guò)模塊的額定電流。 環(huán)境要求：模塊的存貯和工作場(chǎng)所應(yīng)干燥、通風(fēng)、無(wú)塵、無(wú)腐蝕性氣體。工作環(huán)境溫度范圍為2545 。安裝步驟： 把散熱器和風(fēng)機(jī)按通風(fēng)要求安裝好，散熱器表面必須平整、光潔。在模塊導(dǎo)熱底板與散熱器表面均勻涂覆一層導(dǎo)熱硅脂，然后用螺釘把模塊固定于散熱器上，注意用力要均等。因模塊工作電流較大，必須用帶接線鼻的多股銅線進(jìn)行連接（禁用鋁線），導(dǎo)線截面積按電流密度4A/mm 2 選取。嚴(yán)禁將銅線直接壓接在模塊電極上。 用接線鼻環(huán)帶將銅線扎緊，以免接觸不良而附加發(fā)熱，然后套上絕緣熱縮管，用熱風(fēng)或熱水加熱收縮。將接線鼻固定在模塊電極上，確保良好的平面接觸，并用螺釘

8、緊固。 注意模塊輸入輸出電極勿掀起，以免損壞模塊。 接控制線：接線見(jiàn)圖1.6和表1.4所示。圖1.6 五腳插座的對(duì)應(yīng)順序表1.4 引腳接線引腳功能 引線顏色 5腳插座 12 紅色 5 GND 黑色 4 GND 黑色(灰色) 3 CON 黃色 2 ECON 橙色(褐色)1 1.2.2 LM331芯片簡(jiǎn)介及工作原理LM331采用單電源供電，電源電壓VCC，模擬信號(hào)Vin的輸入范圍-VCC0V,頻率范圍為1500KHZ，非線性低于0.01。模擬信號(hào) 經(jīng)積分器積分處理后,在INPUT端變成與輸入電壓 成正比的穩(wěn)定電流輸入,通過(guò)LM331芯片進(jìn)行V/F轉(zhuǎn)換后,變成與電壓成正比的頻率信號(hào),FOUT端輸出的

9、頻率信號(hào)送到計(jì)算機(jī)的計(jì)數(shù)/定時(shí)端口,計(jì)算機(jī)對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)。從而實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。由于LM331的轉(zhuǎn)換線性度直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性，而通常引起V/F轉(zhuǎn)換產(chǎn)生非線性誤差的原因是引腳1的輸出阻抗，它使輸出電流隨輸入電壓的變化而變化，因而影響轉(zhuǎn)換精度，為克服此缺點(diǎn)，高精度V/F轉(zhuǎn)換器在1腳和7腳間加入了一個(gè)積分器，這個(gè)積分器是由常規(guī)運(yùn)放LF356和積分電容C4構(gòu)成的反積分器。LM331外部擴(kuò)展電路如圖1.7所示。圖1.7 LM331外部擴(kuò)展電路1.2.3 運(yùn)算放大LM324芯片簡(jiǎn)介及工作原理LM324系列運(yùn)算放大器是價(jià)格便宜的帶差動(dòng)輸入功能的四運(yùn)算放大器?？晒ぷ髟趩坞娫聪?/p>

10、，電壓范圍是3.0V-32V 。它采用14管腳雙列直插塑料（陶瓷）封裝，外形如圖所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可用圖1.8所示的符號(hào)來(lái)表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見(jiàn)圖1.9所示。      圖1.8 運(yùn)算放大器 

11、0;              圖1.9 lm324功能引腳圖LM324的特點(diǎn)：（1）短跑保護(hù)輸出；（2）真差動(dòng)輸入級(jí)；（3）可單電源工作：3V-32V；（4）低偏置電流：最大100nA（LM324A）；（5）每封裝含四個(gè)運(yùn)算放大器；（6）具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ埽唬?）共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源；（8）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列；（9）輸入端具有靜電保護(hù)功能。1.2.4 光電編碼器光電編碼器是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光

12、柵盤和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開(kāi)通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90°的兩路脈沖信號(hào)。光電編碼器E6B2_C接線如圖1.10所示。圖1.10 光電編碼器接線圖1.2.5 無(wú)靜差調(diào)速采用PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖1.11所示。圖1.11 單閉環(huán)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器控制結(jié)構(gòu)圖單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)控制電路如圖1.12所示。圖1.12 單閉環(huán)

13、調(diào)速系統(tǒng)控制電路圖單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主電路如圖1.13所示。圖1.13 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主電路2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主要由給定環(huán)節(jié)、ASR、ACR、觸發(fā)器和整流裝置環(huán)節(jié)、速度檢測(cè)環(huán)節(jié)以及電流檢測(cè)環(huán)節(jié)組成。為了使轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋分別起作用，系統(tǒng)設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器ACR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR。電流調(diào)節(jié)器ACR和電流檢測(cè)反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速檢測(cè)反饋回路構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)，稱為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。因轉(zhuǎn)速換包圍電流環(huán)，故稱電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。在電路中，ASR和ACR串聯(lián)，即把ASR的輸出當(dāng)作ACR的輸入，再由ACR得輸出去控制晶閘管整流器的觸

14、發(fā)器。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用具有輸入輸出限幅功能的PI調(diào)節(jié)器，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負(fù)反饋閉環(huán)。該系統(tǒng)原理框圖如圖2.1所示。電流檢測(cè)整流觸發(fā)裝置ASRACR負(fù)載電壓電動(dòng)機(jī)速度檢測(cè) 圖2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖2.2 主電路設(shè)計(jì)本組雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)：功率Pe1.45KW，額定電壓Ue=220V，額定電流Ie=6.5A,磁極對(duì)數(shù)P=1，ne=1500r/min,勵(lì)磁電壓220V,電樞繞組電阻Ra=3.7,主電路總電阻R7.4，Ks=27，電磁時(shí)間常數(shù)TL=0.033s，機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.26s，濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.00

15、31s，Ton=0.01s，過(guò)載倍數(shù)1.5，電流給定最大值，速度給定最大值，0.77V/A，0.007 Vmin。2.2.1 整流變壓器額定參數(shù)的計(jì)算（1）一次側(cè)相電流和二次側(cè)電流在精度要求不高的情況下，變壓器的二次側(cè)相電壓U2的計(jì)算公式：查表1.1得，。所以變壓器二次側(cè)相電壓為：變壓器的二次側(cè)電流I2的計(jì)算公式：查表1.2得，。變壓器的二次側(cè)電流：變壓器的一次側(cè)電流I1的計(jì)算公式：一次側(cè)電流：（2）變壓器容量整流電路為三相橋式，取。二次容量：一次容量：平均計(jì)算容量：2.2.2 整流器件晶閘管的參數(shù)計(jì)算及選擇額定電壓UTN、電流ITN、功率PTN。查表1.3得，。取，選擇三相整流模塊F18系列

16、SD57-16型號(hào)。2.2.3 阻容保護(hù)電路的參數(shù)計(jì)算及選擇（1）單相變壓器交流側(cè)過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電容C和電阻R的計(jì)算： 變壓器勵(lì)磁電流百分比：在101000Kv情況下，取410。變壓器的短路電壓百分比：在101000Kv情況下，取510。 取4.1uF 取20（2）保護(hù)電容的耐壓值計(jì)算2.2.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路如圖2.2所示。圖2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路2.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)2.3.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)設(shè)計(jì)原則雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)設(shè)計(jì)原則：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。2.3.2 ACR電流環(huán)的設(shè)計(jì)（1）確定時(shí)間常數(shù)三相橋式電路的平

17、均時(shí)空時(shí)間：電流濾波時(shí)間常數(shù)：電流環(huán)時(shí)間常數(shù)：（2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求：，而且 ，因此電流環(huán)可按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。電流調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為： （3）選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)ACR超前時(shí)間常數(shù)：。機(jī)電時(shí)間常數(shù)：Tm=0.26s。 電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求時(shí)，應(yīng)取 于是，ACR的比例系數(shù)為 （4）校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率： 1) 晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件： 現(xiàn)在 。2) 忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件： 現(xiàn)在，。3) 小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：現(xiàn)在，。（5）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 電流調(diào)節(jié)器原理圖，按所用運(yùn)算放大器取，各電阻和電容值計(jì)算如下 ，取 ， 取 ，取 按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)

18、到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：，滿足設(shè)計(jì)要求。其結(jié)構(gòu)圖如圖2.3所示：圖2.3 ACR電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖2.3.3 ASR轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)（1）確定時(shí)間常數(shù)1) 電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)為2) 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為。3) 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取4) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù) 按小時(shí)間常數(shù)近似處理，?。?）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 由于設(shè)計(jì)要求無(wú)靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動(dòng)態(tài)要求，應(yīng)按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。故ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：（3）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則 ASR的超前時(shí)間常數(shù)為： 轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益： 于是，ASR的比例系數(shù)為： （4）校驗(yàn)近似條件1) 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 2) 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件： 現(xiàn)在，3) 時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： 現(xiàn)在，（5）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容按照轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理，取，則 （6）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 退出飽和超調(diào)