含有電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計要點

1、課程設(shè)計（論文）任務(wù)書專業(yè)班級學(xué)生指導(dǎo)教師題目電力拖動自動控制課程設(shè)計子題含有電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計時間2012年 12 月10 日至 2012年12月 21 日共2周設(shè)計要求設(shè)計目的1. 通過課程設(shè)計掌握電流負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)分析與設(shè)計 方法。2. 掌握含電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的組成，分析設(shè)計內(nèi)容。3. 根據(jù)實際情況，掌握設(shè)計調(diào)節(jié)器的一般方法。4. 培養(yǎng)自己科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度。設(shè)計內(nèi)容1. 電流截止環(huán)節(jié)的意義和引出方法。2. 電流截止環(huán)節(jié)對系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性有何影響。3. 穩(wěn)態(tài)有靜差，怎樣減小靜差。4. 動態(tài)過程的穩(wěn)定條件如何界定。5詳細(xì)分析

2、含電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性。6.參數(shù)選擇： 基本參數(shù)如下：直流電動機(jī)：220V，136A，1460r/min , Ce=0.127Vmin/r，允許過載倍數(shù) 入=1.5。晶閘管裝置放大系數(shù)：Ks=35。電樞回路總電阻：R=0.2 Qo時間常數(shù)：Ti=0.03s , Tm=0.18s。電流反饋系數(shù)：3 =0.05V/A （ 10V/1.5Inom ）。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：a =0.007Vmi n/r10V/N nom）。指導(dǎo)教師簽字:系（教研室）主任簽字:1 總體方案設(shè)計帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的設(shè)計方案本文主要分別從介紹電流截止負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的調(diào)節(jié)器的設(shè)計出發(fā)，將各自的

3、特點結(jié)合再通過數(shù)字式繪圖進(jìn)行原理結(jié)構(gòu)的設(shè)計，其總的數(shù)字式實現(xiàn)結(jié)構(gòu)有以下部分 :1、變壓器部分 此部分是將電網(wǎng)電壓引入，再將其設(shè)計為三種方式的輸出，分別是為電流互感器部 分提供電壓的變壓器 1，為穩(wěn)壓模塊提供電壓的變壓器3,和為控制信號產(chǎn)生部分提供電壓的變壓器 2.2、主電路部分 此部分理所當(dāng)然是整個設(shè)計的核心部分，其當(dāng)中有控制對象電機(jī)，還有我們主 要需要設(shè)計出的控制晶閘管的開斷信號，當(dāng)然其中的轉(zhuǎn)速反饋電壓也是從此部分輸出。3、電流互感器部分 此部分為電流截止負(fù)反饋部分提供反饋電流信號的核心部分，反饋電流信號將從這 里引出通過晶閘管從而進(jìn)入主控電路。4、ASR 和電流截止部分 真?zhèn)€調(diào)速系統(tǒng)的主控

4、部分，這個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性質(zhì)就由這個部分決定，其中包括 了電流截止負(fù)反饋電路和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電路。5、穩(wěn)壓模塊 為控制信號模塊和一些其他需要供電的集成模塊器件供電。6 控制信號產(chǎn)生部分 此部分主要是產(chǎn)生控制前面主電路部分的晶閘管開通與關(guān)斷的，以有效地控制電機(jī) 的轉(zhuǎn)動。7、控制信號的放大驅(qū)動部分 輔助控制信號產(chǎn)生部分，使其產(chǎn)生更精確，更穩(wěn)定的控制信號，以使電機(jī)更好的運 行。2帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的分析與設(shè)計2.1 電流截止負(fù)反饋的分析與設(shè)計 問題的提出：(1) 起動的沖擊電流-直流電動機(jī)全電壓起動時，如果沒有限流措施，會 產(chǎn)生很大的沖擊電流，這不僅對電機(jī)換向不利，對過載能力低的電力電子器件

5、來說，更是不能允許的。(2) 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定起動的沖擊電流-采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時，由于慣性，轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來，反饋電壓仍 為零，相當(dāng)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(dá)到它的最高值，對電動機(jī)來說，相當(dāng)于全壓起動，當(dāng)然是不允許的。(3) 堵轉(zhuǎn)電流-有些生產(chǎn)機(jī)械的電動機(jī)可能會遇到堵轉(zhuǎn)的情況。例如，由于故障，機(jī) 械軸被卡住，或挖土機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護(hù)，一過 載就跳閘，也會給正常工作帶來不便

6、。為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動和堵轉(zhuǎn)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(yīng)該引入那個物理量的負(fù)反饋。那么，弓I入電流負(fù)反饋，應(yīng)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(fù)反饋和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的分析。考慮到，限流作用只需在起動和堵轉(zhuǎn)時起作用，正常運行時應(yīng)讓電流自由地隨著負(fù)載增減，采用電流截止負(fù)反饋的方法，則當(dāng)電流大到一定程度時才接入電流負(fù)反饋以限制電流，而電流正常時僅有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起作用控制轉(zhuǎn)(b)利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓&(c)封鎖運算放大器的電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)圖1電流截止負(fù)反饋的環(huán)節(jié)圖(a)中用獨立的直流電源作為

7、比較電壓，其大小可用電位器調(diào)節(jié)，相當(dāng)于調(diào)節(jié)截止電流。圖(b)中利用穩(wěn)壓管 VS的擊穿電壓UU乍比較電壓，線路要簡單得多，但不能平滑的調(diào)節(jié)電流值。圖(c)是反饋環(huán)節(jié)與運放的連接電路。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu):圖2電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的I/O特性圖3帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速穩(wěn)(1)態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖由圖2可寫出該系統(tǒng)兩段靜特性的方程式：KpKsU；RIdn二Ce(1 K) Ce(1 K)當(dāng)Id Idcr時，引入電流負(fù)反饋，靜特性變?yōu)椋篲 KpKs(Un Ucom) (R KpKsRs)Idn =Ce(1+K)Ce(1 + K)圖4帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性靜特性的幾個特點:Kp Ks Rs ,因而穩(wěn)

8、態(tài)速降極大,(1) 電流負(fù)反饋的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個大電阻特性急劇下垂。(2) 比較電壓Ucom與給定電壓Un*的作用一致，好象把理想空載轉(zhuǎn)速提高到n'o 二KpKs(U； Ucom)Ce(1 K)(3) 兩段式靜特性常稱作下垂特性或挖土機(jī)特性。當(dāng)挖土機(jī)遇到堅硬的石塊而過載時,動機(jī)停下，電流也不過是堵轉(zhuǎn)電流，在式(1 )中，令n = 0 ,得ldbi =U com)R+ KpKsRs*一般 KpKsRs R，因此Qi、Un UcomRs(4) 最大截止電流ldbl應(yīng)小于電機(jī)允許的最大電流，一般?。?Idbi =( 1.52.0) In截止電流應(yīng)大于電機(jī)的額定電流，從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)

9、態(tài)性能上看，希望穩(wěn)態(tài)運行范圍足夠大,-般?。篒 dcr >(1.11.2) In(5) 調(diào)速系統(tǒng)的起動過程圖(a)帶電流截止負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖(b)理想的快速啟動過程圖5調(diào)速系統(tǒng)的起動過程轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)的設(shè)計1確定時間常數(shù):1有K| 丁丁=0.69,則0.0054s，已知轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時間常數(shù)T°n=0.01s，故轉(zhuǎn)速環(huán)K|1小時間常數(shù) TpTon =0.0054 0.01 = 0.0154s。-K|2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器 WASR S - 一S 'S3計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)：按跟隨和抗干擾性能較好原則，取h=5,則ASR的超前時間常數(shù)為:-n =

10、hTn =5 0.0154 = 0.077s，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益Kn寫&廠52 =505.987s。2h2T氫 2沃52 X0.01542ASR的比例系數(shù)為：Kn=1 C=31.8。2* Rg4檢驗近似條件K轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 WcnN = Kn =505.987 0.077 =38.96。W1電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為1 心1= 74.57s-1 WCn，滿足條件。3*T衛(wèi) 3Y 0.0054X0.0037轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為：1 Ki = 1= 45.36sJ WCn，滿足3阮 3Y0.005M0.01近似條件。5計算調(diào)節(jié)器電阻和電容:取 R)=401，則 Rn =Kn R =1

11、272k，取 1.2 M"。Cn n =0.064F，取 64nF RnCon= 4x0.01 =仆 取pF。40kA'.1Kn（“S+）故 WASR S -n 'S31.8 0.077s 10.077S其結(jié)構(gòu)圖如下:Ri GnczHrRO/2W2W/2I C onT圖6轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器6校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量：ACACr計算；n ,設(shè)理想空載z=0 , h=5時，查得 一 =81.2%,所以二n=2 （max ） （ ' 一 Z） CbCb136 匯 0.2-nNT-= 2 81.2% 1.50.1270.0154 =3.06%： 10%，滿足設(shè)計要求.nTm14600.

12、182.3電源設(shè)計該模塊的主要功能是為轉(zhuǎn)速給定電路提供電源，眾所周知，電源是一切電路的心臟，其性能在很大程度上影響著整個電路的性能。為使系統(tǒng)很好的工作，本文特設(shè)計一款15V的直流穩(wěn)壓電源供電，其電路圖如圖2.3所示。直流穩(wěn)壓電源主要由兩部分組成：整流電路和濾波電路。整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。完成這一任務(wù)主要是靠二極管 的單向?qū)ㄗ饔?，因此二極管是組成整流電路的關(guān)鍵元件。在小功率（1KW ）整流電路中，常見的幾種整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。本設(shè)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。T

13、jAT5BE2v vK OCT GND 78LH I圖715V電源電路原理圖濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩側(cè)并聯(lián)電容器；或在整流電路輸出端與負(fù)載間串聯(lián)電感L,以及由電容、電感組合而成的各種復(fù)式濾波電路2.4控制電路設(shè)計+圖中的電動機(jī)的電樞回路由晶閘管組成的三相橋式整流電路供電，通過與電動機(jī)同軸剛性連接的測速發(fā)電機(jī) TG檢測電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，并經(jīng)轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)分壓后取出合適的轉(zhuǎn)速 反饋信號Un，此電壓與轉(zhuǎn)速給定信號 U；經(jīng)速度調(diào)節(jié)器 ASR綜合調(diào)節(jié)，ASR的輸出作為 移相觸發(fā)器的控制電壓 Uc ,由此組成轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中ASR采用比例積

14、分調(diào)節(jié)器， 屬于無靜差調(diào)速系統(tǒng)。 為了防止在起動和運行過程中出現(xiàn)過大的電流沖擊，系統(tǒng)引入了電流截止負(fù)反饋。由電流變換器取出與電流成正比的電壓信號Ui，當(dāng)電樞回路電流超過一定值時，將穩(wěn)壓管VS擊穿，送出電流反饋信號U i進(jìn)入ASR輸入端進(jìn)行綜合，以限止電流不超過其允許的最大值。改變Un即可調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖8無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（1 d ' 1 dcr)圖9無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（ld Idcr）2.5觸發(fā)電路的設(shè)計電路組成：由三路相冋的部分：冋步過零和極性檢測、鋸齒波形成、鋸齒波比較，經(jīng)過抗干擾鎖定、脈沖形成等電路形成三相觸發(fā)調(diào)制脈沖或方波，由脈沖分配電路實現(xiàn)全控、半控

15、的工作方式，再由驅(qū)動電路完成輸出驅(qū)動。電路原理： 三相同步電壓經(jīng)過 T型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入電路，同步電壓的零點設(shè)計為1/2電源電壓（電路輸入端同步電壓峰峰值不宜大于電源電壓），通過過零檢測和極性判別電路檢測出零點和極性后，在Ca、Cb、Cc三個電容 上積分形成鋸齒波。由于采用集中式恒流源，相對誤差極小，鋸齒波有良好的線性。電容 的選取應(yīng)相對誤差小，產(chǎn)生鋸齒波幅度大且不平頂為宜。鋸齒波在比較器中與移相電壓比較取得交相點，移相電壓由4腳通過電位器或外電路調(diào)節(jié)而取得。抗干擾電路具有鎖定功能，在交相點以后鋸齒波或移相電壓的波動將不能影響輸出，保證交相唯一并且穩(wěn)定。脈沖形成電路是由脈沖發(fā)生器給出調(diào)制脈沖（TC78

16、7），調(diào)制脈沖寬度可通過改變Cx電容的值來確定，需要寬則增大Cx，窄則減小Cx, 1000P電容約產(chǎn)生100 S的脈沖寬度。被調(diào)制脈沖的頻率-8/調(diào)制脈沖寬度。脈沖分配及驅(qū)動電路是由 6腳控制脈沖分配的輸出方式， 6腳接低電平 VL ,輸出為半控方式，12、11、10、9、8、7分別輸出A、-C、B、-A、C、 -B的單觸發(fā)脈沖，6腳接高電平VH，輸出為全控方式，分別輸出A、-C; -C、B; B、-A ;-A、C; C、-B ; -B、A的雙觸發(fā)脈沖，用戶可以選擇。5腳為保護(hù)端，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)過流過壓時，將5腳置高電平VH，輸出脈沖即被禁止。5腳還可以用作過零觸發(fā)系統(tǒng)的控制端， 輸出端可驅(qū)動功率

17、管，經(jīng)脈沖變壓器觸發(fā)可控硅；也可直接驅(qū)動光電耦合器，經(jīng)隔離觸發(fā) 可控硅或驅(qū)動三級管。電路如圖2.7所示圖2.7 TC787引腳及外圍電路圖2.6總電路原理圖如下電流互感器上 V】6J±C17IObF 2IQ4IK t電流反饋電壓WDASR和電流截止部分U115VR33Res Tap IK20kR40L豐C22C 8<=1 2MGXD64nF15VU3AI3B58R36C=b20KD16J gio.zvUcGNDGKDGKDU2穩(wěn)圧模塊電源地的處理11 RedL-IRes：00GND交流電源地（Earth）電機(jī)負(fù)極地 芯片電源地控制信號放大于驅(qū)動部分2W2.7結(jié)論本文實現(xiàn)了帶電流

18、截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，介紹了帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的基本原理。用Protel繪制出了系統(tǒng)的工作原理圖，數(shù)字式結(jié)構(gòu)相比模擬電路而言，大大簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，且參數(shù)易于修改，靈活性大大加強(qiáng)，具有很強(qiáng) 的實際意義。通過分析與設(shè)計，可發(fā)現(xiàn)此種調(diào)速系統(tǒng)結(jié)合巧妙地結(jié)合兩種方法的優(yōu)點，使 得它更具通用性和實用性，但同時它也有一些弊端，在更高精度的控制下，還是得設(shè)計更 為精密的系統(tǒng)。2.8心得體會通過本次課程設(shè)計，使我對電流負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)分析與設(shè)計方法 有了更加深刻的認(rèn)識，為以后的學(xué)習(xí)和工作打下了堅實的基礎(chǔ)。在大學(xué)的課堂的學(xué)習(xí)只是 在給我們灌輸專業(yè)知識，指導(dǎo)我們學(xué)習(xí)的方向。如果我們想把所學(xué)的用到我們現(xiàn)實的生活 中去，則必須要有扎實的理論基礎(chǔ)，此次的設(shè)計為我奠定了一個理論基礎(chǔ)，同時我會在以 后的學(xué)習(xí)、生活中磨練自己，使自己更好的將理論與實踐相結(jié)合，以取得更好的成果。此 外在查找資料的過程中我也學(xué)到了許多新的知識，在和同學(xué)協(xié)作過程中增進(jìn)同學(xué)間的友誼,使我對團(tuán)隊精神的積極性和重要性有了更加充分