雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

-2-目錄TOC\o"1-1"\h\z\u序言 -4-設(shè)計任務(wù)書 -5-系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案的選擇 -5-主回路的選擇 -7-觸發(fā)器的設(shè)計和同步相位的配合 -11-輔助電路設(shè)計 -12-系統(tǒng)靜、動態(tài)設(shè)計 -13-電流環(huán)的設(shè)計 -14-轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計 -18-系統(tǒng)的總框圖 -22-參考文獻(xiàn) -23-序言隨著社會經(jīng)濟的快速增長，電動機的調(diào)速控制越來越重要。在電機控制中以直流電機調(diào)速控制最為常見，本次課程設(shè)計將涉及到直流電機調(diào)速中的各種參數(shù)設(shè)計以及分析，最后得到一個能夠正常運行的模擬直流電機控制系統(tǒng)。設(shè)計的主要內(nèi)容包括主回路和觸發(fā)回路等的設(shè)計，設(shè)計的目的和作用有以下幾方面：1、理論聯(lián)系實際，掌握根據(jù)實際工藝要求設(shè)計電力拖動自動控制系統(tǒng)的基本方法。2、對一種典型的雙閉環(huán)調(diào)速自動控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合性的分析設(shè)計，掌握各部件和整個系統(tǒng)的設(shè)計調(diào)試步驟、方法及操作實際系統(tǒng)的方法。加強基本技能訓(xùn)練。3、掌握參數(shù)變化對系統(tǒng)性能影響的規(guī)律，培養(yǎng)靈活運用所學(xué)理論解決控制系統(tǒng)中各種實際問題的能力。4、培養(yǎng)分析問題、解決問題的獨立工作能力，學(xué)會實驗數(shù)據(jù)的分析與處理能力及編寫設(shè)計說明書和技術(shù)總結(jié)報告的能力。為下學(xué)期畢業(yè)設(shè)計作準(zhǔn)備。5、通過設(shè)計熟練地查閱有關(guān)資料和手冊。本課程設(shè)計的對象是：直流電機：185W，220V，1.2A，1600轉(zhuǎn)/分。直流測速機：10W，10V，0.2A，1900轉(zhuǎn)/分。作者姓名2015年1月13日設(shè)計任務(wù)書一、閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計利用綜合實驗測得的對象數(shù)據(jù)，按下述要求設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器和反饋參數(shù)。做出系統(tǒng)的伯德圖和動態(tài)框圖。設(shè)計要求如下： a.調(diào)速范圍D＝5～10，靜差率S≤5％。b.空載啟動時電流超調(diào)σi≤5%,轉(zhuǎn)速超調(diào)σn≤10%(在額定轉(zhuǎn)速時)。c.動態(tài)速降小于10％。d.振蕩次數(shù)小于2次。2、晶閘管－電動機系統(tǒng)主電路設(shè)計a.晶閘管整流電路方案的討論和選擇。b.整流變壓器額定容量、一次側(cè)和二次測電壓、電流的選擇。c.晶閘管的選擇及晶閘管保護電路的選擇。d.平波電抗器的計算與選擇。e.觸發(fā)電路的選擇。f.測速發(fā)電機的選擇及有關(guān)元件的選擇與計算。g.繪制晶閘管調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖和設(shè)備明細(xì)表。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案的選擇一、調(diào)壓、變阻及弱磁方案調(diào)速的選擇與論證直流電動機的轉(zhuǎn)速和其他參量的關(guān)系可用式（1-1）表達(dá)（1-1）式中 ——轉(zhuǎn)速，單位為r/min； ——電樞電壓，單位為V；——電樞電流，單位為A；——電樞回路總電阻，單位為；——勵磁磁通，單位為Wb；——由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。由式（1-1）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。 （1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓。 （2）減弱勵磁磁通。 （3）改變電樞回路電阻。 對于要求在一定范圍內(nèi)無極平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有極調(diào)速，減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電動機額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的升速。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。二、單環(huán)、雙環(huán)的選擇與論證在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負(fù)反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖1-1a所示。當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然延長。a）帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)b）理想的快速起動過程圖1-1調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形對于像龍門刨床、可逆軋鋼機那樣的經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng)，盡量縮短起制動過程的時間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在電機最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，希望充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降低下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程波形示于圖1-1b，這時，起動電流呈方形波，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。實際上，由于主電路電感的作用，電流不能跳變，圖1-1b所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全實現(xiàn)。為了實現(xiàn)在允許條件下最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)反饋就應(yīng)該能得到近似的恒流過程。問題是希望在起動過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用。怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)正是用來解決這個問題的。主回路的選擇主電路形式的選擇與論證 在調(diào)壓直流調(diào)速系統(tǒng)中，調(diào)壓的方式有多種，主要的有三種：旋轉(zhuǎn)變流機組、靜止可控硅整流器、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。旋轉(zhuǎn)變流機組由于其龐大的體積和昂貴的造價，現(xiàn)基本已不再使用。而直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器雖說是比較理想的選擇，但由于其受到容量的限制，一般都是用在中小功率的系統(tǒng)。此次的設(shè)計選擇的是靜止可控硅整流器，其整流形式選擇三相橋式全控型。因為單向整流中輸出的電壓較小，不能很好的利用，而且諧波也比較嚴(yán)重；六相整流電路雖說可以減少諧波，增大整流輸出電壓，但由于其需要的相位觸發(fā)電路較為復(fù)雜，故綜合而言，選擇三相橋式全控整流電路較好。二、整流變壓器的計算 由于主電路已經(jīng)選擇了三相橋式整流，故變壓器選擇三相變壓器。根據(jù)直流電動機正常運行時的額定電壓Unom Ud=2.34U式（1-2）中Ud為整流輸出的電壓，即加在直流電動機兩端的電壓，U2為變壓器二次側(cè)的相電壓，α為觸發(fā)角，取值范圍是10°-96°，根據(jù)調(diào)壓調(diào)速的要求，我們要使得整流輸出電壓略大于電動機的額定電壓，這樣才能實現(xiàn)正常調(diào)速，而且不會燒壞電動機。當(dāng)α=10°時，整流輸出最大，則由此可算得二次側(cè)電壓：U考慮到電網(wǎng)電壓會有10%左右的波動，最終取：U盡管電動機串聯(lián)有電抗器，但還是無法完成消除，所以變壓器采用星型接法以防止諧波流入電網(wǎng)，電壓器一次測采用三角形接法。工業(yè)中的動力電源電壓一般采用380V的線電壓，即變壓器一次測相電壓：U則有變壓器的變比：n電動機的額定電流為:I其過載系數(shù)λ負(fù)載電流Id等于I為了獲得良好的啟動，并考慮到電網(wǎng)電流也波動，故綜合考慮，取二次側(cè)相電流：I變壓器的容量： S=3U2三、晶閘管元件的計算與選擇在三相橋式全控整流電路中，晶閘管正向承受的最大電壓是二次線電壓峰值的一半，即： UFM=12?而反相承受的最大電壓是二次線電壓峰值，即： URM取額定電壓為正常工作是晶閘管所承受電壓峰值電壓的2~3倍，即：U標(biāo)準(zhǔn)電壓等級后可取晶閘管額定電壓：U整流電路中額定負(fù)載電流Id IVT=13Id根據(jù)有效值相等原理，晶閘管的通態(tài)平均電流為： IT(AV)=IVT1.57=1.1A 考慮1.5倍的安全裕量，晶閘管額定電流：I綜上討論選擇額定電壓為900V，額定電流為1.65A的晶閘管。四、晶閘管保護措施的電路設(shè)計與計算 在電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適，驅(qū)動電路設(shè)計良好外，采用合適的過電壓保護、過電流保護也是必要的。1．過電壓保護過壓有外因和內(nèi)因兩類，而電力電子過壓保護常采用圖1-2措施：圖1-2圖1-2中的參數(shù)如下：C=2.5~5×R=(2~4)×535IVIN2．過電流保護電力電子電路運行不正常或者出現(xiàn)故障時，可能會發(fā)生過電流。過電流分為過載和短路兩種情況。選擇常用的措施，即采用串聯(lián)快速熔斷器。如圖1-3：圖1-3上圖中的快速熔斷器的額定電流:I為了計算方便取I五、平波電抗器的計算與選擇在應(yīng)用V-M系統(tǒng)時，首先要考慮抑制電流脈動的問題，其主要措施是設(shè)置平波電抗器。在三相橋式整流電路中，平波電抗器的電感為：L=0.693其中Idmin=5%~10%為了計算方便，取L=1H。六、測速機的選擇與可變電位器的選擇與計算由于此次的設(shè)計的直流電動機額定轉(zhuǎn)速為1600轉(zhuǎn)/分，故測速機的額定轉(zhuǎn)速必須大于電動機轉(zhuǎn)速才能實現(xiàn)測速。本次給定的直流測速機：10W，10V，0.2A，1900轉(zhuǎn)/分，滿足需求。測速機的電壓轉(zhuǎn)速比：C故當(dāng)電動機達(dá)到額定轉(zhuǎn)速1600轉(zhuǎn)/分時測速機的輸出電壓：U有測速機的額定電流為0.2A，故可變電位器的最大電阻為：R=七、電流檢測回路的設(shè)計計算電流檢測回路主要由電流互感器和整流電路組成。圖中1-4中TA為電流互感器，它串聯(lián)在整流變壓器的二次側(cè)使用。圖1-5為電流互感器輸出的整流電路，其中互感器的TA1，TA2，TA3分別接圖1-5中的TA1，TA2，TA3。圖中選用的是三相橋式整流電路，經(jīng)過RC慮波后得到電流反饋信號。圖1-4電流互感器圖1-5整流電路八、電動機勵磁回路設(shè)計電動機的勵磁采用的是直流勵磁方式，其供電是通過一個單獨的變壓器組變壓后再整流輸出，如圖1-6所示。其中變壓器的原邊繞組連接的是380V的電壓，副邊繞組采用的是三相半波整流輸出。勵磁電路的電壓取220V，電流取0.2A。圖1-6勵磁回路觸發(fā)器的設(shè)計和同步相位的配合一、觸發(fā)電路的設(shè)計與選擇觸發(fā)電路采用集成觸發(fā)器。目前國內(nèi)常用的有KJ系列和KC系列。這次主要采用的是KC系列，其三相全控橋整流電路的觸發(fā)電路如下圖：圖1-7觸發(fā)電路二、同步相位的配合為保證觸發(fā)電路和主電路頻率一致，利用一個同步變壓器，將其一次測接入主電路供電的電網(wǎng)，由其二次側(cè)提供同步電壓信號。這樣，由同步電壓決定的觸發(fā)脈沖頻率與主電路晶閘管電壓頻率始終是一致的。接下來主要就是同步變壓器的設(shè)計。如圖1-8所示。圖中A、B、C為主電路，a，b，c接晶閘管觸發(fā)端。圖1-8同步變壓器輔助電路設(shè)計一、高精度給定電源的設(shè)計給定的電路圖如圖1-9所示，圖中通過±15V高精度直流電源供電，通過滑動變阻器RP1和RP2來調(diào)節(jié)給定脈沖幅值的大小，當(dāng)S1打向上方是輸出正給定，下方是負(fù)給定。二、直流供電電源的設(shè)計直流供電電源電路如圖1-10，圖中通過 變壓器后 經(jīng)過整流穩(wěn)壓電路后得到±15V和24V的穩(wěn)定電壓。圖1-9給定電路變壓器的一次測接入380V的交流電源。圖1-10直流供電電源系統(tǒng)靜、動態(tài)設(shè)計一、靜態(tài)工作點的設(shè)計在電機綜合拖動實驗中我們已經(jīng)測得轉(zhuǎn)速環(huán)反饋系數(shù)：α=0.004，電流環(huán)反饋系數(shù)：β=5，晶閘管整流放大倍數(shù)：U上式中nnom為電動機的額定轉(zhuǎn)速，取1600轉(zhuǎn)/分，代入算得UU上式中Idm為電動機的額定電流，取1.2A，代入算得UU上式中R為主回路總電阻，實驗測得R=32.5Ω ，IdL為電動機的負(fù)載電流，由于本次實驗是空載運行，故IdL二、其他參數(shù)的計算由于綜合實驗的時候已經(jīng)對參數(shù)進(jìn)行過詳細(xì)的計算，故這里直接給出需要的參數(shù)。主回路總電阻：R電樞電阻：Ra電抗器的電阻：R主回路總電感：L=787mH電樞電感：La電抗器的電感：LL電樞回路時間常數(shù)T飛輪力矩：GD2電壓轉(zhuǎn)速比：Ce=電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)：T

電流環(huán)的設(shè)計一、電流環(huán)的等效變換雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1-11，圖中增加了濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定濾波環(huán)節(jié)。由于電流檢測信號中常含有交流分量，須加低通濾波，其濾波時間常數(shù)按需要選定。濾波環(huán)節(jié)可以抑制反饋信號中的交流分量，但同時也給反饋信號帶來延滯。為了平衡這一延滯作用，在給定信號通道中加入一個相同時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。圖1-11雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖——電流反饋濾波時間常數(shù)——轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有電機的換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道中也配上時間常數(shù)為的給定濾波環(huán)節(jié)。 圖1-11虛線框內(nèi)就是電流環(huán)的結(jié)構(gòu)圖。把電流環(huán)單獨拿出來設(shè)計由于電磁時間常數(shù)一般都遠(yuǎn)小于機電時間常數(shù)，因而電流的調(diào)節(jié)過程往往比轉(zhuǎn)速的變換過程快得多，在電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程中可以近似地認(rèn)為基本不變，即D≈0。忽略電動勢的影響的電流環(huán)近似結(jié)構(gòu)圖，如圖1-12a所示。再給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，得圖1-12b（這就是兩個時間常數(shù)取值相等的方便之處）。最后，和一般都比小得多，可以當(dāng)作小慣性環(huán)節(jié)處理，看成是一個慣性環(huán)節(jié)，取則電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡化成圖1-12c。當(dāng)然這樣的化簡都是有條件的。先考慮近似處理小慣性環(huán)節(jié)的條件，按上式并以具體時間常數(shù)代進(jìn)去，則近似條件是式中——電流環(huán)的截止頻率?，F(xiàn)在研究一下忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件。電流環(huán)中包含反電動勢部分的結(jié)構(gòu)圖示于圖1-13a。為了簡單起見，假定為理想空載，即，再將反饋引出點移到電流環(huán)內(nèi)，得結(jié)構(gòu)圖1-13b。利用反饋連接等效變化，最后得到圖1-13c。（a）（b）（c）圖1-12電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡（a）（b）（c）（d）圖1-13反電動勢作用結(jié)構(gòu)圖的等效變換（）當(dāng)TmTlω這就是圖1-13中忽略反電動勢作用的情況。近似條件可轉(zhuǎn)化為二、電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計算1．確定時間常數(shù)a.整流裝置滯后時間常數(shù)T三相橋式整流電路的平均失控時間：T上式中m為電流一周期內(nèi)的脈動數(shù)，取m=6，f為電流的工頻，取50HZ，代入得：Ts=0.0017s。b.電流濾波時間常數(shù)三相橋式電路每個波頭的時間是3.33ms，為了濾平波頭，應(yīng)有1~2Toi=3.33ms,因此取c.電流環(huán)小時間常數(shù)按小時間常數(shù)近似處理，取=0.0037s。2．選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求：，而且T因此可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計。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超前時間常數(shù)：τ電流開環(huán)增益：要求時，應(yīng)取，因此于是，ACR的比例系數(shù)為:K4．校驗近似條件電流環(huán)截止頻率ωa.晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：現(xiàn)在，滿足近似條件。b.忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件：現(xiàn)在，3滿足近似條件。c.小時間常數(shù)近似處理條件：現(xiàn)在,滿足近似條件。三、電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖1-14，按所用運算放大器取，各電阻和電容值計算如下Ri=CC各參數(shù)取值：Ri取25K??，Ci取1.6uF，Coi按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)指標(biāo)為：，滿足設(shè)計要求。圖1-14含給定濾波與反饋濾波的PI型電