双闭环晶闸管不可逆直流调速系统.doc

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1、 目录摘要.21、设计要求.3 1.1 设计要求.3 1.2 设计内容.32、系统主电路设计.4 2.1 系统主电路说明.4 2.1.1 电压给定器.6 2.1.2 零速封锁器DZS.7 2.1.3 速度变换器FBS.7 2.1.4 速度调节器.7 2.1.5 电流调节器.8 2.1.6 触发装置GT.92.2 主电路参数的设计.10 2.2.1 晶闸管参数计算.10 2.2.2 平波电抗器的参数计算.103、电流调节器的设计.113.1 确定电流调节器的时间参数.113.2 选择电流调节器的结构。.123.3 计算电流调节器的参数.123.4 校验近似条件.133.5 计算调节器电阻和电容.

2、134、速度调节器的设计.14 4.1 确定转速调节器的时间常数.15 4.2 转速调节器的结构设计.15 4.3 计算转速调节调节器参数.164.4 校验近似条件.164.5 计算调节器电阻和电容.175、保护电路的设计.175.1 过电压保护.175.2 过电流保护.176课程设计体会.20参考文献.21 摘要根据晶闸管的特性，通过调节控制角的大小来调节电压，基于设计题目，直流电动机调速控制器选用了转速电流双闭环调速控制电路，在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电，本文先确定主电路的结构形式和各元部件的设计，同时对其参数进行计算，包括晶闸管、电抗器，直流电动机调速控制器电路

3、，本文采用转速、电流双闭环晶闸管不可逆直流调速系统为对像来设计直流电动机调速控制电路，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设计两个调节器，电流调节器和速度调节器，为了实现电流和转速分别起作用，二者之间实行串级连接，即把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，在把电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR都采用PI调节器,以便能保证系统获得良好的静态和动态性能转速调节器在双闭环直流调速系统中的作用是减小转速误差，采用PI调节器可实现无静差；对负载变化起抗扰作用；其输出限幅决定电动机允许的最大电流;电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用是使

4、电流紧紧跟随其给定电压的变化；对电网的波动起及时抗干扰作用；加快动态过程；堵转或过载时起快速自动保护作用。本课题内容重点包括电流、转速控制器的原理，并且根据原理对控制器的两个调节进行了详细的设计，概述整个电路的动静态性能，并各个部分的保护和晶闸管的触发电路设计，最后将整个控制器的电路图设计完成。关键字:双闭环、晶闸管、不可逆直流调速系统、ASR、ACR、无静差。1、设计内容及要求1.1 设计要求:（）、稳态无静差，空载起动到额定转速超调（）、完成系统个环节的原理图设计和参数计算（）、根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并

5、满足动态性能指标的要求 。（）、调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施设计不可逆转速、电流双闭环直流调速系统，基本技术数据参数如下：1.直流电动机： PN=150kw, UN=220V，IN=700A，nN=1000r/min，=1.5,Ra=0.05, ,GD2=125Nm2，电枢回路总电阻R=0.8。1.2 设计内容1、根据题目的技术要求，分析并确定主电路的结构形式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图。2、调速系统主电路元部件的确定及其参数的计算（包括电力电子器件、平波电抗器与保护电路等） 3、动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器和ACR调

6、节器的结构形式及进行参数计算，使调节系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。4、绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统电器原理图。2、系统主电路设计 2.1 系统主电路说明 启动时，加入给定电压Ug,速度调节器和电流调节器即以饱和限幅值输出，使电动机以限定的最大启动电流加速启动，知道电机转速达到给定转速，并在出现超调后，速度调节器和电流调节器退出饱和，最后稳定在略低于给定转速值下运行。系统工作时，要先给电动机加励磁，改变给定电压UG的大小即可方便地改变电动机的转速。电流调节器、速度调节器均设有限幅环节，速度调节器的输出作为电流调节器的给定，利用速度调节器输出限幅可达到限制启动电流的目的，电流调节器

7、的输出作为触发电路的控制电压，利用电流调节器的输出的限幅可达到限制的目的。如下图1-1是双闭环不可逆直流调速系统原理图。 图1-1 双闭环不可逆直流调速系统原理图。G:给定器 DZS：零速封锁器 ASR：速度调节器 ACR：电流调节器GT：触发装置 FBS：速度变换器 FA：过流保护器 FBC：电流变换器AP1：组脉冲放大器 双闭环直流系统的稳态结构图如图1-2所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳太特征。一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值；不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏

8、差电压在稳太时总是为零.UKsa1/CeU*nUctIdEnUd0Un+=-ASR+U*i +-IdRR b ACRui-UPE图1-2 双闭环直流系统的稳态结构图实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。其次为双闭环控制系统数学模型。双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图3-2所示。图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流显露出来U*n+a Uct-IdLnUd0Un+-b -Ui

9、UiWASR(s)WACR(s)Ks -_ Tss+1- 1/ RTs+1RTmsU*iId1/Ce+=d00dd1/Ce图1-3双闭环直流系统动态结构图实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。其次为双闭环控制系统数学模型。双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图1-3所示。图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流显露出来 为了保证调速系统稳态无静差，转速环和电流环所用的控制器ASR

10、和ACR均使用PI调节器，两个调节器的输出限幅值分别为Uin*和Uotn。同时加上滤波环节，抑制给定信号可能参杂的交流分量，两个调节器上增设二极管钳位的外限幅电路，限制输出限幅值，调解电位可改变正负限幅值，主电路采用Y型连接，触发电路的信号以此加在主电路上的晶闸管上，另外，采用护互感器取电流 反馈信号，用同轴相连的发电机取电压反馈信号 双闭环晶闸管不可逆直流调速系统由给定器、速度调节器、电流调节器、触发装置、速度变换器、电流变换器等环节组成。21.1 电压给定器给定器G的原理图如图1-2所示。给定器可以产生幅值可调和极性可变的阶跃给定电压或可平滑调节给定电压。本设计是不可逆系统所以只需要给定正

11、电压, 电压给定器是由两个电位器RP1、RP2及一个钮子开关Sl组成。RP1、RP2分别用来调节正负电压的大小，最大输出电压为10V，S2为开停开关。其中两个电位器的电阻都取10，又因为，则其功率 ， 则取用功率为0.02的电阻。 图1-2给定器原理图21.2 零速封锁器DZS零速封锁器的作用是当系统处于停车状态时，即给定电压为零，同时电动机转速速也为零时。将系统中所有调节器锁零，以避免停车时，由于个调节器的零点漂移，致使晶闸管整流电路有微量的输出，从而使保证电机不会爬行。21.3 速度变换器FBS速度变换器它的主要作用是将直流测速发电机的输出电压进行滤波，滤除交流分量并变换为能满足系统需要的

12、与电动机转速成正比的电压作为系统的转速反馈信号，速度变换器为速度检测变换环节，所以还备有转速的检测信号。其原理图如图1-3所示。 图1-3 速度变换器原理图2.1.4 速度调节器ASR如图2-2所示，速度调节器由二极管VD3、VD4和电位器RPl、RP2组成正负限幅可调的限幅电路。由C5、R5组成反馈微分校正网络，有助于抑制振荡，减少超调，速度调节器可为比例调节器，也可接成比例积分调节器，场效管VT1，为零速封锁电路，当A端为0V时，VD5导通，将调节器反馈网络短接而封锁；当A端为-15V时，VD5夹断，调节器投入工作。RP3为放大系数调节电位器，RP4为调零电位器。 图2-2 速度调节器原理

13、图 2.1.5 电流调节器ACR电流调节器工作原理基本上与速度调节器相同，与速度调节器相比，增加了4个输端，“2”端接推信号，“4”和“6”接逻辑控制器的相应输出端UZ和UF，当这一端为高电平时，三极管VT1、VT2导通将信号对地短接，用于逻辑无环流可逆系VT3、VT4组成互补输出电流放大级。电流调节器原理图如图2-3所示 图2-3 电流调节器工作原理图21.6 触发装置GT触发装置GT和I组脉冲放大器AP1触发电路原理，三相桥式全控整流电路相当于一组共阴极的三相半波和一组共阳极的三相半波可控整流电路串联起来构成的，习惯上将晶闸管按照其导通顺序编号共阴极的一组为VT1、VT3和VT5，共阳极的

14、一组为VT2、VT4和VT6。 本设计采用DK01的触发装置为集成触发电路，在由KC04，KC41，KC42集成触发电路芯片基础上，增加了由CD4066，CD4069等芯片构成的模拟开关，以控制输出触发脉冲的形式。KC04是移相集成触发器，KC41是六路双脉冲形成器，KC41与三块KC04可组成三相全控桥双脉冲触发电路，KC42为脉冲列调整形成器，以减小触发电源功率及脉冲变压器体积，提高脉冲前沿陡度。 2.2主电路参数的设计由于整流输出电压U的波形在一周期内波动6次的波形相同，因此在计算时只需对一个脉冲进行计算。因此得到整流输出平均电压Ud=2.34U2cos 取=0 由电机时间参数取Ud=2

15、20V则 U2=94V 2.2.1晶闸管参数计算：在晶闸管整流装置找中采用三相桥式全控整流，有变压器为整流装置提供电源，可控整流的原理：当晶闸管的阳极和阴极承受正向电压并且门极加触发信号晶闸管导通，并且去掉门极的触发信号晶闸管依然维持导通，当晶闸管的阳极和阴极之间承受反向电压并且门极不管加不加触发信号晶闸管关断。对于三相桥式整流电路，晶闸管电流的有效值为：由电机参数可取Id=700A 则晶闸管的额定电流为：取1.52倍的安全裕量，。由于电流连续，因此晶闸管最大正反向峰值电压均为变压器二次线电压峰值，即：取23倍的安全裕量，2.22平波电抗器的参数计算：平波电抗器L的功能是使输出的直流电流更平滑

16、，平波电抗器用于整流以后的直流回路中，整流电路的脉波数总是有限的，在输出的整流直流电压中总是有纹波的，这种纹波往往是有害的，需要由平波电抗器加以抑制，平波电抗器的电感一般按低速轻载时保证电流连续的条件来选择，通常首先给定最小电流Idmin=(5%-10%)IN,这里取10%。在用它计算所需的总电感量，减去电枢电感既得平波电感值对于三相桥式整流电路，总电感量的计算公式为： Idmin=0.07700A=49A由电机时间参数取U2=94V，则。电枢电感的计算公式为 P电动机磁极对数，计算系数，对一般无补偿电机：=812那么电枢电感mH平波电抗器电感值取为=1.2-0.78=0.42mH3、调节器的

17、设计3.1 确定电流调节器的时间参数（1）整流装置滞后时间：三相桥式电路的平均失控时间 Ts = 0.0017s。（2）电流滤波时间常数Toi：三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头应有（12）Toi = 3.33s。则Toi=0.002s。（3）电流环小时间常数：按小时间常数近似处理：。电动机的电动势系数：电动机额定励磁下的转矩系数：电力系统机电时间常数3. 2选择电流调节器的结构从稳态上看，要求电流无静差，可得到理想的堵转性。从动态上看，系统不应该有电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值。而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要因素。为此

18、，电流环以跟随性为主。选用典型型系统，采用PI调节器，其传递函数为：检查对电源电压的抗扰性能：采用典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。3. 3计算电流调节器的参数（1）为了让调节器的零点与控制对象的大时间常数极点对消，则电流调节器超前时间常数：。（2）采用西门子“最佳整定”方法的“模最佳系统”，参数取：，。因此，电流开环增益：电流反馈系数：电位器给定电压=10V，则晶闸管整流放大系数：ACR的比例系数为：3. 4校验近似条件电流环截止频率：（1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 满足近似条件3）电流环小时间常数近似处理条件

19、满足近似条件3. 5 计算调节器电阻和电容采用含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器，其原理图如图1所示。图中为电流给定电压，为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。图1 PI型电流调速器所用运算放大器取，则各电阻和电容值为： ， 取52K。， 取0.05F。电流调节器设计完成。4、速度调节器的设计电流环的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环的一个环节，为此其闭环传递函数为：忽略高次项，可降阶近似为：接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为，因此电流环在转速环中应等效为：4.1 确定转速调节器的时间常数 电流环等效时间常数：转速滤波时间常数：转速环小时间常数：按

20、小时间常数近似处理，取转速反馈系数： 4.2 转速调节器的结构设计 4.2.1转速调节器的选择 为实现转速无静差，转速环开环传递函数应有两个积分，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节包含在转速调节器ASR中，使系统在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能，所以应该选择典型II型系统，这样系统动态抗扰性能好。ASR采用PI调节器，其传递函数为：含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器原理图如下。图：含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器4.3 计算转速调节调节器参数按跟随性与抗扰性能较好的原则，取h=3，。当h=3时调节时间最短，动态跟随性能适中。则ASR的超前时间常数为：转速环开环增益：A

21、SR的比例系数为4.4 校验近似条件转速环截止频率为：（1）电流环传递函数简化条件为 满足简化条件（2）转速环小时间常数近似处理条件为 满足简化条件4.5 计算调节器电阻和电容所用运算放大器取，则 取386按退饱和超调量的计算方法计算调速系统空载启动到额定转速时的转速超调量：能满足转速环设计要求。5、保护电路的设计5. 1 过电压保护过电压保护可分为交流侧和直流侧过电压保护，前面常采用的保护措施有阻容吸收装置、硒堆吸收装置、金属氧化物压敏电阻，这里用压敏二极管抑制事故过电压（1）交流侧过电压保护压敏电阻采用由金属氧化物烧结制成的非线性压敏元件作为过电压保护，其主要优点在于：压敏电阻具有正反向相

22、同的陡峭的伏安特性，在正常工作是只有很微弱的电流通过元件，而一旦出现过电压时电压，压敏电阻可通过高达数千安的放电电流，将电压抑制在允许的范围内并具有损耗低，体积小，对过电压反应快等优点。压敏电阻的额定电压的选择可按下式计算: 式中，压敏电阻的额定电压，VYJ型压敏电阻的额定电压有：100V，200V，400V，760V，1000V等。变压器二次侧的线电压有效值，对于星形接法的线电压等于相电压=。 （2）直流侧过电压保护：利用电阻和电容吸收操作过压。整流器直流侧在快速开关断开或桥臂快速熔断等情况，本设计用压敏电阻设计来解决过电压时（击穿后），正常工作时漏电流小，损耗低，而泄放冲击电流能力强，抑制

23、过电压能力强。压敏电阻的额定电压的选取可按下式计算：压敏电阻承受的额定电压峰值式中为压敏电阻额定电压，为电网电压升高系数，一般取。压敏电阻承受的额定电压峰值就是晶闸管控制角时输出电压。对于本设计：因此压敏电阻额定电压取250V型压敏电阻。（3） 晶闸管过电压保护 晶闸管对过电压很敏感，当正向电压超过其断态重复峰值电压一定值时，就会误导通，引发电路故障，当外加的反向电压超过其反向重复峰值电压一定值时，晶闸管将会立即损坏。因此，必须设置过电压的保护及抑制过电压的方法，过电压产生的原因主要是供给的电压功率或系统的储能发生了激烈的变化，使得系统来不及转换，或者系统中原来积聚的电磁能量不能及时消散而造成

24、的，本设计在晶闸管元件两端并联RC阻容吸收电路来抑制过电压。 在晶闸管元件两端并联RC阻容吸收电路。，得 由于一个周期晶闸管充放电各一次，因此：功率选择留倍的裕量 因此电阻R选择阻值为20，功率选择15W的电阻，电容C选择容量为0.55.2 过电流保护（1）交流侧经电流互感器接入过电流继电器或直流侧接入过电流继电器，可以在发生过电流时动作，断开主电路。也可以在每个桥臂串快速熔断器对晶闸管进行过电流保护。快速熔断器的要求：熔断器的额定电压 因此，按本课题的设计要求，用于晶闸管过电流保护的快速熔断器的额定电压可选择240V。6课程设计体会通过这次设计，我对双闭环不可逆调速系统有了进一步的理解和运用

25、，加深了对电机调速应用。双闭环调速就是转速、电流两种负反馈在不同的阶段分别起作用。而在双闭环直流调速系统中，转速和电流调节器的结构选择与参数设计都要从动态校正的需要来解决。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。在设计双闭环调速系统的时候采用工程设计方法，在设计时，把实际系统校正或简化成典型系统，利用现成的公式或简明的图表来进行参数计算，这样设计过程就简单得多。设计过程第一步先解决动态稳定性和稳态精度，选择调节器的结构确保系统稳定且满足稳态精度。第二步在选择调节器参数，满足动态性能指标。这样的设计方法规范化、简单化。这种设计方法对以后工作中又很

26、大的作用和帮助。完成本设计用到了很多电力拖动以外的知识，单用电力拖动书本上的知识是设计不出来的，现在的系统设计都会涉及到多方面的知识，因此学好书本上的基本知识点以后还要做相应的拓展学习，将其他的与之相关的内容联系起来，对开阔我们的知识面有很大的帮助。总之，在这次设计中让我对运动控制这门课有了更深入的了解，也使我认识到自己的不足之处。在此，对老师说声谢谢！参考文献1陈伯时，电力拖动及自动控制系统，机械工业出版社，2001。2 扬仲平，自动控制系统，煤炭工业出版社，1996。3徐银泉，交流调速系统及其应用，纺织工业出版社，1990。 4许建国，拖动与调速系统，武汉测绘科技大学出版社，1998。5佟纯厚，近代交流调速，冶金工业出版社, 1985。6倪忠远，直流调速系统，机械工业出版社, 1996。7孙树扑等，电力电子技术，中国矿业大学出版社，2000。8黄俊，王兆安，电力电子技术，机械工业出版社，2000。9刘祖润，胡均达，毕业设计指导，机械工业出版社，1996。- 21 -