直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)(課程設(shè)計)[1]

1、目錄第一章 緒論 2第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計 32.1設(shè)計技術(shù)指標要求 32.2 現(xiàn)行方案的討論與比較 32.3 選擇PWM控制調(diào)速系統(tǒng)的理由 42.4 采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的理由4第三章 PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計 53.1 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計 53.1.1 PWM變換器介紹 53.1.2 泵升電路 103.2 參數(shù)設(shè)計113.2.1 IGBT管的參數(shù)113.2.2 緩沖電路參數(shù) 113.2.3 泵升電路參數(shù) 12第四章 PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路設(shè)計 124.1 檢測環(huán)節(jié) 124.1.1電流檢測環(huán)節(jié) 124.1.2 電壓檢測環(huán)節(jié) 164.2 調(diào)節(jié)器的選擇與調(diào)整 174.2.1調(diào)

2、節(jié)器限幅 174.2.2 調(diào)節(jié)器鎖零 174.3 系統(tǒng)的給定電源、給定積分器 174.3.1 給定電源GS174.3.2 給定積分器 184.4 觸發(fā)電路的確定 184.4.1 選用觸發(fā)電路時須考慮的因素184.4.2 觸發(fā)電路同步電壓的選取19第五章 課程設(shè)計原始數(shù)據(jù)21第六章 參數(shù)計算 216.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計216.2 速度調(diào)節(jié)器設(shè)計 22課程設(shè)計總結(jié)參考文獻第一章 緒論 在電氣時代的今天，電動機在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔谩Ｖ绷麟姍C是最常見的一種電機，在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。研究直流電機的控制和測量方法，對提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。電機調(diào)速

3、問題一直是自動化領(lǐng)域比較重要的問題之一。不同領(lǐng)域?qū)τ陔姍C的調(diào)速性能有著不同的要求，因此，不同的調(diào)速方法有著不同的應(yīng)用場合。本文基于PWM的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行了研究，并設(shè)計出應(yīng)用于直流電動機的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。首先描述了變頻器的發(fā)展歷程，提出了PWM調(diào)速方法的優(yōu)勢，指出了未來PWM調(diào)速方法的發(fā)展前景，點出了研究PWM調(diào)速方法的意義。應(yīng)用于直流電機的調(diào)速方式很多，其中以PWM變頻調(diào)速方式應(yīng)用最為廣泛，而PWM變頻器中，H型PWM變頻器性能尤為突出，作為本次設(shè)計的基礎(chǔ)理論，本文將對PWM的理論進行詳細論述。在此基礎(chǔ)上，本文將做出SG3525單片機控制的H型PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的整體設(shè)計，然后對各

4、個部分分別進行論證，力圖在每個組成單元上都達到最好的系統(tǒng)性能。 關(guān)鍵詞：直流調(diào)速 ；雙閉環(huán) ；PWM ；SG3525 ；直流電機第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計2.1 設(shè)計技術(shù)指標要求1.直流電動機：型號：DJ15功率：485W電樞電壓：220V電樞電流：1.2A額定轉(zhuǎn)數(shù)：1600rpm2.調(diào)速范圍：1：12003.起動時超調(diào)量：電流超調(diào)量:；轉(zhuǎn)速超調(diào)量: 2.2 現(xiàn)行方案的討論與比較直流電動機的調(diào)速方法有三種：    （1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動機額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對于要求在一定范圍內(nèi)無

5、級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，這種方法最好。變化遇到的時間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需要大容量可調(diào)直流電源。    （2）改變電動機主磁通。改變磁通可以實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，但只能減弱磁通進行調(diào)速（簡稱弱磁調(diào)速），從電機額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法。變化時間遇到的時間常數(shù)同變化遇到的相比要大得多，響應(yīng)速度較慢，但所需電源容量小。    （3）改變電樞回路電阻R。在電動機電樞回路外串電阻進行調(diào)速的方法，設(shè)備簡單，操作方便。但是只能進行有級調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機械特性較軟；空載時幾乎沒什么調(diào)速作用；還會在調(diào)速電阻上消耗大量電

6、能。    改變電阻調(diào)速缺點很多，目前很少采用，僅在有些起重機、卷揚機及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運轉(zhuǎn)時間不長的傳動系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速范圍不大，往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(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。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主速。改變電樞電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下三種：（1）旋轉(zhuǎn)變流機組。用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調(diào)的直流電壓。（2）靜止可控整流器。用靜止的可控整

7、流器，如汞弧整流器和晶閘管整流裝置，產(chǎn)生可調(diào)的直流電壓。（3）直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。2.3 選擇PWM控制系統(tǒng)的理由脈寬調(diào)制器UPW采用美國硅通用公司（Silicon General）的第二代產(chǎn)品SG3525，這是一種性能優(yōu)良，功能全、通用性強的單片集成PWM控制器。由于它簡單、可靠及使用方便靈活，大大簡化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計及調(diào)試，故獲得廣泛使用。PWM系統(tǒng)在很多方面具有較大的優(yōu)越性 ：1） PWM調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡單，需用的功率器件少。2） 開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電

8、機損耗及發(fā)熱都較小。3） 低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍廣，可達到1：10000左右。4） 如果可以與快速響應(yīng)的電動機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強。5） 功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導通損耗小，當開關(guān)頻率適當時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高。 6） 直流電源采用不可控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。 變頻調(diào)速很快為廣大電動機用戶所接受，成為了一種最受歡迎的調(diào)速方法，在一些中小容量的動態(tài)高性能系統(tǒng)中更是已經(jīng)完全取代了其他調(diào)速方式。由此可見，變頻調(diào)速是非常值得自動化工作者去研究的。在變頻調(diào)速方式中，PWM調(diào)速方式尤為大家所重視，這

9、是我們選取它作為研究對象的重要原因。 2.4 采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的理由同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。由于閉環(huán)系統(tǒng)的這些優(yōu)點因此選用閉環(huán)系統(tǒng)。單閉環(huán)速度反饋調(diào)速系統(tǒng)，采用PI控制器時，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度誤差為零。但是如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，如果要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照要求來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。另外，單

10、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗干擾性較差，當電網(wǎng)電壓波動時，必須待轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后，調(diào)節(jié)作用才能產(chǎn)生，因此動態(tài)誤差較大。在要求較高的調(diào)速系統(tǒng)中，一般有兩個基本要求：一是能夠快速啟動制動；二是能夠快速克服負載、電網(wǎng)等干擾。通過分析發(fā)現(xiàn)，如果要求快速起動，必須使直流電動機在起動過程中輸出最大的恒定允許電磁轉(zhuǎn)矩，即最大的恒定允許電樞電流，當電樞電流保持最大允許值時，電動機以恒加速度升速至給定轉(zhuǎn)速，然后電樞電流立即降至負載電流值。如果要求快速克服電網(wǎng)的干擾，必須對電樞電流進行調(diào)節(jié)。以上兩點都涉及電樞電流的控制，所以自然考慮到將電樞電流也作為被控量，組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 第三章 PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)主電

11、路設(shè)計3.1 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1.1 PWM變換器介紹脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡稱PWM變換器。PWM變換器有不可逆和可逆兩類，可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等多種電路。下面分別對各種形式的PWM變換器做一下簡單的介紹和分析。不可逆PWM變換器分為無制動作用和有制動作用兩種。圖2-1（a）所示為無制動作用的簡單不可逆PWM變換器主電路原理圖，其開關(guān)器件采用全控型的電力電子器件。電源電壓一般由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控整流電路提供。電容C的作用是濾波，二極管VD在電力晶體管VT關(guān)斷時為電動機電樞回路提供釋放電儲能的續(xù)流回路。圖2-1 簡單的不可逆PWM變換器電路

12、（a）原理圖 （b）電壓和電流波型電力晶體管VT的基極由頻率為f，其脈沖寬度可調(diào)的脈沖電壓驅(qū)動。在一個開關(guān)周期T內(nèi)，當時，為正，VT飽和導通，電源電壓通過VT加到電動機電樞兩端；當時，為負，VT截止，電樞失去電源，經(jīng)二極管VD續(xù)流。電動機電樞兩端的平均電壓為     式中，PWM電壓的占空比，又稱負載電壓系數(shù)。的變化范圍在01之間，改變，即可以實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。 圖2-1（b）繪出了穩(wěn)態(tài)時電動機電樞的脈沖端電壓、平均電壓和電樞電流的波型。由圖可見，電流是脈動的，其平均值等于負載電流（負載轉(zhuǎn)矩， 直流電動機在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩電流比）。 &#

13、160;  由于VT在一個周期內(nèi)具有開關(guān)兩種狀態(tài)，電路電壓平衡方程式也分為兩階段，即在期間 在期間     式中，R，L電動機電樞回路的總電阻和總電感；E電動機的反電動勢。    PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率都較高，至少是14kHz，因此電流的脈動幅值不會很大，再影響到轉(zhuǎn)速n和反電動勢E的波動就更小，在分析時可以忽略不計，視 n和E為恒值。這種簡單不可逆PWM電路中電動機的電樞電流不能反向，因此系統(tǒng)沒有制動作用，只能做單向限運行，這種電路又稱為“受限式”不可逆PWM電路。這種PWM調(diào)速系統(tǒng)

14、，空載或輕載下可能出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能均差。 圖2-2（a）所示為具有制動作用的不可逆PWM變換電路，該電路設(shè)置了兩個電力晶體管VT1和VT2，形成兩者交替開關(guān)的電路，提供了反向電流的通路。這種電路組成的PWM調(diào)速系統(tǒng)可在第I、II兩個象限中運行。    VT1和VT2的基極驅(qū)動信號電壓大小相等，極性相反，即。當電動機工作在電動狀態(tài)時，在一個周期內(nèi)平均電流就為正值，電流分為兩段變化。在期間，為正，VT1飽和導通；為負，VT2截止。此時，電源電壓加到電動機電樞兩端，電流沿圖中的回路流通。在期間，和改變極性，VT1截止，原方向的電流

15、沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加反壓，使VT2不可能導通。因此，電動機工作在電動狀態(tài)時，一般情況下實際上是電力晶體管VT1和續(xù)流二極管VD2交替導通，而VT2則始終不導通，其電壓、電流波型如圖2-2（b）所示，與圖2-1沒有VT2的情況完全一樣。    如果電動機在電動運行中要降低轉(zhuǎn)速，可將控制電壓減小，使的正脈沖變窄，負脈沖變寬，從而使電動機電樞兩端的平均電壓降低。但是由于慣性，電動機的轉(zhuǎn)速n和反電動勢E來不及立刻變化，因而出現(xiàn)的情況。這時電力晶體管VT2能在電動機制動中起作用。在期間，VT2在正的和反電動勢E的作用下飽和

16、導通，由E產(chǎn)生的反向電流沿回路3通過VT2流通，產(chǎn)生能耗制動，一部分能量消耗在回路電阻上，一部分轉(zhuǎn)化為磁場能存儲在回路電感中，直到t=T為止。在（也就是）期間，因變負，VT2截止，只能沿回路4經(jīng)二極管VD1續(xù)流，對電源回饋制動，同時在VD1上產(chǎn)生的壓降使VT1承受反壓而不能導通。在整個制動狀態(tài)中，VT2和VD1輪流導通，VT1始終截止，此時電動機處于發(fā)電狀態(tài)，電壓和電流波型圖2-2（c）。反向電流的制動作用使電動機轉(zhuǎn)速下降，直到新的穩(wěn)態(tài)。圖2-2 具有制動作用的不可逆PWM變換電路這種電路構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)還存在一種特殊情況，即在電動機的輕載電動狀態(tài)中，負載電流很小，在VT1關(guān)斷后（即期間）沿回路

17、2徑VD2的續(xù)流電流很快衰減到零，如在圖2-2（d）中的期間的時刻。這時VD2兩端的壓降也降為零，而此時由于為正，使VT2得以導通，反電動勢E經(jīng)VT2沿回路3流過反向電流，產(chǎn)生局部時間的能耗制動作用。到了期間，VT2關(guān)斷，又沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，到時衰減到零，VT1在作用下因不存在而反壓而導通，電樞電流再次改變方向為沿回路經(jīng)VT1流通。在一個開關(guān)周期內(nèi)，VT1、VD1、VT2、VD1四個電力電子開關(guān)器件輪流導通，其電流波形示圖2-2（d）。    綜上所述，具有制動作用的不可逆PWM變換器構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)，電動機電樞回路中的電流始終是連續(xù)的；而且，由于電流

18、可以反向，系統(tǒng)可以實現(xiàn)二象限運行，有較好的靜、動態(tài)性能。   可逆PWM變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式有T型和H型兩種，其基本電路如圖2-3所示，圖中（a）為T型PWM變換器電路，（b）為H型PWM變換器電路。 圖2-3 可逆PWM變換器電路 （a）T型 （b）H型 T型電路由兩個可控電力電子器件和與兩個續(xù)流二極管組成，所用元件少，線路簡單，構(gòu)成系統(tǒng)時便于引出反饋，適用于作為電壓低于50V的電動機的可控電壓源；但是T型電路需要正負對稱的雙極性直流電源，電路中的電力電子器件要求承受兩倍的電源電壓，在相同的直流電源電壓下，其輸出電壓的幅值為H型電路的一半。H型電路是實際上廣泛

19、應(yīng)用的可逆PWM變換器電路，它由四個可控電力電子器件（以下以電力晶體管為例）和四個續(xù)流二極管組成的橋式電路，這種電路只需要單極性電源，所需電力電子器件的耐壓相對較低，但是構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)的電動機電樞兩端浮地。    H型變換器電路在控制方式上分為雙極式、單極式和受限單極式三種，本次設(shè)計我們選擇雙極式H型可逆PWM變換器。主電路如圖2-5所示。圖2-5 H橋主電路3.1.2 泵升電路當脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動機轉(zhuǎn)速由高變低時（減速或者停車），儲存在電動機和負載轉(zhuǎn)動部分的動能將變成電能，并通過PWM變換器回饋給直流電源。當直流電源功率二極管整流器供電時，不能將這部分能

20、量回饋給電網(wǎng)，只能對整流器輸出端的濾波電容器充電而使電源電壓升高，稱作“泵升電壓”。過高的泵升電壓會損壞元器件，因此必須采取預(yù)防措施，防止過高的泵升電壓出現(xiàn)。可以采用由分流電阻R和開關(guān)元件（電力電子器件）VT組成的泵升電壓限制電路，如圖2-6所示。 圖2-6 泵升電壓限制電路當濾波電容器C兩端的電壓超過規(guī)定的泵升電壓允許數(shù)值時，VT導通，將回饋能量的一部分消耗在分流電阻R上。這種辦法簡單實用，但能量有損失，且會使分流電阻R發(fā)熱，因此對于功率較大的系統(tǒng)，為了提高效率，可以在分流電路中接入逆變，把一部分能量回饋到電網(wǎng)中去。但這樣系統(tǒng)就比較復雜了，我們就不選擇這種方式了。3.2 參數(shù)設(shè)計3.2.1

21、IGBT管的參數(shù)IGBT（Insulated Gate Bipolor Transistor）叫做絕緣柵極雙極晶體管。這種器件具有MOS門極的高速開關(guān)性能和雙極動作的高耐壓、大電流容量的兩種特點。其開關(guān)速度可達1mS，額定電流密度100A/cm2，電壓驅(qū)動，自身損耗小。其符號和波形圖如圖2-6所示。設(shè)計中選的IGBT管的型號是IRGPC50U,它的參數(shù)如下：管子類型：NMOS場效應(yīng)管極限電壓Vm：600V極限電流Im：27 A耗散功率P：200 W 額定電壓U：220V額定電流I：1.2A圖2-7 IGBT信號及波形圖3.2.2 緩沖電路參數(shù)如圖2-3(b)所示，H橋電路中采用了緩沖電路，由電

22、阻和電容組成。 IGBT的緩沖電路功能側(cè)重于開關(guān)過程中過電壓的吸收與抑制，這是由于IGBT的工作頻率可以高達30-50kHz；因此很小的電路電感就可能引起頗大的，從而產(chǎn)生過電壓，危及IGBT的安全。逆變器中IGBT開通時出現(xiàn)尖峰電流，其原因是由于在剛導通的IGBT負載電流上疊加了橋臂中互補管上反并聯(lián)的續(xù)流二極管的反向恢復電流，所以在此二極管恢復阻斷前，剛導通的IGBT上形成逆變橋臂的瞬時貫穿短路，使出現(xiàn)尖峰，為此需要串入抑流電感，即串聯(lián)緩沖電路，或放大IGBT的容量。緩沖電路參數(shù)：經(jīng)實驗得出緩沖電路電阻R=10K；電容。3.2.3 泵升電路參數(shù) 如圖2-6所示，泵升電路由一個電容量大的電解電容

23、、一個電阻和一個VT組成。泵升電路中電解電容選取C=2000；電壓U=450V；VT選取IRGPC50U 型號的IGBT管；電阻選取R=20。第四章PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路設(shè)計4.1 檢測環(huán)節(jié)4.1.1電流檢測環(huán)節(jié)電流反饋環(huán)節(jié)的輸入信號是主電路的電流量，經(jīng)變換后獲得輸出為直流電壓的反饋量，根據(jù)電流反饋環(huán)節(jié)的組成，常用的電流反饋方式和檢測元件有下面幾種：1.利用整流橋直流側(cè)的電阻作檢測元件 在主電路直流側(cè)串接低阻值電阻以取得電流檢測信號，如圖4-1所示。這種電流檢測方法，在電阻上會產(chǎn)生壓降或損耗。有時可利用電動機的換向繞組和補償繞組上的壓降作為電流信號。上述方法主電路與控制電路在電路上需接

24、入電流隔離器。將作為隔離輸入信號，隔離器的輸出再作為電流反饋信號。MIdLrRcVTH3Ui圖4-1 利用直流側(cè)電阻的電流檢測線路2.以交流電流互感器作為檢測元件對于整流電路而言，輸出的直流電流與交流側(cè)的輸入電流有一定的關(guān)系，即式中，為與整流電路型式有關(guān)的比例關(guān)系，如三相橋式電路，。 所以可以采用交流電流互感器檢測，然后經(jīng)整流后獲得，以反映直流電流的大小，但不反映電流極性。這種檢測方式線路簡單、經(jīng)濟、隔離性好，得到廣泛應(yīng)用。 電流互感器的聯(lián)接方法，在單相電路中其聯(lián)接比較簡單在三相電路中，一般有兩種，Y形（用三臺電流互感器）和V形（用兩臺）聯(lián)結(jié)，線路見圖4-2。 對于定型生產(chǎn)的電流互感器，額定容

25、量是10（或15）VA，二次電流是5A，允許負載電阻很小，得不到一般控制系統(tǒng)所需10V以上的電壓，故應(yīng)采用LZK-1系列控制專用電流互感器。在200A以上的大容量系統(tǒng)中，常采用在標準互感器后面再加一級5A：0.1A的互感器，以擴大互感器變壓比，使二次電流減小，負載電阻可達200以上，可滿足系統(tǒng)對反饋信號電壓較大的要求。線路見圖4-3。使用交流互感器應(yīng)注意下面幾點：圖4-2 交流電流互感器的聯(lián)結(jié)方法a)Y聯(lián)結(jié) b)V聯(lián)結(jié)圖4-3 兩級交流電流互感器的聯(lián)結(jié)方法 1)交流互感器一次電流應(yīng)根據(jù)整流裝置輸出最大電流來選擇。 2)工作時二次繞組不允許開路，以防人身和設(shè)備事故。 3)二次繞組一端應(yīng)接地 4)

26、帶負載情況下，拆除二次繞組時，首先應(yīng)將其短路 5)具有續(xù)流二極管的半控橋式整流電路不能采用交流檢測 6)交流互感器正常工作時不允許飽和。如在三相零式整流電路中采用交流側(cè)檢測方案，則電流互感器應(yīng)改為曲折聯(lián)接，以免引起交流互感器的直流磁化而無法工作。3以直流電流互感器作為檢測元件 直流電流互感器實際上是一個由交、直流同時控制的磁性元件，直流電流變化時，磁路中的磁化狀態(tài)發(fā)生變化，從而使其二次側(cè)交流輸出量發(fā)生改變，然后經(jīng)整流后得到反饋信號。圖45是其兩種形式的聯(lián)結(jié)方式。圖4-5 直流電流互感器的聯(lián)結(jié)方式 a)串聯(lián)線路 b)并聯(lián)線路采用直流互感器檢測比交流互感器復雜，快速性稍差但它用一臺直流互感器取代三

27、臺交流互感器，使檢測裝置大為簡化，且輸出信號功率大，具有電氣隔離目前國內(nèi)定型生產(chǎn)的BLZ系列產(chǎn)品已被廣泛應(yīng)用。4以霍爾效應(yīng)電流變換器作為檢測元件圖4-6 帶給定濾波和電流反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器 霍爾變換器的線性度好、無慣性、裝置簡單，但是輸出電壓一般為mV級，使用時須附加電壓放大器。此外由于霍爾元件薄而脆，安裝和使用時須特別小心，并應(yīng)采取措施防止外界電磁干擾。其線路原理可參閱有關(guān)專業(yè)書刊。 由此可見，系統(tǒng)對于電流反饋環(huán)節(jié)的基本要求是： 1)電流反饋信號要保證10V左右。信號大小取決于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR輸出限幅值的整定，即 。 2)對電流反饋信號要求進行濾波，濾掉交流分量。但濾波時間常數(shù)不得過

28、大，否則將使電流環(huán)的等效時間常數(shù)過大，限制了電流環(huán)頻帶的展寬，影響電流響應(yīng)的快速性為抵消電流反饋通道濾波慣性的影響，在電流調(diào)節(jié)器給定通道需設(shè)置給定濾波環(huán)節(jié)。并使兩者時間常數(shù)大小相等。見圖46。 4.1.2電壓檢測環(huán)節(jié) 在調(diào)速系統(tǒng)中常用整流裝置主回路的直流電壓作為電壓反饋信號，最簡單的方法是在盡量靠近電動機電樞兩端的位置（主回路平波電抗器之后），直接引出直流電壓反饋信號，但其輸入與輸出之間沒有電氣隔離，容易造成事故。這種方法只適用于小容量系統(tǒng)中。 在較大容量系統(tǒng)中，主回路直流電壓都在數(shù)百伏以上，而控制回路電壓一般都在±15v左右，故必須設(shè)置直流電壓隔離器。利用直流電壓隔離器，將輸入的直

29、流電壓U_調(diào)制成方波，通過變壓器的磁耦合，再將交流方波解調(diào)成較小的直流反饋信號，如圖47所示。直流電壓隔離器常用的有二極管開關(guān)型、三極管開關(guān)型和利用晶閘管(1A以下)的反向開關(guān)特性組成的晶閘管型電壓隔離器。前兩種，不僅能反映直流電壓大小，又能反映電壓方向，故既可用于不可逆調(diào)速系統(tǒng)，也適用于可逆系統(tǒng)；而后者僅能反映電壓大小，故只能用于不可逆系統(tǒng)。由于后者具有電路簡單、調(diào)整方便、線性度好等特點，故在不可逆系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。圖47 直流電壓隔離器原理圖圖4-8 直流電壓隔離器的線路圖 a)二極管開關(guān)型 b)晶閘管型4.2 調(diào)節(jié)器的選擇與調(diào)整 作為系統(tǒng)校正環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器，是控制電路的關(guān)鍵部件，在系

30、統(tǒng)中使用各種類型的調(diào)節(jié)器可實現(xiàn)輸入輸出的P、I、D、PI、PD、PID等多種運算關(guān)系。調(diào)節(jié)器的選擇與參數(shù)整定是系統(tǒng)設(shè)計中極其重要的一環(huán)，它對系統(tǒng)靜、動態(tài)性能指標的優(yōu)劣起著決定作用。調(diào)速系統(tǒng)對調(diào)節(jié)器的一般要求是： 1) 節(jié)器須能夠調(diào)零，如果調(diào)節(jié)器在比例狀態(tài)下不能調(diào)零，當輸入為零時，輸出較大，則應(yīng)更換器件。 2) 過調(diào)整消振電路參數(shù)，能消除高頻振蕩。 3) 節(jié)器的正、負輸出電壓不能過小，一般要求輸出電壓接近直流穩(wěn)壓電源電壓(±15v)。對于PI調(diào)節(jié)器一般都要求輸出限幅。4) 調(diào)速系統(tǒng)中具有積分作用的電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，必須設(shè)置調(diào)節(jié)器鎖零環(huán)節(jié)。5) 節(jié)器的工作電源為直流穩(wěn)壓電源（±

31、15v或±12v）。4.2.1 調(diào)節(jié)器限幅調(diào)速系統(tǒng)中，為了保護電氣設(shè)備和機械設(shè)備的安全，須限制電動機的最大電流、最大電壓以及晶閘管變流裝置的和角等，一般都要求對調(diào)節(jié)器輸出限幅。調(diào)節(jié)器輸出限幅值的計算與整定是系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試工作中十分重要的環(huán)節(jié)。實現(xiàn)限幅的方法大體有兩類，即外限幅和內(nèi)限幅，電路圖如圖4-10所示。圖4-9就是利用二極管箝位的內(nèi)限幅電路。 4.2.2調(diào)節(jié)器鎖零前已述及，系統(tǒng)中引入PI調(diào)節(jié)器，即使系統(tǒng)在停車期間，未加給定信號，由于其積分作用，調(diào)節(jié)器在干擾信號作用下也會有較大的輸出電壓。這個輸出信號送給觸發(fā)裝置，就會使觸發(fā)脈沖從初始相位(90º)前移而使電動機起動，這

32、在控制上是不允許的。所以在系統(tǒng)給出起動指令之前，必須對具有積分作用的調(diào)節(jié)器鎖零，即把它的輸出鎖到零電位上。4.3 系統(tǒng)的給定電源、給定積分器4.3.1給定電源GS在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速總是緊緊地跟隨給定量而變化。給定電源的質(zhì)量在保證系統(tǒng)正常工作中是十分重要的，因此高精度的調(diào)速系統(tǒng)必績要有更高精度的給定穩(wěn)壓電源作保證。所以，設(shè)計系統(tǒng)控制方案、擬定控制電路時，必須十分注意對穩(wěn)壓電源的設(shè)計與選擇。由三端集成穩(wěn)壓器件所組成的穩(wěn)壓電源，線路簡單、性能穩(wěn)定、工作可靠、調(diào)整方便，已逐漸取代分立元件，在生產(chǎn)實際中應(yīng)用越來越廣泛。系統(tǒng)中應(yīng)盡量采用這種集成穩(wěn)壓源，以保證系統(tǒng)的可靠工作為防止大幅度電網(wǎng)電壓波動給穩(wěn)壓

33、電源工作帶來的困難，目前已普遍采用恒壓變壓器作為穩(wěn)壓電源的電源變壓器。這些在設(shè)計時都需引起注意。4.3.2給定積分器在VTH直流調(diào)速系統(tǒng)中，突加轉(zhuǎn)速給定信號時，電動機在最大允許電流下實現(xiàn)恒流起動，轉(zhuǎn)速以最大加速度上升，滿足最短時間控制。但一般直流電動機不允許過大的電流上升率；有些生產(chǎn)設(shè)備本身不能承受過大的機械沖擊，或生產(chǎn)工藝過程要求系統(tǒng)起、制動平穩(wěn)，超調(diào)量小。所以這時系統(tǒng)不能采用階躍給定方法，而采用給定積分器作為給定裝置，利用其輸出得到不同斜率的斜坡速度給定信號，滿足系統(tǒng)的要求。 典型的給定積分器線路在控制系統(tǒng)中是一個通用的控制單元插件。圖413是一種給定積分器的典型線路。 轉(zhuǎn)速給定信號u0的

34、上升率有三種方法：改變電阻R；改變電容C；調(diào)節(jié)電壓u2。調(diào)整時，通過調(diào)節(jié)電位器RP或改變N1的輸出限幅(調(diào)整RPl、RP2)的方法改變u2比較方便靈活，故應(yīng)用時多采用這種方法。當系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，給定積分器的輸出信號與輸入信號大小相等。 為防止給定積分器輸出電壓出現(xiàn)超調(diào)，可在反饋回路引入R1、C1組成的微分負反饋。4.4 觸發(fā)電路的確定在晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)中，觸發(fā)裝置是十分重要的控制單元。目前觸發(fā)裝置的種類很多，具體電路各式各樣，設(shè)計者必須根據(jù)系統(tǒng)實際需要合理地選擇觸發(fā)電路。4.4.1 選用觸發(fā)電路時須考慮的因素。 系統(tǒng)對觸發(fā)電路的要求是設(shè)計和選擇觸發(fā)電路的依據(jù)，我們在選用時應(yīng)考慮下列一些問題：

35、1）觸發(fā)電路的工作一定要十分可靠。這一點對可逆系統(tǒng)來說尤為重要2）移相范圍應(yīng)滿足系統(tǒng)要求。對于不同整流型式，不同負載性質(zhì)，其移相范圍要求也不同。晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)，電感性負載(電流連續(xù))，若采用三相零式或三相全控橋線路，對不可逆系統(tǒng)，要求=0900；對可逆系統(tǒng)，則要求=01800。實際系統(tǒng)中，因有min和min角的限制，故移相范圍小于1800。同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路，移相范圍可超過1800；同步信號為正弦波的觸發(fā)電路，其移相范圍小于1800；單結(jié)晶體管觸發(fā)電路的移相范圍只有1500左右。3）不同整流電路對脈沖寬度的要求不同。對單相、三相半波和三相橋式半控整流電路，應(yīng)選擇單脈沖觸發(fā)電路；對于

36、三相橋式全控整流電路，應(yīng)選擇雙窄脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)電路。對于一些容量不大、對觸發(fā)要求不高的系統(tǒng)，選用結(jié)構(gòu)簡單的觸發(fā)電路；一般情況下可使用由分立元件組成的觸發(fā)電路或集成移相觸發(fā)電路；必要時可采用微機觸發(fā)電路。 4）觸發(fā)電路輸入輸出特性線性度要好，以提高系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能。同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路線性度好，適用于要求調(diào)速范周寬的系統(tǒng)；同步信號為正弦波的觸發(fā)電路線性度稍差；單結(jié)晶體管觸發(fā)電路，其線性度更差，且有一段死區(qū)，一般用于小容量單相晶閘管系統(tǒng)中。 5）要求觸發(fā)器工作對電網(wǎng)電壓敏感。同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路和同步信號為正弦波的觸發(fā)電路相比較，前者較后者好。6）觸發(fā)脈沖信號應(yīng)有足夠的功率(電壓

37、、電流)和一定的寬度。 7）在大功率裝置中，當晶閘管采用串、并聯(lián)時，應(yīng)采用強觸發(fā)，提高脈沖前沿陡度，保證同臂元件導通的同時性。 8）最好采用集成電路觸發(fā)裝置，使元件、焊點、接插件、走線數(shù)量減少，簡化控制線路，提高系統(tǒng)可靠性。9）在實際應(yīng)用中一般應(yīng)采取防止誤觸發(fā)的具體措施。10）對于共陰極接法的零式（半波）整流電路或半控橋式整流電路，可采用一套觸發(fā)裝置對所有的晶閘管同時進行觸發(fā)控制。其余的整流電路形式，一個觸發(fā)脈沖只能觸發(fā)一個晶閘管。4.4.2 觸發(fā)電路同步電壓的選取為了讓變流器按規(guī)律正確工作，同步電壓的相位極為重要，它應(yīng)能準確提供自然換相點，保證在移相范圍內(nèi)對晶閘管元件進行移相控制，從而可對輸

38、出電壓進行連續(xù)控制。在已知整流變壓器的接線組別，選擇同步變壓器時的定相步驟如下：1）據(jù)整流變壓器的接線組別，繪制主電路變壓器次級電壓的向量圖，有VT1的移相范圍和觸發(fā)電路移相控制原理，確定觸發(fā)電路需要的同步信號us2的相位。2）選取超前us2相位/3或/6的電壓為同步電壓us1，確定阻容濾波器；由相控觸發(fā)電路同步方式確定同步變壓器次級相數(shù)；由主電路電壓向量圖及對us1的相位要求確定同步變壓器的接線組別。3）按相位關(guān)系選取其他元件的同步電壓。當為三相橋式全控變流電路且為按元件獨立同步時，各元件的同步電壓應(yīng)按順序滯后/3，從而可以確定其他各元件的同步電壓us1。總體設(shè)計方案圖：第五章 課程設(shè)計原始

39、數(shù)據(jù)直流他勵電動機：功率Pe22KW，額定電壓Ue=220V，額定電流Ie=116A,磁極對數(shù)P=2，ne=1500r/min,勵磁電壓220V,電樞繞組電阻Ra=0.112,主電路總電阻R0.32，L37.22mH(電樞電感、平波電感和變壓器電感之和)，電磁系數(shù)Ce=0.138 Vminr，Ks=22，電磁時間常數(shù)TL=0.116ms，機電時間常數(shù)Tm=0.157ms，濾波時間常數(shù)Ton=Toi=0.00235s，過載倍數(shù)1.5，電流給定最大值，速度給定最大值第六章 參數(shù)計算6.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計按所用運算放大器取=20K，電樞回路總電阻R=20ACR積分時間常數(shù)， 電流環(huán)開環(huán)增益：要求時應(yīng)取因此 于是，ACR的比例系數(shù)為 計算控制器的電阻電容值 ,取50K 如圖5-1所示，為電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖。圖5-1電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖6.2速度調(diào)節(jié)器設(shè)計在設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時，可把已設(shè)計好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)。為此，需求出它的等效傳遞函