直流電動機可逆調(diào)速系統(tǒng)設計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上摘要本次課程設計直流電機可逆調(diào)速系統(tǒng)利用的是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，因其具有調(diào)速范圍廣、精度高、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點，所以在電氣傳動系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中設置了兩個調(diào)節(jié)器, 即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR), 分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。本文對直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設計進行了分析，對直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理進行了一些說明，介紹了其主電路、檢測電路的設計，介紹了電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計以及系統(tǒng)中一些參數(shù)的計算。關鍵詞：雙閉環(huán)，可逆調(diào)速，參數(shù)計算，調(diào)速器。專心-專注-專業(yè)目錄直流電動機可逆調(diào)速系統(tǒng)設計1. 設計概述1.1 設計意義及要求直流電動機

2、具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。從控制的角度來看，直流拖動控制系統(tǒng)又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎，所以應該首先掌握直流拖動控制系統(tǒng)。本次設計最終的要求是能夠是電機工作在電動和制動狀態(tài)，并且能夠?qū)﹄姍C進行調(diào)速，通過一定的設計，對整個電路的各個器件參數(shù)進行一定的計算，由此得到各個器件的性質(zhì)特性。1.2 方案分析1.2.1 可逆調(diào)速方案使電機能夠四象限運行的方法有很多，可以改變直流電機電樞兩端電壓的方向，可以改變直流電機勵磁電流的方向等等，即電樞電壓反接法和電樞勵磁反接法。電樞勵磁反接方法需要的晶閘管功率小，適用于被控電機容

3、量很小的情況，勵磁電路中需要串接很大的電感，調(diào)速時，電機響應速度較慢，且需要設計很復雜的電路，故在設計中不采用這種方式。電樞電壓反接法可以應用在電機容量很的情況下，且控制電路相對簡單，電樞反接反向過程很快，在實際應用中常常采用，本設計中采用該方法。電樞電壓反接電路可以采用兩組晶閘管反并聯(lián)的方式，兩組晶閘管分別由不同的驅(qū)動電路驅(qū)動，可以做到互不干擾。圖1-1 兩組晶閘管反并聯(lián)示意圖如上圖，電動機正轉(zhuǎn)時，由正組晶閘管裝置VF供電；反轉(zhuǎn)時，由反組晶閘管裝置VR供電。兩組晶閘管分別由兩套觸發(fā)裝置控制，都能靈活地控制電動機的起、制動和升、降速。但是，不允許讓兩組晶閘管同時處于整流狀態(tài)，否則將造成電源短路

4、，因此對控制電路提出了嚴格的要求。1.2.2 控制方案的選擇 方案一：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)該方案主要由給定環(huán)節(jié)、ASR、ACR、觸發(fā)器和整流裝置環(huán)節(jié)、速度檢測環(huán)節(jié)以及電流檢測環(huán)節(jié)組成。為了使轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋分別起作用，系統(tǒng)設置了電流調(diào)節(jié)器ACR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR，別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。由于調(diào)速系統(tǒng)的主要被控量是轉(zhuǎn)速, 故把轉(zhuǎn)速負反饋組成的環(huán)作為外環(huán), 以保證電動機的轉(zhuǎn)速準確跟隨給定電壓, 把由電流負反饋組成的環(huán)作為內(nèi)環(huán), 把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE，這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速檢測負載電流檢測整流觸發(fā)裝置ACRASR電壓電

5、動機圖1-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖方案二：單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)采用一個轉(zhuǎn)速負反饋和PI調(diào)節(jié)器構成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。將與測速電機轉(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)放大器FD ,產(chǎn)生控制電壓Uk ,用以控制電動機的轉(zhuǎn)速,如圖所示。電壓整流觸發(fā)裝置電動機負載轉(zhuǎn)速檢測放大器圖1-3單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖采用轉(zhuǎn)速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是比較基礎比較容易掌握的，它可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。原因是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨

6、心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，采用電流負反饋就可以得到近似的恒流過程。通過一定的比較，方案二采用雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)方法，雖然相對成本較高，但保證了系統(tǒng)的可靠性能，和對生產(chǎn)工藝的要求的滿足，既保證了穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定，同時也兼顧了啟動時啟動電流的動態(tài)過程，很好的滿足了生產(chǎn)需求。所以在此系統(tǒng)設計中選用第二種方案更為合適。2.系統(tǒng)組成及原理本次設計的直流電機可逆調(diào)速系統(tǒng)的總體設計原理圖如圖所示。圖2-1總體設計原理圖主電路采用三相橋式整流電路，其中串有過流和過壓保護電路。由于電流檢測信號中常有交流分量，須加低通濾波，其濾

7、波時間常數(shù)Toi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了延遲。為了平衡這一延遲作用，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)。其作用是：讓給定信號和反饋信號經(jīng)過同樣的延遲，使二者在時間上得到恰當?shù)呐浜?，從而帶來設計上的方便。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Ton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Ton的給定濾波環(huán)節(jié)。直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由給定電壓、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、三相集成觸發(fā)器、三相全控橋、直流電動機及轉(zhuǎn)速、電流檢測裝置組成，其中主電路中串入平波電抗器，以

8、抑制電流脈動，消除因脈動電流引起的電機發(fā)熱以及產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩對生產(chǎn)機械的不利影響。有了以上的一些分析，本次設計的大致組成已經(jīng)成型，具體結(jié)構如下圖圖2-2系統(tǒng)結(jié)構圖圖中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制UPE部分，從閉環(huán)結(jié)構上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。兩個調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器，可以對負載變化和電網(wǎng)電壓的波動起抗擾的作用。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。其中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用是它能使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓

9、變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差，同時對負載變化起抗擾作用。電流調(diào)節(jié)器的作用是使電流緊緊跟隨外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量變化，對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用，也在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程；同時當電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。系統(tǒng)電氣原理圖如下圖所示。圖2-3系統(tǒng)電氣原理圖3.系統(tǒng)電路設計3.1設計主電路圖經(jīng)過查閱資料以及對設計要求的理解，我們采用按照如下電路所示的主電路作為整個設計的中心電路，由此電路可以客觀明朗的了解電路各部分的作用。3-1主電路圖3.2系統(tǒng)主電路設計主電路采用三相橋式整流電路。三相橋式整

10、流電路適用于拖動大功率電動機負載，并且電流脈動較小，因而常常被使用。如下圖3-2的主電路中，三相交流電經(jīng)由三相變壓器后，輸入整流橋。三相變壓器采用形解法。晶閘管整流橋只有在觸發(fā)裝置給出觸發(fā)信號后才會導通。整流橋輸出端串接平波電抗器TA，以減小輸出電流的脈動。圖3-2 系統(tǒng)主電路電氣原理圖3.3 保護電路設計3.3.1 過電壓保護設計電力電子裝置中過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類，外因過電壓是來自雷擊和系統(tǒng)的操作過程等外部因素。內(nèi)因主要是由于電力電子裝置內(nèi)部器件的開關過程產(chǎn)生的過電壓。對于外因過電壓可以設置避雷器、變壓器屏蔽層、靜電感應過電壓抑制電容、壓敏電阻過電壓抑制器等等。本設計中采用R

11、C過電壓抑制電路如下圖，將該裝置置于供電變壓器的兩側(cè)或者是電力電子電路的直流側(cè)。圖3-3 RC網(wǎng)絡過壓保護示意圖3.3.2 過電流保護設計當電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，就可能有出現(xiàn)過電流的現(xiàn)象。實際應用的電力電子裝置中，一般采用快速熔斷器、直流快速斷路器、過電流繼電器等幾種方式組合使用。我們采用在電力變壓器副邊每相母線中串接快速熔斷器的方法。并根據(jù)變壓器副邊電壓和副邊電流的大小，選擇快速熔斷器的規(guī)格為。過流保護電路采用采用型過流保護電路如下圖。在三相母線每一相串接如圖的過流保護電路，其中由比較電路輸入電流限幅值。圖3-4 過流保護示意圖3.4 轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的設計轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)

12、速系統(tǒng)的結(jié)構圖如圖3-5所示：圖3-5直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構圖系統(tǒng)設計的一般原則是：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。在這里，首先設計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù)按需要選定，以濾平電流檢測信號為準。然而，在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，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)

13、一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時間常數(shù)為的給定濾波環(huán)節(jié)。3.4.1電流調(diào)節(jié)器含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器如圖3-6所示，圖3-6含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器其中R4左端電壓為電流給定電壓，R8左端電壓為電流負反饋電壓，ACR輸出端電壓為電力電子變換器的控制電壓。3.4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖3-7所示：圖3-7含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器其中R3左端電壓為轉(zhuǎn)速給定電壓，R17左端電壓為轉(zhuǎn)速負反饋電壓，ASR調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。3.5 檢測電路設計3.5.1 電流檢測電路使用霍爾電流傳感器可以檢測電流，把接到霍爾

14、傳感器上?；魻栃獋鞲衅鳎梢詼y量任意波形的電流和電壓。輸出端能真實地反映輸入端電流或電壓的波形參數(shù)。如圖3-8所示： 圖3-8 電流檢測電路3.5.2 轉(zhuǎn)速檢測電路轉(zhuǎn)速的檢測可把接到一個測速發(fā)電機上即可檢測轉(zhuǎn)速，如圖3-9所示： 圖3-9 轉(zhuǎn)速檢測電路檢測電路與調(diào)節(jié)器電路的連接圖如下圖所示。圖3-10 調(diào)節(jié)器及檢測電路電氣原理圖其中測速發(fā)電機及相關電路將電動機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過運放的作用得到Un輸入到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的比較端。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出信號經(jīng)過由二極管構成的限幅電路后輸入到電流調(diào)節(jié)器的比較端。將霍爾傳感器接入到主電路用以監(jiān)測電動機電樞電流，經(jīng)過由二極管構成的三相橋式不控整流電路后，

15、再經(jīng)由運放的比例作用輸入到電流調(diào)節(jié)器的比較端。電流調(diào)節(jié)器輸出信號經(jīng)過由二極管構成的限幅電路后輸入到觸發(fā)電路的控制端。3.6 觸發(fā)電路設計 晶閘管觸發(fā)電路是通過控制觸發(fā)角的大小，即控制觸發(fā)脈沖的起始相位來控制輸出電壓的大小為了能夠?qū)崟r控制電動機的轉(zhuǎn)速，必須能夠連續(xù)調(diào)節(jié)晶閘管的導通角。 對于三相整流橋的晶閘管觸發(fā)電路很重要的一點是保持觸發(fā)電路和主電路的同步，即要求觸發(fā)電路輸出的驅(qū)動脈沖信號與電源的頻率相同而且相位關系確定。為保證觸發(fā)電路和主電路頻率一致，在設計中采用了一個同步變壓器，將其一次側(cè)接入為主電路供電的電網(wǎng)，由其二次側(cè)提供同步信號接入觸發(fā)電路。在本設計中采用集成觸發(fā)器TC787作為晶閘管觸

16、發(fā)電路主要元器件。TC787具有功耗小，抗干擾性能好，移相范圍寬，裝調(diào)簡便，使用可靠，所以只需用一片芯片即可完成三相橋式晶閘管的驅(qū)動工作。圖3-11 觸發(fā)電路電氣原理圖三相同步電壓經(jīng)過T型網(wǎng)絡進入電路。通過過零檢測和極性判別電路檢測出零點和極性后，在三個電容上積分形成鋸齒波，鋸齒波在芯片內(nèi)部的比較器中與移相電壓比較取得交相點，移相電壓由4號引腳輸入，在本設計中移相電壓為調(diào)節(jié)器輸出的控制電壓。觸發(fā)信號由712號引腳引出，分別接晶閘管門極控制晶閘管的導通。4. 主要參數(shù)計算4.1 變壓器參數(shù)計算 （4-1） ，取 （4-2） （4-3）其中系數(shù)0.9為電網(wǎng)波動系數(shù)，系數(shù)1-1.2為考慮各種因素的安

17、全系數(shù)，這里取1.1。電動勢系數(shù) （4-4）4.2 電抗器參數(shù)計算由于考慮到電動機不允許有過大的脈動電流通過，所以在整流電路的直流側(cè)串聯(lián)平波電抗器抑制較大的脈動電流。三相全控橋中，在這我們按5%的標準來計算 （4-5）4.3 晶閘管參數(shù)在橋式整流電路中晶閘管兩端承受的最大正反向電壓均為，晶閘管的額定電壓一般選取其最大正反向電壓的倍。帶反電動勢負載時，變壓器二次側(cè)電流有效值是其輸出直流電流有效值的一半，而對于橋式整流電路，晶閘管的通態(tài)平均電流，則在本設計中晶閘管的額定電流350V，在本設計中晶閘管的額定電壓選定為。晶閘管額定電壓和電流的具體數(shù)值可按此選取。5設計心得本設計綜合運用了模擬電子技術、自動控制理論、電力電子技術、電機拖動技術以及電力拖動技術，同時也涉及了過控技術，充分體現(xiàn)了電力電子技術在此設計中的全面應用。為了完成該設計，我們將許多已經(jīng)收起來的書本再次拿出來進行研究，還從圖書館借閱相關資料，查詢了很多有關書籍，對于一些自己不能夠從書本和同學那解決的問題我還借助了網(wǎng)絡資源，通過網(wǎng)絡完成了一些自己所不能解決的問題，也對于我的學習