帶電流截止負(fù)反饋轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 目錄TOC o 1-5 h z摘要2 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 主電路的設(shè)計(jì)2 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 變壓器參數(shù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算2 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 平波電抗器參數(shù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算3 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 晶閘管元件參數(shù)的計(jì)算3 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)4 HYPERLINK l boo

2、kmark44 o Current Document 反饋調(diào)速及控制系統(tǒng)4 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)4 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)5 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 調(diào)節(jié)器設(shè)定8 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 控制及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)9 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 參數(shù)計(jì)算10 H

3、YPERLINK l bookmark72 o Current Document 基本參數(shù)計(jì)算10 HYPERLINK l bookmark108 o Current Document 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)參數(shù)計(jì)算與設(shè)計(jì)12 HYPERLINK l bookmark114 o Current Document 調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計(jì)與計(jì)算12 HYPERLINK l bookmark160 o Current Document 調(diào)節(jié)器串聯(lián)校正設(shè)計(jì)15 HYPERLINK l bookmark170 o Current Document 總電氣圖16 HYPERLINK l bookmark178 o

4、Current Document 心得體會(huì)18 HYPERLINK l bookmark180 o Current Document 參考資料18武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書12 帶電流截止負(fù)反饋轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，并且直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實(shí)踐上都比較成熟，是研究其它調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在直流電動(dòng)機(jī)中，帶電流截止負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用也最為廣泛，其廣泛應(yīng)用于軋鋼機(jī)、冶金、印刷、金屬切割機(jī)床等很多領(lǐng)域的自動(dòng)控制。本次課設(shè)就帶電流截止負(fù)反饋轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)的設(shè)計(jì)。1主電路的設(shè)計(jì)1.1變壓器參數(shù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算

5、變壓器副邊電壓采用如下公式進(jìn)行計(jì)算：口U+nUTOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 o Current Document U=dmaxT(I)APcosa-CU HYPERLINK l bookmark12 o Current Document minshI2N丿已知U=220V,取U=IVdmaxT厶=1C=0.5則U=I2n=2A=2.34卩=0.9220+2x12N因此變壓器的變比近似為：K=父=380=345U1102一次側(cè)和二次側(cè)電流I和I的計(jì)算12I=1.05X287X0.861/3.45=75Aa=10min=110V2.34x0.9(0.984

6、8-0.5x0.05x1)U0.05shI=0.861X287=247A武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)與控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書 變壓器容量的計(jì)算S=mUI=3X380X75=85.5kVA1111S=mUI=3X110X247=81.5kVA2222S=0.5X(S+S)=0.5X(85.5+81.5)=83.5kVA12因此整流變壓器的參數(shù)為：變比K=3.45，容量S=83.5kVA1.2平波電抗器參數(shù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算U=2.34Ucosad2U220U=U=220V,取a=0U=d=94.0171VdN22.34cos02.34I=(5%-10%)I,這里取10%則dminNL=0.693x-2二O.6

7、93x940171二37.2308mH0.1x17.5dminU*nm.nN蟲=0-00671.3晶閘管元件參數(shù)的計(jì)算晶閘管的額定電壓通常選取斷態(tài)重復(fù)峰值電壓U和反向重復(fù)峰值電壓U中較小DRMRRM的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。晶閘管的額定電流一般選取其通態(tài)平均電流的1.5-2倍。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訃2u2，晶閘管的額定電壓一般選取其最大正反向電壓的2-3倍。帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)，變壓器二次側(cè)電流有效值I是其輸出直流電流有效值I的一2d半，而對(duì)于橋式整流電路，晶閘管的通態(tài)平均電流I=、2-I,則在本設(shè)計(jì)中晶閘管的額VT/2定電流I=523-698AVT(AV)本設(shè)計(jì)中

8、晶閘管的額定電壓U=311-466VN1.4保護(hù)電路的設(shè)計(jì)對(duì)于過電壓保護(hù)本設(shè)計(jì)采用RC過電壓抑制電路，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上，如圖1-1所示。對(duì)于過電流保護(hù)本設(shè)計(jì)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來保護(hù)電路圖1-1過壓保護(hù)電路2反饋調(diào)速及控制系統(tǒng)2.1閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)將開環(huán)系統(tǒng)改為單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)，并采用pi調(diào)節(jié)器，就既保證動(dòng)態(tài)性能，又能作到轉(zhuǎn)速的無靜差，較好的解決開環(huán)系統(tǒng)的不足，此閉環(huán)系統(tǒng)的工作原理是：將直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化信號(hào)反饋到觸發(fā)環(huán)節(jié)，來自動(dòng)增大或減小觸發(fā)角a來自動(dòng)調(diào)節(jié)整流輸出電壓Uds，即可達(dá)到穩(wěn)定,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示圖

9、2-1單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)框圖2.2帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)中存在一個(gè)問題，在啟動(dòng)、制動(dòng)過程和堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，電樞電流會(huì)過大。為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動(dòng)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(gè)物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個(gè)物理量的負(fù)反饋。那么，引入電流負(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(duì)電流負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的分析?？紤]到，限流作用只需在起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)起作用，正常運(yùn)行時(shí)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(shí)才接入電流負(fù)反饋以限制電流，而電流正常時(shí)僅有轉(zhuǎn)速負(fù)反

10、饋起作用控制轉(zhuǎn)速。電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)如圖2-2中的(a)(b)(c)圖：接放大器叼利用獨(dú)立直流電源作比較電壓利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓封鎖運(yùn)算放大器的電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)圖2-2電流截止負(fù)反饋的環(huán)節(jié)圖(a)中用獨(dú)立的直流電源作為比較電壓，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U作比較電壓，線路要簡(jiǎn)單得多，但不能br平滑的調(diào)節(jié)電流值。圖(C)是反饋環(huán)節(jié)與運(yùn)放的連接電路。由系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)可寫出該系統(tǒng)兩段靜特性的方程式:TOC o 1-5 h zKKU*RIn=p_s一_dC(1+K)C(1+K)ee當(dāng)II時(shí)，引入電流負(fù)反饋，靜特性變?yōu)?ddcrKK(U*+U)(R+K

11、KR)In=psncompssdC(1+K)C(1+K) HYPERLINK l bookmark50 o Current Document ee圖2-3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(gè)特點(diǎn)：(1)電流負(fù)反饋的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個(gè)大電阻KpKsRs，因而穩(wěn)態(tài)速大,特性急劇下垂。(KK(U*+U)npsncom0C(1+K)e(3)兩段式靜特性常稱作下垂特性或挖土機(jī)特性。動(dòng)機(jī)停下，電流也不過是堵轉(zhuǎn)電流，在式(1)中,當(dāng)挖土機(jī)遇到堅(jiān)硬的石塊而過載電KK(U*+U)psncom令n=0，得1dbiR+KKRpss一般KKRR,因此pssU*+UUncomdbiRs(2)比較電

12、壓Ucom與給定電壓Un*的作用一致，好像把理想空載轉(zhuǎn)速提高到(4)最大截止電流=1.51=26.25AdcrN由給定條件知堵轉(zhuǎn)電流I=21=35A,截止電流IdblN(5)帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖及結(jié)構(gòu)圖如圖2-4及圖2-52.3調(diào)節(jié)器設(shè)定如圖2-6微PI調(diào)節(jié)器即比例積分調(diào)節(jié)器既結(jié)構(gòu)圖用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無靜差調(diào)速系統(tǒng)圖2-6PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖比例積分調(diào)節(jié)器的控制傳遞函數(shù)為：1KTS+1W(s)二plKpiKTSPPK=R/RK為PI調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)C=t/jt為PI調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)。pi12pi10比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀，而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸

13、入偏差量的全部歷史。積分調(diào)節(jié)器到穩(wěn)態(tài)時(shí)AUn=0,只要?dú)v史上有過AUn，其積分就有一定數(shù)值，足以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所需要的控制電壓。如圖2-7為采用PI調(diào)節(jié)器單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校正特性尺(耶十DPEU可|J召呂辱+1vZ鼻爲(wèi)+十1n圖2-7采用PI調(diào)節(jié)器單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)2.4控制及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)晶閘管觸發(fā)電路類型很多，有分立式、集成式和數(shù)字式，分立式相控同步模擬電路相對(duì)來說電路比較復(fù)雜；數(shù)字式觸發(fā)器可以在單片機(jī)上來實(shí)現(xiàn)，需要通過編程來實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)不采用。由于集成電路可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便，所以本設(shè)計(jì)采用的是集成觸發(fā)器，選擇目前國內(nèi)常用的KJ、KC系例，本設(shè)計(jì)采用KJ004集成塊和

14、KJ041集成塊。對(duì)于三相全控整流或調(diào)壓電路，要求順序輸出的觸發(fā)脈沖依次間隔60。本設(shè)計(jì)采用三相同步絕對(duì)式觸發(fā)方式。根據(jù)單相同步信號(hào)的上升沿和下降沿，形成兩個(gè)同步點(diǎn)，分別發(fā)出兩個(gè)相位互差180的觸發(fā)脈沖。然后由分屬三相的此種電路組成脈沖形成單元輸出6路脈沖，再經(jīng)補(bǔ)脈沖形成及分配單元形成補(bǔ)脈沖并按順序輸出6路脈沖。本設(shè)計(jì)課題是三相全橋控橋整流電路中有六個(gè)晶閘管，觸發(fā)順序依次為：VT1VT2VT3VT4VT5VT6,晶閘管必須嚴(yán)格按編號(hào)輪流導(dǎo)通，6個(gè)觸發(fā)脈沖相位依次相差600,可以選用3個(gè)KJ004集成塊和一個(gè)KJ041集成塊，即可形成六路雙脈沖，再由六個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大，就可以構(gòu)成三相全控橋整

15、流電路的集成觸發(fā)電路如圖5.3。OMVT6CggVTE涯VT4Ancl需-1=122-483）計(jì)算轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)和參數(shù)設(shè)在額定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)態(tài)時(shí)的給定電壓為U*=10V，則須有U=U*=10Vnnn故轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的放大系數(shù)a=U=0.00667nN4）計(jì)算運(yùn)算放大器的放大系數(shù)和參數(shù)運(yùn)算放大器放大系數(shù)K為:pK=竺A12248X32=60.597paK0.00667x40s5）判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性計(jì)算：由已知平波電抗器：R=03Q。電樞回路總電阻R=2.85Q，總電感L=200mHL所以系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)：電磁時(shí)間常數(shù)T:lL0.2Ti=亍=285=0-0702機(jī)電時(shí)間常數(shù)T:3.53x2.

16、85m丁GD2R0161T=30=0.161sm375CeCm375x0.132x30 x0.132兀晶閘管裝置的滯后時(shí)間常數(shù)T:0.00167Ss”T(T+T)+T20.161(0.072+0.00167)+0.00167x0.001670.072x0.00167Km_isl=98.67TTls計(jì)算出開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)滿足的穩(wěn)定條件為KW98.67,又因?yàn)镵=122.48,所以系統(tǒng)不穩(wěn)定。3.2電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)參數(shù)計(jì)算與設(shè)計(jì)如圖3-1.其工作原理是：利用獨(dú)立的直流電源作為比較電壓,其大小可用電位器調(diào)節(jié)，相當(dāng)于可調(diào)截至（保護(hù)）電流值。當(dāng)IRUcorn，二極管導(dǎo)通，電流截止負(fù)ds反饋信號(hào)U加到放大

17、器上去，從而使晶閘管系統(tǒng)輸出電壓Ud減小，機(jī)械特性呈下垂特id性;當(dāng)IR4Tsmlms因此分母中的二次項(xiàng)可以分解成兩個(gè)一次項(xiàng)之積，T二0.161s，T二0.07s12122.48(0.161s+1)(0.07s+1)(0.00167s+1)編寫Matlab程序如下k=122.47/(0.00167*0.161*0.07);z=;p=-l/0.0067-1/0.071/0.161;num,den=zp2tf(z,p,k);bode(num,den);margin(num,den);grid其所得伯德圖如圖3-3所示OBodeDiagramGm=-21.9dB-(atK.1rad/sec),Pm=

18、-41.7degTai169rsd/sac)ooO55-BosQJm皿111rrrrr10-111010102101Frecuency(ra-d?sec3-3系統(tǒng)校正前bode圖1KTs+1W(s)=丄KpiKTsPP由于原始系統(tǒng)不穩(wěn)定，表現(xiàn)為放大系數(shù)K過大，截止頻率過高，應(yīng)該設(shè)法把他們壓下來。因此，把校正環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率KpiT+1設(shè)置在遠(yuǎn)低于原始系統(tǒng)截止頻率WC1處，令KpiT=T1，使校正裝置的比例微分項(xiàng)KpiT+1與原始系統(tǒng)中時(shí)間常數(shù)最大慣性環(huán)節(jié)1/(T1+1)對(duì)消，從而選定L1=-L2或者L3=0db。其次，為了使校正后的系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定裕度，它的對(duì)數(shù)幅頻特性應(yīng)以-20db/dec的

19、斜率穿越0db線，將原始的對(duì)數(shù)幅頻和相頻特性壓低，使校正以后系統(tǒng)的對(duì)數(shù)幅頻和相頻特性的截止頻率Wc2V丄。這樣，在Wc2處，應(yīng)有L=-L2或者L3=0dbT2根據(jù)以上兩點(diǎn)，校正環(huán)節(jié)添加部分的對(duì)數(shù)特性就可以確定下來了：WWWWW220lgK二20lg2+40lg弘二20lg2(42二20lg4WWWWWW121212取KT二0.161s，為了使o圖3-4校正后bode圖4總電氣圖本電氣原理圖由AUTOCAD中制成截圖。設(shè)計(jì)完成后其電氣原理圖如圖4-1所示TAlS-azk?wjk2ei胃湮Off口:BDsLn.Wk?wbiiEirzELTJEill11IFF2W4rr圖4-1帶電流截止負(fù)反饋轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直