直流电动机调速系统设计.doc

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1、课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 直流电动机调速系统设计 初始条件：采用MC787组成触发系统，对三相全控桥式整流电路进行触发，通过改变直流电动机电压来调节转速。要求完成的主要任务: （1）设计出三相全控桥式整流电路拓扑结构；（2）设计出触发系统和功率放大电路；（3）采用开环控制、转速单闭环控制、转速外环+电流内环控制。(4) 器件选择：晶闸管选择、晶闸管串联、并联参数选择、平波和均衡电抗器选择、晶闸管保护设计参考文献：1 周渊深.电力电子技术与MATLAB仿真.北京：中国电力出版社，2005:41-49、105-114时间安排：2011年12月5日至20

2、11年12月14日，历时一周半，具体进度安排见下表具体时间设计内容指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介绍；学生确定选题，明确设计要求开始查阅资料，完成方案的初步设计由指导老师审核仿真模型，学生修改、完善并对仿真结果进行分析撰写课程设计说明书上交课程设计说明书，并进行答辩指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 目录1概述12转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性1转速、电流双闭环直流调速系统的组成1 稳态结构框图和静特性23双闭环直流调速系统的数学模型与动态过程分析3双闭环直流调速系统的动态数学模型3双闭环直流调速系统的动态过程分析44转

3、速电流双闭环直流调速系统调节器的工程设计6转速和电流两个调节器的作用6调节器的工程设计方法6设计的基本思路7 触发电路及晶闸管整流保护电路设计7触发电路7整流保护电路8 过电压保护和du/dt限制8 过电流保护和di/dt限制9 器件选择与计算95心得体会14参考文献15附录：电路原理图16直流电动机调速系统设计1概述 此设计采用MC787组成触发系统，对三相全控桥式整流电路进行触发，通过改变直流电动机电压来调节转速。转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。根据晶闸管的特性，通过调节控制角大小来调节电压。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

4、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。本文首先确定整个设计的方案和框图。然后确定主电路的结构形式和各元部件的设计。本文的重点设计直流电动机调速控制器电路，本文采用转速、电流双闭环直流调速系统为对象来设计直流电动机调速控制器。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，二者之间实行嵌套联接。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称做外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。2转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性转速、电流双闭环直流调速系统的组成图1 转速、电流双闭环直流调

5、速系统结构ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机TA电流互感器 UPE电力电子变换器图中，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下图。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图2 双闭环直流调速系统电路原理图 稳态结构框图和静特性

6、稳态结构图，如图3。当调节器饱和时，输出为恒值，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是零。在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。 Ks a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R b ACR-UiUPE图3 双闭环直流调速系统的稳态结构框图-转速反馈系数 -电流反馈系数图4双闭环直流调速系统的静特性1转速调节器不饱和稳态时，、，转速和电流反馈系数。，图5静特性的AB段。，CA段静特性从理想空载状态的一直延续到，而一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行段，它是水平

7、的特性。2转速调节器饱和ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，成电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时， ，为最大电流。静特性是图4中的BC段，它是垂直的特性。这样的下垂特性只适合于的情况，因为如果，则，ASR将退出饱和状态。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到时，对应于转速调节器的饱和输出，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。3双闭环直流调速系统的数学模型与动态过程分析双闭环直流调速系统的动态数学模型图5是转速、电流双闭环直流调速系统的动态结构框图，和分别表示了转速调节器和电流调节器的传递

8、函数。如果采用PI调节器，则有： （3-1）（3-2） 图5 双闭环直流调速系统的动态结构框图双闭环直流调速系统的动态过程分析电流I从零增长到I，然后在一段时间内维持其值等于I不变，以后又下降并经调节后到达稳态值I。转速波形先是缓慢升速，然后以恒加速上升，产生超调后，到达给定值n。从电流与转速变化过程所反映出的特点可以把起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，转速调节器在此三个阶段中经历了不饱和、饱和及退饱和三种情况。图6 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形第I阶段（0-t）是电流上升阶段：突加给定电压U后，经过两个调节器的跟随作用，U、U、I都上升，但是在I没有达到负载电流

9、I以前，电动机不能转动。当I I后，电动机开始转动，由于电机惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值较大，其输出电压保持限幅值U，强迫电枢电流I迅速上升。直到II，U=U，电流调节器很快就压制了I的增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。第II阶段（t-t）是恒流升速阶段：在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为恒流给定U下的电流调节系统，基本上保持电流I恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长，是起动过程中的主要阶段。第III阶段（t以后）是转速调节阶段：当转速上升到给定值n时，转速调节器

10、输入偏差为零，但输出却由于积分作用还维持在限限幅值U，所以电动机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压为负，使它开始退出饱和状态，U和I很快下降。但是，只要I仍大于负载电流I，转速就继续上升。直到I= I时，转矩T=T，则转速n到达峰值。此后，在t-t时间内，I I，电动机开始在负载的阻力下减速，直到稳态。如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡过程。在这的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使I尽快地跟随给定值U，此时电流内环是一个电流跟随子系统。4转速电流双闭环直流调速系统调节器的工程设计转速和电流两个调节器的作用1. 转速调节

11、器的作用（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化,稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。（2） 对负载变化起抗扰作用。（3） 其输出限幅值决定电机允许的最大电流。2. 电流调节器的作用(1)作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。(2)对电网电压的波动起及时抗扰的作用。(3)在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。(4)当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分

12、重要的。调节器的工程设计方法必要性: 设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求。可能性: 电力拖动自动控制系统可由低阶系统近似，事先研究低阶典型系统的特性，将实际系统校正成典型系统，设计过程就简便多了。建立调节器工程设计方法所遵循的原则是：（1）概念清楚、易懂；（2）计算公式简明、好记；（3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；（4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；（5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。设计的基本思路调节器的设计过程分作两步：第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。第二步，

13、再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。在选择调节器结构时，采用少量的典型系统，它的参数与系统性能指标的关系都已事先找到，就使设计方法规范化，大大减少了设计工作量。用工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器，先内环后外环。首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。 触发电路及晶闸管整流保护电路设计触发电路 图7晶闸管触发电路MC787可作为触发三相全控桥或三相交流调压晶闸管电路。其中三相电压的零线和电源共地，同步电压经RC组成的T形网络滤波分压，并产生30的相移，经电容耦合电路取得同步信号，电路输入端采用等值电压进行二分之一分压，

14、以保证信号对称。在电路Cu、Cv、Cw电容上形成锯齿波，移相电压Uc由脚4输入，与锯齿波电压比较取得交点，通过脚6半控/全控选择开关可以使用单脉冲或者双脉冲输出，5脚用作过压过流控制，当5脚处于高电平时禁止输出。输出端由大功率管驱动，可配接脉冲变压器触发晶闸管。整流保护电路整流电路如图8所示，在整流电路中主要是晶闸管的保护问题。晶闸管具有许多优点，但它属于半导体器件，因此具有半导体器件共有的弱点，承受过电压和过电流的能力差，很短时间的过电压和过电流就会造成元件的损坏。为了使晶闸管装置能长期可靠运行，除了合理选择元件外，还须针对元件工作的条件设置恰当的保护措施。晶闸管主要需要四种保护：过电压保护

15、和du/dt限制，过电流保护和di/dt限制。图8 整流电路及晶闸管保护电路 过电压保护和du/dt限制 凡是超过晶闸管正常工作是承受的最大峰值电压的都算过电压。产生过压的原因是电路中电感元件聚集的能量骤然释放或是外界侵入电路的大量电荷累积。按过压保护的部位来分，有交流侧保护，直流侧保护和元件保护。元件保护主要是通过阻容吸收电路，连线如图所示。阻容吸收电路的参数计算式根据变压器铁芯磁场释放出来的能量转化为电容器电场的能量存储起来为依据的。由于电容两端的电压不能突变，所以可以有效的抑制尖峰过电压。串阻的目的是为了在能量转化过程中能消耗一部分能量，并且抑制LC回路的振荡。 过电流保护和di/dt限

16、制由于晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度就会急剧上升可能烧坏PN结，造成元件内部短路或开路。晶闸管发生过电流的原因主要有：负载端过载或短路；某个晶闸管被击穿短路，造成其他元件的过电流；触发电路工作不正常或受干扰，使晶闸管误触发，引起过电流。晶闸管允许在短时间内承受一定的过电流，所以过电流保护作用就在于当过电流发生时，在允许的时间内将过电流切断，以防止元件损坏。晶闸管过电流的保护措施有下列几种：1.快速熔断器 普通熔断丝由于熔断时间长，用来保护晶闸管很可能在晶闸管烧坏之后熔断器还没有熔断，这样就起不了保护作用。因此必须采用专用于保护晶闸管的快速熔断器。快速熔断器用的是银质熔丝，在同样的过

17、电流倍数下，它可以在晶闸管损坏之前熔断，这是晶闸管过电流保护的主要措施。2.硒堆保护 硒堆是一种非线性电阻元件，具有较陡的反向特性。当硒堆上电压超过某一数值后，它的电阻迅速减小，而且可以通过较大的电流，把过电压的能量消耗在非线性电阻上，而硒堆并不损坏。硒堆可以单独使用，也可以和阻容元件并联使用。本系统采用快速熔断器对可控硅进行过流保护。 器件选择与计算晶闸管选择：晶闸管的选择主要是根据整流的运行条件，计算晶闸管电压、电流值，选出晶闸管的型号规格。在工频整流装置中一般选择KP型普通晶闸管，其主要参数为额定电压、额定电流值。（1） 额定电压选择应考虑下列因素：1） 分析电路运行时晶闸管可能承受的最

18、大电压值。2） 考虑实际情况，系统应留有足够的裕量。通常可考虑23倍的安全裕量。即 （4-1）式中 晶闸管可能承受的最大电压值（V）.当整流器的输入电压和整流器的连接方式已确定后，整流器的输入电压和晶闸管可能承受的最大电压有固定关系，常采用查计算系数表来选择计算，即 （4-2) 式中 晶闸管的电压计算系数； 整流变压器二次相电压（V）。 3)按计算值换算出晶闸管的标准电压等级值。 （2）额定电流选择：晶闸管是一种过载能力较小的元件，选择额定电流时，应留有足够的裕量，通常考虑选择2倍的安全裕量。 1）通用计算式： (4-3)式中 流过晶闸管的最大电流有效值（A）。2）实际计算中，常常是负载的平均

19、电流已知，整流器连接及运行方式已经确定，即流过晶闸管的最大电流有效值和负载平均电流有固定系数关系。这样通过查对应系数使计算过程简化。当整流电路电抗足够大且整流电流连续时，可用下述经验公式近似地估算晶闸管额定通态平均电流。 (4-4)式中 晶闸管电流计算系数； 整流器输出最大平均电流（A）;当采用晶闸管作为电枢供电时，取为电动机工作电流的最大值。整流二极管计算与选择和晶闸管方法相同。1. 平波电抗器的选择：平波和均衡电抗器在主回路中的作用及布置晶闸管整流器的输出直流电压是脉动的，为了限制整流电流的脉动、保持电流连续，常在整流器的直流输出侧接入带有气隙的电抗器，称作平波电抗器。在有环流可逆系统中，

20、环流不通过负载，仅在正反向两组变流器之间流通，可能造成晶闸管过流损坏。为此，通常在环流通路中串入环流电抗器（称均衡电抗器），将环流电流限制在一定的数值内。电抗器在回路中位置不同，其作用不同。对于不可逆系统，在电动机电枢端串联一个平波电抗器，使得电动机负载得到平滑的直流电流，取合适的电感量，能使电动机在正常工作范围内不出现电流断续，还能抑制短路电流上升率。1. 平波电抗器和均衡电抗器选择电抗器的主要参数有额定电抗、额定电流、额定电压降及结构形式等。计算各种整流电路中平波电抗器和均衡电抗器电感值时，应根据电抗器在电路中的作用进行选择计算。（1） 从减少电流脉动出发选择电抗器。（2） 从电流连续出发

21、选择电抗器。（3） 从限制环流出发选择电抗器。此外，还应考虑限制短路电流上升率等。由于一个整流电路中，通常包含有电动机电枢电抗、变压器漏抗和外接电抗器的电抗三个部分，因此，首先应求出电动机电枢（或励磁绕组）电感及整流变压器漏感，再求出需要外接电抗器的电感值。1） 直流电动机电枢电感 (4-5)式中 直流电动机的额定电压（V）; 直流电动机的额定电流（A）; 直流电动机的额定转速（rpm/min）; P直流电动机的磁极对数； 计算系数。一般无补偿电动机取812，快速无补偿电动机取68，有补偿电动机取56。 (4-6) 2）整流变压器的漏感。整流变压器折合二次侧的每相漏感： 式中 计算系数，三相全

22、桥取，三相半波取； 整流变压器短路电压百分比，一般取； 整流变压器二次相电压（V）; 直流电动机额定电流（A）。3）保证电流连续所需电抗器的电感值。当电动机负载电流 小到一定程度时，会出现电流断续的现象，将使直流电动机的机械特性变软。为了使输出电流在最小负载电流时仍能连续，所需的临界电感值可用下式计算： (4-7)式中 临界计算系数，单相全控桥取，三相半波，三相全控桥； 整流变压器二次相电压（V）; 电动机最小工作电流（A）,一般取电动机额定电流的5%10%。 实际串联的电抗器的电感值 (4-8)式中 N系数，三相桥取2，其余取1。4）限制电流脉动所需电抗器的电感值。由于晶闸管整流装置的输出电

23、压是脉动的，该脉动电流可以看成是一个恒定直流分量和一个交流分量组成的。通常负载需要的是直流分量，而过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加。因此，应在直流侧串联平波电抗器以限制输出电流的脉动量。将输出电流的脉动量限制在要求的范围内所需要的最小电感量：（mH） (4-9)式中 临界计算系数，单相全控桥，三相半波，三相全控桥； 电流最大允许脉动系数，通常单相电路取20%，三相电路取5%10%； 整流变压器二次侧相电压（V）; 电动机最小工作电流（A）,取电动机 额定电流的5%10%。 实际串接的电抗器的电感值： (mH) (4-10)式中 N系数，三相桥取2，其余取1。1） 限制环流所需的电抗器

24、的电感值：（mH） (4-11)式中 计算系数，单相全控桥，三相半波，三相全控桥； 环流平均值（A）; 整流变压器二次侧相电压（V）。 实际串接的均衡电抗器的电感值： （mH） (4-12)5心得体会这次课设是对双闭环直流电机调速系统的设计，通过这一个多星期的努力对该电路有了较为深入的研究，也进一步熟悉了双闭环直流调速系统的结构形式、工作原理及各个器件的作用和设计。本设计的主要工作是设计直流调速控制器的电路，设计的电路都是模拟电路，详细地介绍了器件的保护、电流调调节器、转速调节器以及晶闸管的触发电路的设计过程，当然还有其它电路的设计，最后得到整个调速控制的电路原理图。通过这次课程设计，我有了不

25、少的收获，进一步了解和掌握了双闭环直流调速系统及其控制电路的一些特性，比较全面的将所学的电力电子和电力拖动方面的知识运用于设计当中。不仅在理论上，知道课本的理论知识的最要性，而且也知道实践如何运用理论，理论联系实践。虽然，在做课程设计的过程中克服了很多困难，解决了不少问题，但是我坚持到底，尽自己的力量做到最好。相信通过这次的设计将在以后的工作中给我不少的启发。我也会在今后更多的时间学习各种新知识。给自己不断的充电，增值。 参考文献1陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京:机械工业出版社,2杨耕,罗应立.电机与运动控制系统.北京:清华大学出版社,3阮毅,陈维钧.运动控制系统.北京:清华大学出版社,4姚舜才,温志明,黄刚.运动控制系统分析与应用.北京:国防工业出版社,5王忠理,段惠达.MATLAB应用技术.北京:清华大学出版社,6John . Simulations of Machines:Using MATLAB AND YORK: THOMSON LEARNING,附录：电路原理图精心搜集整理，只为你的需要