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VM双闭环直流调速系统 作者： 日期：2 个人收集整理 勿做商业用途 摘要：直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型,并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。此设计利用晶闸管、二极管等器件设计了一个转速、电流双闭环直流晶闸管调速系统。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定,最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时,转速外环饱和不起作用,电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流.关键词： 直流电机 晶闸管 直流调速系统 ACR ASR 双闭环系统 一、设计题目 VM双闭环直流调速系统二、目的意义：本课程设计是自动化专业学生在学完专业课程“拖动控制系统”之后进行的一个实践性教学环节.通过此环节，使学生能结合已完成的基础课、技术基础课和部分专业课对“拖动控制系统”课程的主要内容进行较为综合的实际运用，进一步培养学生应用已学到的理论知识来解决实际工程设计问题，并为毕业设计奠定基础.双闭环拖动控制系统是工业生产中重要的拖动控制系统，应用很广泛,也是其他复杂控制的基础。本专业学生应充分掌握双闭环控制系统的结构、系统构成、设备及器件选择、参数整定计算以及绘制系统电路原理图等内容，并且初步掌握设计的方法和步骤,同时增强独立查阅资料、分析问题和解决问题的能力以及刻苦钻研的工作作风。本设计以直流电动机为被控对象，设计一套双闭环无静差拖动控制系统.三、电动机参数和设计要求直流电动机参数：，,。采用三相可控晶闸管桥式电路供电，过载系数，,。，。设计要求：稳态指标：稳态无静差；动态指标：电流超调量；理想空载起动到额定转速时的转速超调量；四、双闭环直流调速系统的组成及其静特性1、双闭环直流调速系统的组成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。两者之间实行嵌套连接，如图24所示。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。图1 转速、电流双闭环直流调速系统其中：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 -转速给定电压 Un转速反馈电压 电流给定电压 电流反馈电压2、 双闭环直流调速系统的静特性分析图2 双闭环直流调速系统的稳态结构框图分析静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征，一般使存在两种状况：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，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和,换句话说，饱和的 调节器暂时隔断了输入和输出的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时,PI的作用使输入偏差电压U在稳态时总为零。 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，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况1，5，6,8.图3 双闭环直流调速系统的静特性五、 具体设计内容（一)主回路选择和计算1 整流变压器计算（1）因为，所以当=0时,当=10时，0.985变压器二次电压：=117V127V,取=120V(2）二次相电流和一次相电流：=3。17三相全控桥电感负载,=35A，=111A(3）变压器的容量:=39.9KVA,=39。96KVA,=39.93KVA:变压器一次侧，二次侧绕组的相数为3,ZS三相油浸全波整流变压器技术参数型 号电(kv）压损（w)耗阻抗电压空载电流连接组高压低压空载短路ZS-50/100。38根据用户要求而定1708704.52.0D.Yn.112晶闸管元件的选择三相桥=311V,晶闸管的额定电压:=622933V,IT = I2 =111A，,IT(AV） =106141V,晶闸管的额定电流：，ITN =166221V，快速晶闸管：KK100A800A/600V-2000V 3主回路保护环节的选择和计算（1）交流侧过电压保护用阻容保护：整流变压器一次采用三相；二次侧采用三相Y;(2）交流侧用压敏电阻保护，Y型标准电压=233V;压敏电阻:MY31-270/3 M-敏感电阻器T压敏电阻器31序号 270标称电压为270V 3流通容量为3KA（3）直流侧过电压保护：晶闸管的阻容保护。由于晶闸管过流过压能力很差，如果不采取可靠的保护措施是不能正常工作的。RC阻容吸收网络就是常用的保护方法之一。整流晶闸管阻容吸收元件的选择电容的选择:C=(2.55）10-8If,If=0。367Id,Id=IN=136A ,所以选用C=0。5F， 电阻的选择：R=(（24) 535)/If=2040,选择R=30（4）过电流保护用快速熔断器：交流侧、直流侧和晶闸管串联快速熔断器；额定电压大于线路工作电压的有效值，额定电流的取值：174A=1.57IT(mA)IFUIT =111A熔断器:规格 RS711B 额定电流125A 额定电压380 额定耗散功率27.0W （二)控制回路设计触发装置选用高性能晶闸管三相移相触发集成电路TC787 TC787采用独有的先进IC工艺技术，主要适用于三相晶闸管移相触发和三相功率晶体管脉宽调制电路,以构成多种交流调速和变流装置.具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点，而且装调简便、使用可靠,因此TC787可广泛应用于三相半控、三相全控、三相过零等电力电子、机电一体化产品的移相触发系统。TC787及TC788是标准双列直插式18引脚的集成电路，它的引脚排列如图所示。 各引脚的名称、功能及用法如下： (1)同步电压输入端：引脚1(Vc）、引脚2(Vb）及引脚18（Va）分别为三相同步输入电压连接端,应用中分别接经输入滤波后的同步电压，同步电压的峰值应不超过TC787或TC788的工作电源电压VDD。 （2）脉冲输出端:在半控单脉冲工作模式下，引脚8（C）、引脚10(B）、引脚12(A）分别为与三相同步电压正半周对应的同相触发脉冲输出端，而引脚7（-B）、引脚9(-A)、引脚11（-C）分别为与三相同步电压负半周对应的反相触发脉冲输出端。当TC787或TC788被设置为全控双窄脉冲工作方式时,引脚8为与三相同步电压中C相正半周及B相负半周对应的两个脉冲输出端，引脚12为与三相同步电压中A相正半周及C相负半周对应的两个脉冲输出端，引脚11为与三相同步电压中C相负半周及B相正半周对应的两个脉冲输出端，引脚9为与三相同步电压中A相同步电压负半周及C相电压正半周对应的两个脉冲输出端，引脚7为与三相同步电压中B相电压负半周及A相电压正半周对应的两个脉冲输出端，引脚10为与三相同步电压中B相正半周及A相负半周对应的两个脉冲输出端，应用中均接脉冲功率放大环节或脉冲变压器。 (3）控制端：引脚5(Pi)为输出脉冲禁止端。该端用来进行故障状态下封锁TC787或TC788的输出,高电平有效，应用中接保护电路的输出。 引脚14（Cb）、引脚15(Cc)、引脚16（Ca)分别为对应三相同步电压的锯齿波电容连接端。该端连接的电容值大小决定了移相锯齿波的斜率和幅值，应用中分别通过一个相同容量的电容接地. 引脚6(Pc)为TC787或TC788工作方式设置端。当该端接高电平时，TC787或TC788输出双脉冲；而当该端接低电平时,输出单脉冲。 引脚4（Vr)为移相控制电压输入端。该端输入电压的高低，直接决定着TC787或TC788输出脉冲的移相范围,应用中接给定环节输出，其电压幅值最大为TC787或TC788的工作电源电压VDD. 引脚13(Cx)。该端连接的电容Cx的容量决定着TC787或TC788输出脉冲的宽度,电容的容量越大，则脉冲宽度越宽。 (4）电源端：TC787或TC788可单电源工作，亦可双电源工作.单电源工作时引脚3(VSS)接地,而引脚17(VDD）允许施加的电压为818V。双电源工作时，引脚3（VSS）接负电源,其允许施加的电压幅值为4-9V，引脚17(VDD)接正电源,允许施加的电压为+4+9V。 主要电参数和限制:（1）工作电源电压VDD：818V； （2）输入同步电压有效值：（1/22)VDD; (3）输入控制信号电压范围:0VDD; (4)输出脉冲电流最大值:20mA； (5)锯齿波电容取值范围:0.10。15； （6）脉宽电容取值范围:3300pF0。01F； (7）移相范围：0177； (8)工作温度范围：0+55。文档为个人收集整理，来源于网络个人收集整理,勿做商业用途触发电路和运放用的直流电源选择：W7815和W7915三端元件：反馈电路参数的选择（1）测速发电机的选择：55CY61型永磁直流测速发电机；55CY61型永磁式直流测速发电机系封闭自冷式，其输出电压正比于电枢转速，适用于自动控制系统中作为测速、反馈和阻尼等元件.发电机系连续工作制。 使用条件 ： 1。海拔不超过4000m； 2.环境温度：40+55； 3。空气相对湿度95%（+25时)； 4。任意安装位置。型号输出电压转速负载电阻输出电压不对称度输出电压线性误差55CY614042000转/分2000欧11（2）电流反馈环节的选择:选用LM-0。5型电流互感器。使用范围: LM-0。5型电流互感器主要用于户内，供额定电压为500V及以下, 额定频率为50Hz的交流电路中作为电流、电能测量或继电保护用。 产品为干式电流互感器，其安装方式采用底板固定安装方式。 主要技术参数：额定一次电流：30、50、75、100、150、200、300、400、500、600A额定二次电流：5A准确级次及额定负荷：准确级次为0。5级。额定负荷为5VA10VA等。（三)控制系统的动态计算及调节器设计转速调节器的作用：1) 转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快的跟随给定电压Un*的变化；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动机允许的最大电流；电流调节器的作用：1) 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Ui（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；在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程；当电动机过载甚至堵转时，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重要的。 图4 双环调速系统原理图 1ACR的选择和计算 图5 电流调节器原理图电流调节器的设计：.确定时间常数 整流装置滞后时间常数TS 。查资料得，三相桥式电路的平均失控时间TS =0。00167s。 电流环小时间常数之和Ti 。按小时间常数近似处理,取Ti =Ts +Toi =0.0037s。.选择电流调节器结构根据设计要求，并保证稳态电流无差，可按典型型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的,因此可用PI型电流调节器，其传递函数为：。计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：=Tl=0.03s.电流环开环增益：要求时，应取KITi=0.5,因此KI=0。5/Ti =0。5/0.0037s=135。1 ，于是，ACR的比例系数为。计算调节器电阻和电容按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为 Ri=KiR0=1.013 40k=40.52 k,取40k ，取0.75 ,取0.2按照这些参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。2ASR的选择和计算 图6 转速调节器原理图（一） 转速调节器的设计。确定时间常数电流环等效时间常数1/KI。在电流调节器的设计中，已取KITi=0.5，则 转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取=+Ton=0。0074s+0。01s=0.0174s .选择转速调节器结构 按照设计要求,选用PI调节器，其传递函数为.计算转速调节器参数 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5,则ASR得超前时间常数为 由可求得转速环开环增益 于是，由 。计算调节器电阻和电容取R0=40k,则 ，取470k；，取0。2F; ，取1F。总结：在做这次课程设计期间遇到了很多问题,有关于设计的专业知识问题，也有软件使用上的问题，虽然网上查了不少资料，也查阅了一些书籍，但是并没有得到较好的解决，后来通过老师和同学的帮忙，终于完成了设计.在实际的设计过程中，能把理论中所学的知识灵活地运用起来,并能在设计中遇到各种各样的问题，这样的设计提高了我们解决问题的能力，学会了在设计中独立解决问题,也包括怎样去查找问题,所有的事都得自己亲手去设计、翻阅资料才会在脑海中留下深刻的印象。这个课程设计让我对Word这款软件使用的更加熟悉，特别是公式方面的输入技巧，更加深了我对双闭环直流调速系统的认识和理解.通过这次设计，我基本上掌握了直流双闭环调速系统的设计。具体的说，第一，了解了调速的发展史的同时,进一步了解了交流调速系统所蕴涵的发展潜力，掌握了这一方面未来的发展动态；第二，双闭环直流调速系统的基本组成以及其静态、动态特性;第三,ASR、ACR(速度、电流调节器)为了满足系统的动态、静态指标在结构上的选取，包括其参数的计算；第四，直流电动机数学模型的建立，参数的计算.参考文献：1 胡寿松，自动控制原理:科学出版社，20012 孔凡才 晶闸管直流调速系统：北京科技出版社，19853 黄俊 ,王兆安，电力电子技术：机械工业出版社，20044 陈伯时，电力拖动自动控制系统:机械工业出版社，20035 顾绳谷，电机及拖动基础:机械工业出版社，20076 王兆安，黄俊。电力电子技术。机械工业出版社,20027 张柳芳,王彦辉。速度和电流双闭环直流调速系统的设计。 新探平顶山师专,2000.514