直流电机晶闸管双闭环调速系统设计

课程设计说明书题目直流电机晶闸管双闭环调速系统设计（院）系应用技术学院专业自动化班级0681学号200613110129学生姓名田凯指导老师姓名刘星平赵葵银完成日期2009年05月18日至2009年06月12日1湖南工程学院课程设计任务书课程名称：电力电子技术题目：直流电机晶闸管双闭环调速系统设计专业班级：自动化学生姓名：学号：指导老师：审批：任务书下达日期2009年5月18日设计完成日期2009年6月12日2设计内容与设计要求一．设计内容：1．电路功能：1）用移相控制实现直流调压，控制直流电动机的转速。2）电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：整流电路、斩波电路及保护电路。控制电路主要环节：触发电路、电压电流检测单元、驱动电路、检测与故障保护电路。3）主电路电力电子开关器件采用晶闸管。4）系统具有完善的保护2.系统总体方案确定3.主电路设计与分析1）确定主电路方案2）主电路元器件的计算及选型3）主电路保护环节设计4.控制电路设计与分析1）检测电路设计2）功能单元电路设计3）触发电路设计4）控制电路参数确定二．设计要求：1．设计思路清晰，给出整体设计框图；2．单元电路设计，给出具体设计思路和电路；3．分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析。4．绘制总电路图5．写出设计报告；3主要设计条件1．设计依据主要参数1）输入输出电压：（AC）220（1+15%）、0~300VDC2）最大输出电压、电流根据电机功率予以选择3）要求电机能实现单向无级调速，实现无静差调速。4）电机型号布置任务时给定2.可提供实验说明书格式1．课程设计封面；2．任务书；3．说明书目录；4．设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）；5．单元电路设计（各单元电路图）；6．故障分析与电路改进、实验及仿真等。7．总结与体会；8．附录（完整的总电路图）；9．参考文献；10、课程设计成绩评分表4进度安排第一周星期一:课题内容介绍和查找资料；星期二:总体电路方案确定星期三:主电路设计星期四:控制电路设计星期五:控制电路设计；第二周星期一:控制电路设计星期二：电路原理及波形分析、实验调试及仿真等星期四~五:写设计报告，打印相关图纸；星期五下午:答辩及资料整理参考文献1．石玉栗书贤．电力电子技术题例与电路设计指导．机械工业出版社，19982．王兆安黄俊．电力电子技术（第4版）．机械工业出版社，20003．浣喜明姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，20004．莫正康．电力电子技术应用（第3版）．机械工业出版社，20005．郑琼林．耿学文．电力电子电路精选．机械工业出版社，19966．刘定建朱丹霞．实用晶闸管电路大全．机械工业出版社，19967．刘祖润胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，19958．刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，19999.刘星平.一种新型双闭环直流脉宽调速系统的设计与应用。电气自动化。2003.45目录第一章双闭环系统的概述.........................................6第二章主电路设计.....................................................8一、双闭环直流调速系统的系统组成...................8二、双闭环直流调速系统的原理图.......................9第三章各单元电路设计...........................................10一、G（给定）.......................................................10二、FBC+FA+FT....................................................11三、速封锁器（DZS）..........................................12四、电源输入输出端.............................................15五、FBS（速度变换器）......................................15六、ASR（速度调节器）......................................15七、ACR（电流调节器）.....................................17第四章器件的计算与选型.......................................19一、整流变压器额定参数的计算.........................19二、晶闸管元件的计算与选型.............................20三、电流调节器计算.............................................20四、转速调节器计算.............................................22第五章总结...............................................................246第一章双闭环系统的概述直流电机双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流得冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中,我们希望在电机最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）首相的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值得恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒7流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不在电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用不同的阶段。在设计过程中，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，需要设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即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晶闸管整流器的触发装置从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫内环；转速环在外面，叫外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。8第二章主电路设计一、双闭环直流调速系统的系统组成图1-1转速、电流双闭环直流调速系统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Un*---转速给定电压Un---转速反馈电压Ui*---电流给定电压Ui---电流反馈电压为实现转速和电流两种负反馈分别作用，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。二者之间实行嵌套连接，如图所示。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。9二、双闭环直流调速系统的原理图图1-2双闭环直流调速系统电路原理图为了获得良好的静、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如上图所示。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。图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定后了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。10第三章各单元电路设计一、G（给定）原理图如图1-1。它的作用是得到下列几个阶跃的给定信号：（1）0V突跳到正电压，正电压突跳到0V；（2）0V突跳到负电压，负电压突跳到0V；（3）正电压突跳到负电压，负电压突跳到正电压。正负电压可分别由RP1、RP2两多圈电位器调节大小（调节范围为013V左右）。数值由面板右边的数显窗读出。只要依次扳动S1、S2的不同位置即能达到上述要求。（1）若S1放在“正给定”位，扳动S2由“零”位到“给定”位即能获得0V突跳到正电压的信号，再由“给定”位扳到“零”位能获得正电压到0V的突跳；（2）若S1放在“负给定”位，扳动S2，能得到0V到负电压及负电压到0V的突跳；（3）S2放在“给定”位，扳动S1，能得到正电压到负电压及负电压到正电压的突跳。使用注意事项：给定输出有电压时，不能长时间短路，特别是输出电压较高时，否则容易烧坏限流电阻。RP1RP2-15VRP1RP2+15VG(给定)S1给定图1-1给定原理图S1-+正给定负给定0VS2S211二、FBC+FA+FT单元有三种功能：一是检测电流反馈信号，二是发出过流信号，三是发出过压信号。电路图为1-2。（1）电流变送器电流变送器适用于可控硅直流调速装置中，与电流互感器配合，检测可控硅变流器交流进线电流，以获得与变流器电流成正比的直流电压信号，零电流信号和过电流逻辑信号等。电流互感器的输出接至输入TA1，TA2，TA3，反映电流大小的信号经三相桥式整流电路整流后加至9R1、9R2、VD7及RP1、9R3、9R20组成的各支路上，其中：a．9R2与VD7并联后再与9R1串联，在其中点取零电流检测信号。b．将RP1的可动触点输出作为电流反馈信号，反馈强度由RP1进行调节。c．将可动触点RP2与过流保护电路相联，输出过流信号，可调节过流动作电流的大小。（2）过流保护（FA）当主电路电流超过某一数值后(2A左右)，由9R3，9R20上取得的过流信号电压超过运算放大器的反向输入端，使D触发器的输出为高电平，使晶体三极管V由截止变为导通，结果使继电器K的线圈得电，继电器K由释放变为吸引，它的常闭触点接在主回路接触器的线圈回路中，使接触器释放，断开主电路。并使发光二极管亮，作为过流信号指示，告诉操作者已经过流跳闸。SA为解除记忆的复位按钮，当过流动作后，如过流故障已经排除，则须按下以解除记忆，恢复正常工作。12图1-2电流变送器与过流保护原理图三、速封锁器（DZS）零速封锁器的作用是当调速系统处于静车状态，即速度给定电压为零，同时转速也确为零时，封锁调节系统中的所有调节器，以避免静车时各放大器零漂引起可控硅整流电路有输出使电机爬行的不正常现象。原理电路如图1—3所示。1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:12-Jun-2002SheetofFile:D:\USER\MCL\mcl01\Fbc.DDBDrawnBy:K19R17+15RP1SAL19V14D5Q1CLK3Q2R4S6DAVD89R69R5RP29R4567A1BVD79R29R19R39R209R89R139R159R169R149R99R219R1032184A1A9R11RP39R129