长沙理工大学带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统设计

长沙理工大学带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统设计

一、绪论

科学技术的发展日新月异，科技产品涵盖着我们生活的方方面面。电动机作为一种便利的带动工具，是我们生活和工业生产中重要的不可缺少的一部分，人类的生产生活已经离不开它。对于我们来说，如何高效精确地控制电机的运转，并且最低的成本去实现，才是我们最值得深入研究的课题。

直流电动机具有良好的起、制动性能，方便控制，易于实现，宜于在大范围内平滑调速，并且直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，是研究其它调速系统的基础。在直流电动机中，带电流截止负反馈直流调速系统应用也较为广泛，其广泛应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切割机床等很多领域的自动控制中，虽然，在调速的高效性方面存在着局限性，但综合各方面来看，它任然有它独特的运用前景。

1.1设计的目的和意义

（1）应用所学的直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动系统的初步设计。

（2）学会应用MATLAB软件，建立数学模型对控制系统进行仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响；

（3）在理论设计与仿真研究的基础上，应用Protel进行控制系统的设计，为毕业设计打下基础。

1.2设计要求

本课程设计的对象是：

直流电机：2.2kW，220V，12.5A，1500

转/分。电枢电阻1.2，整流装置内阻1.5，触发整流环节的放大倍数为35，堵转电流，临界截止电流。

要求设计一个带直流截止负反馈的转速

单闭环调速系统。

其主要内容为：

（1）测定综合实验中所用控制对象的参数（由实验完成）；

（2）根据给定指标设计带电流截止负反馈的转速调节器，并选择调节器参数和具体实现电路。

（3）按设计结果组成系统，以满足给定指标。

（4）研究参数变化对系统性能的影响。

（5）在时间允许的情况下进行调试。

1.3设计对象及有关数据

（1）完成理论分析：

a.调速范围

D＝20，静差率

S≤10％；

b.转速超调σn≤10%(在额定转速时)；

c.动态速降小于

10％。

d.振荡次数小于

次；

①进行系统参数计算，完成转速调节器及电流截止负反馈的结构与参数设计；

②对整个调速系统的动态性能进行分析；

（2）完成系统电气原理图的设计

①晶闸管－电动机系统主电路设计

②晶闸管整流电路方案的讨论和选择。

③整流变压器额定容量、一次侧和二次测电压、电流的选择。

④晶闸管的选择及晶闸管保护电路的选择。

⑤平波电抗器的计算与选择。

⑥触发电路的选择。

⑦

测速发电机的选择及有关元件的选择与计算。

⑧完成系统电气原理图的设计。

二、带电流截止负反馈的闭环直流调速系设计方案的选择

2.1

普通闭环直流调速系统及其存在的问题

（1）起动的冲击电流---直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电机换向不利，对过载能力低的电力电子器件来说，更是不能允许的。

（2）闭环调速系统突加给定起动的冲击电流---采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零，相当于偏差电压，差不多是其稳态工作值的1+k

倍。这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压一下子就达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，当然是不允许的。

（3）堵转电流---有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。例如，由于故障，机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。

2.2限流保护—电流截止负反馈的提出

为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么，引入电流负反馈，应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。通过对电流负反馈和转速负反馈的分析。考虑到，限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减，采用电流截止负反馈的方法，则当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。

2.3

直流调速系统调速方案的分析比较与选择

调节电动机的转速有三种方法：

（1）调节电枢供电电压U。

（2）减弱励磁磁通Φ。

（3）改变电枢回路电阻R。

对于要求在一定范围内的无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。

变压调速是直流调速系统的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源。常用的可控直流电源有三种：

（1）旋转变流机组（简称G-M系统）。用交流电动机和直流发电机组成机组，获得可调的直流电压。

（2）静止式可控整流器（简称V-M系统）。用静止式可控整流器获得可调的直流电压。

(3)

直流斩波器或脉宽调制变换器（简称PWM系统）。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，产生可变的平均电压

G-M系统所需要的设备多，体积大，费用高，效率低，安装须打地基，运行有噪声，维护不方便，因此现在已经基本不再使用；PWM系统与V-M系统相比虽然有较大的优越性，但仅在中、小容量系统的高动态应用广泛，而在大功率容量的电机中，对调速精度要求不高的场合，V-M系统任然适用，并且发挥着不可替代的作用。

2.4

V-M系统的工作原理分析

晶闸管—电动机调速系统（简称V—M系统），其原理图如图1-1所示。图中VT是晶闸管的可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压Ud，从而实现平滑调速，也大大提高了系统的动态性能；反并联两组全控整流电路，就可实现电机的四象限运行。

由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难；

元件对过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能在很短时间内损坏元件。

因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还应有足够的余量。

图1-1

V—M系统原理图

2.5设计参数的选择

（1）电机的参数选择

直流他励电动机：功率PN＝2.2KW，额定电压UN=220V，额定电流IN=12.5A,nN=1500r/min，电枢电阻1.2，整流装置内阻1.5，触发整流环节的放大倍数为35，堵转电流，临界截止电流。

（2）测速发电机

永磁式，额定数据为23.1W，110V，0.21A，1900r/min

（3）调速指标

①调速范围D=20，转差率S≤10%

②转速超调σn≤10%(在额定转速时)；

③动态速降小于

10％。

④振荡次数小于

次；

三、带电流截止负反馈的闭环直流调速系统主回路的选择

3.1

变压器的参数计算及选型

变压器副边电压采用如下公式进行计算：

因此变压器的变比近似为：

一次侧和二次侧电流I1和I2的计算

I1=1.05×287×0.861/3.45=75A

I2=0.861×287=247A

变压器容量的计算

S1=m1U1I1=3×380×75=85.5kVA

S2=m2U2I2=3×110×247=81.5kVA

S=0.5×(S1+S2)=0.5×(85.5+81.5)=83.5kVA

因此整流变压器的参数为：变比K=3.45，容量S=83.5KVA，联结方式为：⊿/Y。

3.2

主电路元器件的参数计算与选型

3.2.1

主电路结构选择

本设计采用桥式整流电路，其主要特点如下：输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压较低，电源变压器充分利用，效率高。晶闸管的导通顺序依次为VT1--VT2--VT3--VT4--VT5--VT6。

图3-1三相桥式全控整流电路

3.2.2晶闸管的额定参数计算

晶闸管的额定电压通常选取断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小的标值作为该器件的额定电压，考虑到要留有一定的裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2～3倍；据有效值相等的原则，晶闸管的额定电流一般选取其通态平均电流的1.5～2倍。在三相桥式全控整流电路中，带纯阻性负载时，晶闸管两端承受的最小峰值为；带反电动势负载时，晶闸管两端承受的最大正反向峰值为；晶闸管的通态平均电流IVT=Id。

则据=(2～3)/(2～3),I2=I,IVT=I,IVT(AV)=

IVT/1.57(1.5～2)

在本设计中，晶闸管的额定电流IVT(AV)=167～334A

晶闸管的额定电压UN=539～1617V

3.2.3

平波电抗器的参数计算

在V-M系统中，脉动电流会增加电机的发热，同时也产生脉动转矩，对机械产生不利，为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，在本设计中采用设置平波电抗器的方法。

Ud=2.34U2cos

Ud=UN=220V,取=0°

一般取I

dmin

为电动机额定电流的5%-10%,这里取10%

则

U2=

L=0.693

3.2.4

整流装置的保护

与其他类型的电气设相比，晶闸管元件有很多优点，但是由晶闸管的伏安特性可知，元件的反向击穿电压较接近于运行电压，热时间常数小，因此过电压、过电流能力差，在短时间内的过电压、过电流都可能造成元件的发热损坏。为了使晶闸管可靠工作，必须设置保护装置。

（1）过电压保护

如图3-2所示，下图是常见的三相RC过电压抑制电路连接方式。

①交流侧RC过电压保护的参数整定

据公式C1≥3×6×Io%×S1/

(一般取Io%=6.5%)

=3×6×6.5×((85.5/3)×/)

=69μF

R1=×2.3×/

S1×(一般取=5%)

=×2.3×(/

(85.5/3)

×)×

=1.1Ω(取1Ω)

图3-2三相RC过电压抑制电路

②直流侧RC过电压保护的参数整定

C2≥6×Io%×S2/

(一般取Io%=6.5%)

=6×6.5×((81.5/3×)/

=88μF

R2=2.3×/

S2×(一般取=5%)

=2.3×(/(81.5/3×))×

=0.9Ω（取1Ω）

（2）过电流保护

①保护变压器的熔断器的选择

据式IN.FE=(1.5-2)I1.NF

(式中，I1.NF为变压器的额定一次电流为75A)

熔体额定电流为IN.FE=(1.5-2)×75A=（112.5-150）A

所以应选熔断器的型号为RM20-200。

②整流元件的快速熔断器的选择

据式IN=

IVT(AV)/

1.57(式中IVT(AV)取240A)

熔体额定电流为IN=240/1.57=152.8A

所以快速熔断器的型号为RLS-160。

3.2.5晶闸管的触发电路的选择

图3-3给出了常见的三相桥式全控整流电路的晶闸管的触发电路。

对于三相全控整流或调压电路，要求顺序输出的触发脉冲依次间隔60°。本设计采用三相同步绝对式触发方式。根据单相同步信号的上升沿和下降沿，形成两个同步点，分别发出两个相位互差180°的触发脉冲。然后由分属三相的此种电路组成脉冲形成单元输出6路脉冲，再经补脉冲形成及分配单元形成补脉冲并按顺序输出6路脉冲。本设计课题是三相全桥控桥整流电路中有六个晶闸管，触发顺序依次为：VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6，晶闸管必须严格按编号轮流导通，6个触发脉冲相位依次相差60O，可以选用3个KJ004集成块和一个KJ041集成块，即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，就可以构成三相全控桥整流电路的集成触发电路如图3-3。

图3-3三相桥式全控整流电路的集成触发控制电路

四、带电流截止负反馈的闭环直流调速系统控制电路的设计

4.1控制电路的结构选择

图4-1所示是一个带电流截止负反馈的无静差的直流调速系统，采用比例积分调节器一实现无静差，采用电流截止负反馈来限制动态过程的冲击电流。TA为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号Ui。当电流超过截止电流Idcr时，Ui高于稳压管VS的击穿电压，使晶体三极管VBT导通，则PI调节器的输出电压Uc接近于零，电力电子变换器的输出电压Ud急剧下降，达到限流的目的。改变即可调节电动机的转速。

图4-1无静差直流调速系统原理图

如图4-2所示，上述无静差调速系统的理想静特性如图实线所示。

图3-2

带电流截止的无静差直流调速系统的静特性

当<时，系统无静差，静特性是不同转速的一族水平线；

当≥时，电流截止负反馈起作用，静特性急剧下垂，基本上是一条垂直线。

图3-3无静差直流调速系统稳态结构图（<）

图4-4无静差直流调速系统稳态结构图（≥）

4.2

转速环的参数计算与设计

（1）额定负载时的稳态速降应为:

（2）求闭环系统应有的开环放大系数

①计算电动机的电动势系数

②开环系统额定速降

③闭环系统的开环放大系数

（3）计算转速负反馈环节的反馈系数和参数

①测速发电机的电动势

②转速反馈电压（α=α2Cetg

α2取0.2）

×1500

=0.2

×0.0579×1500=17.37V

③转速反馈系数

=0.2×0.0579V.min/r=0.01158V.min/r

(4)

计算运算放大器的放大系数和参数

①运算放大器放大系数

②运算放大器型号

取R0=40KΩ，R1=R0

=4.11×40KΩ=164.37KΩ

4.3电流截止负反馈环节的参数计算与设计

4.3.1

电流检测与反馈

直流调速系统中的电流截止负反馈的电流检测环节如图4-5所示，电流反馈信号取自串入电动机电枢回路中的小阻值电阻Rs，IdRs正比于电流。设Idcr为临界的截止电流，当电流大于Idcr时，将电流负反馈信号加到放大器的输入端；当电流小于Idcr时，将电流反馈切断。为了实现这一作用，须引入比较电压，图4-5a中用独立的直流电源作为比较电压，其大小可用电位器调节，相当于调节截止电流。在IdRs与Ucom之间串联一个二极管VD，当IdRs>Ucom时，二极管导通，电流负反馈信号Ui即可加到放大器上去；当IdRs≤Ucom时，二极管截止，Ui既消失。截止电流Idcr=Ucom/

Rs。

图4-5b中利用稳压管VS击穿电压Ubr作为比较电压，线路要简单得多，但不能平滑调节截止电流。

（a）利用独立直流电源作比较电压

（b）利用稳压管产生比较电压

图4-5电流截止负反馈的电流检测环节

所以选择利用独立电源作比较电压环节，见图4-5a。

4.3.2电流检测环节的参数计算

①最大堵转电流

应小于电机允许的最大电流，一般为Idbl

≤2IN，故取

Idbl

=2

IN=2×12.5=25A（已知IN

=12.5A）

②截止电流Idcr=Ucom/

Rs。

从调速系统的稳态性能上看，希望稳态范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取Idcr

≥1.2IN

；故取

Idcr=1.2

IN=1.2×12.5=15A（已知IN

=12.5A）

由式①和式②可求出

Rs=1.05Ω，=15.75V

4.4

系统的动态分析与设计

图4-3为反馈控制闭环直流调速系统的动态结构框图，是由各环节的传递函数，按在系统中的相互关系组合起来的。

图4-3反馈控制闭环直流调速系统的动态结构框图

其开环传递函数为

据系统的闭环传递函数和劳斯判据得，系统稳定条件为

计算系统中各环节的时间常数：（已知L=37.23mH）

电磁时间常数为

机电时间常数为

对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为

所以为保证系统稳定，开环放大系数应满足稳定条件，即

因为K=12.41≤594.82，所以闭环系统是稳定的。

系统的开环传递函数为：

4.5

调节器的参数计算与设计

作为调速系统的动态校正装置，且该直流调速系统是无静差调速系统，所以常采用PI调节器来实现，其线路图4-6所示。

图

4-6

PI调节器线路图

PI调节器的的传递函数为

为PI调节器的比例放大系数=

/

；=/；

为PI调节器积分时间常数。

所以PI调节器的阻容具体参数计算如下：

已知==4.11，R0=40KΩ，取=0.05；

=×=4.11×40=164.4

KΩ

=

/=0.05/40×=1.25μF

五、带电流截止负反馈闭环直流调速系统总电气原理图

六、课程设计总结

通过本次课程设计，使我对带电流截止负反馈的闭环直流调速系统分析与设计有了更加深刻的认识与理解，并且为以后的学习和工作打下了坚实的基础。更近一步的掌握了最基本的工程设计步骤与方法。我明白了：在大学的课堂的学习里，老师只是把一些重点难点的专业知识梳理一遍，给我们指出学习的正确的方向，让我们在学习中少走弯路，一些最基本的基础知识还是要我们自己下去自学和查阅相关的书籍手册，另外，我们也可以充分利用身边的网络资源，让其更好的帮助我们学习，巩固打牢专业知识。当然，在学习中养成勤学好问的好习惯也是必要的。在日后的工作学习中，我们一定要严格要求自己，事实求是，脚踏实地，我想这是作为一名大学生所必备的素质，有了扎实牢固的专业知识之后，我们也要结合实际去应用，用具体的实践去检验真理发现真理。

七、参考文献：

[1]

电力拖动自动控制系统：运动控制系统/陈伯时主编.机械工业出版社.2003

[2]

电力电子技术/王兆安,刘进军主编.机械工业出版社.2009

[3]

电力拖动自动控制系统设计手册.朱仁初.机械工业出版社.