1、IV武漢理工大學電力電子技術課程設計報告摘要本次課程設計直流電機可逆調速系統利用的是雙閉環調速系統，因其具有調速范圍廣、精度高、動態性能好和易于控制等優點，所以在電氣傳動系統中得到了廣泛的應用。直流雙閉環調速系統中設置了兩個調節器, 即轉速調節器(ASR)和電流調節器(ACR), 分別調節轉速和電流。本文對直流雙閉環調速系統的設計進行了分析，對直流雙閉環調速系統的原理進行了一些說明，介紹了其主電路、檢測電路的設計，介紹了電流調節器和轉速調節器的設計以及系統中一些參數的計算。關鍵詞：雙閉環，可逆調速，參數計算，調速器。15武漢理工大學電力電子技術課程設計報告目錄1. 設計概述11.1 設計意義及

2、要求11.2 方案分析11.2.1 可逆調速方案11.2.2 控制方案的選擇22.系統組成及原理43.1設計主電路圖73.2系統主電路設計83.3 保護電路設計83.3.1 過電壓保護設計83.3.2 過電流保護設計93.4 轉速、電流調節器的設計93.4.1電流調節器103.4.2 轉速調節器103.5 檢測電路設計113.5.1 電流檢測電路113.5.2 轉速檢測電路123.6 觸發電路設計134. 主要參數計算144.1 變壓器參數計算144.2 電抗器參數計算144.3 晶閘管參數145設計心得156參考文獻16直流電動機可逆調速系統設計1. 設計概述1.1 設計意義及要求直流電動機

3、具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內實現平滑調速，在許多需要調速或快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。從控制的角度來看，直流拖動控制系統又是交流拖動控制系統的基礎，所以應該首先掌握直流拖動控制系統。本次設計最終的要求是能夠是電機工作在電動和制動狀態，并且能夠對電機進行調速，通過一定的設計，對整個電路的各個器件參數進行一定的計算，由此得到各個器件的性質特性。1.2 方案分析1.2.1 可逆調速方案使電機能夠四象限運行的方法有很多，可以改變直流電機電樞兩端電壓的方向，可以改變直流電機勵磁電流的方向等等，即電樞電壓反接法和電樞勵磁反接法。電樞勵磁反接方法需要的晶閘管功率小，適用于被控電機容

4、量很小的情況，勵磁電路中需要串接很大的電感，調速時，電機響應速度較慢，且需要設計很復雜的電路，故在設計中不采用這種方式。電樞電壓反接法可以應用在電機容量很的情況下，且控制電路相對簡單，電樞反接反向過程很快，在實際應用中常常采用，本設計中采用該方法。電樞電壓反接電路可以采用兩組晶閘管反并聯的方式，兩組晶閘管分別由不同的驅動電路驅動，可以做到互不干擾。圖1-1 兩組晶閘管反并聯示意圖如上圖，電動機正轉時，由正組晶閘管裝置VF供電；反轉時，由反組晶閘管裝置VR供電。兩組晶閘管分別由兩套觸發裝置控制，都能靈活地控制電動機的起、制動和升、降速。但是，不允許讓兩組晶閘管同時處于整流狀態，否則將造成電源短路

5、，因此對控制電路提出了嚴格的要求。1.2.2 控制方案的選擇 方案一：雙閉環直流調速系統該方案主要由給定環節、ASR、ACR、觸發器和整流裝置環節、速度檢測環節以及電流檢測環節組成。為了使轉速負反饋和電流負反饋分別起作用，系統設置了電流調節器ACR和轉速調節器ASR，別調節轉速和電流。由于調速系統的主要被控量是轉速, 故把轉速負反饋組成的環作為外環, 以保證電動機的轉速準確跟隨給定電壓, 把由電流負反饋組成的環作為內環, 把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制電力電子變換器UPE，這就形成了轉速、電流雙閉環調速系統。轉速檢測負載電流檢測整流觸發裝置ACRASR電壓電

6、動機圖1-2 雙閉環直流調速系統原理圖方案二：單閉環直流調速系統單閉環直流調速系統采用一個轉速負反饋和PI調節器構成的閉環控制系統。將與測速電機轉速成正比的電壓Uf 與給定電壓Ud 比較后,得偏差電壓U ,經放大器FD ,產生控制電壓Uk ,用以控制電動機的轉速,如圖所示。電壓整流觸發裝置電動機負載轉速檢測放大器圖1-3單閉環直流調速系統原理圖采用轉速負反饋和PI調節器的單閉環直流調速系統是比較基礎比較容易掌握的，它可以在保證系統穩定的前提下實現轉速無靜差。但是，如果對系統的動態性能要求較高，例如：要求快速起制動，突加負載動態速降小等等，單閉環系統就難以滿足需要。原因是因為在單閉環系統中不能隨

7、心所欲地控制電流和轉矩的動態過程。為了實現在允許條件下的最快起動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，采用電流負反饋就可以得到近似的恒流過程。通過一定的比較，方案二采用雙閉環轉速電流調節方法，雖然相對成本較高，但保證了系統的可靠性能，和對生產工藝的要求的滿足，既保證了穩態后速度的穩定，同時也兼顧了啟動時啟動電流的動態過程，很好的滿足了生產需求。所以在此系統設計中選用第二種方案更為合適。2.系統組成及原理本次設計的直流電機可逆調速系統的總體設計原理圖如圖所示。圖2-1總體設計原理圖主電路采用三相橋式整流電路，其中串有過流和過壓保護電路。由于電流檢測信號中常有交流分量，須加低通濾波，其濾

8、波時間常數Toi按需要選定。濾波環節可以抑制反饋信號中的交流分量，但同時也給反饋信號帶來了延遲。為了平衡這一延遲作用，在給定信號通道中加入一個相同時間常數的慣性環節，稱作給定濾波環節。其作用是：讓給定信號和反饋信號經過同樣的延遲，使二者在時間上得到恰當的配合，從而帶來設計上的方便。由測速發電機得到的轉速反饋電壓含有電機的換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數用Ton表示。根據和電流環一樣的道理，在轉速給定通道中也配上時間常數為Ton的給定濾波環節。直流雙閉環調速系統由給定電壓、轉速調節器、電流調節器、三相集成觸發器、三相全控橋、直流電動機及轉速、電流檢測裝置組成，其中主電路中串入平波電抗器，以

9、抑制電流脈動，消除因脈動電流引起的電機發熱以及產生的脈動轉矩對生產機械的不利影響。有了以上的一些分析，本次設計的大致組成已經成型，具體結構如下圖圖2-2系統結構圖圖中，把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制UPE部分，從閉環結構上看，電流環在里面，稱作內環；轉速環在外邊，稱作外環。這就形成了轉速、電流雙閉環調速系統。兩個調節器均采用PI調節器，可以對負載變化和電網電壓的波動起抗擾的作用。轉速調節器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值；電流調節器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。其中，轉速調節器的作用是它能使轉速 n 很快地跟隨給定電壓

10、變化，穩態時可減小轉速誤差，如果采用PI調節器，則可實現無靜差，同時對負載變化起抗擾作用。電流調節器的作用是使電流緊緊跟隨外環調節器的輸出量變化，對電網電壓波動起及時抗擾作用，也在轉速動態過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態過程；同時當電機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。系統電氣原理圖如下圖所示。圖2-3系統電氣原理圖3.系統電路設計3.1設計主電路圖經過查閱資料以及對設計要求的理解，我們采用按照如下電路所示的主電路作為整個設計的中心電路，由此電路可以客觀明朗的了解電路各部分的作用。3-1主電路圖3.2系統主電路設計主電路采用三相橋式整流電路。三相橋式整

11、流電路適用于拖動大功率電動機負載，并且電流脈動較小，因而常常被使用。如下圖3-2的主電路中，三相交流電經由三相變壓器后，輸入整流橋。三相變壓器采用形解法。晶閘管整流橋只有在觸發裝置給出觸發信號后才會導通。整流橋輸出端串接平波電抗器TA，以減小輸出電流的脈動。圖3-2 系統主電路電氣原理圖3.3 保護電路設計3.3.1 過電壓保護設計電力電子裝置中過電壓分為外因過電壓和內因過電壓兩類，外因過電壓是來自雷擊和系統的操作過程等外部因素。內因主要是由于電力電子裝置內部器件的開關過程產生的過電壓。對于外因過電壓可以設置避雷器、變壓器屏蔽層、靜電感應過電壓抑制電容、壓敏電阻過電壓抑制器等等。本設計中采用R

12、C過電壓抑制電路如下圖，將該裝置置于供電變壓器的兩側或者是電力電子電路的直流側。圖3-3 RC網絡過壓保護示意圖3.3.2 過電流保護設計當電力電子電路運行不正常或者發生故障時，就可能有出現過電流的現象。實際應用的電力電子裝置中，一般采用快速熔斷器、直流快速斷路器、過電流繼電器等幾種方式組合使用。我們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。并根據變壓器副邊電壓和副邊電流的大小，選擇快速熔斷器的規格為。過流保護電路采用采用型過流保護電路如下圖。在三相母線每一相串接如圖的過流保護電路，其中由比較電路輸入電流限幅值。圖3-4 過流保護示意圖3.4 轉速、電流調節器的設計轉速、電流雙閉環調

13、速系統的結構圖如圖3-5所示：圖3-5直流雙閉環調速系統結構圖系統設計的一般原則是：先內環后外環。在這里，首先設計電流調節器，然后把整個電流環看作是轉速調節系統中的一個環節，再設計轉速調節器。由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調節器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波傳遞函數可用一階慣性環節來表示，其濾波時間常數按需要選定，以濾平電流檢測信號為準。然而，在抑制交流分量的同時，濾波環節也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個等時間常數的慣性環節，稱作給定濾波環節。由測速發電機得到的轉速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數用表示，根據和電流環

14、一樣的道理，在轉速給定通道上也加入時間常數為的給定濾波環節。3.4.1電流調節器含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調節器如圖3-6所示，圖3-6含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調節器其中R4左端電壓為電流給定電壓，R8左端電壓為電流負反饋電壓，ACR輸出端電壓為電力電子變換器的控制電壓。3.4.2 轉速調節器含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節器如圖3-7所示：圖3-7含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節器其中R3左端電壓為轉速給定電壓，R17左端電壓為轉速負反饋電壓，ASR調節器的輸出是電流調節器的給定電壓。3.5 檢測電路設計3.5.1 電流檢測電路使用霍爾電流傳感器可以檢測電流，把接到霍爾

15、傳感器上。霍爾效應傳感器，可以測量任意波形的電流和電壓。輸出端能真實地反映輸入端電流或電壓的波形參數。如圖3-8所示： 圖3-8 電流檢測電路3.5.2 轉速檢測電路轉速的檢測可把接到一個測速發電機上即可檢測轉速，如圖3-9所示： 圖3-9 轉速檢測電路檢測電路與調節器電路的連接圖如下圖所示。圖3-10 調節器及檢測電路電氣原理圖其中測速發電機及相關電路將電動機轉速轉化為電壓信號，經過運放的作用得到Un輸入到轉速調節器ASR的比較端。轉速調節器輸出信號經過由二極管構成的限幅電路后輸入到電流調節器的比較端。將霍爾傳感器接入到主電路用以監測電動機電樞電流，經過由二極管構成的三相橋式不控整流電路后，

16、再經由運放的比例作用輸入到電流調節器的比較端。電流調節器輸出信號經過由二極管構成的限幅電路后輸入到觸發電路的控制端。3.6 觸發電路設計 晶閘管觸發電路是通過控制觸發角的大小，即控制觸發脈沖的起始相位來控制輸出電壓的大小為了能夠實時控制電動機的轉速，必須能夠連續調節晶閘管的導通角。 對于三相整流橋的晶閘管觸發電路很重要的一點是保持觸發電路和主電路的同步，即要求觸發電路輸出的驅動脈沖信號與電源的頻率相同而且相位關系確定。為保證觸發電路和主電路頻率一致，在設計中采用了一個同步變壓器，將其一次側接入為主電路供電的電網，由其二次側提供同步信號接入觸發電路。在本設計中采用集成觸發器TC787作為晶閘管觸

17、發電路主要元器件。TC787具有功耗小，抗干擾性能好，移相范圍寬，裝調簡便，使用可靠，所以只需用一片芯片即可完成三相橋式晶閘管的驅動工作。圖3-11 觸發電路電氣原理圖三相同步電壓經過T型網絡進入電路。通過過零檢測和極性判別電路檢測出零點和極性后，在三個電容上積分形成鋸齒波，鋸齒波在芯片內部的比較器中與移相電壓比較取得交相點，移相電壓由4號引腳輸入，在本設計中移相電壓為調節器輸出的控制電壓。觸發信號由712號引腳引出，分別接晶閘管門極控制晶閘管的導通。4. 主要參數計算4.1 變壓器參數計算 （4-1） ，取 （4-2） （4-3）其中系數0.9為電網波動系數，系數1-1.2為考慮各種因素的安

18、全系數，這里取1.1。電動勢系數 （4-4）4.2 電抗器參數計算由于考慮到電動機不允許有過大的脈動電流通過，所以在整流電路的直流側串聯平波電抗器抑制較大的脈動電流。三相全控橋中，在這我們按5%的標準來計算 （4-5）4.3 晶閘管參數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，晶閘管的額定電壓一般選取其最大正反向電壓的倍。帶反電動勢負載時，變壓器二次側電流有效值是其輸出直流電流有效值的一半，而對于橋式整流電路，晶閘管的通態平均電流，則在本設計中晶閘管的額定電流350V，在本設計中晶閘管的額定電壓選定為。晶閘管額定電壓和電流的具體數值可按此選取。5設計心得本設計綜合運用了模擬電子技術、自動控制理論、電力電子技術、電機拖動技術以及電力拖動技術，同時也涉及了過控技術，充分體現了電力電子技術在此設計中的全面應用。為了完成該設計，我們將許多已經收起來的書本再次拿出來進行研究，還從圖書館借閱相關資料，查詢了很多有關書籍，對于一些自己不能夠從書本和同學那解決的問題我還借助了網絡資源，通過網絡完成了一些自己所