1、西華大學課程設計說明書 第 PAGE 23 頁一、前言(qin yn)： 電動機作為一種有利工具，在日常生活中得到了廣泛的應用(yngyng)。而直流電動機具有很好的啟動，制動性能，所以在一些可控電力拖動場所大部分都采用直流電動機。而在直流電動機中，帶電流(dinli)截止負反饋直流調速系統應用也最為廣泛，其廣泛應用于軋鋼機、冶金、印刷、金屬切割機床等很多領域的自動控制。而在其中又以帶電流截至負反饋的晶閘管直流單閉環調速系統最為常用。整個系統由晶閘管、電流截至負反饋環節、晶閘管觸發電路、平波電抗器、過電壓保護裝置、過電流保護裝置、比例積分調節器、轉速反饋環節構成，能很好的實現直流電動機的調速過

2、程。二、設計內容： （1）、調速的方案選擇： 1. VM系統簡介 晶閘管電動機調速系統（簡稱VM系統），其簡單原理圖如圖1。圖中VT是晶閘管的可控整流器，它可以是單相、三相或更多相數，半波、全波、半控、全控等類型。優點：通過調節觸發裝置GT的控制電壓來移動觸發脈沖的相位，即可改變整流電壓從而實現平滑調速。缺點：1由于晶閘管的單向導電性，它不允許電流反向，給系統的可逆運行造成困難。2元件對過電壓、過電流以及過高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指標超過允許值都可能在很短時間內損壞元件。因此必須有可靠的保護裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時還應有足夠的余量。 圖12、開環系統(x

3、tng)和閉環系統的選擇 上述圖1所示的系統是一個開環系統，調節控制電壓Uc就可以改變電動機的轉速，如果負載的生產工藝對運行時的靜差率要求不高，這樣的開環調速系統都能實現一定范圍內的無級調速，但是許多(xdu)需要調速的生產機械常常對靜差率有一定的要求，所以這時開環調速就不滿足要求。這時我們就可選用閉環調速系統。閉環調速系統和開環調速系統相比，在靜特性方面有一下幾個有點：閉環系統靜特性(txng)可以比開環系統機械特性硬得多。閉環系統的靜差率要比開環系統小得多。如果所要求的靜差率一定，則閉環系統可以大大提高調速范圍。3、電流截止負反饋 在轉速反饋控制直流調速系統中存在一個問題，在啟動、制動過程

4、和堵轉狀態時，電樞電流會過大。為了解決反饋閉環調速系統的起動和堵轉時電流過大的問題，系統中必須有自動限制電樞電流的環節。根據反饋控制原理，要維持哪一個物理量基本不變，就應該引入那個物理量的負反饋。那么，引入電流負反饋，應該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。通過對電流負反饋和轉速負反饋的分析。考慮到，限流作用只需在起動和堵轉時起作用，正常運行時應讓電流自由地隨著負載增減，采用電流截止負反饋的方法，則當電流大到一定程度時才接入電流負反饋以限制電流，而電流正常時僅有轉速負反饋起作用控制轉速。電流截止負反饋環節如圖2-2中的（a）(b)(c)（a）利用獨立直流電源作比較(bjio)電壓 （b）利

5、用穩壓管產生比較(bjio)電壓（c）封鎖運算放大器的電流截止(jizh)負反饋環節 圖2-2 電流截止(jizh)負反饋的環節圖（a）中用獨立的直流電源作為比較電壓，其大小可用電位器調節，相當于調節截止電流。圖（b）中利用(lyng)穩壓管VS的擊穿電壓Ubr作比較電壓，線路要簡單得多，但不能平滑的調節電流值。圖（c）是反饋環節與運放的連接電路。由系統穩態結構可寫出該系統兩段靜特性的方程式：當時，引入電流負反饋，靜特性變為：靜特性的幾個特點： 圖2-3帶電流截止負反饋 閉環調速系統的靜特性（1）電流負反饋的作用相當于在主電路中串入 一個大電阻 Kp Ks Rs ，因而穩態速大，特性急劇下垂。

6、（2）比較電壓 Ucom 與給定電壓 Un* 的作用一致， 好像把理想空載轉速提高到 （3）這樣的兩段式靜特性下垂(xi chu)特性或挖土機特性。當挖土機遇到堅硬的石塊而過載時，電動機停下，電流也不過是堵轉電流Idbl，在上式中，令n=0，得 一般(ybn),因此(ync)Idbl應小于電動機允許的最大電流，一般為（1.52）In。另一方面，從調速系統的穩態性能上看，希望CA段的運行范圍足夠大，截至電流Idcr應大于電機的額定電流，例如，取Idc（1.11.2）In。這些都是設計電流截至負反饋環節參數的依據。2、確定直流調速系統的總體結構框圖KpKs1/CeRsRUfnUfiUgnIdRs-

7、UbjnUcUnUdoUbj 圖2-4帶電流截止負反饋的閉環直流調速穩態系統結構框圖（2）、主電路的設計雖然三相半波可控整流電路使用的晶閘管個數只是三相全控橋整流電路的一半，但它的性能不及三相全控橋整流電路。三相全控橋整流電路是目前應用最廣泛的整流電路，其輸出電壓波動小，適合直流電動機的負載，并且該電路組成的調速裝置調節范圍廣（將近50）。把該電路應用于本設計，能實現電動機連續、平滑地轉速調節、電動機不可逆運行等技術要求。三相(sn xin)全控橋整流電路實際上是組成三相半波(bn b)晶閘管整流電路中的共陰極組和共陽極組串聯電路，如圖六所示。三相全控橋整流電路可實現對共陰極組和共陽極組同時進

8、行控制，控制角都是。在一個(y )周期內6個晶閘管都要被觸發一次，觸發順序依次為：，6個觸發脈沖相位依次相差。為了構成一個完整的電流回路，要求有兩個晶閘管同時導通，其中一個在共陽極組，另外一個在共陰極組。為此，晶閘管必須嚴格按編號輪流導通。晶閘管與 按A相，晶閘管與 按B相，晶閘管與 按C相，晶閘管接成共陽極組，晶閘管 接成共陰極組。在電路控制下，只有接在電路共陰極組中電位為最高又同時輸入觸發脈沖的晶閘管，以及接在電路共陽極組中電位最低而同時輸入觸發脈沖的晶閘管，同時導通時，才構成完整的整流電路。由于電網電壓與工作電壓（U2）常常不一致，故在主電路前端需配置一個整流變壓器，以得到與負載匹配的電

9、壓，同時把晶閘管裝置和電網隔離，可起到降低或減少晶閘管變流裝置對電網和其他用電設備的干擾。考慮到控制角增大，會使負載電流斷續，并且負載為直流電動機時，由于電流斷續和直流的脈動，會使晶閘管導通角減少，整流器等效內阻增大，電動機的機械特性變軟，換向條件惡化，并且增加電動機的損耗，故在直流側串接一個平波電抗器，以限制電流的波動分量，維持電流連續。為了使元件免受在突發情況下超過其所承受的電壓電流的侵害，電路中加入了過電壓、過電流保護裝置。2.1 、變壓器參數的設計(shj)與計算變壓器副邊電壓采用如下(rxi)公式進行計算： 因此(ync)變壓器的變比近似為：一次側和二次側電流I1和I2的計算I1=1

10、.052870.861/3.45=75AI2=0.861287=247A變壓器容量的計算S1=m1U1I1=338075=85.5kVAS2=m2U2I2=3110247=81.5kVAS=0.5(S1+S2)=0.5(85.5+81.5)=83.5kVA因此整流變壓器的參數為：變比K=3.45，容量S=83.5kVA2.2、 平波電抗器參數的設計與計算 Ud=UN=220V, U2=Idmin=(5%-10%)IN,這里取10% 則L=0.693 2.3、晶閘管元件參數的計算晶閘管的額定( dng)電壓通常選取斷態重復峰值電壓UDRM和反向重復(chngf)峰值電壓URRM中較小的標值作為該

11、器件的額定電壓。晶閘管的額定電流一般(ybn)選取其通態平均電流的1.5-2倍。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2-3倍。帶反電動勢負載時，變壓器二次側電流有效值I2是其輸出直流電流有效值Id的一半，而對于橋式整流電路，晶閘管的通態平均電流IVT=I，則在本設計中晶閘管的額定電流IVT(AV)=523-698A。本設計中晶閘管的額定電壓UN=311-466V2.4、保護電路的設計對于過電壓保護本設計采用RC過電壓抑制電路，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上，如圖1-1所示。對于過電流保護本設計采用在電力變壓器副邊每

12、相母線中串接快速熔斷器的方法來保護電路，過壓保護電路圖如下圖3.1所示：圖2.1過壓保護電路圖(3)、晶閘管觸發電路的設計： 晶閘管觸發電路類型很多，有分立式、集成式和數字式，分立式相控同步模擬電路相對來說電路比較復雜；數字式觸發器可以在單片機上來實現，需要通過編程來實現，本設計不采用。由于集成電路可靠性高，技術性能好，體積小，功耗低，調試方便，所以本設計采用的是集成觸發器，選擇目前國內常用的KJ、KC系例，本設計采用KJ004集成塊和KJ041集成塊。對于三相全控整流或調壓電路，要求順序輸出的觸發脈沖依次間隔60。本設計采用三相同步絕對式觸發方式。根據單相同步信號的上升沿和下降沿，形成兩個同

13、步點，分別發出兩個相位互差180的觸發脈沖。然后由分屬三相的此種電路組成脈沖形成單元輸出6路脈沖，再經補脈沖形成及分配單元形成補脈沖并按順序輸出6路脈沖。本設計課題是三相全橋控橋整流電路中有六個晶閘管，觸發順序依次為：VT1VT2VT3VT4VT5VT6，晶閘管必須嚴格按編號輪流導通，6個觸發脈沖相位依次相差60O，可以選用3個KJ004集成塊和一個KJ041集成塊，即可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大，就可以構成三相全控橋整流電路的集成觸發電路如下圖3.1所示： 圖3.1三相全控橋整流電路(dinl)的集成觸發控制電路（4）、控制電路的設計(shj)與參數計算本次課程設計的內容是帶

14、電流截止負反饋的晶閘管直流單閉環調速系統設計，所以需要計算各種( zhn)基本調速系統的數據參數，以下即為本次設計所需的技術數據：技術數據：直流電動機的額定參數為60 kW、220V、305A、1000 r/min，電樞電阻Rs0.066，電機過載系數為1.5，系統總電感為2.16mH。電樞回路總電阻可取為R=Ra+Rrec=0.18，系統總飛輪矩GD2=78 Nm。使系統達到靜態指標D20，S5%，動態性能指標為相位裕量60，并使系統可以在階躍給定信號下直接啟動。晶閘管裝置：三相橋式全控整流(zhngli)電路，整流變壓器Y/Y聯結(linji)，二次電壓 QUOTE * MERGEFORM

15、AT E2t=220V，觸發(chf)整流環節的放大系數 QUOTE * MERGEFORMAT KS=44。 測速發電機，永磁式，ZYS231/110型；額定數據為23.1W,110V,0.21A,1900r/min。 4.1調速系統基本參數計算根據以上數據和穩態要求計算參數如下：為了滿足D=20，s5%，額定負載時調速系統的穩態速降為：根據 QUOTE * MERGEFORMAT ，求出系統的開環放大系數：式中 QUOTE * MERGEFORMAT 計算測速反饋環節的放大系數和參數：反饋系數 式中Un設定為10V（4）計算運算放大器的放大系數和參數：實取 QUOTE * MERGEFOR

16、MAT Kp=41按運算放大器參數，取 QUOTE * MERGEFORMAT 則 QUOTE * MERGEFORMAT （5) 判斷系統(xtng)的穩定性計算：電樞(din sh)回路總電阻 R=0.18 ，總電感(din n) L=2.16mH所以系統中各環節的時間常數：電磁時間常數Tl: Tl =L/R=2.16mH/0.18 =0.012s電力拖動機電時間常數: 晶閘管裝置的滯后時間常數Ts:0.00167S計算出開環放大系數應滿足的穩定條件為K66.988，又因為K=103.44，所以系統不穩定。4.2、電流截止負反饋環節參數計算與設計M+- UdId RsVDUi Ucom接放

17、大器M如圖3-1.其工作原理是：利用獨立的直流電源作為比較電壓，其大小可用電位器調節，相當于可調截至（保護）電流值。當時，二極管導通，電流截止負反饋信號加到放大器上去，從而使晶閘管系統輸出電壓減小，機械特性呈下垂特性；當時，二極管截止，消失。由所給的技術參數值可。為了減小所產生的功耗，選擇為，可得。電流截止負反饋的電路原理圖如下圖3.3所示：圖3.3電流截止(jizh)負反饋環節4.3、 調節器的參數設計(shj)與計算在設計閉環調速系統時，常常會遇到動態(dngti)穩定性與穩態性能指標發生矛盾的情況，這時，必須設計一個合適的動態校正裝置，用它來改造系統，使它同時滿足動態穩定性和穩態性能指標

18、兩方面要求。動態校正的方法很多，而且對于一個系統來說，能夠符合要求的校正方案也不是唯一的。在電力拖動自動控制系統中，最常用的是串聯校正和反饋校正。串聯校正比較簡單，也容易實現。對于帶電力電子變換器的直流閉環調速系統，由于其傳遞函數的階次較低，一般采用PID調節器的串聯校正方案就能完成動態校正的任務。PID調節器中有PD、PI和PID三種類型。由于PD調節器構成的超前校正，可提高系統的穩定裕度，并獲得足夠的快速性，但穩定精度可能受到影響；由PI調節器構成的滯后校正，可以保證穩定精度，卻是以對快速性的限制來換取系統穩定的。一般調速系統的要求以動態穩定性和穩態精度為主，對快速性要求差一些，所以采用P

19、I調節器。如下圖4.4所示：圖4.4比例(bl)積分（PI）調節器線路圖現在(xinzi)我們利用PI調節器來校正(jiozhng)，原系統的傳遞函數如下其中K=103.44，T1=0.012，由于因此分母中的二次項可以分解成兩個一次項之積，T1=0.084 ,T2=0.014W（s）所對應的伯特圖，應用MATLAB仿真軟件繪制如下圖4.5所示：圖4.5系統(xtng)校正前bode圖由于原始系統不穩定(wndng)，表現為放大系數K過大，截止頻率過高，應該設法把他們壓下來。因此，把校正環節(hunji)的轉折頻率設置在遠低于原始系統截止頻率處,令,使校正裝置的比例微分項與原始系統中時間常數最

20、大慣性環節對消,從而選定。其次，為了使校正后的系統具有足夠的穩定裕度，它的對數幅頻特性應以的斜率穿越線，將原始的對數幅頻和相頻特性壓低，使校正以后系統的對數幅頻和相頻特性的截止頻率。這樣，在處，應有。根據以上兩點，校正環節添加部分的對數特性就可以確定下來了：因此 代入已知數據(shj)，得 s-1取 ，為了(wi le)使，取，查得L1=37.9db，L2=-37.9db。從特性2可以(ky)看出 所以 又 所以 已知,則 ,所以取 ，取三、系統的計算機仿真1、仿真軟件介紹： 此次系統的仿真，我們選擇用MATLAB中的Simulink來實現，在Simulink中，我們把系統的框圖輸入進去，再將

21、各個部分的函數輸入進去，就可以獲得我們需要的仿真圖。2、系統(xtng)的仿真 我們(w men)先將我們(w men)需要仿真的模型建好，如下圖然后我們加入階躍輸入，再進行仿真觀察示波器波形然后我們再加入負載擾動，再觀察示波器波形四、總結(zngji)體會： 本文(bnwn)實現了帶電流截止負反饋的晶閘管的直流單閉環調速系統的設計，介紹(jisho)了帶電流截止負反饋的轉速調節的基本原理。通過參數的設計達到了題目的要求。通過本次課程設計，使我對電流截至負反饋的晶閘管直流單閉環調速系統分析與設計方法有了更加深刻的認識，為以后的學習和工作打下了堅實的基礎。在大學的課堂的學習只是在給我們灌輸專業知識，指導我們學習的方向。如果我們想把所學的用到我們現實的生活中去，則必須要有扎實的理論基礎，此次的設計為我奠定了一個理論基礎，同時我會在以后的學習、生活中磨練自己，使自己更好的將理論與實踐相結合，以取得更好的成果。此外在查找資料的過程中我也學到了許多新的知識，在和同學協作過程中增進同學間的友誼，使