直流电动机可逆调速系统设计(1)要点.pdf

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1、武汉理工大学电力电子技术课程设计报告 I 摘要 本次课程设计直流电机可逆调速系统利用的是双闭环调速系统，因其具有调 速范围广、 精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统中得到 了广泛的应用。直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器 (ASR) 和电流调节器 (ACR), 分别调节转速和电流。本文对直流双闭环调速系统的设计 进行了分析，对直流双闭环调速系统的原理进行了一些说明，介绍了其主电路、 检测电路的设计，介绍了电流调节器和转速调节器的设计以及系统中一些参数的 计算。 关键词：双闭环，可逆调速，参数计算，调速器。 武汉理工大学电力电子技术课程设计报告 II 目录 1

2、. 设计概述 . 1 1.1 设计意义及要求 1 1.2 方案分析 1 1.2.1 可逆调速方案 1 1.2.2 控制方案的选择 2 2. 系统组成及原理 4 3.1 设计主电路图 7 3.2 系统主电路设计 8 3.3 保护电路设计 8 3.3.1 过电压保护设计 8 3.3.2 过电流保护设计 9 3.4 转速、电流调节器的设计 9 3.4.1 电流调节器 . 10 3.4.2 转速调节器 . 10 3.5 检测电路设计 . 11 3.5.1 电流检测电路 . 11 3.5.2 转速检测电路 . 11 3.6 触发电路设计 . 12 4. 主要参数计算 14 4.1 变压器参数计算 . 1

3、4 4.2 电抗器参数计算 . 14 4.3 晶闸管参数 . 14 5 设计心得 . 15 6 参考文献 . 16 武汉理工大学电力电子技术课程设计报告 1 直流电动机可逆调速系统设计 1. 设计概述 1.1 设计意义及要求 直流电动机具有良好的起、 制动性能， 宜于在大范围内实现平滑调速，在许 多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来 看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础，所以应该首先掌握直流拖 动控制系统。 本次设计最终的要求是能够是电机工作在电动和制动状态，并且能 够对电机进行调速， 通过一定的设计， 对整个电路的各个器件参数进行一定的计 算，由此

4、得到各个器件的性质特性。 1.2 方案分析 1.2 .1 可逆调速方案 使电机能够四象限运行的方法有很多，可以改变直流电机电枢两端电压的方 向，可以改变直流电机励磁电流的方向等等，即电枢电压反接法和电枢励磁反接 法。 电枢励磁反接方法需要的晶闸管功率小，适用于被控电机容量很小的情况， 励磁电路中需要串接很大的电感，调速时，电机响应速度较慢， 且需要设计很复 杂的电路，故在设计中不采用这种方式。 电枢电压反接法可以应用在电机容量很的情况下，且控制电路相对简单，电 枢反接反向过程很快，在实际应用中常常采用，本设计中采用该方法。 电枢电压反接电路可以采用两组晶闸管反并联的方式，两组晶闸管分别由不 同

5、的驱动电路驱动，可以做到互不干扰。 图 1-1 两组晶闸管反并联示意图 武汉理工大学电力电子技术课程设计报告 2 如上图，电动机正转时，由正组晶闸管装置VF 供电；反转时，由反组晶闸 管装置 VR 供电。两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能灵活地控制电动机 的起、制动和升、降速。但是，不允许让两组晶闸管同时处于整流状态，否则将 造成电源短路，因此对控制电路提出了严格的要求。 1.2.2 控制方案的选择 方案一：双闭环直流调速系统 该方案主要由给定环节、 ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环 节以及电流检测环节组成。 为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设 置了电流调节器

6、ACR 和转速调节器 ASR，别调节转速和电流。 由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 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 ，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 图 1-2 双闭环直流调速系统原理图 方案二：单闭环直流调速系统 单闭环直流调速系统采用一个转速负反馈和PI 调节器构成的闭环控制系统。 将与测速电机转速成正比的电压Uf 与给定电压 Ud 比较后 ,得偏差电压 U , 经 放大器 FD ,产生控制电压 Uk ,用以控制电动机的

7、转速 ,如图所示。 图 1-3 单闭环直流调速系统原理图 采用转速负反馈和PI 调节器的单闭环直流调速系统是比较基础比较容易掌 握的，它可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动 转速检测 负载 电流检测 整流触发装置ACR ASR 电压电动机 电压整流触发装置电动机负载 转速检测 放大器 武汉理工大学电力电子技术课程设计报告 3 态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系 统就难以满足需要。 原因是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩 的动态过程。 为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持 为最大值 dm I的恒流过

8、程，采用电流负反馈就可以得到近似的恒流过程。 通过一定的比较， 方案二采用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高， 但 保证了系统的可靠性能， 和对生产工艺的要求的满足， 既保证了稳态后速度的稳 定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程，很好的满足了生产需求。 所以在 此系统设计中选用第二种方案更为合适。 武汉理工大学电力电子技术课程设计报告 4 给定电压 速度 调节器 电流 调节器 三相集成 触发器 三相 全控桥 直流 电动机 电流 检测 转速 检测 Un* Un + - U n Ui* Ui + - Uc n Ud 2. 系统组成及原理 本次设计的直流电机可逆调速系统的总体设计原理图如图

9、所示。 图 2-1 总体设计原理图 主电路采用三相桥式整流电路， 其中串有过流和过压保护电路。 由于电流检 测信号中常有交流分量，须加低通滤波，其滤波时间常数Toi按需要选定。滤波 环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来了延迟。为了平 衡这一延迟作用， 在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给 定滤波环节。 其作用是： 让给定信号和反馈信号经过同样的延迟，使二者在时间 上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。 由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波， 滤波时间常数用Ton表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道中也配上 时间常数为

10、Ton的给定滤波环节。 直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、 电流调节器、 三相集成触发 器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，其中主电路中串入平 波电抗器，以抑制电流脉动， 消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转 矩对生产机械的不利影响。 有了以上的一些分析，本次设计的大致组成已经成型，具体结构如下图 武汉理工大学电力电子技术课程设计报告 5 图 2-2 系统结构图 图中，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 UPE部分，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。两个调节器均

11、采用PI 调节 器，可以对负载变化和电网电压的波动起抗扰的作用。转速调节器 ASR 的输出限 幅电压决定了电流给定电压的最大值；电流调节器 ACR 的输出限幅电压限制了电 力电子变换器的最大输出电压。 其中，转速调节器的作用是它能使转速 n 很快地跟随给定电压变化，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，同时对负载变化起 抗扰作用。电流调节器的作用是使电流紧紧跟随外环调节器的输出量变化，对电 网电压波动起及时抗扰作用， 也在转速动态过程中， 保证获得电机允许的最大电 流，从而加快动态过程；同时当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值， 起快速的自动保护作用。 系统电气原

12、理图如下图所示。 武汉理工大学电力电子技术课程设计报告 6 图 2-3 系统电气原理图 武汉理工大学电力电子技术课程设计报告 7 3. 系统电路设计 3.1 设计主电路图 经过查阅资料以及对设计要求的理解，我们采用按照如下电路所示的主电路 作为整个设计的中心电路，由此电路可以客观明朗的了解电路各部分的作用。 3-1 主电路图 武汉理工大学电力电子技术课程设计报告 8 3.2 系统主电路设计 主电路采用三相桥式整流电路。三相桥式整流电路适用于拖动大功率电动机 负载，并且电流脉动较小，因而常常被使用。 如下图 3-2 的主电路中，三相交流电经由三相变压器后，输入整流桥。三相 变压器采用Y/形解法。

13、晶闸管整流桥只有在触发装置给出触发信号后才会导 通。整流桥输出端串接平波电抗器TA，以减小输出电流的脉动。 图 3-2 系统主电路电气原理图 3.3 保护电路设计 3.3. 1 过电压保护 设计 电力电子装置中过电压分为外因过电压和内因过电压两类，外因过电压是来 自雷击和系统的操作过程等外部因素。内因主要是由于电力电子装置内部器件的 开关过程产生的过电压。 对于外因过电压可以设置避雷器、变压器屏蔽层、 静电 感应过电压抑制电容、压敏电阻过电压抑制器等等。 本设计中采用 RC 过电压抑制电路如下图，将该装置置于供电变压器的两侧 或者是电力电子电路的直流侧。 武汉理工大学电力电子技术课程设计报告

14、9 图 3-3 RC 网络过压保护示意图 3.3.2 过电流保护设计 当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，就可能有出现过电流的现象。 实际应用的电力电子装置中， 一般采用快速熔断器、 直流快速断路器、 过电流继 电器等几种方式组合使用。 我们采用在电力变压器副边每相母线中串接快速熔断器的方法。并根据变压 器副边电压和副边电流的大小， 选择快速熔断器的规格为AIVU NN250,120 。 过流保护电路采用采用型过流保护电路如下图。在三相母线每一相串接如图 的过流保护电路，其中由比较电路输入电流限幅值。 图 3-4 过流保护示意图 3.4 转速、电流调节器的设计 转速、电流双闭环调速系统的结

15、构图如图3-5 所示： 图 3-5 直流双闭环调速系统结构图 系统设计的一般原则是：先内环后外环。在这里，首先设计电流调节器，然 武汉理工大学电力电子技术课程设计报告 10 后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。 由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需 加低通滤波。这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数 oi T 按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环 节也延迟了反馈信号的作用， 为了平衡这个延迟作用， 在给定信号通道上加入一 个等时间常数的惯性环节， 称作给定滤波环节。 由测速发电机得到的

16、转速反馈电 压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用 on T表示，根据和电流环一 样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为 on T的给定滤波环节。 3.4.1 电流调节器 含给定滤波与反馈滤波的PI 型电流调节器如图3-6 所示， 图 3-6 含给定滤波与反馈滤波的PI 型电流调节器 其中 R4 左端电压为电流给定电压，R8 左端电压为电流负反馈电压，ACR 输出 端电压为电力电子变换器的控制电压。 3.4.2 转速调节器 含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速调节器如图3-7 所示： 图 3-7 含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速调节器 武汉理工大学电力电子技术课程设计报告 11 其

17、中 R3左端电压为转速给定电压，R17 左端电压为转速负反馈电压，ASR 调节器的输出是电流调节器的给定电压。 3.5 检测电路设计 3.5.1 电流检测电路 使用霍尔电流传感器可以检测电流，把 i U接到霍尔传感器上。霍尔效应传 感器，可以测量任意波形的电流和电压。输出端能真实地反映输入端电流或电压 的波形参数。如图3-8 所示： 图 3-8 电流检测电路 3.5.2 转速检测电路 转速的检测可把 n U接到一个测速发电机上即可检测转速，如图3-9 所示： 图 3-9 转速检测电路 检测电路与调节器电路的连接图如下图所示。 武汉理工大学电力电子技术课程设计报告 12 图 3-10 调节器及检

18、测电路电气原理图 其中测速发电机及相关电路将电动机转速转化为电压信号，经过运放的作用 得到 Un输入到转速调节器ASR的比较端。转速调节器输出信号经过由二极管构 成的限幅电路后输入到电流调节器的比较端。 将霍尔传感器接入到主电路用以监测电动机电枢电流，经过由二极管构成的 三相桥式不控整流电路后，再经由运放的比例作用输入到电流调节器的比较端。 电流调节器输出信号经过由二极管构成的限幅电路后输入到触发电路的控制端。 3.6 触发电路设计 晶闸管触发电路是通过控制触发角的大小，即控制触发脉冲的起始相位来 控制输出电压的大小为了能够实时控制电动机的转速，必须能够连续调节晶闸管 的导通角。 对于三相整流

19、桥的晶闸管触发电路很重要的一点是保持触发电路和主电路 的同步，即要求触发电路输出的驱动脉冲信号与电源的频率相同而且相位关系确 定。为保证触发电路和主电路频率一致，在设计中采用了一个同步变压器，将其 一次侧接入为主电路供电的电网，由其二次侧提供同步信号接入触发电路。 在本设计中采用集成触发器TC787作为晶闸管触发电路主要元器件。 TC787具有功耗小，抗干扰性能好，移相范围宽，装调简便，使用可靠，所 以只需用一片芯片即可完成三相桥式晶闸管的驱动工作。 武汉理工大学电力电子技术课程设计报告 13 图 3-11 触发电路电气原理图 三相同步电压经过T 型网络进入电路。通过过零检测和极性判别电路检测

20、 出零点和极性后， 在三个电容上积分形成锯齿波， 锯齿波在芯片内部的比较器中 与移相电压比较取得交相点， 移相电压由 4 号引脚输入， 在本设计中移相电压为 调节器输出的控制电压 C U 。触发信号由 712 号引脚引出， 分别接晶闸管门极控 制晶闸管的导通。 武汉理工大学电力电子技术课程设计报告 14 4.主要参数计算 4.1 变压器参数计算 2 2. 3 4c o s d UU（4-1） 220 dN UUV ，取0 o （4-2） 2 220 (1 1.2)1.1114.9 2.34cos 00.92.340.9 d o U UVV（4-3） 其中系数 0.9 为电网波动系数， 系数 1

21、-1.2 为考虑各种因素的安全系数， 这 里取 1.1 。 电动势系数 22017.5 1.2 0.1327min/ 1500 NNa e N UI R CVr n （4-4） 4.2 电抗器参数计算 由于考虑到电动机不允许有过大的脉动电流通过，所以在整流电路的直流侧 串联平波电抗器抑制较大的脉动电流。三相全控桥中 min (5% 10%) dN II，在这 我们按 5% 的标准来计算 mH I U L d 5.510693.0 min 23 （4-5） 4.3 晶闸管参数 在桥式整流电路中晶闸管两端承受的最大正反向电压均为 2 2U ，晶闸管的 额定电压一般选取其最大正反向电压的32倍。 带

22、反电动势负载时，变压器二次侧电流有效值 2 I是其输出直流电流有效值 d I 的一半，而对于桥式整流电路，晶闸管的通态平均电流IIVT 2 2 ，则在本设计 中晶闸管的额定电流262 AVVT I350V，在本设计中晶闸管的额定电压选定为 VUN466311 。晶闸管额定电压和电流的具体数值可按此选取。 武汉理工大学电力电子技术课程设计报告 15 5 设计心得 本设计综合运用了模拟电子技术、自动控制理论、 电力电子技术、 电机拖动 技术以及电力拖动技术， 同时也涉及了过控技术， 充分体现了电力电子技术在此 设计中的全面应用。 为了完成该设计， 我们将许多已经收起来的书本再次拿出来 进行研究，

23、还从图书馆借阅相关资料， 查询了很多有关书籍， 对于一些自己不能 够从书本和同学那解决的问题我还借助了网络资源，通过网络完成了一些自己所 不能解决的问题，也对于我的学习经验有了一定的积累。 总之，经过这次的课程设计， 由于它在很大程度上要求了我们的动手与动脑 能力，理论与实际的相互结合， 很好地实现了从书本到实际操作的一个过渡，使 得我们从中学习到了很多书本上所学不到的一些内容，更加丰富了我们的知识 面。 武汉理工大学电力电子技术课程设计报告 16 参考文献 【1】王兆安，黄俊 . 电力电子技术 . 西安：机械工业出版社， 2007 【2】陈伯时 . 电力拖动自动控制系统 . 北京：机械工业出版社， 2007 【3】杨荫福，段善旭，朝泽云. 电力电子装置及系统 . 北京：清华大学出版社， 2006 【4】王廷才，电力电子变流技术： 机械工业出版社 【5】王果 , 直流电机双闭环调速系统的工程设计方法及仿真