课程设计--直流双闭环调速系统设计.doc

摘 要 在电气时代的今天，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。直流电机是最常见的一种电机，在各领域中得到广泛应用。研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。电机调速问题一直是自动化领域比较重要的问题之一。不同领域对于电机的调速性能有着不同的要求，因此，不同的调速方法有着不同的应用场合。本文基于PWM的双闭环直流调速系统进行了研究，并设计出应用于直流电动机的双闭环直流调速系统。首先描述了变频器的发展历程，提出了PWM调速方法的优势，指出了未来PWM调速方法的发展前景，点出了研究PWM调速方法的意义。应用于直流电机的调速方式很多，其中以PWM变频调速方式应用最为广泛，而PWM变频器中，H型PWM变频器性能尤为突出，作为本次设计的基础理论，本文将对PWM的理论进行详细论述。在此基础上，本文将做出SG3525单片机控制的H型PWM变频调速系统的整体设计，然后对各个部分分别进行论证，力图在每个组成单元上都达到最好的系统性能。 关键词：直流调速，双闭环，PWM ，SG3525，直流电机目录第一章 直流调速系统的方案设计 1.1设计技术指标要求 1.2 现行方案的讨论与比较 1.3 选择PWM控制调速系统的理由 1.4 采用转速、电流双闭环的理由第二章 PWM控制直流调速系统主电路设计 2.1 主电路结构设计 2.1.1 PWM变换器介绍 2.1.2 泵升电路 2.2 参数设计2.2.1 IGBT管的参数2.2.2 缓冲电路参数 2.2.3 泵升电路参数 第三章 PWM控制直流调速系统控制电路设计 3.1 检测环节 3.1.1电流检测环节 3.1.2 电压检测环节 3.2 调节器的选择与调整 3.2.1调节器限幅 3.2.2 调节器锁零 3.3 系统的给定电源、给定积分器 3.3.1 给定电源GS3.3.2 给定积分器 3.4 触发电路的确定 3.4.1 选用触发电路时须考虑的因素3.4.2 触发电路同步电压的选取第四章 参数计算 4.1 电流调节器的设计4.2 速度调节器设计 第五章 课程设计总结参考文献第一章 直流调速系统的方案设计1.1 设计技术指标要求1.直流电动机：型号：DJ15；功率：485W；电枢电压：220V；电枢电流：1.2A额定转数：1600rpm2.调速范围：1：12003.起动时超调量：电流超调量:；转速超调量: 1.2 现行方案的讨论与比较直流电动机的调速方法有三种：（1）调节电枢供电电压U。（2）改变电动机主磁通。（3）改变电枢回路电阻R。改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主速。改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，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以下三种：（1）旋转变流机组。（2）静止可控整流器。（3）直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。1.3 选择PWM控制系统的理由脉宽调制器UPW采用美国硅通用公司（Silicon General）的第二代产品SG3525，这是一种性能优良，功能全、通用性强的单片集成PWM控制器。由于它简单、可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试，故获得广泛使用。PWM系统在很多方面具有较大的优越性 ：1）PWM调速系统主电路线路简单，需用的功率器件少。2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。3）低速性能好，稳速精度高，调速范围广，可达到1：10000左右。4）如果可以与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。 6）直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。 变频调速很快为广大电动机用户所接受，成为了一种最受欢迎的调速方法，在一些中小容量的动态高性能系统中更是已经完全取代了其他调速方式。由此可见，变频调速是非常值得自动化工作者去研究的。在变频调速方式中，PWM调速方式尤为大家所重视，这是我们选取它作为研究对象的重要原因。 1.4 采用转速电流双闭环的理由同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。由于闭环系统的这些优点因此选用闭环系统。单闭环速度反馈调速系统，采用PI控制器时，可以保证系统稳态速度误差为零。但是如果对系统的动态性能要求较高，如果要求快速起制动，突加负载动态速降小等，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要求来控制动态过程的电流或转矩。另外，单闭环调速系统的动态抗干扰性较差，当电网电压波动时，必须待转速发生变化后，调节作用才能产生，因此动态误差较大。在要求较高的调速系统中，一般有两个基本要求：一是能够快速启动制动；二是能够快速克服负载、电网等干扰。通过分析发现，如果要求快速起动，必须使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩，即最大的恒定允许电枢电流，当电枢电流保持最大允许值时，电动机以恒加速度升速至给定转速，然后电枢电流立即降至负载电流值。如果要求快速克服电网的干扰，必须对电枢电流进行调节。以上两点都涉及电枢电流的控制，所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量，组成转速、电流双闭环调速系统。 第二章 PWM控制直流调速系统主电路设计2.1 主电路结构设计2.1.1 PWM变换器介绍脉宽调速系统的主要电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。PWM变换器有不可逆和可逆两类，可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等多种电路。下面分别对各种形式的PWM变换器做一下简单的介绍和分析。不可逆PWM变换器分为无制动作用和有制动作用两种。图2-1（a）所示为无制动作用的简单不可逆PWM变换器主电路原理图，其开关器件采用全控型的电力电子器件。电源电压一般由交流电网经不可控整流电路提供。电容C的作用是滤波，二极管VD在电力晶体管VT关断时为电动机电枢回路提供释放电储能的续流回路。图2-1 简单的不可逆PWM变换器电路（a）原理图 （b）电压和电流波型电力晶体管VT的基极由频率为f，其脉冲宽度可调的脉冲电压驱动。在一个开关周期T内，当时，为正，VT饱和导通，电源电压通过VT加到电动机电枢两端；当时，为负，VT截止，电枢失去电源，经二极管VD续流。电动机电枢两端的平均电压为 式中，PWM电压的占空比，又称负载电压系数。的变化范围在01之间，改变，即可以实现对电动机转速的调节。 图2-1（b）绘出了稳态时电动机电枢的脉冲端电压、平均电压和电枢电流的波型。由图可见，电流是脉动的，其平均值等于负载电流（负载转矩， 直流电动机在额定磁通下的转矩电流比）。由于VT在一个周期内具有开关两种状态，电路电压平衡方程式也分为两阶段，即在期间 在期间 式中，R，L电动机电枢回路的总电阻和总电感；E电动机的反电动势。PWM调速系统的开关频率都较高，至少是14kHz，因此电流的脉动幅值不会很大，再影响到转速n和反电动势E的波动就更小，在分析时可以忽略不计，视n和E为恒值。图2-2（a）所示为具有制动作用的不可逆PWM变换电路，该电路设置了两个电力晶体管VT1和VT2，形成两者交替开关的电路，提供了反向电流的通路。这种电路组成的PWM调速系统可在第I、II两个象限中运行。VT1和VT2的基极驱动信号电压大小相等，极性相反，即。当电动机工作在电动状态时，在一个周期内平均电流就为正值，电流分为两段变化。在期间，为正，VT1饱和导通；为负，VT2截止。此时，电源电压加到电动机电枢两端，电流沿图中的回路流通。在期间，和改变极性，VT1截止，原方向的电流沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使VT2不可能导通。因此，电动机工作在电动状态时，一般情况下实际上是电力晶体管VT1和续流二极管VD2交替导通，而VT2则始终不导通，其电压、电流波型如图2-2（b）所示，与图2-1没有VT2的情况完全一样。如果电动机在电动运行中要降低转速，可将控制电压减小，使的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使电动机电枢两端的平均电压降低。但是由于惯性，电动机的转速n和反电动势E来不及立刻变化，因而出现的情况。这时电力晶体管VT2能在电动机制动中起作用。在期间，VT2在正的和反电动势E的作用下饱和导通，由E产生的反向电流沿回路3通过VT2流通，产生能耗制动，一部分能量消耗在回路电阻上，一部分转化为磁场能存储在回路电感中，直到t=T为止。在（也就是）期间，因变负，VT2截止，只能沿回路4经二极管VD1续流，对电源回馈制动，同时在VD1上产生的压降使VT1承受反压而不能导通。在整个制动状态中，VT2和VD1轮流导通，VT1始终截止，此时电动机处于发电状态，电压和电流波型图2-2（c）。反向电流的制动作用使电动机转速下降，直到新的稳态。图2-2 具有制动作用的不可逆PWM变换电路这种电路构成的调速系统还存在一种特殊情况，即在电动机的轻载电动状态中，负载电流很小，在VT1关断后（即期间）沿回路2径VD2的续流电流很快衰减到零，如在图2-2（d）中的期间的时刻。这时VD2两端的压降也降为零，而此时由于为正，使VT2得以导通，反电动势E经VT2沿回路3流过反向电流，产生局部时间的能耗制动作用。到了期间，VT2关断，又沿回路4经VD1续流，到时衰减到零，VT1在作用下因不存在而反压而导通，电枢电流再次改变方向为沿回路经VT1流通。在一个开关周期内，VT1、VD1、VT2、VD1四个电力电子开关器件轮流导通，其电流波形示图2-2（d）。综上所述，具有制动作用的不可逆PWM变换器构成的调速系统，电动机电枢回路中的电流始终是连续的；而且，由于电流可以反向，系统可以实现二象限运行，有较好的静、动态性能。可逆PWM变换器主电路的结构形式有T型和H型两种，其基本电路如图2-3所示，图中（a）为T型PWM变换器电路，（b）为H型PWM变换器电路。图2-3 可逆PWM变换器电路 （a）T型 （b）H型 T型电路由两个可控电力电子器件和与两个续流二极管组成，所用元件少，线路简单，构成系统时便于引出反馈，适用于作为电压低于50V的电动机的可控电压源；但是T型电路需要正负对称的双极性直流电源，电路中的电力电子器件要求承受两倍的电源电压，在相同的直流电源电压下，其输出电压的幅值为H型电路的一半。H型电路是实际上广泛应用的可逆PWM变换器电路，它由四个可控电力电子器件（以下以电力晶体管为例）和四个续流二极管组成的桥式电路，这种电路只需要单极性电源，所需电力电子器件的耐压相对较低，但是构成调速系统的电动机电枢两端浮地。H型变换器电路在控制方式上分为双极式、单极式和受限单极式三种，本次设计我们选择双极式H型可逆PWM变换器。主电路如图2-4所示。图2-4 H桥主电路2.1.2 泵升电路当脉宽调速系统的电动机转速由高变低时（减速或者停车），储存在电动机和负载转动部分的动能将变成电能，并通过PWM变换器回馈给直流电源。当直流电源功率二极管整流器供电时，不能将这部分能量回馈给电网，只能对整流器输出端的滤波电容器充电而使电源电压升高，称作“泵升电压”。过高的泵升电压会损坏元器件，因此必须采取预防措施，防止过高的泵升电压出现。可以采用由分流电阻R和开关元件（电力电子器件）VT组成的泵升电压限制电路，如图2-5所示。 图2-5 泵升电压限制电路当滤波电容器C两端的电压超过规定的泵升电压允许数值时，VT导通，将回馈能量的一部分消耗在分流电阻R上。这种办法简单实用，但能量有损失，且会使分流电阻R发热，因此对于功率较大的系统，为了提高效率，可以在分流电路中接入逆变，把一部分能量回馈到电网中去。但这样系统就比较复杂了，我们就不选择这种方式了。2.2 参数设计2.2.1 IGBT管的参数IGBT（Insulated Gate Bipolor Transistor）叫做绝缘栅极双极晶体管。这种器件具有MOS门极的高速开关性能和双极动作的高耐压、大电流容量的两种特点。其开关速度可达1mS，额定电流密度100A/cm2，电压驱动，自身损耗小。其符号和波形图如图2-6所示。设计中选的IGBT管的型号是IRGPC50U,它的参数如下：管子类型：NMOS场效应管；极限电压Vm：600V；极限电流Im：27 A耗散功率P：200 W ；额定电压U：220V；额定电流I：1.2A图2-7 IGBT信号及波形图2.2.2 缓冲电路参数如图2-3(b)所示，H桥电路中采用了缓冲电路，由电阻和电容组成。 IGBT的缓冲电路功能侧重于开关过程中过电压的吸收与抑制，这是由于IGBT的工作频率可以高达30-50kHz；因此很小的电路电感就可能引起颇大的，从而产生过电压，危及IGBT的安全。逆变器中IGBT开通时出现尖峰电流，其原因是由于在刚导通的IGBT负载电流上叠加了桥臂中互补管上反并联的续流二极管的反向恢复电流，所以在此二极管恢复阻断前，刚导通的IGBT上形成逆变桥臂的瞬时贯穿短路，使出现尖峰，为此需要串入抑流电感，即串联缓冲电路，或放大IGBT的容量。缓冲电路参数：经实验得出缓冲电路电阻R=10K；电容。2.2.3 泵升电路参数 如图2-6所示，泵升电路由一个电容量大的电解电容、一个电阻和一个VT组成。泵升电路中电解电容选取C=2000；电压U=450V；VT选取IRGPC50U 型号的IGBT管；电阻选取R=20。第三章PWM控制直流调速系统控制电路设计3.1 检测环节3.1.1电流检测环节电流反馈环节的输入信号是主电路的电流量，经变换后获得输出为直流电压的反馈量，根据电流反馈环节的组成，常用的电流反馈方式和检测元件有下面几种：1.利用整流桥直流侧的电阻作检测元件 在主电路直流侧串接低阻值电阻以取得电流检测信号，如图3-1所示。这种电流检测方法，在电阻上会产生压降或损耗。有时可利用电动机的换向绕组和补偿绕组上的压降作为电流信号。上述方法主电路与控制电路在电路上需接入电流隔离器。将作为隔离输入信号，隔离器的输出再作为电流反馈信号。MIdLrRcVTH3Ui图3-1 利用直流侧电阻的电流检测线路2.以交流电流互感器作为检测元件对于整流电路而言，输出的直流电流与交流侧的输入电流有一定的关系，即式中，为与整流电路型式有关的比例关系，如三相桥式电路，。 所以可以采用交流电流互感器检测，然后经整流后获得，以反映直流电流的大小，但不反映电流极性。这种检测方式线路简单、经济、隔离性好，得到广泛应用。 电流互感器的联接方法，在单相电路中其联接比较简单在三相电路中，一般有两种，Y形（用三台电流互感器）和V形（用两台）联结，线路见图3-2。 对于定型生产的电流互感器，额定容量是10（或15）VA，二次电流是5A，允许负载电阻很小，得不到一般控制系统所需10V以上的电压，故应采用LZK-1系列控制专用电流互感器。在200A以上的大容量系统中，常采用在标准互感器后面再加一级5A：0.1A的互感器，以扩大互感器变压比，使二次电流减小，负载电阻可达200以上，可满足系统对反馈信号电压较大的要求。线路见图3-3。使用交流互感器应注意下面几点：图3-2 交流电流互感器的联结方法a)Y联结 b)V联结图3-3 两级交流电流互感器的联结方法 1)交流互感器一次电流应根据整流装置输出最大电流来选择。 2)工作时二次绕组不允许开路，以防人身和设备事故。 3)二次绕组一端应接地 4)带负载情况下，拆除二次绕组时，首先应将其短路 5)具有续流二极管的半控桥式整流电路不能采用交流检测 6)交流互感器正常工作时不允许饱和。如在三相零式整流电路中采用交流侧检测方案，则电流互感器应改为曲折联接，以免引起交流互感器的直流磁化而无法工作。3以直流电流互感器作为检测元件 直流电流互感器实际上是一个由交、直流同时控制的磁性元件，直流电流变化时，磁路中的磁化状态发生变化，从而使其二次侧交流输出量发生改变，然后经整流后得到反馈信号。图35是其两种形式的联结方式。图3-5 直流电流互感器的联结方式 a)串联线路 b)并联线路采用直流互感器检测比交流互感器复杂，快速性稍差但它用一台直流互感器取代三台交流互感器，使检测装置大为简化，且输出信号功率大，具有电气隔离目前国内定型生产的BLZ系列产品已被广泛应用。4以霍尔效应电流变换器作为检测元件 霍尔变换器的线性度好、无惯性、装置简单，但是输出电压一般为mV级，使用时须附加电压放大器。此外由于霍尔元件薄而脆，安装和使用时须特别小心，并应采取措施防止外界电磁干扰。其线路原理可参阅有关专业书刊。由此可见，系统对于电流反馈环节的基本要求是： 1)电流反馈信号要保证10V左右。信号大小取决于转速调节器ASR输出限幅值的整定，即 。 2)对电流反馈信号要求进行滤波，滤掉交流分量。但滤波时间常数不得过大，否则将使电流环的等效时间常数过大，限制了电流环频带的展宽，影响电流响应的快速性为抵消电流反馈通道滤波惯性的影响，在电流调节器给定通道需设置给定滤波环节。并使两者时间常数大小相等。见图36。 图3-6 带给定滤波和电流反馈滤波的PI型电流调节器3.1.2电压检测环节 在调速系统中常用整流装置主回路的直流电压作为电压反馈信号，最简单的方法是在尽量靠近电动机电枢两端的位置（主回路平波电抗器之后），直接引出直流电压反馈信号，但其输入与输出之间没有电气隔离，容易造成事故。这种方法只适用于小容量系统中。 在较大容量系统中，主回路直流电压都在数百伏以上，而控制回路电压一般都在15v左右，故必须设置直流电压隔离器。利用直流电压隔离器，将输入的直流电压U_调制成方波，通过变压器的磁耦合，再将交流方波解调成较小的直流反馈信号，如图37所示。直流电压隔离器常用的有二极管开关型、三极管开关型和利用晶闸管(1A以下)的反向开关特性组成的晶闸管型电压隔离器。前两种，不仅能反映直流电压大小，又能反映电压方向，故既可用于不可逆调速系统，也适用于可逆系统；而后者仅能反映电压大小，故只能用于不可逆系统。由于后者具有电路简单、调整方便、线性度好等特点，故在不可逆系统中得到了广泛的应用。图37 直流电压隔离器原理图图3-8 直流电压隔离器的线路图 a)二极管开关型 b)晶闸管型3.2 调节器的选择与调整 作为系统校正环节的调节器，是控制电路的关键部件，在系统中使用各种类型的调节器可实现输入输出的P、I、D、PI、PD、PID等多种运算关系。调节器的选择与参数整定是系统设计中极其重要的一环，它对系统静、动态性能指标的优劣起着决定作用。调速系统对调节器的一般要求是： 1) 节器须能够调零，如果调节器在比例状态下不能调零，当输入为零时，输出较大，则应更换器件。 2) 过调整消振电路参数，能消除高频振荡。 3) 节器的正、负输出电压不能过小，一般要求输出电压接近直流稳压电源电压(15v)。对于PI调节器一般都要求输出限幅。4) 调速系统中具有积分作用的电流和转速调节器，必须设置调节器锁零环节。5) 节器的工作电源为直流稳压电源（15v或12v）。3.2.1 调节器限幅调速系统中，为了保护电气设备和机械设备的安全，须限制电动机的最大电流、最大电压以及晶闸管变流装置的和角等，一般都要求对调节器输出限幅。调节器输出限幅值的计算与整定是系统设计和调试工作中十分重要的环节。实现限幅的方法大体有两类，即外限幅和内限幅，电路图如图4-10所示。图4-9就是利用二极管箝位的内限幅电路。 3.2.2调节器锁零前已述及，系统中引入PI调节器，即使系统在停车期间，未加给定信号，由于其积分作用，调节器在干扰信号作用下也会有较大的输出电压。这个输出信号送给触发装置，就会使触发脉冲从初始相位(90)前移而使电动机起动，这在控制上是不允许的。所以在系统给出起动指令之前，必须对具有积分作用的调节器锁零，即把它的输出锁到零电位上。3.3 系统的给定电源、给定积分器3.3.1给定电源GS在闭环调速系统中，转速总是紧紧地跟随给定量而变化。给定电源的质量在保证系统正常工作中是十分重要的，因此高精度的调速系统必绩要有更高精度的给定稳压电源作保证。所以，设计系统控制方案、拟定控制电路时，必须十分注意对稳压电源的设计与选择。由三端集成稳压器件所组成的稳压电源，线路简单、性能稳定、工作可靠、调整方便，已逐渐取代分立元件，在生产实际中应用越来越广泛。系统中应尽量采用这种集成稳压源，以保证系统的可靠工作为防止大幅度电网电压波动给稳压电源工作带来的困难，目前已普遍采用恒压变压器作为稳压电源的电源变压器。这些在设计时都需引起注意。3.3.2给定积分器在VTH直流调速系统中，突加转速给定信号时，电动机在最大允许电流下实现恒流起动，转速以最大加速度上升，满足最短时间控制。但一般直流电动机不允许过大的电流上升率；有些生产设备本身不能承受过大的机械冲击，或生产工艺过程要求系统起、制动平稳，超调量小。所以这时系统不能采用阶跃给定方法，而采用给定积分器作为给定装置，利用其输出得到不同斜率的斜坡速度给定信号，满足系统的要求。 典型的给定积分器线路在控制系统中是一个通用的控制单元插件。图413是一种给定积分器的典型线路。 转速给定信号u0的上升率有三种方法：改变电阻R；改变电容C；调节电压u2。调整时，通过调节电位器RP或改变N1的输出限幅(调整RPl、RP2)的方法改变u2比较方便灵活，故应用时多采用这种方法。当系统处于稳态时，给定积分器的输出信号与输入信号大小相等。 为防止给定积分器输出电压出现超调，可在反馈回路引入R1、C1组成的微分负反馈。3.4 触发电路的确定在晶闸管直流调速系统中，触发装置是十分重要的控制单元。目前触发装置的种类很多，具体电路各式各样，设计者必须根据系统实际需要合理地选择触发电路。3.4.1 选用触发电路时须考虑的因素。 系统对触发电路的要求是设计和选择触发电路的依据，我们在选用时应考虑下列一些问题：1）触发电路的工作一定要十分可靠。这一点对可逆系统来说尤为重要2）移相范围应满足系统要求。对于不同整流型式，不同负载性质，其移相范围要求也不同。晶闸管直流调速系统，电感性负载(电流连续)，若采用三相零式或三相全控桥线路，对不可逆系统，要求=0900；对可逆系统，则要求=01800。实际系统中，因有min和min角的限制，故移相范围小于1800。同步信号为锯齿波的触发电路，移相范围可超过1800；同步信号为正弦波的触发电路，其移相范围小于1800；单结晶体管触发电路的移相范围只有1500左右。3）不同整流电路对脉冲宽度的要求不同。对单相、三相半波和三相桥式半控整流电路，应选择单脉冲触发电路；对于三相桥式全控整流电路，应选择双窄脉冲或宽脉冲触发电路。对于一些容量不大、对触发要求不高的系统，选用结构简单的触发电路；一般情况下可使用由分立元件组成的触发电路或集成移相触发电路；必要时可采用微机触发电路。 4）触发电路输入输出特性线性度要好，以提高系统的静态和动态性能。同步信号为锯齿波的触发电路线性度好，适用于要求调速范周宽的系统；同步信号为正弦波的触发电路线性度稍差；单结晶体管触发电路，其线性度更差，且有一段死区，一般用于小容量单相晶闸管系统中。 5）要求触发器工作对电网电压敏感。同步信号为锯齿波的触发电路和同步信号为正弦波的触发电路相比较，前者较后者好。6）触发脉冲信号应有足够的功率(电压、电流)和一定的宽度。 7）在大功率装置中，当晶闸管采用串、并联时，应采用强触发，提高脉冲前沿陡度，保证同臂元件导通的同时性。 8）最好采用集成电路触发装置，使元件、焊点、接插件、走线数量减少，简化控制线路，提高系统可靠性。9）在实际应用中一般应采取防止误触发的具体措施。10）对于共阴极接法的零式（半波）整流电路或半控桥式整流电路，可采用一套触发装置对所有的晶闸管同时进行触发控制。其余的整流电路形式，一个触发脉冲只能触发一个晶闸管。3.4.2 触发电路同步电压的选取为了让变流器按规律正确工作，同步电压的相位极为重要，它应能准确提供自然换相点，保证在移相范围内对晶闸管元件进行移相控制，从而可对输出电压进行连续控制。在已知整流变压器的接线组别，选择同步变压器时的定相步骤如下：1）据整流变压器的接线组别，绘制主电路变压器次级电压的向量图，有VT1的移相范围和触发电路移相控制原理，确定触发电路需要的同步信号us2的相位。2）选取超前us2相位/3或/6的电压为同步电压us1，确定阻容滤波器；由相控触发电路同步方式确定同步变压器次级相数；由主电路电压向量图及对us1的相位要求确定同步变压器的接线组别。3）按相位关系选取其他元件的同步电压。当为三相桥式全控变流电路且为按元件独立同步时，各元件的同步电压应按顺序滞后/3，从而可以确定其他各元件的同步电压us1。总体设计方案图：第四章 参数计算4.1电流调节器的设计按所用运算放大器取=20K，电枢回路总电阻R=20ACR积分时间常数， 电流环开环增益：要求时应取因此 于是，ACR的比例系数为 计算控制器的电阻电容值 ,取50K 如图4-1所示，为电流调节器的结构图。图4-1电流调节器的结构图4.2速度调节器设计在设计转速调节器时，可把已设计好的电流环看作是转速调节系统中的一个环节。为此，需求出它的等效传递函数： 近似条件: 用电流环的等效环节代替电流闭环后，整个转速调节系统的动态结构图如4-2（a）所示。把给定滤波和反馈滤波环节等效地移到环内，同时将给定信号改为U*n(s)/；再把时间常数为Ton和2Ti的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为Tn的惯性环节，且Tn=Ton+2TI,，则转速环结构图可转化成图4-2（b）。图4-2 转速环的动态结构图要把转速环校正成典型型系统，ASR也应采用PI调节器，其传递函数为 式中 Kn转速调节器的比例系数; n转速调节器的超前时间常数。 转速调节环选用典型型系统的原因：1). 系统在负载扰动作用下，动态速降要小。2). ST饱和时，速度环退饱和超调量不大。 3). 速度环基本上是恒值系统。参数计算：按所用运算放大器取=20K 电流反馈系数：=0.5v/A 转速反馈系数：=0.007vmin/r =0.132vmin/r =0.18s 电枢回路总电阻R=20 =0.0234s 0.01s转速控制器的积分时间常数 一般选h=5 根据公式 经计算得出= 2.17 ； 转速控制器电阻电容值取50K如图4-3所示，为转速调节器的结构图。图4-3 转速调节器的结构图第五章 课程设计总结通过两周的课程设计，首先对直流双闭环调速系统有了更深的认识，加深了理解，是对课堂所学知识的一次很好的应用。通过这次课程设计，我不仅在知识上有了进一步的巩固和提高，在求学和研究的心态上也有不小的进步。我想无论是在学习还是在生活上只有自己有心去学习和参与才可能有收获，这也算是这次设计给我的一点小小的感悟。以前一直觉得理论知识离我们很远，经过课程设计，才发现理论知识与生活的联系。这大大激发了我学习书本知识的兴趣。再者我们学习的是工科，不单纯只是理论方面的的工作，还应该考虑到实际情况。总之，在设计过程中，我不仅学到了以前从未接触过的新知识，而且学会了独立的去发现，面对，分析，解决新问题的能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己的能力，使我受益非浅。参考文献【1】夏得砛，翁贻方.自动控制理论机械工业出版社，2007【2】陈伯时电力拖动自动控制系统机械工业出版社，2003【3】王兆安，黄俊电力电子技术机械工业出版社，2007【4】杨兴姚电动机调速的原理及系统北京：北京水利电力出版社，2003【5】刘军，孟祥忠电力拖动自动控制系统机械工业出版社，2007【6】王华强. 直流电机调速系统的工程设计方法的探讨. 荆门职业技术学院学报. 2002【7】吴守箴，藏英杰.电气传动的脉宽调制控制技术M .机械工业出版社，1995附录：0 引言电动机的调速经过了长期的演变过程，人们在电动机的调速和转矩控制上做过了大量的研究，尝试过使用各种不同形式的调速方法，随着大功率和高开关频率的半导体器件的开发研制成功，以及现代数字技术的普及应用，为我们提供了驱动控制电动机的新的方法。目前起重机电机调速控制应用最多的是三相绕线式电动机转子串电阻调速，下面就介绍一下用于转子串电阻调速与晶闸管定子调压调速的基本工作原理与优缺点。1 三相异步电动机工作的基本原理1.1 基本公式从电网输入电动机的功率2 三相异步电动机调速主要介绍用于起重机起升机构用的两挡反接控制，机械特性如图1 所示。两挡反接制动是指起升机构在满载或75%负载下，可以达到满速下降的目的。在返回停止工作时可达到准确停车，避免在满载情况下下滑而造成意外事故。2.1 转子串电阻调速上升1、2、3 挡人为逐级切除电动机转子电阻，使电动机由机械特性1、2、3 过渡到机械特性4 上，电动机高速运转。满载慢速下降电动机工作在特性5上，电机转子串进一定的电阻值，使电动机处于反接制动状态。轻载下降电动机工作在特性6 上，此时电动机转子串进全部电阻，使电动机的机械特性变得更软。电动机工作在反接制动状态。虽然在上面两种反接制动状态下能够得到一定的低速，但是不能长时间运行，否则会造成电机发热严重，此时电机的机械特性都比较软，负载转矩瞬间产生的任何波动都会使电机失去控制，将造成严重后果。所以在操作控制时不允许长时间运行在特性5、6上，要在短时间内切掉转子电阻，使电动机工作在再生发电状态下。绕线式异步电动机转子串电阻调速为开环调速，速度波动比较大，轻载时调速范围比较小，也就是说在载荷较小时起升各挡之间速度变化不明显。下降控制时比较复杂，需要操作人员密切关注机构的运行方向。另外下降过程中无论负载大小，都得不到稳定的低速运行，所以在对下降控制要求较高的冶金及其它行业就不能满足调速要求了。2.2 晶闸管定子调压调速2.2.1 调压调速基本原理由异步电动机的电磁转矩表达式可知，当电动机各参数及电源频率不变时，且当转差率s 一定时，电动机输出转矩T与电机定子电压U1成正比。当改变定子电压时，可以得到一组人为的机械特性曲线，如图2 所示。由图2 可以看出，为了在一定的负载转矩下，通过降低定子电压得到低速运转是可能的。但是在降低定子电压得到低速时，由于转差率s 将增大，因此电动机电流随着s 的增大而增大。这样转差功耗就全部消耗在电动机内部，从而致使电动机发热严重。另外由图猿可见，带恒转矩负载TL 时，普通的笼型异步电动机变电压时的稳定工作点为A、B、C，转差率s 的变化范围不会超过0sm，调速范围很小。为了能在恒转矩负载下扩大变压调速范围，须使电机在较低速下稳定运行而又不致过热，就要求电动机转子绕组有较高的电阻值。图3 给出了高转子电阻电动机变电压时的机械特性，显然在恒转矩负载下的变压调速范围增大了，所以异步电动机变电压调速时，采用普通电机的调速范围很窄，为了减少电机发热及扩大调速范围，须采用高转子电阻的电机。晶闸管定子的调压调速装置，是通过在定子上串联反并联晶闸管并控制其导通角来实现的，可以实现三相绕线转子异步电动机低速稳定运行。但这种调压调速是开环系统，其特性硬度不够，速度波动率大。为了提高其调速性能可采用有双闭环（速度环和电流环）反馈调压调速控制系统，闭环调速时电动机的机械特性曲线如图4 所示。显而易见闭环系统下的机械特性硬度提高了，速度波动率大大减小。闭环调压调速系统动态过程为当电动机稳定运行在要求的速度时，一旦负载增大，电机会在较大负载拖动下进行减速，速度反馈值也随之降低，闭环系统给定值不变，速度调节器的输入由于速度反馈的下降而增大，经过速度调节器调节控制晶闸管，增加晶闸管导通角，因而电动机定子电压提高，电动机力矩也增大，电动机开始加速，当速度升至要求值时，速度反馈与给定值相等，速度调节器输出值不再变化，晶闸管导通角不变，电动机电压也不再升高，电动机力矩与负载力矩达到平衡，电动机又稳定运行于给定值确定的速度值。这种速度调节器为PID调节器，由于积分的作用，所以速度与给定值相等，属无静差调速系统。2.2.2 晶闸管定子调压调速特点定子晶闸管调压调速闭环系统已在近年得到较广泛的使用。应用了以上所述的闭环调压调速原理，设计生产的用于起重机电动机的调速装置，具体特点如下。1）这种调压调速装置是专业化设计产品，专门用于驱动起重机的起升机构和运行机构，对起重绕线式电动机进行控制。2）该装置是数字化调速设备，由于在设计时充分考虑简便和实用，所以用户在使用时特别方便。该装置的参数少，而且直观简单，当使用时在保证正确接线的基础上，只需要调整电动机电流参数就可进行正常工作，无须长时间调试和调整。3）该装置正反向切换采用交流接触器进行，这样设计就彻底避免了环流发生的可能性，因而也不必采用快速熔断器保护晶闸管的设计方法。用两组晶闸管控制正反向在实际使用中经常产生环流，因而必须采用快速熔断器进行保护。这样在使用时，就必须经常更换快熔，造成故障率提高，给使用维护带来不便。该装置由于无环流发生的可能性，再加上晶闸管选择上的考虑，因此只需用带电子脱扣器的断路器保护即可，方便使用。该装置控制接触器切换时，是在无电压无电流的情况下进行的，这样在接触器的选择上就可按接触器的约定发热电流进行，在寿命的选择上，只考虑机械寿命即可。另外，利用正反向接触器控制电动机比较直观可靠，容易判断故障，同时我们利用正反向接触器辅助触头与制动器进行连锁，就非常可靠的保证了制动器只有在电动机带电的情况下才能开闸，使运行及控制更加可靠。4）由于调压调速控制系统采用速度闭环，所以必须设置速度检测环节。该装置抛弃了原有的容易损坏的测速发电机和安装困难对环境要求高的脉冲偏码器的测速方法，采用电动机转子频率反馈进行测速，这样就大大降低了改造难度，降低了使用故障，调速比能够达到1:10。2.2.3 用于起升机构控制逻辑功能简介用于起升机构的控制系统如图5 所示，机械特性如图6所示。1）电源电路断路器1Q1 用于对主起升机构电动机及调压调速装置提供短路及过载保护。2）数字式定子调压调速装置是一个速度闭环的现代化交流调速系统，无需测速发电机和编码器，而是采用电动机转子频率作为速度反馈信号。当设定电动机低速运行时，通过自动调节电动机定子电压，使电动机稳定运行在设定速度上。由于是闭环调速系统，所以，电动机的运行速度不会因为负载的变化而变化，速度波动率很小。3）正、反向接触器1KM11与1KM21 用于控制电动机的运行方向。正反向接触器的动作均由THYROMAT 控制，其动作顺序为机构上升运行时，正向接触器1KM11吸合，电动机加上了正向相序，使电动机处于正向电动状态，带动机构正向起升。上升1、2、3挡为低速调速挡，速度分别设定为10%、20%、30%，上升4 挡为全速挡，此时输出全电压，控制电动机以额定速度运行。机构下降运行13挡时，首先正向接触器1KM11吸合，通过调节电动机定子电压，使电动机处于反接制动状态，靠负荷拉动机构下降运行，以获取低速运行。当吊运负荷重量很轻，无法拉动机构下降运行时，会自动进行检测。当在1.5 s内，机构还未运转，就自动判断负荷为轻载，在零电流的情况下控制正反向接触器的切换，使反向接触器1KM21 吸合，让电动机处于反向电动状态，达到设定速度。若由于某种原因吊运的负荷变重，会自动控制正反向接触器回复到反接制动状态。下降4 挡时，控制反向接触器吸合，使电动机处于反向电动状态，当负载重时，电动机速度超过同步速处于再生发电制动状态。控制手柄由下降4 挡回复到下降13挡时，会自动控制正反向接触器在零电流的情况下迅速切换，让电动机迅速进入反接制动状态，制动负荷进入下降低速状态。4）转子接触器在每个电动机的转子上均串接了电阻，用于消耗电机低速运行时产生的热能，电阻器分为四段。上升调速挡时，1KM43吸合切除最后一段电阻，加大电机启动力矩。上升4 挡时，通过THYROMAT 控制另外两个转子接触器1KM42、1KM41分别在50%，75%速度下闭合，分别切除第二、第三段电阻，使电机平滑过渡到全速，又使切换电流得到控制。下降13 挡时，为了降低电机电流，并使下降4 挡回到下降13 挡时，切换力矩足够，增加了最后一段电阻，转子四段电阻全部串联到转子上。当下降4 挡时，通过THYROMAT 控制另外两个转子接触器分别在50%，75%速度下闭合，分别切除第二、第三段电阻，使电动机处于再生发电制动时速度限制在允许范围内。5）控制电路中还具有零位、失压、限位等保护功能。3 结语该装置目前广泛应用于冶金、矿山、水电等行业的起重设备上，使用效果非常好。这种调压调速装置的使用能够有效地降低起重机的机械冲击，从而使起重机的运行更加稳定、可靠。34