1、湖南工程學院課程設計課程名稱專業(yè)綜合課程設計課題名稱電壓單閉環(huán)不可逆直流調速系統(tǒng)專業(yè)自動化班級1101班學號201101020114姓名張輝指導教師李祥來、趙葵銀、沈細群等湖南工程學院課程設計任務書課程名稱專業(yè)綜合課程設計課題電壓單閉環(huán)不可逆直流調速系統(tǒng)專業(yè)班級自動化1101班學生姓名張輝學號201101020114指導老師李祥來、趙葵銀、沈細群等審批黃蜂任務書下達日期2014年9月1日任務完成日期2014年9月16日設計內容與設計要求設計內容：1.電路功能：1）用品閘管缺角整流實現(xiàn)直流調壓，控制直流電動機的轉速。2）電路由主電路與控制電路組成，主電路主要環(huán)節(jié)：整流電路及保護電路?？刂齐娐分饕?/p>

2、環(huán)節(jié)：觸發(fā)電路、電壓電流檢測單元、驅動電路、檢測與故障保護電路。3）主電路電力電子開關器件采用晶閘管、IGBT或MOSFET。4）系統(tǒng)具有完善的保護2.系統(tǒng)總體方案確定3.主電路設計與分析1）確定主電路方案2）主電路元器件的計算及選型3）主電路保護環(huán)節(jié)設計4.控制電路設計與分析1）檢測電路設計2）功能單元電路設計3）觸發(fā)電路設計4）控制電路參數(shù)確定設計要求：1 .設計思路清晰，給出整體設計框圖；2 .單元電路設計，給出具體設計思路和電路；3 .分析所有單元電路與總電路的工作原理，并進行試驗調試。并給出必要的波形分析。4 .繪制總電路圖，5 .寫出設計報告；主要設計條件1.設計參數(shù)1）輸入輸出電

3、壓：（AC）220（1+15%）、2）最大輸出電壓、電流根據(jù)電機功率予以選擇3）要求電機能實現(xiàn)單向無級調速4）電機型號布置任務時給定2.可提供實驗與仿真條件電力電子與運動控制技術訓練室提供實驗條件說明書格式目錄1 .課程設計封面；2 .任務書；3 .說明書目錄；4 .設計總體思路，主電路設計；5 .控制單元電路設計（各單元電路圖）；6 .實驗或仿真調試等。7 .總結與體會；8 .附錄（完整的總電路圖）；9 .參考文獻；10、課程設計成績評分表進度安排設計時間分為二周第一周星期一：課題內容介紹和查找資料；星期二：總體電路方案確定星期三：主電路設計星期四：控制電路設計星期五：控制電路設計；第二周星

4、期一：控制電路設計星期二：電路原理及波形分析、實驗調試及仿真等星期四五：寫設計報告，打印相關圖紙；星期五下午：答辯及資料整理參考文獻參考文獻1王兆安.電力電子技術（第5版）.機械工業(yè)出版社，20082孫培德.現(xiàn)代運動控制技術及其應用.電子工業(yè)出版社，20123陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)（第4版）.機械工業(yè)出版社，20124曾毅.運動控制系統(tǒng)工程.機械工業(yè)出版社，20145劉定建，朱丹霞.實用晶閘管電路大全.機械工業(yè)出版社，19966劉星平.電力電子技術及電力拖動自動控制系統(tǒng).校內，1999第1章概述11.1 設計要求21.2 設計參數(shù)21.3 系統(tǒng)組成21.4 工作原理3第2章主電路設計52

5、.1 主電路的分析52.2 單相橋式全控整流電路的計算62.3 晶閘管電路參數(shù)計算分析7第3章控制電路的設計93.1 鋸齒波同步移相觸發(fā)電路93.2 檢測與保護電路設計103.3 調節(jié)電路設計12第4章電路調試134.1 主電路調試134.2 基本單元部件調試134.3 調試注意事項14總結15參考文獻16附錄17第1章概述調速控制系統(tǒng)是通過對電動機的控制，將電能轉換成機械能，并且控制工作機械按給定的運動規(guī)律運行的裝置，用直流電動機作為原動機的傳動方式稱為直流調速。直流調速系統(tǒng)具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，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。調速系統(tǒng)是

6、最基本的拖動控制系統(tǒng)。相比于交流調速系統(tǒng)，直流調速系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟。本次設計主要介紹了單閉環(huán)不可逆直流調速系統(tǒng)的方案比較以及確定，主電路設計控制電路等。為了提高直流調速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能指標，通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)（包括單閉環(huán)系統(tǒng)和多閉環(huán)系統(tǒng)）。對調速指標要求不高的場合，采用單閉環(huán)系統(tǒng)，而對調速指標較高的則采用多閉環(huán)系統(tǒng)。按反饋的方式不同可分為轉速反饋，在電流單閉環(huán)中，將反映電流變化的電流互感器輸出電壓信號作為反饋信號加到“電流調節(jié)器”的輸入端，與“給定”的電壓相比較，經(jīng)放大后，得到移相控制電壓Uct,控制整流橋的“觸發(fā)電路”，改變“三相全控整流”的電壓輸出，從而構成了電流負反饋閉環(huán)

7、系統(tǒng)。電機的最高轉速也由電流調節(jié)器的輸出限幅所決定。同樣，電流調節(jié)器若采用P（比例）調節(jié)，對階躍輸入有穩(wěn)態(tài)誤差，要消除該誤差將調節(jié)器換成PI（比例積分）調節(jié)。當“給定”恒定時，閉環(huán)系統(tǒng)對電樞電流變化起到了抑制作用，當電機負載或電源電壓波動時，電機的電樞電流能穩(wěn)定在一定的范圍內變化。-19 -1.1設計要求1）用品閘管缺角整流實現(xiàn)直流調壓，控制直流電動機的轉速。2）電路由主電路與控制電路組成，主電路主要環(huán)節(jié)：整流電路及保護電路?？刂齐娐分饕h(huán)節(jié)：觸發(fā)電路、電壓電流檢測單元、驅動電路、檢測與故障保護電路。3）主電路電力電子開關器件采用晶閘管、IGBT或MOSFET。4）系統(tǒng)具有完善的保護。1.2設

8、計參數(shù)1）輸入輸出電壓：（A。220（1+15%、2）最大輸出電壓、電流根據(jù)電機功率予以選擇3）要求電機能實現(xiàn)單向無級調速4）電機型號布置任務時給定1.3 系統(tǒng)組成電壓單閉環(huán)不可逆直流調速系統(tǒng)的電路組成：電路由主電路與控制電路組成，主電路的主要環(huán)節(jié)：整流電路及保護電路?？刂齐娐分饕h(huán)節(jié)：觸發(fā)電路、電壓電流檢測單元、驅動電路、檢測與故障保護電路。帶轉速負反饋的單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的原理圖如圖1所示圖1電壓單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理圖A是調節(jié)器，當其選用比例放大器時，就是一個有靜差的單閉環(huán)調速系統(tǒng)。GT是觸發(fā)器裝置。UPE是由電力電子器件組成的變換器，其輸入接三相交流電，輸出為可控的直流電壓Ud,TG是

9、測速發(fā)電機，它與電動機同軸安裝。給定電位器RP1通常由一個穩(wěn)壓電源供電，以保證轉速給定信號U*n的精度。Rp2是為獲得調速負反饋系數(shù)而設置的一個電位器。1.4 工作原理可控整流是把交流電變成大小可調的直流電，把晶閘管和整流二極管都堪稱理想元件，即導通時的正向電壓江和關斷時的漏電流均忽略不計，并且導通榆關斷都是瞬時完成的。共陰極組的自然換向點在wt1、wt3、wt5時刻，分別觸發(fā)晶閘管VT1,VT3,VT5共陰極組的自然換向點在wt2,wt4,wt6時刻分別VT2,VT4,VT6觸發(fā)晶閘管。兩族的自然換向點對應相差60°,電路對應在本組內換流，即vt1-vt3-vt5-vt1,vt2v

10、t4-vt6-vt2，每個管子輪流導通120。，對共陰極而言，其輸出電壓波形是三項相電壓波形的正半周的包絡線；對共陽極組而言其輸出電壓波形是三項相電壓波形的負半周的包絡線。三相橋式全控整流的輸出電壓為兩組輸出電壓之和，是相電壓波形正負包絡線下的面積，當a甫00時，Ud的波形均為正值。所以本設計中a40°。三相橋式全控整流電路在任何時刻必須保證有兩個品閘管同時導通才能構成電流回路.品閘管換流只在本組內進行，每隔120度環(huán)流一次。三相橋式全控整流電路的負載電壓ud波形是六個不同的線電壓的組合，當a=0度時，為三相線電壓的正向包絡線，每周期脈動六次，基波頻率為30HZ,其脈動系數(shù)SU=0.

11、05,基本是一個平穩(wěn)的直流。帶大電感負載時，其平均值為Ud=2.34U2J)COSa=1.35U2lCOSa(0°a90°)三相全控橋式整流電路控制角a的起算點為相鄰相電壓的交點。由于線電壓超前相電壓30°。所以波形上a距波形原點的距離為a+30°。圖2晶閘管直流調速實驗系統(tǒng)原理圖第2章主電路的設計2.1 主電路的分析設計要求中提供的電動機為直流電動機，因此需要用到整流電路。整流電路是電力電子電路中經(jīng)常用的一種電路，它將交流電轉變?yōu)橹绷麟?。這里要求設計的主電路為單相全控橋式品閘管電路，接電動機負載。由于電動機是阻感負載，且工作時相當于反電動勢負載，因此要

12、分別予以分析考慮。晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證品閘管在需要的時刻由阻斷轉為導通。在電力電子電路中，可能會出現(xiàn)一些突發(fā)情況，比如電壓過大、電流過大、電壓電流變化速率過快等等，這些都會使品閘管燒壞，導致整個電路不能正常工作，因此，需要額外的設計保護電路對晶閘管進行過電壓過電流保護，從而保證電力電子電路正常工作。他勵直流電動機是由其他直流電源單獨供給勵磁電流的電動機，它將直流電能轉變?yōu)闄C械能。從整個系統(tǒng)來看，單相橋式全控整流電路將交流電網(wǎng)中的交流電轉變成直流電，直流電驅動直流電動機工作，但為了保護品閘管正常工作，需要圍繞品閘管設計觸發(fā)電路、過電壓和過電流保護電路。從整個系統(tǒng)

13、來看，單相橋式全控整流電路將交流電網(wǎng)中的交流電轉變成直流電，直流電驅動直流電動機工作，但為了保護品閘管正常工作，需要圍繞品閘管設計觸發(fā)電路、過電壓和過電流保護電路。品閘管可控整流裝置帶電動機負載組成的系統(tǒng)，習慣上稱為晶閘管直流電動機系統(tǒng)，是電力拖動系統(tǒng)中主要的一種，也是可控整流裝置的主要用途之一。這里用到的控制電路為單相橋式全控。2.2 單相橋式全控整流電路的計算整流電路直流電壓的平衡方程為：Ud=EMRIdU式中，Rg為電路總的阻抗，它包括變壓器等效電阻、電樞電阻以及重疊角引起的阻抗。由于電流斷續(xù)對電動機負載是很不利的，因此需要串聯(lián)一平波電抗器來保證電流連續(xù)。當電流連續(xù)時，電動機轉速與電流的

14、關系如下式所示。UdRIdUn-CeCe在單相全控橋式整流電路中，Ud=0.9U2cos：:式中，AU為晶閘管正向壓降，一般為1V左右；Ce為電動機在額定磁通下的電動機轉速比；R£為電路總的阻抗；所謂阻感負載就是負載中既有電阻，又有電感。在山正半周，觸發(fā)角a處給晶閘管VTi和VT4加觸發(fā)脈沖使其開通，ud=U2。負載中有電感存在使負載電流不能突變，電感對負載電流起平波作用，假設負載電感很大，負載電流id連續(xù)且波形近似為一水平線，其波形如圖4所示。u2過零變負時，由于電感的作用晶閘管VT1和VT4中仍流過電流id,并不關斷。至以=兀+口時亥IJ,給VT2和VT3力口觸發(fā)脈沖，因VT2和

15、VT3本已承受正電壓，故兩管導通。VT2和VT3導通后，u2通過VT2和VT3分別向VT1和VT4施力口反壓使VT1和VT4關斷，流過VT1和VT4的電流迅速轉移到丫丁2和VT3上，此過程稱為換相，亦稱換流。至下一周重復上述過程，如此循環(huán)下去。ud波形如圖2所示。其平均值為:一；-%cosa=0,9ZJ&cosa汗單相橋式全控整流電路帶阻感負載時，晶閘管承受的最大正反向電壓均為2U2圖3單相全控橋式整流帶阻感負載時的工作波形2.3晶閘管電路參數(shù)計算分析1 .晶閘管電壓定額的確定通常取晶閘管的UDRM(斷態(tài)重復峰值電壓)和URRM(反復重復峰值電壓)中較小的標值作為該器件的額定電壓。選用

16、時，額定電壓要留有一定裕量，一般額定電壓(UTN)為正常工作時品閘管所承受峰值電壓(Utm)的23倍,即：UTN=(232TM2 .晶閘管電流定額的確定品閘管允許通過的額定電流有效值ITN大于實際流過晶閘管電流最大有效值IT,即：ITN=1.57IT(AV)IT其中，IT(AV)為通態(tài)平均電流IT(AV)=(1.52)KId其中，1d為實際電流有效值。第3章控制電路的設計控制電路采用轉速單閉環(huán)調速系統(tǒng)控制，采用閉環(huán)系統(tǒng)可以比開環(huán)系統(tǒng)獲得更硬的機械特性，而且靜差率比開環(huán)小得多，并且在靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調速范圍。但在閉環(huán)式必選設置放大器。如果只采用比例放大器的反饋控制系統(tǒng)，其被調量

17、仍然是有靜差的，這樣的系統(tǒng)叫做有靜差調速系統(tǒng)，它依賴于被調量的偏差進行控制，而反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動，服從給定，但反饋控制系統(tǒng)所能抑制的知識被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動。3.1 鋸齒波同步移相觸發(fā)電路鋸齒波同步移相觸發(fā)電路的原理圖如圖3所示。鋸齒波同步移相觸發(fā)電路由同步檢測、鋸齒波形成、移相控制、脈沖形成、脈沖放大等環(huán)節(jié)組成。由V3、VD1、VD2、C1等元件組成同步檢測環(huán)節(jié)，具作用是利用同步電壓來控制鋸齒波的寬度。由VI、V2等元件組成的恒流源電路，當V3截止時，恒流源對C2充電形成鋸齒波；當V3導通時，電容C2通過R4、V3放電。調節(jié)電位器RP1可以調節(jié)恒流源的電流大小，從而改變

18、了鋸齒波的斜率?？刂齐妷?，偏移電壓和鋸齒波的電壓在V5基極綜合疊加，從而構成移相控制環(huán)節(jié),RP2RP3分別調節(jié)控制電壓和偏移電壓的大小。V6、V7構成脈沖形成放大環(huán)節(jié)，C5為避免觸發(fā)強電容改善脈沖前沿，由脈沖變壓器輸出觸發(fā)脈沖。鋸齒波同步移相觸發(fā)電品&各點電壓波形如圖4所示。+ 15VTP 6VDI0-HAC7V二ci圖4鋸齒波同步移相觸發(fā)電路原理圖3.2 檢測和保護電路設計本電路主要功能是檢測主電源輸出的電流反饋信號，并且當主電源輸出電流超過某一設定值時發(fā)出過流信號切斷控制屏輸出主電源。其原理如圖5所示。TA1、TA2、TA3為電流互感器的輸出端，它的電壓高低反映三相主電路輸出的電流

19、大小，面板上的三個圓孔均為觀測孔，打開電源開關后，過流保護就處于工作狀態(tài)。(1)電流反饋與過流保護單元的輸入端TA1、TA2、TA3,來自電流互感器的輸出端，反映負載電流大小的電壓信號經(jīng)三相橋式整流電路整流后加至RP1、RP2、及R1、R2、VD7組成的3條支路上，其中：R2與VD7并聯(lián)后再與R1串聯(lián)，在VD7的陽極取零電流檢測信號從“1”端輸出，供零電平檢測用。當電流反饋的電壓比較低的時候，“1”端的輸出由R1、R2分壓所得，VD7處于截止狀態(tài)。當電流反饋的電壓升高的時候，“1”端的輸出也隨著升高，當輸出電壓接近0.6V左右時，VD7導通，使“1”端輸出始終鉗位在0.6V左右。將RP1的滑動

20、抽頭端輸出作為電流反饋信號，從“2”端輸出，電流反饋系數(shù)由RP但行調節(jié)。RP2的滑動觸頭與過流保護電路相連,調節(jié)RP2可調節(jié)過流動作電流的大小。(2)當電路開始工作時，由于V2的基極有電容C2的存在，V3必定比V2要先導通，V3的集電極低電位，V4截止，同時通過R4、VD8將V2基極電位拉低，保證V2一直處于截止狀態(tài)。(3)當主電路電流超過某一數(shù)值后，RP2上取得的過流電壓信號超過穩(wěn)壓管V1的穩(wěn)壓值，擊穿穩(wěn)壓管，使三極管V2導通，從而V3截止，V4導通使繼電器K動作，控制屏內的主繼電器掉電，切斷主電源，掛件面板上的聲光報警器發(fā)出告警信號，提醒操作者實驗裝置已過流跳閘。調節(jié)RP2的抽頭的位置，可

21、得到不同的電流報警值。(4)過流的同時，V3由導通變?yōu)榻刂梗诩姌O產(chǎn)生一個高電平信號從“3”端輸出，作為推篇號供電流調節(jié)器(調節(jié)器II)使用。圖5電流反饋與過流保護原理圖3.3 調節(jié)電路設計調節(jié)器I的功能是對給定和反饋兩個輸入量進行加法、減法、比例、積分和微分等運算，使其輸出按某一規(guī)律變化。調節(jié)器I由運算放大器、輸入與反饋環(huán)節(jié)及二極管限幅環(huán)節(jié)組成。其原理如圖6所示。在圖6中“12、3”端為信號輸入端，二極管VD1和VD2起運放輸入限幅，保護運放的作用。二極管VD3、VD4和電位器RP1、RP2ffl成正負限幅可調的限幅電路。由C1、R3組成微分反饋校正環(huán)節(jié)，有助于抑制振蕩，減少超調。R7、C

22、5組成速度環(huán)串聯(lián)校正環(huán)節(jié)，其電阻、電容均從DJK08掛件上獲得。改變R加阻值改變了系統(tǒng)的放大倍數(shù)，改變C5的電容值改變了系統(tǒng)的響應時間。RP3為調零電位器。電位器RP1、RP2、RP3均安裝面板上。電阻R7、電容C1和電容C5兩端在面板上裝有接線柱，可根據(jù)需要外接電阻及電容，一般在自動控制系統(tǒng)實驗中作為速度調節(jié)器使用。調節(jié)器I原理圖如圖6O15V圖6調節(jié)器I原理圖t> OO713 K PU R1第4章電路調試4.1 主電路調試1 .電源控制屏開關按需要設定2 .晶閘管觸發(fā)整流電路的檢查和調整。檢查和調整鋸齒波觸發(fā)器。用雙蹤示波器觀察A、B、C三相的鋸齒波，并調節(jié)A、B、C三相鋸齒波斜率調

23、節(jié)電位器（在各觀測孔左側），使三相鋸齒波斜率盡可能一致?？刂苹芈分苯佑媒o定電Ug作為移相控制電壓Uct,將給定開關S撥到接地位置（即Uct=0）,調節(jié)偏移電壓電位器，用雙蹤示波器觀察仰目同步電壓信號和VT1的輸出波形，使a=120（注意此處的蔗示三相品閘管電路中的移相角，它的0。是從自然換流點開始計算，而單相品閘管電路的0。移相角表示從同步信號過零點開始計算，兩者存在相位差，前者比后者滯后30。）。適當增加給定Ug的正電壓輸出，觀測脈沖波形。3 .閘管一一電動機系統(tǒng)開環(huán)機械特性的測定將給定輸出U直接接入移相控制電壓Uct,直流發(fā)電機接負載電阻R,Ld用選擇200mH,將給定的輸出調到零。先閉合

24、勵磁電源開關，按下起動按鈕，使主電路輸出三相交流電源，然后從零開始逐漸增加“給定”電壓Ug,使電動機慢慢起動并使轉速n達到1200rpm。改變負載電阻R的阻值，使電動機的電樞電流從空載直至led,然后再改變負載電阻R的阻值，使主回路電流從led減少到空載電流。4.2 基本單元部件調試（1）移相控制電壓Uct調節(jié)范圍的確定直接將給定電壓Ug接入移相控制電壓Uct的輸入端，“三相全控整流”輸出接電阻負載R,用示波器觀察Ud的波形。當給定電壓U由零調大時，Ud將隨給定電壓的增大而增大，當Ug超過某一數(shù)值時，此時Ud接近為輸出最高電壓值Ud/,一般可確定“三相全控整流”輸出允許范圍的最大值為Udmax

25、=0.9Ud/,調節(jié)Ug使得“三相全控整流”輸出等于Umax,此時將對應的Ug/的電壓值記錄下來，Uctmax=Ug/,即以的允許調節(jié)范圍為0Uctmax。如果我們把輸出限幅定為Uctmax的話，則“三相全控整流”輸出范圍就被限定，不會工作到極限值狀態(tài)，保證六個品閘管可靠工作。(2)調節(jié)器的調整調節(jié)器調零將調節(jié)器所有輸入端接地，再將可調電阻120K接到調節(jié)器I,將電容短接，使之成為P(比例)調節(jié)器。用萬用表的毫伏檔測量調節(jié)器的輸出，調節(jié)調零電位器RP3使之輸出電壓盡可能接近于零。調整輸出正、負限幅值將可調電容0.47uF接入，使調節(jié)器成為PI(比例積分)調節(jié)器，將調節(jié)器I的所有輸入端上的接地線

26、去掉，給定輸出端接到調節(jié)器I輸出，當加+5V的正給定電壓時，調整負限幅電位器RP2,使之輸出電壓為-6V;當調節(jié)器輸入端加-5V的負給定電壓時，調整正限幅電位器RP1,使之輸出電壓盡可能接近于004.3 調試注意事項(1)電機起動前，應先加上電動機的勵磁，才能使電機起動。在起動前必須將移相控制電壓調到零，使整流輸出電壓為零，這時才可以逐漸加大給定電壓，不能在開環(huán)或速度閉環(huán)時突加給定，否則會引起過大的起動電流，使過流保護動作，告警，跳閘。(2)在連接反饋信號時，給定信號的極性必須與反饋信號的極性相反，確保為負反饋，否則會造成失控。(3)直流電動機的電樞電流不要超過額定值使用，轉速也不要超過1.2倍的額定值。以免影響電機的使用壽命，或發(fā)生意外。(4)DJK04與DJK02-1不共地，所以實驗時須短接DJK04與DJK02-1的地?？偨Y單閉環(huán)不可逆直流調速系統(tǒng)最終能較好的運行，從零開始加給定電壓，速度從零開始上升，系統(tǒng)能夠正常的啟動，是速度升至給定的速度值。如果從零開始升速啟動的過程中出現(xiàn)了過流報警現(xiàn)象，而此時的轉速并不高，負荷也不是很大的時候，我認為這時雖然各個單元都已經(jīng)調試好，但并不等于整個系統(tǒng)參數(shù)就已經(jīng)很好，這是不同的，應為系統(tǒng)的各個單元模塊之間有一定的耦合關系，系統(tǒng)所能表現(xiàn)出來的性能和各個單元模塊之間都有很大的關系，他們的參數(shù)