1、【课 程 设 计 说 明 书题 目 直流电机晶闸管双闭环调速系统设计 （院）系 应用技术学院 专业 自动化 班级 0681 学号 0129 学生姓名 田凯 指导老师姓名 刘星平 赵葵银 :完成日期 2009 年05月18日至 2009 年06月12日 湖南工程学院课程设计任务书 课程名称： 电力电子技术 题 目：直流电机晶闸管双闭环调 速系统设计 专业班级： 自动化 学生姓名： 学号： 指导老师： 审 批： 任务书下达日期 2009年 5月 18 日设计完成日期 2009年 6 月 12 日 设计内容与设计要求一 设计内容：1 电路功能：1） 用移相控制实现直流调压，控制直流电动机的转速。2）
2、 电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：整流电路、斩波电路及保护电路。控制电路主要环节：触发电路、电压电流检测单元、驱动电路、检测与故障保护电路。3） ￥4） 主电路电力电子开关器件采用晶闸管。5） 系统具有完善的保护2. 系统总体方案确定3. 主电路设计与分析1）确定主电路方案2）主电路元器件的计算及选型3）主电路保护环节设计4. 控制电路设计与分析1） ;2） 检测电路设计3） 功能单元电路设计4） 触发电路设计5） 控制电路参数确定二 设计要求：1 设计思路清晰，给出整体设计框图；2 单元电路设计，给出具体设计思路和电路；3 4 分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形
3、分析。5 绘制总电路图6 写出设计报告； 主要设计条件1 2 设计依据主要参数1） 输入输出电压：（AC）220（1+15%）、0300VDC2） 最大输出电压、电流根据电机功率予以选择3） 要求电机能实现单向无级调速，实现无静差调速。4） 电机型号布置任务时给定 2. 可提供实验 说明书格式1 课程设计封面；2 任务书；3 说明书目录；4 设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）；5 单元电路设计（各单元电路图）；6 故障分析与电路改进、实验及仿真等。7 总结与体会；8 9 附录（完整的总电路图）；10 参考文献；10、课程设计成绩评分表 进 度 安 排 第一周星期一:课题内容介绍和查找资料
4、； 星期二:总体电路方案确定 星期三:主电路设计星期四:控制电路设计 星期五:控制电路设计；第二周星期一: 控制电路设计星期二：电路原理及波形分析、实验调试及仿真等星期四五:写设计报告，打印相关图纸； 星期五下午:答辩及资料整理 参 考 文 献1石玉 栗书贤电力电子技术题例与电路设计指导机械工业出版社，1998 2王兆安 黄俊电力电子技术（第4版）机械工业出版社，20003浣喜明 姚为正电力电子技术高等教育出版社，20004莫正康电力电子技术应用（第3版）机械工业出版社，20005郑琼林耿学文电力电子电路精选机械工业出版社，19966刘定建朱丹霞实用晶闸管电路大全机械工业出版社，19967刘祖
5、润 胡俊达毕业设计指导机械工业出版社，19958刘星平电力电子技术及电力拖动自动控制系统校内，1999/9. 刘星平.一种新型双闭环直流脉宽调速系统的设计与应用。电气自动化。目 录第一章 双闭环系统的概述6第二章 主电路设计8一、双闭环直流调速系统的系统组成8二、双闭环直流调速系统的原理图9第三章 各单元电路设计10一、G（给定）10二、FBC+FA+FT11三、速封锁器（DZS）12四、电源输入输出端15五、FBS（速度变换器）15六、ASR（速度调节器）16七、ACR（电流调节器）16第四章 器件的计算与选型19一、整流变压器额定参数的计算19*二、晶闸管元件的计算与选型20三、电流调节器
6、计算20四、转速调节器计算22第五章 总结24 第一章 双闭环系统的概述直流电机双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，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需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截至负反馈环节是专门用来控
7、制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流得冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中,我们希望在电机最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）首相的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。 实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值得恒流过程，按照反馈控制
8、规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不在电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用不同的阶段。#在设计过程中，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，需要设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即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晶闸管整流器的触发装置从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫内环；转速环在外面，叫外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。
9、第二章 主电路设计一、双闭环直流调速系统的系统组成（图1-1 转速、电流双闭环直流调速系统ASR-转速调节器 ACR-电流调节器 TG-测速发电机TA-电流互感器 UPE-电力电子变换器 Un*-转速给定电压Un-转速反馈电压Ui*-电流给定电压Ui-电流反馈电压为实现转速和电流两种负反馈分别作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套连接，如图所示。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。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。
10、二、双闭环直流调速系统的原理图）)% 图1-2双闭环直流调速系统电路原理图 为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如上图所示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定后了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制电压Ucm 限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。 第三章 各单元电路设计一、G（给定） 原理图如图1-1。它
11、的作用是得到下列几个阶跃的给定信号：（1）0V突跳到正电压，正电压突跳到0V；（2）0V突跳到负电压，负电压突跳到0V；（3）正电压突跳到负电压，负电压突跳到正电压。正负电压可分别由RP1、RP2两多圈电位器调节大小（调节范围为013V左右）。数值由面板右边的数显窗读出。只要依次扳动S1、S2的不同位置即能达到上述要求。（1）若S1放在“正给定”位，扳动S2由“零”位到“给定”位即能获得0V突跳到正电压的信号，再由“给定”位扳到“零”位能获得正电压到0V的突跳；（2）若S1放在“负给定”位，扳动S2，能得到0V到负电压及负电压到0V的突跳；（3）S2放在“给定”位，扳动S1，能得到正电压到负电
12、压及负电压到正电压的突跳。 使用注意事项：给定输出有电压时，不能长时间短路，特别是输出电压较高时，否则容易烧坏限流电阻。二、FBC+FA+FT 单元有三种功能：一是检测电流反馈信号，二是发出过流信号，三是发出过压信号。电路图为1-2。（1）电流变送器 电流变送器适用于可控硅直流调速装置中，与电流互感器配合，检测可控硅变流器交流进线电流，以获得与变流器电流成正比的直流电压信号，零电流信号和过电流逻辑信号等。 电流互感器的输出接至输入TA1，TA2，TA3，反映电流大小的信号经三相桥式整流电路整流后加至9R1、9R2、VD7及RP1、9R3、9R20组成的各支路上，其中： a9R2与VD7并联后再
13、与9R1串联，在其中点取零电流检测信号。 b将RP1的可动触点输出作为电流反馈信号，反馈强度由RP1进行调节。 c将可动触点RP2与过流保护电路相联，输出过流信号，可调节过流动作电流的大小。（2）过流保护（FA） 当主电路电流超过某一数值后(2A左右)，由9R3，9R20上取得的过流信号电压超过运算放大器的反向输入端，使D触发器的输出为高电平，使晶体三极管V由截止变为导通，结果使继电器K的线圈得电，继电器K由释放变为吸引，它的常闭触点接在主回路接触器的线圈回路中，使接触器释放，断开主电路。并使发光二极管亮，作为过流信号指示，告诉操作者已经过流跳闸。SA为解除记忆的复位按钮，当过流动作后，如过流
14、故障已经排除，则须按下以解除记忆，恢复正常工作。图1-2 电流变送器与过流保护原理图三、速封锁器（DZS） 零速封锁器的作用是当调速系统处于静车状态，即速度给定电压为零，同时转速也确为零时，封锁调节系统中的所有调节器，以避免静车时各放大器零漂引起可控硅整流电路有输出使电机爬行的不正常现象。原理电路如图13所示。图13 零速封锁器它的总输入输出关系是： （1）当1端和2端的输入电压的绝对值都小于 V左右时，则3端的输出电压应为0V； （2）当1端和2端的输入电压绝对值或者其中之一或者二者都大于时，其3端的输出电压应为15V； （3）当3端的输出电压已为15V，后因1端和2端的电压绝对值都小于，使
15、3端电压由15V变为0V时，需要有100毫秒的延时。3端为OV时输入到各调节器反馈网络中的场效应管，使其导通，调节器反馈网络短路而被封锁，3端为15V时输入到上述场效应管使其夹断，而解除封锁。具体原理如下： 它是由两个山形电平检测器和开关延时电路组成。 （1）DZS前半部分别由线性集成电路A1：A和A1：B组成二个山形电平检测器，山形电平极测器的输入输出特性如图14所示，输入电压是指1或2端送入的电压（S3放在封锁位），输出电压是指在4或5上得到的电压。调整参数到输出电压突跳的几个输入电压为：Ua= Ub= Uc=+ Ud=+输出正向电压无限幅，约为+12V，输出负向电压用二极管VD9和VD1
16、0箝位到。( （2）DZS的后关部为开关延时电路 （a）当1和2端电压绝对值均小于，则4和5得到的电压都为+15V，高电平为“1”态，输入单与门4011，其输出10脚也为“1”态，二极管VD11截止，这样单与非门的输入为“1”态，输出3脚为“0”态，VD12导通，使稳压管VST不能击穿，所以三极管VT1截止，从而3端输出为0V。（b）当1和2端电压绝对值或其中之一或二者都大于时，则在4和5上或者4为，或者5为，或者4、5均为，低电平为“0”态，三种情况输入D：C，其输出都为“0”态，VD11导通，接0V，D:A输入为“0”态，其输出为“1”态，使VD12截止，稳压管VST在30V的电压作用下而
17、击穿，VT1饱和导通，可使3端输出为15V。（c）当已在（b）的情况，3端子输出为15V，此时D:C的输出为0V，D:A上输入电压接近0V。若要回到（a）的情部，则D：C的输出先由“0”态变成“1”态，VD11截止，D:A上输入上电压应为+15V，但电容C5二端电压不能突变，+15V电源通过R27对C5充电，C5电压逐步上升，上升到一定数值后D：A的输出由“1”态变为“0”态，从而使3端输出为0V，所以3端由15V变为0V有一延时时间，其延时长短取决于R27C5的充电回路时间常数。 （d）钮子开关S3有二个位置，放在“封锁位”，用在调速系统正常工作的情况，即为上述分析情况，放在“解除位”，A1
18、：A组成的山形电平检测器输入总是+15V，3端子电位总是15V，使各调节器解除封锁，以便单独调试调节器用。四、电源输入输出端 面板下部的L1、L2、L3三接线柱表示三相电源的输入，U、V、W表示电源输出端。在进行实验时，调压器的输出端接到L1、L2、L3，U、V、W接到可控硅或电机，在L1、U，L2、V，L3、W间接有电流互感器，L1、L2间接有电压互感器，当电流过大或电压过高时，过流保护和过压保护动作。 使用注意事项：接到可控硅的电压必须从U、V、W引出，否则过流保护和过压保护不起作用。五、FBS（速度变换器） 速度变换器（FBS）用于转速反馈的调速系统中，将直流测速发电机的输出电压变换成适
19、用于控制单元并与转速成正比的直流电压，作为速度反馈。其原理图如图15所示。 使用时，将测速发电机的输出端接至速度变换器的输入端1和2分两路输出。 （1）一路经电位器RP2至转速表，转速表(02000n/s)已装在电机导轨上。 （2）另一路经电阻及电位器RP，由电位器RP中心抽头输出，作为转速反馈信号，反馈强度由电位器RP的中心抽头进行调节，由电位器RP输出的信号，同时作为零速封锁反映转速的电平信号。 元件RP装在面板上。 六、ASR（速度调节器）￥ 速度调节器ASR的功能是对给定和反馈两个输入量进行加法，减法，比例，积分和微分等运算，使其输出按某一规律变化。它由运算放大器，输入与反馈网络及二极
20、管限幅环节组成。其原理图如图1-6所示。 转速调节器ASR也可当作电压调节器AVR来使用。 速度调节器采用电路运算放大器，它具有两个输入端，同相输入端和倒相输入端，其输出电压与两个输入端电压之差成正比。电路运算放大器具有开环放大倍数大，零点漂移小，线性度好，输入电流极小，输出阻抗小等优点，可以构成理想的调节器。图1-7中，由二极管VD4，VD5和电位器RP2，RP3组成正负限幅可调的限幅电路。由C2，R9组成反馈微分校正网络，有助于抑制振荡，减少超调，R15，C1组成速度环串联校正网络。场效应管V5为零速封锁电路，当4端为0V时VD5导通，将调节器反馈网络短接而封锁，4端为-13V时，VD5夹
21、断，调节器投入工作。RP1为放大系数调节电位器。元件RP1，RP2，RP3均安装在面板上。电容C1两端在面板上装有接线柱，电容C2两端也装有接线柱，可根据需要外接电容。七、ACR（电流调节器） 电流调节器适用于可控制传动系统中，对其输入信号（给定量和反馈量）时进行加法、减法、比例、积分、微分，延时等运算或者同时兼做上述几种运算。以使其输出量按某种予定规律变化。它是由下述几部分组成：运算放大器，两极管限幅，互补输出的电流放大级、输入阻抗网络、反馈阻抗网络等。电流调节器与速度调节器相比，增加了4个输入端，其中2端接过流推b信号，来自电流变换器的过流信号Ub，当该点电位高于某值时，VST1击穿，正信
22、号输入，ACR输出负电压使触发电路脉冲后移。UZ、UF端接逻辑控制器的相应输出端，当这二端为高电平时，三极管V1、V2导通将Ugt和Ugi信号对地短接，用于逻辑无环流可逆系统。晶体管V3和V4构成互补输出的电流放大级，当V3、V4基极电位为正时，V4管（PNP型晶体管）截止，V3管和负截构成射极跟随器。如V3，V4基极电位为负时，V3管（NPN型晶体管）截止，V4管和负截构成射极跟随器。接在运算放大器输入端前面的阻抗为输入阻抗网络。改变输入和反馈阻抗网络参数，就能得到各种运算特性。元件RP1、RP2、RP3装在面板上，C1、C2的数值可根据需要，由外接电容来改变。| 第四章 器件的计算与选型直
23、流电动机：型号DJ13-1 PN=180W UN220V IN n1600r/min Ce=min/r 允许过载倍数=直流复励发电机M01： PN=100W UN200V IN n1500/min晶闸管装置放大系数 Ks=40;电枢回路总电阻R=；时间常数TL=，Tm=；电流反馈系数=A（10V/）；转速反馈系数=min/r（10V/nN）;运算放大器R0=45k。一、整流变压器额定参数的计算 二次侧相电压U2： U2 = = V 125V(忽略R，=300）) 变压器电压比为：U1/U2=220/125= 二次侧相电流：I2=Id/=IN/= 一次侧相电流：I1=* 二次容量：S2=m2U2
24、I2=3*125*= 一次容量：S1=m1U1I1=3*220*= 平均计算容量：S=1/2(S1+S2)=337VA二、晶闸管元件的计算与选型 负载最大电流Id=IN=*=; UTm=U2=306V; Kfb = ，因此 UTN =(23）UTm=(23）*306V=712918V| ITN=2）*= 取UTN =800V,ITN=1A 选择KP3008晶闸管6只。三、电流调节器计算1、确定时间常数 整流装置滞后时间常数Ts。 三相桥式电路的平均失控时间Ts=。 电流滤波时间常数 Toi。三相桥式电路每个波头的时间是,为了基本滤平波头，应有（12）Toi=,因此取Toi=2ms=。电流环小时
25、间常数之Ti近似处理，取Ti =Ts+Toi=。2、选择电流调节器结构根据设计要求5，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为W(s)=Ki(iS+1)/iS。检查对电源电压的抗干扰性能： Tl /TI =,参照典型型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。3、计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：i=Tl=。（电流环开环增益：要求i5时,查表得KITi=,因此 KI=于是，ACR的比例系数为 Ki=KIiR/Ks=404、校验近似条件电流环截止频率：Wci=KI=晶闸管整流装置传递函数近似条件： 1/3Ts=
26、1/3=Wci）满足近似条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件： 31/TmTl=31/Wci满足近似条件。 电流环小时间常数近似处理条件： *1/TsToi=*1/=Wci满足近似条件。5、计算调节器电阻和电容所用运算放大器取R0=45k，各电阻和电容值为Ri=KiR0=45k91k，取91k Ci=i/Ri=F=F,取F Coi=4Toi/R0=F=F，取F四、转速调节器计算1、确定时间常数1）电流环等效时间常数1/KI 已知KITi=，则 1/KI2Ti22）转速时间常数Ton。根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=3）转速小时间常数 Tn。按小时间常数近似处理，取 Tn1/KIT
27、on2、选择转速调节器结构 按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为WASR(s)=Kn(nS+1)/nS。3、计算转速调节器参数: 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为 n=hTn=5=转速开环增益 KN=(h+1)/2h2Tn2=s-2=ASR的比例系数为 Kn=4、检验近似条件 转速环截止频率为 Wcn=KN/W1=KNn= 1)电流环传递函数简化条件为 （KI /Ti）/3（ /）/3s-1=Wcn 2）转速环小时间常数近似处理条件为 （KI /Ton）/3=（ /）/3s-1=Wcn5、计算调节器电阻和电容 取R0=45k，各电阻和电容值为Rn=KnR0
28、=45k=，取599k；Cn=n/Rn= / （470103）F=F，取F；Con=4Ton/R0=4（45103）F=F，取1F。 第五章 总结。就这样告别了两个星期的电力电子设计，也告别了两个星期的悠闲或紧张的生活。在这个时候，就可以问自己：你是得到了，还是失去了。这个时候，也是检验劳动成果的时候，你的心中是充实的，还是虚无缥缈呢设计是一个既花时间又花时间的过程。你会遇到一些未知的毫无预料的情况，你还要面对一次次不可避免的失败，以及不断的否定自己。这会让你失去耐心，让你心烦气糟，让你一步步地想要放弃。我不能放弃，我需要挑战，挑战自己的智力以及耐力。那是一种境界，一种将会使自己释然的境界。况
29、且，任何事情都一样，都需要不断的努力，都需要坚定的毅力。你想要得到，你必须先要付出。我相信付出总有回报。当一个人面对一件棘手的事情，他总会有不同程度的退缩和迷茫，好象面对漫天的乌云或晨起的迷雾，他辨不清方向，他畏惧着不敢前进，无法知道前面回有什么，会想到失败或者等待着别人来给他一条捷径。没有人能比自己更能帮助自己了。也许别人可以带你走上一段，也许路途中还会有鲜花和果园，但那不属于你，那仅仅可供你抵挡暂时的饥饿。所以，最好的希望莫过于自己去探索去寻觅，也许你会遭遇挫折，也许你会遭遇坎坷，但同时你也得到了经验。也许有了力量和经验，你将会很快地踏上一条通往自由和美的道路。通过本次电力电子的课程设计，
30、使我受益匪浅。它使课本上的知识在实际中得到了很好的运用，从而对课本上的知识有了更深刻的认识，更系统的了解。还使我了解了一个完整的系统是怎样开发的，了解到电力电子的强大功能,同时也知道在开发系统时基础知识的重要性。另外也让我了解到团队精神的重要性。当我们拿到课题时，在设计中是错误百出，困难重重，有时真的是泄气了。但在刘星平老师的耐心指导下，通过翻阅大量有关资料，终于完成了本次设计，在过程中我们学到了很多，在设计中老师给了精心的指导，不仅学到了许多知识，还学到了一些思想与方法。对我今后的学习与发展都是很有帮助的。在此向刘老师表示最诚挚的谢意！ 电气信息学院课程设计评分表项 目评 价设计方案的合理性与创造性硬件制作或软件编程完成情况*硬件制作测试或软件调试结果*设计说明书质量设计图纸质量答辩汇报的条理性和独特见解答辩中对所提问题的回答情况完成任务情况独立工作能力组织纪律性（出勤率）综合评分 指导教师签名：_ 日 期：_
