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直流调速系统设计与调试

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直流调速系统设计与调试

综合实验1设计说明书题目直流调速系统设计与调试系部自动化系专业自动化直流调速系统设计与调试...............................................................................................................21技术要求...........................................................................................................................22硬件系统设计.......................................................................................................................32.1驱动电路................................................................................................................32.2控制电路................................................................................................................33直流调速系统参数和环节特性的测定...........................................................................43.1电枢回路总电阻R的测定.......................................................................................43.2电枢回路电感L的测定...........................................................................................53.4直流电动机-发电机-测速发电机组的飞轮惯量GD2的测定...............................63.4主电路电磁时间常数Td的测定.............................................................................73.5电动机电势常数Ce和转矩常数CM的测定.........................................................73.6系统机电时间常数TM的测定................................................................................73.7晶闸管触发及整流装置特性UdfUg和测速发电机特性UTGfn的测定......84直流调速系统设计...............................................................................................................85系统调试与分析...................................................................................................................95.1双闭环系统的调试.....................................................................................................95.2系统的分析..............................................................................................................137参考文献.........................................................................................................................132直流调速系统设计与调试1技术要求(1)设计出三相全控桥式整流电路拓扑结构;(2)设计出触发系统和功率放大电路;(3)采用开环控制、转速单闭环控制、转速外环电流内环控制。(4)器件选择晶闸管选择、晶闸管串联、并联参数选择、平波和均衡电抗选择、晶闸管保护设计直流调速器就是调节直流电动机速度的设备,上端和交流电源连接,下端和直流电动机连接,直流调速器将交流电转化成两路输出直流电源,一路输入给直流电机砺磁(定子),一路输入给直流电机电枢(转子),直流调速器通过控制电枢直流电压来调节直流电动机转速。同时直流电动机给调速器一个反馈电流,调速器根据反馈电流来判断直流电机的转速情况,必要时修正电枢电压输出,以此来再次调节电机的转速。直流电机的调速方案一般有下列3种方式1、改变电枢电压;2、改变激磁绕组电压;3、改变电枢回路电阻。最常用的是调压调速系统,即1(改变电枢电压).一种模块式直流电机调速器,集电源、控制、驱动电路于一体,采用立体结构布局,控制电路采用微功耗元件,用光电耦合器实现电流、电压的隔离变换,电路的比例常数、积分常数和微分常数用PID适配器调整。该调速器体积小、重量轻,可单独使用也可直接安装在直流电机上构成一体化直流调速电机,可具有调速器所应有的一切功能。一种模块式直流电机调速器,集电源、控制、驱动电路于一体,采用立体结构布局,控制电路采用微功耗元件,用光电耦合器实现电流、电压的隔离变换,电路的比例常数、积分常数和微分常数用pid适配器调整。该调速器体积小、重量轻,可单独使用也可直接安装在直流电机上构成一体化直流调速电机,可具有调速器所应有的一切功能现代工业自动化的高速发展也给直流电机的控制与调速提供了大范围的应用与更新如远程信号传输,远距离调速,高温环境的遥控调速与控制,手动自动集成等。32硬件系统设计2.1驱动电路驱动电路输出电功率,驱动电动机的电枢绕组,并受控于控制电路。驱动电路由大功率开关器件组成。正是由于晶闸管的出现,直流电动机才从有刷实现到无刷的飞跃。但由于晶闸管是只具备控制接通,而无自关断能力的半控性开关器件,其开关频率较低,不能满足无刷直流电动机性能的进一步提高。随着电力电子技术的飞速发展,出现了全控型的功率开关器件,其中有可关断晶体管(GTO)、电力场效应晶体管(MOSFET)、金属栅双极性晶体管IGBT模块、集成门极换流晶闸管(IGCT)及近年新开发的电子注入增强栅晶体管(IEGT)。随着这些功率器件性能的不断提高,相应的无刷电动机的驱动电路也获得了飞速发展。目前,全控型开关器件正在逐渐取代线路复杂、体积庞大、功能指标低的普通晶闸管,驱动电路已从线性放大状态转换为脉宽调制的开关状态,相应的电路组成也由功率管分立电路转成模块化集成电路,为驱动电路实现智能化、高频化、小型化创造了条件。2.2控制电路无刷直流电动机通过控制驱动电路中的功率开关器件,来控制电机的转速、转向、转矩以及保护电机,包括过流、过压、过热等保护。控制电路最初采用模拟电路,控制比较简单。如果将电路数字化,许多硬件工作可以直接由软件完成,可以减少硬件电路,提高其可靠性,同时可以提高控制电路抗干扰的能力,因而控制电路由模拟电路发展到数字电路目前,控制电路一般有专用集成电路、微处理器和数字信号处理器等三种组成形式。对电机控制要求不高的场合,由专业集成电路组成控制电路是简单实用的方法;由于数字信号处理器运算快,外围电路少,系统组成简单、可靠,使得直流无刷电动机的组成大为简化,性能大大改进,有利于电机的小型化和智能化,因而数字信号处理器是控制电路发展的方向。43直流调速系统参数和环节特性的测定为研究晶闸管-电动机系统,须首先了解电枢回路的总电阻R、总电感L以及系统的电磁时间常数Td与机电时间常数TM,这些参数均需通过实验手段来测定,具体方法如下3.1电枢回路总电阻R的测定电枢回路的总电阻R包括电机的电枢电阻Ra、平波电抗器的直流电阻RL及整流装置的内阻Rn,即RRa十RL十Rn(1)由于阻值较小,不宜用欧姆表或电桥测量,因是小电流检测,接触电阻影响很大,故常用直流伏安法。为测出晶闸管整流装置的电源内阻须测量整流装置的理想空载电压Ud0,而晶闸管整流电源是无法测量的,为此应用伏安比较法,实验线路如图1所示。将变阻器R1、R2接入被测系统的主电路,测试时电动机不加励磁,并使电机堵转。合上S1、S2,调节给定使输出直流电压Ud在30Ued~70Ued范围内,然后调整R2使电枢电流在80Ied~90Ied范围内,读取电流表A和电压表V2的数值为I1、U1,则此时整流装置的理想空载电压为UdoI1RU1(2)调节R1使之与R2的电阻值相近,拉开开关S2,在Ud的条件下读取电流表、电压表的数值I2、U2,则Udo=I2R十U2(3)求解(2)、(3)两式,可得电枢回路总电阻R=(U2-U1)/(I1-I2)4如把电机电枢两端短接,重复上述实验,可得RL十RnU2'-U1'/I1'-I2'5则电机的电枢电阻为RaR-RL十Rn。6同样,短接电抗器两端,也可测得电抗器直流电阻RL。5IUZLL/2/22fRaZaLa2/22fRZLdLL图1伏安比较法实验线路图3.2电枢回路电感L的测定电枢回路总电感包括电机的电枢电感La、平波电抗器电感Ld和整流变压器漏感LB,由于LB数值很小,可以忽略,故电枢回路的等效总电感为L=LaLd7电感的数值可用交流伏安法测定。实验时应给电动机加额定励磁,并使电机堵转,实验线路如图2所示。图2测量电枢回路电感的实验线路图实验时交流电压由DJK01电源输出,接DJK10的高压端,从低压端输出接电机的电枢,用交流电压表和电流表分别测出电枢两端和电抗器上的电压值Ua和UL及电流I,从而可得到交流阻抗Za和ZL,计算出电感值La和Ld,计算公式如下891011/IUZaa63.4直流电动机-发电机-测速发电机组的飞轮惯量GD2的测定电力拖动系统的运动方程式为T-TzGD2/375dn/dt12式中,T为电动机的电磁转矩,单位为Nm;Tz为负载转矩,空载时即为空载转矩Tk,单位为Nm,n为电机转速,单位为rpm。电机空载自由停车时,T0,TzTk,则运动方程式为13从而有14式中GD2的单位为Nm2;Tk可由空载功率PK单位为W求出1516dn/dt可以从自由停车时所得的曲线n=ft求得,其实验线路如图3图3测定GD2时的实验线路图电动机加额定励磁,将电机空载启动至稳定转速后,测量电枢电压Ua和电流Ia0,然后断开给定,用数字存储示波器记录nft曲线,即可求取某一转速时的Tk和dn/dt。由于空载转矩不是常数,可以以转速n为基准选择若干个点,测出相应的Tk和dn/dt,以求得GD2的平均值。由于本实验装置的电机容量比较小,应用此法测GD2时会有一定的误差。dtdnGDTK/375/2dtdnTGDK//3752nPTKKa/55.9RIUaIP2a0a0K73.4主电路电磁时间常数Td的测定采用电流波形法测定电枢回路电磁时间常数Td,电枢回路突加给定电压时,电流id按指数规律上升其电流变化曲线如图4所示。当tTd时,有实验线路如图5所示。电机不加励磁,调节给定使电机电枢电流在50Ied~90Ied范围内。然后保持Ug不变,将给定的S2拨到接地位置,然后拨动给定S2从接地到正电压跃阶信号,用数字存储示波器记录idf(t)的波形,在波形图上测量出当电流上升至稳定值的63.2时的时间,即为电枢回路的电磁时间常数Td。图4电流上升曲线图5测定Td的实验线路图3.5电动机电势常数Ce和转矩常数CM的测定将电动机加额定励磁,使其空载运行,改变电枢电压Ud,测得相应的n即可由下式算出Ce式中,Ce的单位为V/rpm。转矩常数额定磁通CM的单位为Nm/A。CM可由Ce求出CM9.55Ce3.6系统机电时间常数TM的测定系统的机电时间常数可由下式计算e1Iidt/TdddddIeIi632.011/1212nnUUKCddee8CR/375CGDT2Me2M由于TMTd,也可以近似地把系统看成是一阶惯性环节,即ST/1KUnMd当电枢突加给定电压时,转速n将按指数规律上升,当n到达稳态值的63.2时,所经过的时间即为拖动系统的机电时间常数。测试时电枢回路中附加电阻应全部切除,突然给电枢加电压,用数字存储示波器记录过渡过程曲线nft,即可由此确定机电时间常数。3.7晶闸管触发及整流装置特性UdfUg和测速发电机特性UTGfn的测定实验线路如图3所示,可不接示波器。电动机加额定励磁,逐渐增加触发电路的控制电压Ug,分别读取对应的Ug、UTG、Ud、n的数值若干组,即可描绘出特性曲线UdfUg和UTGfn。由UdfUg曲线可求得晶闸管整流装置的放大倍数曲线KsfUgKsΔUd/ΔUg通过上述实验测得以下数据21.20aR73.3LR46.0nR303.0aL1835.0dL2205.0mGDsTM19.0sTd004.04直流调速系统设计双闭环直流调速系统是由速度调节器和电流调节器进行综合调节,可获得良好的静、动态性能(两个调节器均采用PI调节器),由于调整系统的主要参量为转速,故将转速环作为主环放在外面,电流环作为副环放在里面,这样可以抑制电网电压扰动对转速的影响。实验系统的原理框图组成如下9图6双闭环直流调速系统原理框图启动时,加入给定电压Ug,“速度调节器”和“电流调节器”即以饱和限幅值输出,使电动机以限定的最大启动电流加速启动,直到电机转速达到给定转速即UgUfn,并在出现超调后,“速度调节器”和“电流调节器”退出饱和,最后稳定在略低于给定转速值下运行。系统工作时,要先给电动机加励磁,改变给定电压Ug的大小即可方便地改变电动机的转速。“速度调节器”、“电流调节器”均设有限幅环节,“速度调节器”的输出作为“电流调节器”的给定,利用“速度调节器”的输出限幅可达到限制启动电流的目的。“电流调节器”的输出作为“触发电路”的控制电压Uct,利用“电流调节器”的输出限幅可达到限制max的目的。5系统调试与分析5.1双闭环系统的调试1、双闭环调速系统调试原则①先单元、后系统,即先将单元的参数调好,然后才能组成系统。②先开环、后闭环,即先使系统运行在开环状态,然后在确定电流和转速均10为负反馈后,才可组成闭环系统。③先内环,后外环,即先调试电流内环,然后调试转速外环。④先调整稳态精度,后调整动态指标。2、DJK02和DJK02-1上的“触发电路”调试①打开DJK01总电源开关,操作“电源控制屏”上的“三相电网电压指示”开关,观察输入的三相电网电压是否平衡。②将DJK01“电源控制屏”上“调速电源选择开关”拨至“直流调速”侧。③用10芯的扁平电缆,将DJK02的“三相同步信号输出”端和DJK02-1“三相同步信号输入”端相连,打开DJK02-1电源开关,拨动“触发脉冲指示”钮子开关,使“窄”的发光管亮。④观察A、B、C三相的锯齿波,并调节A、B、C三相锯齿波斜率调节电位器(在各观测孔左侧),使三相锯齿波斜率尽可能一致。⑤将DJK04上的“给定”输出Ug直接与DJK02-1上的移相控制电压Uct相接,将给定开关S2拨到接地位置(即Uct0),调节DJK02-1上的偏移电压电位器,用双踪示波器观察A相同步电压信号和“双脉冲观察孔”VT1的输出波形,使α150。⑥适当增加给定Ug的正电压输出,观测DJK02-1上“脉冲观察孔”的波形,此时应观测到单窄脉冲和双窄脉冲。⑦用8芯的扁平电缆,将DJK02-1面板上“触发脉冲输出”和“触发脉冲输入”相连,使得触发脉冲加到正反桥功放的输入端。⑧将DJK02-1面板上的Ulf端接地,用20芯的扁平电缆,将DJK02-1的“正桥触发脉冲输出”端和DJK02“正桥触发脉冲输入”端相连,并将DJK02“正桥触发脉冲”的六个开关拨至“通”,观察正桥VT1~VT6晶闸管门极和阴极之间的触发脉冲是否正常。3、控制单元调试①移相控制电压Uct调节范围的确定直接将DJK04“给定”电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端,“三相全控整流”输出接电阻负载R,用示波器观察Ud的波形。当给定电压Ug由零11调大时,Ud将随给定电压的增大而增大,当Ug超过某一数值时,此时Ud接近为输出最高电压值Ud',一般可确定“三相全控整流”输出允许范围的最大值为Udmax0.9Ud',调节Ug使得“三相全控整流”输出等于Udmax,此时将对应的Ug'的电压值记录下来,UctmaxUg',即Ug的允许调节范围为0~Uctmax。如果我们把输出限幅定为Uctmax的话,则“三相全控整流”输出范围就被限定,不会工作到极限值状态,保证六个晶闸管可靠工作。最后测得UctmaxUg'2.23V②调节器的调零将DJK04中“调节器I”所有输入端接地,再将DJK08中的可调电阻120K接到“调节器I”的“4”、“5”两端,用导线将“5”、“6”短接,使“调节器I”成为P比例调节器。用万用表的毫伏档测量调节器I的“7”端的输出,调节面板上的调零电位器RP3,使之电压尽可能接近于零。将DJK04中“调节器II”所有输入端接地,再将DJK08中的可调电阻13K接到“调节器II”的“8”、“9”两端,用导线将“9”、“10”短接,使“调节器II”成为P(比例)调节器。用万用表的毫伏档测量调节器II的“11”端,调节面板上的调零电位器RP3,使之输出电压尽可能接近于零。③调节器正、负限幅值的调整把“调节器I”的“5”、“6”短接线去掉,将DJK08中的可调电容0.47uF接入“5”、“6”两端,使调节器成为PI比例积分调节器,将“调节器I”所有输入端的接地线去掉,将DJK04的给定输出端接到调节器I的“3”端,当加5V的正给定电压时,调整负限幅电位器RP2,使之输出电压为-6V,当调节器输入端加-5V的负给定电压时,调整正限幅电位器RP1,使之输出电压尽可能接近于零。把“调节器II”的“9”、“10”短接线去掉,将DJK08中的可调电容0.47uF接入“9”、“10”两端,使调节器成为PI(比例积分)调节器,将“调节器II”的所有输入端的接地线去掉,将DJK04的给定输出端接到调节器II的“4”端。当加5V的正给定电压时,调整负限幅电位器RP2,使之输出电压尽可能接近于零;当调节器输入端加-5V的负给定电压时,调整正限幅电位器RP1,使调节器I的输出正限幅为Uctmax。④电流反馈系数的整定12直接将“给定”电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端,整流桥输出接电阻负载R,负载电阻放在最大值,输出给定调到零。按下启动按钮,从零增加给定,使输出电压升高,当Ud220V时,减小负载的阻值,调节“电流反馈与过流保护”上的电流反馈电位器RP1,使得负载电流Idl.3A时,“2”端If的的电流反馈电压Ufi6V,这时的电流反馈系数βUfi/Id4.615V/A。⑤转速反馈系数的整定直接将“给定”电压Ug接DJK02-1上的移相控制电压Uct的输入端,“三相全控整流”电路接直流电动机负载,Ld用DJK02上的200mH,输出给定调到零。按下启动按钮,接通励磁电源,从零逐渐增加给定,使电机提速到n150Orpm时,调节“转速变换”上转速反馈电位器RP1,使得该转速时反馈电压Ufn-6V,这时的转速反馈系数αUfn/n0.004V/rpm。4、开环外特性的测定①DJK02-1控制电压Uct由DJK04上的给定输出Ug直接接入,“三相全控整流”电路接电动机,Ld用DJK02上的200mH,直流发电机接负载电阻R,负载电阻放在最大值,输出给定调到零。②按下启动按钮,先接通励磁电源,然后从零开始逐渐增加“给定”电压Ug,使电机启动升速,转速到达1200rpm。③增大负载即减小负载电阻R阻值,使得电动机电流IdIed,可测出该系统的开环外特性nf(Id)5、系统静特性测试①按图5-10接线,DJK04的给定电压Ug输出为正给定,转速反馈电压为负电压,直流发电机接负载电阻R,Ld用DJK02上的200mH,负载电阻放在最大值,给定的输出调到零。将“调节器I”、“调节器II”都接成P(比例)调节器后,接入系统,形成双闭环不可逆系统,按下启动按钮,接通励磁电源,增加给定,观察系统能否正常运行,确认整个系统的接线正确无误后,将“调节器I”,“调节器II”均恢复成PI(比例积分)调节器,构成实验系统。②机械特性nfId的测定A、发电机先空载,从零开始逐渐调大给定电压Ug,使电动机转速接近13nl200rpm,然后接入发电机负载电阻R,逐渐改变负载电阻,直至IdIed,即可测出系统静态特性曲线nfId。5.2系统的分析系统模型由晶闸管-直流电动机组成的主电路和转速电流调节器组成的控制电路两部分组成。主电路采用三相可控晶闸管整流电路整流,用PI调节器控制,通过改变直流电动机的电枢电压从而进行调压调速。控制电路设置两个PI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。二者实行嵌套连接,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,形成转速电流双闭环直流调速系统。实验结果表明经过该设计系统改进,双闭环系统与单闭环系统相比机械特性偏硬,快速起制动,突加负载动态速将小。因为本系统采用了双闭环系统,所以系统能够通过两个转速调节器进行自动调节作用减少稳态速降,但是有超调。为使系统的稳态性能更好,该系统采用无静差调节,即转速调节器采用比例积分调节器(PI调节器),使系统保证恒速运行,以保证满足更严格的生产要求这次实验是最后一个课程设计了,所以做得非常认真,通过这次实验使我明白了直流调速系统的原理,以前没明白的一些细节在这次设计中也得到了深刻的理解。理合实际互相结合是我对电力拖动自动控制系统这门课有了进一步的认识。同时还要感谢给我帮助的同学和在技术给我指导的老师。6参考文献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,19982.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,2000忽略此处..

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