单闭环设计

目 录

一、摘要……………………………………………..2 二、前言……………………………………………..2 2.1设计的目的………………………………3

2.2设计的目的………………………………3

2.3设计主要解决的问题……………………3

三、方案的比较论证……………………………………4

3.1总体方案的论证比较……………………4

3.2主电路方案的论证比较…………………6 3.3控制电路的论证方法……………………7 四、设计正文…………………………………………….9

4.1主电路设计………………………………10 4.2控制电路方案设计…………………………10 4.3电路图总体设计…………………………12 五、设计心得和体会……………………………………12 六、参考文献…………………………………………….14

题目：转速单闭环V-M不可逆直流调速系统设计 一、摘要

摘要：本次设计主要介绍了单闭环不可逆直流调速系统的方案比较及其确定，主电路设

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计控制电路等。

为了提高直流调速系统的动态、静态性能，通常采用闭环控制系统（主要包括单闭环、双闭环）。而在对调速指标要求不高的场合，采用单闭环即可。闭环系统较之开环系统能自动侦测把输出信号的一部分拉回到输入端，与输入信号相比较，其差值作为实际的输入信号；能自动调节输入量，能提高系统稳定性。在对调速系统性能有较高要求的领域常利用直流电动机，但直流电动机开环系统稳定性不能够满足要求，可利用转速单闭环提高稳态精度，而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统静差，可采用积分调节器代替比例调节器。

关键词：单闭环；晶闸管；转速调节器 二、前言 2.1设计的目的

1）了解单闭环不可逆直流调速系统的原理，组成及其各主要单元部件的原理。 2）掌握晶闸管直流调速系统的一般调速过程。 3）认识闭环反馈控制系统的基本特性。 4）掌握直流电机的基本结构、原理、运行特性。

5）掌握直流电动机的机械特性及起动、调速、制动、反转的基本理论和计算方法。 6）学会分析电力拖动与自动控制系统中电动机的机械特性，各种运行状态及控制特性，掌握它们的基本原理和相应计算方法。 2.2设计的意义

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。 2.3设计主要解决的问题

1）主回路方案确定：包括主电路结构选择、主电路元器件的选型计算及保护方式和电路的选择和设计及驱动电路的设计。

2）控制回路选择：给定器、调节器、触发器、稳压电源、电流截止环节、调节器及限幅电路，电流、电压检测环节、同步变压器接线方式

3）整流变压器计算：变压器原副边电压、电流、容量以及连接组别选择 4）晶闸管整流元件：电压定额、电流定额计算及定额选择

5）系统各主要保护环节的设计：快速熔断器计算选择、阻容保护选择计算 6）平波电抗器选择计算

7）电流调节器ACR的计算、转速调节器ASR的计算、动态性能指标计算 8）用visio软件画出单闭环调速系统电气电路图及画出动态框图和伯德图。 三、方案的比较论证 3.1总体方案的论证比较

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对于直流电动机调速的方法有很多，而其各有它自己的优点和不足。各种调速方法可大致归纳如下：

（１）弱磁调速 通过改变励磁线圈中的电压Uf，使磁通量改变（Uf增大，磁通量增大；Uf增小，磁通量增小）。

特点：保持电源电压为恒定的额定值，通过调节电动机的励磁回路的励磁电流大小，改变电动机的转速。这种调速方法属于基速以上的恒功率调速的方法。在电流较小的励磁回路内进行调节，因此控制起来比较方便，功率损耗小，用于调节励磁的电阻器功率小，控制方便且容易实现，而其更重要的是此方法可以实现无级平滑调速，但由于电动机的换向有限以及机械强度的限制，速度不能调节得太高，从而电动机的调速范围也就受到了限制。

（２）串联电阻调速 即在电枢回路中串入一个电阻，其阻值的大小根据实际需要而定，使电动机特性变软，

特点：在保持电源电压和气隙磁通为额定值，在电枢回路中串入不同阻值的电阻时，可以得到不同的人为机械特性曲线，由于机械特性的软硬度，即曲线斜率的不同，在同一负载下改变不同的电枢电阻可以得到不同的转速，以达到调速的目的，属于基速以下的调速方法。这种方法简单，容易实现，而其成本较低，单外串电阻只能是分段调节，不能实现无级调速，而其电阻在一定程度上要消耗能量，功率损耗大，低速运行时转速稳定性较差，只能适应对调速要求不高的中小功率型电动机。

（３）调节电枢电压调速 电机降压起动是为了避免高启动转矩和启动电流峰值,减小电动机启动过程的加速转矩和冲击电流对工作机械、供电系统的影响。

特点：在保持他励直流电动机的磁通为额定值的情况下，电枢回路不串入电阻，将电视两端的电压，即电源电压降低为不同的值时，可以获得与电动机固有机械特性相互平行的人为机械特性，调速 方向是基速以下，属于恒转矩调速方法。只要输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无级平滑调速，而且低速运行时的机械特性基本保持不变。所以得到的调速范围可以达到很高，而且能实现可逆运行。但对于可调的直流电源成本投资相对其他方法较高。

鉴于以上对各种调速可行性方案的论述，本系统将采用调压调速的调速方法以满足生产工艺的要求。

3.2主电路方案的论证比较

主电路主要是指电源装置和执行装置（直流电动机），由于电动机是我们的控制对象，所以就对电源装置进行可行性和优越性的比较论证。

直流电动机的调速方法有两种，具体为：1）使用脉冲宽度调制晶体管功率放大器，即

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采用PWM的调压调速控制；2）使用晶闸管可控整流装置调速。 1）PWM调压调速方案

电源装置采用PWM调压，其基本思想是：冲量相等而形状不同的窄脉冲加载到具有惯性的环节上时，其效果相同。即惯性环节的输出相应是相同的。SPWM波形——脉冲宽度按照正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。 2）使用晶闸管可控整流装置调速

通过晶闸管的导通角的移相，改变触发角，从而改变电压的导通时间，改变电压的平均值。电路如下图3-1：

图3-1 晶闸管可控整流电路

电路特点：电路直接由交流转换为直流，所以效率比较高。其次，整流装置时SRC，容量相对IGBT而言，比较大，电动机的容量就可以做的相对较大，可靠性也比较高，技术成熟等优点。设计的对象电机的容量是3KW，可以很好地满足容量的要求，再次，触发电路也比较简单，有现成的集成触发电路，设计起来相对简单。不过由于也存在正反两组的问题，所以也要考虑逻辑控制问题，以免发生环路导通短路事故。

综上所述，综合考虑比较两者的优点，可调电源电路采用后者，使用晶闸管可控整流装置调压调速。

3.3控制电路的论证方法

对电动机转速的控制调节方法有几种控制方法：

（1）才用单闭环的速度反馈调节加上电流截止负反馈的方法； （2）采用双闭环的速度、电流反馈控制调节方法。

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方案论证：

1) 采用才用单闭环的速度反馈调节加上电流截止负反馈的方法，能实现比较方便，快捷，成本低，而且系统调试等简单。但是此方法又有其缺点，在启动过程总系统是非线性的，而且是一个复杂的动态过程，不能简单地将最大负荷时的电流值定为电流截止负反馈的限制值，这将影响电动机的启动时间，而且难以把握电流的动态过程。由于直流电动机在起动、堵转或过载时会产生很大的电流，这样大的电流会烧坏晶闸管元件和电机，因而要加以限制。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入哪个物理量的负反馈。系统中若引入电流负反馈，虽然电流不会过大，但是单闭环调速系统中如果存在电流负反馈，将会使静特性变软，影响调速精度，而这又是我们希望避免的。如果能做到电流负反馈在正常运行时不起作用，而在过电流情况下起电流负反馈作用。为此，可以通过一个电压比较环节，使电流负反馈环节只有在电流超过某个允许值时才起作用，这就是电流截止负反馈环节。

图2-1 带电流截止负反馈的单闭环调速系统

2）采用双闭环速度电流调节方法，这种方法虽然成本相对较高，但它保证了系统的性能，保证了对生产工艺要求的满足，它既兼顾了启动时电流的动态过程，又保证了稳态后的稳定性，在起动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈。当到达稳态后，只要转速负反馈，不让电流负反馈发挥作用，能很好的满足生产需要。 四、设计正文 4.1主电路设计

电压放大器整流触发装置电动机负载速度检测图4-1单闭环调速系统的结构图

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变压器副边电压确定：因为U=220V，整定的范围在30°~150°之间，由三相全控整流公式Un=2.34U2COSα,当α在30°时，又是最大值，所以U2=108.5V，所以选择U2=120V。K=U1/U2 K=220/120=1.83

一次和二次电流计算：I1=1.05Ki1Id/K=1.05×1×136÷1.83=78A, I2=Ki2Id=1×136=136A 变压器容量计算：S1=U1×I1=220×78=17160VA

S2=U2×I2=120×136=16320VA S=1/2×﹙S1﹢S2﹚=16740VA

晶闸管元件的选择：

IN136A,即IM136A,I22IVT2 IVT3IM0.816IM110.98A

IVTIM13650A 1.571.5732.72又整流输出的电压UCUN220V,进线电压为120V，

由电路分析可知，晶闸管承受的最大反向电压是变压器的二次线电压的电压峰值。即有

URM23U223120300V

晶闸管承受的最大正向电压是线电压的一半，即

1UFM23U223120150V

2考虑安全性裕量，选择电压裕量选为2倍的关系，电流裕量选为1.5倍的关系，所以工作的晶闸管的额定电压容量的参数可选择为：

UVTN2300600V IVTN1.56.4349.65V

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图4-2 速度调节器ASR电路图 4.2控制电路方案设计

控制电路采用转速单闭环调速系统控制，采用闭环系统可以比开环系统获得更硬的机械特性，而且静差率比开环是小得多，并且在静差率一定时，则闭环系统可以大大提高调速范围。但在闭环式必选设置放大器。如果只采用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍然是有静差的，这样的系统叫做有静差调速系统，它依赖于被调量的偏差进行控制，而反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定，但反馈控制系统所能抑制的知识被反馈环包围的前向通道上的扰动

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图4-3触发电路图

电动机在运行时保证电流连续，取此时的电流为额定电流的5%～10%。

Idmin10%IN0.113613.6A L0.693U21200.6936.11H Idmin13.61）为满足调速系统的稳定性能指标，额定负载时的稳态速降为

nclNns15000.05rmin

D(1s)10(10.05)InR1360.863514.8rmin Ce0.228nop2）放大系数为KNopNcl196.87

3）计算转速负反馈环节的反馈系数和参数

α=Cetg 因为测速发电机的参数不知道，所以无法求出 4）调节器放大系数Kp

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KpK96.8786.19

KS0.004162.50.228CeR1KPR0,放大器输入电阻取200K

R186.19201724

iR1C1,C15.8H

VS击穿电压值为

4.3电路图总体设计

1.5INUim，Ubr7.33V 1.1INUbr

图4-3 总设计原理图 五、设计心得和体会

经过一个星期的课程设计，从查找资料，到确定方案，再到具体的设计，在这期间我遇到了很多问题，也发现了相关专业知识掌握的不足，会发现学习过的很多知识都被自己分开，不能连贯的连接在一起，而这次的电力拖动自动控制系统课程设计是把电力电子技术和电机相结合的应用。

在这次的课程设计中，我对自动控制系统的设计步骤、设计思路有了一定的了解和认识，同时对直流双闭环调速系统也有了更深的认识，加深了理解，是对课堂所学知识的一次很好的应用。学会了转速、电流双闭环直流调速系统的设计，并能熟练地掌握转速和电流调节器参数的选择和计算，在设计的基础上更加认识到直流双闭环调速系统的应用之广泛。

单闭环不可逆直流调速系统最终能较好地运行，从零开始加给定电压，速度从零开始上

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