电力电子课程设计.docx

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电力电子课程设计

摘要：

目前调速系统分为交流调速和直流调速系统，由于直流电动机具有良好的起、制动性能，调速范围广，静差率小，稳定性好以及具有良好的动态性能，在很多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

近年以来，高性能交流调速技术发展很快，随着其应用范围的逐渐扩大，有着取代直流调速系统的发展趋势。

为了提高直流调速系统的动态、静态性能，通常要采用闭环控制系统。

在对调速指标要求不高的场合，采用转速单闭环系统是最经济的选择，正因为这样，单闭环直流电机调速系统在日常生活中的应用越来越广泛，其良好的调速性能也被大众所认同。

闭环系统把一部分的输出信号反馈回输入端，与输入端的信号进行比较，其差值作为实际的输入信号，能自动地调节输入量，提高系统的稳定性。

在对调速系统有较高要求的领域，常利用直流电动机，然而，直流电动机开环系统稳定性不高，系统有较大转速差，不能够满足要求，所以可以利用转速单闭环系统来提高稳态精度。

但是，采用比例调节器的负反馈调速系统还是有静差的，为了消除系统静差，可以采用积分调节器代替比例调节器。

单闭环直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、测速发电机、闭环控制系统组成。

通过调整晶闸管的控制角来调节转速，非常方便，高效。

关键词:

单闭环；不可逆；高稳定性。

目录

第1章绪论3

1.1本课题在国内外的发展概况及存在的问题3

1.2本课题的目的和意义3

第2章方案论证4

2.1方案论证的比较4

2.1.1总体方案的论证比较4

第3章主电路设计8

第4章图表18

第5章结论19

参考文献20

致谢20

附录B21

第一章绪论

1.1本课题在国内外的发展概况及存在的问题

目前调速系统分为交流调速和直流调速系统，由于直流电动机具有良好的起、制动性能，调速范围广，静差率小，稳定性好以及具有良好的动态性能，在很多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

近年来，高性能交流调速技术发展很快，随着其应用范围的逐渐扩大，有着取代直流调速系统的发展趋势。

为了提高直流调速系统的动态、静态性能，通常要采用闭环控制系统。

在对调速指标要求不高的场合，采用转速单闭环系统是最经济的选择，正因为这样，单闭环直流电机调速系统在日常生活中的应用越来越广泛，其良好的调速性能也被大众所认同。

闭环系统把一部分的输出信号反馈回输入端，与输入端的信号进行比较，其差值作为实际的输入信号，能自动地调节输入量，提高系统的稳定性。

在对调速系统有较高要求的领域，常利用直流电动机，然而，直流电动机开环系统稳定性不高，系统有较大转速差，不能够满足要求，所以可以利用转速单闭环系统来提高稳态精度。

但是，采用比例调节器的负反馈调速系统还是有静差的，为了消除系统静差，可以采用积分调节器代替比例调节器。

单闭环直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、测速发电机、闭环控制系统组成。

通过调整晶闸管的控制角来调节转速，非常方便，高效。

1.2课程设计的目的和意义

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）掌握交、直流电机的基本结构、原理、运行特性。

5）掌握交、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）了解选择电动机的原则和方法。

7）学习低压电器基础知识，具备使用有关手册，图表资料的初步能力。

8）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。

9）掌握电力拖动控制理论和线路分析方法，具备排除一般故障的能力。

10）通过实验、实习等教学环节，深化专业理论，增强动手能力，具备初步的电力拖动制动系统的调试能力。

第二章方案论证

2.1方案比较的论证

2.1.1总体方案的论证比较

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。

又由于电力电子技术的发展，出现了各种的直流调压方法，可分为如下两种：

1）使用晶闸管可控整流装置的调速系统；

2）使用脉宽调制的晶体管功率放大器调速系统。

基于以上的特点，当前有3种方法可供选择。

方案Ⅰ弱磁调速

系统采用弱磁调速。

由于弱磁调速方法的特点可以看出：

功率损耗小，特别是用于调节励磁的电阻器功率小，控制方便而其容易实现，更重要的是可以实现无级平滑调速，为生产节约了生产成本。

这是它的优点，但同时要注意到弱磁调速方法难以实现低速运行，以及可逆运行。

只能在基速以上运行，且电动机的换向能力以及机械强度的限制，速度不能调得太高，这就限制了它的调速范围的要求，针对我们要设计的目标调速系统，速度要求在1500r/min，很明显这种调速方法难以做到，必须要配合其他的控制方法才能实现，这样成本将会升高，而且控制将会变得复杂，失去了弱磁调速本身所具有的优点。

方案Ⅱ串联电阻调速

系统采用串联电阻调速。

这种方法最大的优点就是实现原理简单，控制电路简单可靠，操作简便。

这种调速属于基速以下的调速方法，可以达到生产工艺对速度的要求。

但它外串电阻只能是分段调节，不能实现无级平滑调速，而且电阻在一定程度上消耗能量，功率损耗比较大，低速行时转速稳定性差，容易产生张力不平稳，难以控制。

方案Ⅲ调节电枢电压调速

系统采用调节电枢电压的调速方法。

这种可以获得与电动机的固有机械特性相平行的人为机械特性，调速方向是基速以下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上保持不变所以得到的调速范围可以达到很宽，而且可以实现电动机的正反转。

鉴于以上对各种调速可行性方案的论述本，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。

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，即采用PWM的调压调速控制；

2）使用晶闸管可控整流装置调速。

一、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，可表示如下。

图2-1用pwm波代替正弦波

PWM调压电路

图2-2pwm调压电路

二、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2-3晶闸管可控整流电路装置

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。

控制电路方案的论证比较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。

方案论证：

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2-4

第三章电路设计

主电路的设计如下图：

由于三相半波可控整流电路在其变压器的二次电流中含有直流分量，不适合变压器的长期运行，所以不予采用。

本设计采用三相桥式全控整流电路。

转速单闭环系统原理如图3-1所示，图中将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经速度变换后接到电流调节器的输入端，与给定的电压相比较经放大后，得到移相控制电压Uct，用作控制整流桥的触发电路，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间，以改变三象全控整流电路的输出电压，这就构成了速度反馈闭环系统。

电动机的转速随着给定电压变化，电动机的最高转速由电流调节器的输出限幅所决定，电流调节器为比例积分调节器，这是挡给定电压恒定时，闭环系统队速度变化起到了抑制作用，当电动机负载或电源电压波动时，电动机的转速能稳定在一定的范围内变化。

图3-1

原理：

 该系统由给定信号、速度调节器、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器，直流电动机速度反馈等部分组成。

在仿真实验设计中采用了面向电气原理结构图方法构建的单闭环转速负反馈直流调速系统的仿真模型。

 1．转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有下述三个基本特征，也就是反馈控制的基本规律。

只用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍是有静差的。

反馈控制系统的作用是：

抵抗扰动，服从给定。

系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。

图3-2转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图

图3-3反馈控制闭环调速系统的动态结构框图

2.三相全控桥式整流电路

1）系统原理如图3-4（下图为晶闸管直流调速实验系统原理图，实验系统的主电路为三相全控桥式整流电路）

图3-4晶闸管直流调速实验系统原理图

2）工作原理

可控整流是把交流电变成大小可调的直流电，把晶闸管和整流二极管都堪称理想元件，即导通时的正向电压江和关断时的漏电流均忽略不计，并且导通榆关断都是瞬时完成的。

共阴极组的自然换向点在wt1、wt3、wt5时刻，分别触发晶闸管VT1,VT3,VT5共阴极组的自然换向点在wt2,wt4,wt6时刻分别VT2,VT4,VT6触发晶闸管。

两族的自然换向点对应相差60°，电路对应在本组内换流，即vt1-vt3-vt5-vt1,vt2—vt4–vt6–vt2…,每个管子轮流导通120°，对共阴极而言，其输出电压波形是三项相电压波形的正半周的包络线；对共阳极组而言其输出电压波形是三项相电压波形的负半周的包络线。

三相桥式全控整流的输出电压为两组输出电压之和，是相电压波形正负包络线下的面积，当a≤60°时，Ud的波形均为正值。

所以本设计中a≤60°。

三相桥式全控整流电路在任何时刻必须保证有两个晶闸管同时导通才能构成电流回路．晶闸管换流只在本组内进行，每隔120度环流一次。

三相桥式全控整流电路的负载电压ud波形是六个不同的线电压的组合，当a=0度时，为三相线电压的正向包络线，每周期脉动六次，基波频率为30HZ，其脉动系数SU=0.05，基本是一个平稳的直流。

带大电感负载时，其平均值为Ud=2.34U2ΦCOSa=1．35U2lCOSa   （0°≤a≤90°）   

 三相全控桥式整流电路控制角a的起算点为相邻相电压的交点。

由于线电压超前相电压30°。

所以波形上a距波形原点的距离为a+30°。

 ⒉平波电抗器再V-M系统中，脉动的电流会增加电机的发热，同时也增加脉动转矩，对机械产生不利。

为了避免或减轻这种影响，需采用抑制电流脉动的措施，主要是：

⑴增加整流电路相数，或采用多重化技术。

⑵设置平波电抗器

本次试验中采用设置平波电抗器的方式。

平波电抗器的电感一般按低速轻载时保证电流连续的条件来选择。

通常首先给定最小电流Idmin，再利用他计算所的总电感，减去电枢电感，即的平波电抗应有的电感值。

对于三相桥式整流电路，L=0．693U2/Idmin     Idmin一般为电动额定电流的5%到10%  （此公式出自《电力拖动自动控制系统》）经计算可的平波电抗器的电感值为5e-3（5×0.001） 

3.直流电动机

在电动运行时，转速稍低，Ea﹤U,电流方向由电网顺电压U方向流向电机。

他励直流电动机的等效电路图 

图3-5

⑵．额定励磁下直流电动机动态结构图

图3-6

在零初始条件下，去等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数，

⒋同步脉冲触发器

为了保证整流装置能启动，或在电流断续后再导通，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时加触发脉冲，本次是设计中采用加宽脉冲的方式，使每个脉冲的宽度大于60°，取脉冲的宽度为90°。

脉冲的移项范围在大电感负载时为0°～90°由公式Ud=1.35U2lCOSa得，a=45°（此公式出自《电力拖动自动控制系统》）

⒌控制与检测环节的传递函数

直流闭环调速系统中的其他环节还有比例放大器和测速反馈环节，他们的相应都可以认为是瞬时的，为此他们的传递函数就是他们的放大系数，即放大器

测速反馈

⒍电流截止负反馈环节

为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。

根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。

那么，引入电流负反馈，应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。

考虑到，限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减。

如果采用某种方法，当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。

这种方法叫做电流截止负反馈，简称截流反馈。

 电流截止负反馈环节 如图3-7：

图3-7电流截止负反馈环节

图3-8带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态结构图

由图3-8可写出该系统两段静特性的方程式如下：

 当Id≤Idcr时，电流负反馈被截止，静特性和只有转速负反馈调速系统的静特性式相同，即：

带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性如下：

图3-8带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性

由曲线可以看出电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻 Kp Ks Rs ，因而稳态速降极大，特性急剧下垂。

比较电压Ucom 与给定电压Un* 的作用一致，好象把理想空载转速提高到即把理想空载转速提高到D。

电流截止负反馈环节参数设计：

 1、Idbl应小于电机允许的最大电流，一般取Idbl =（1.5~2）IN 

2、从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取Idcr ≥（1.1~1.2）IN 

7、控制电路工作原理：

工作时测速发电机与电动机安装在同一电机导轨上，并且它们同轴运行。

测速发电机分为直流测速发电机和交流测速发电机。

我们此处用的测速发电机为直流发电机，测速发电机定子上装有磁极，转子上有电枢绕组，与普通的电机一样，它的换向也由装在转子上的换向片与装在定子上的电刷来完成。

首先我们给励磁绕组加一电压Uf ,励磁电流为If。

E, U, I分别为测速发电机的电动势，电压及电流，Rfz 为负载电阻。

如果磁场不变，则有

即为

，从中我们可以看出，只要

不变则输出电压与转速成正比。

所以我们将负载电阻取一总电阻不变的滑动变阻器，通过滑动变阻器取其部分电压作为反馈电压Un 。

又因测速发电机与电机同轴，也即测速发电机与电机同速，测速发电机的输出电压与电机的转速成正比。

而Un又与测速发电机的输出电压U成正比，即Un与电机的转速成正比，从而实现了速度反馈成对应的反馈电压，与给定电压相叠加，从而影响主回路的输入电压进而影响电机两端的电压，改变电机的转速，最终实现对转速的反馈控制。

图3-7

图3-8结构图

第四章图表

由数据，可画出转速单闭环直流调速系统的机械特性：

图3-1转速单闭环直流调速系统的机械特性

第五章结论

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。

第六章

参考文献:

1）陈伯时《电力拖动自动控制系统》【M】，机械工业出版社

2）王兆安、黄俊《电力电子技术》【M】，机械工业出版社

3）罗飞《运动控制系统》【M】，化学工业出版社

4）方晓钟《电力电子技术与电气传动》【M】，机械工业出版社

5）杨兴瑶《电气传动及应用》【M】，化学工业出版社

6）易继锴《电气传动自动控制原理与设计》【M】，北京工业大学出版社

致谢：

感谢老师对我的指导和耐心讲解，同学们对我的帮助。

感谢学校给我们这么好的机会，让我们亲自动手实践，理论与实践相结合让我们对学习产生更大的兴趣。