最新双闭环直流调速系统设计.docx

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最新双闭环直流调速系统设计

双闭环直流调速系统设计

第一章设计概述

一、课程设计的性质和任务：

本课程是电气自动化本科专业学生学习完《直流调速系统》或《电力拖动控制系统》课程后进行的一个重要的独立性实践教学环节。

其任务是通过设计双闭环直流调速系统的全过程，培养学生综合应用所学的直流调速知识去分析和解决工程实际问题的能力，帮助学生巩固、深化和拓展知识面，使之得到一次较全面的设计训练，为毕业设计和实际工程设计奠定基础。

转速、电流双闭环不可逆直流调速系统是一种典型的自动控制系统。

这种调速系统只有两个调节器，即速度调节器（ASR）和电流调节器（ACR），两个调节器作串级连接，其中速度调节器的输出信号作为电流调节器的输入信号，从而形成一环套一环的转速、电流双闭环结构。

这种转速、电流双闭环调速系统，在突加转速给定信号的过程中表现为一个恒电流加速系统，而在稳态和接近稳态的运行中又表现为一个无静差调速系统，因此各项性能指标较系统开环时提高许多。

本此课程设计的目的就是同学们在调试、设计一个典型的调速系统后，能够掌握自控系统调试、设计的方法，步骤及其调试原则，加强同学们的动手能力和对理论知识的理解。

自控系统调试所遵循的原则：

先部分，后系统：

即首先对系统的各个单元进行调试，然后再对整个系统进行调试。

先开环，后闭环：

即首先进行开环调试，然后再对系统闭环进行调试。

先内环，后外环：

即首先对内环进行调试（如在本此调试中就应先对电流环进行调试）,然后再对外环进行调试（如本此调试中的速度环调试）。

本次系统调试是在DJDK-1型电力电子技术及电机控制实验装置上进行。

整个调试完成后要求系统达到以下指标：

动态

指标

启动（稳态1500rpm@Id=0.8A）

σn≤10%，σi≤5%，tr≤2s

tr：

起动时间

负载扰动（1500rpm@△Id=0.7A）

△n≤5%，tv≤0.5s

△n：

动态速降

tv：

恢复时间

静态

指标

负载变化：

空载～Id=0.8A

D≥5，S≤5%

D：

调速范围

S：

静差率

二、DJDK-1型电力电子技术及电机控制实验装置简介

1装置特点

（1）设计装置采用挂件结构，可根据不同设计内容进行自由组合。

（2）装置连接线采用强、弱电分开的手枪式插头，两者不能互插，避免强电接入弱电回路，造成设备损坏。

（3）控制屏供电采用三相隔离变压器隔离，分别设有电压型和电流型漏电保护装置，保护操作者的安全。

（4）挂件面板分为三种接线孔，强电、弱电及波形观测孔，三者有明显的区别，不能互插。

图2-1DJDK-1电力电子技术及电机控制实验装置

2装置技术参数

（1）输入：

电压三相四线制，380V±10%，50Hz。

（2）工作环境：

环境温度范围为－5～40℃，相对湿度<75%，海拔高度<1000m。

（3）装置容量：

＜1.5kVA

（4）电机输出功率：

＜200W

3DJK01电源控制屏

电源控制屏主要为实验提供各种电源，如三相交流电源、直流励磁电源等；同时为实验提供所需的仪表，如直流电压、电流表，交流电压、电流表。

屏上还设有定时器兼报警记录仪（考核实验用）；在控制屏正面的大凹槽内，设有两根不锈钢管，可挂置实验所需挂件，凹槽底部设有12芯、10芯、4芯、3芯等插座，从这些插座提供有源挂件的电源；在控制屏两边设有单相三极220V电源插座及三相四极380V电源插座，此外还设有供实验台照明用的40W日光灯。

图2-2主控制屏面板图

（1）三相电网电压指示

三相电网电压指示主要用于检测输入的电网电压是否有缺相的情况，操作交流电压表下面的切换开关，观测三相电网各线间电压是否平衡。

（2）定时器兼报警记录仪

平时作为时钟使用，具有设定实验时间、定时报警和切断电源等功能，它还可以自动记录由于接线操作错误所导致的告警次数。

（3）电源控制部分

它的主要功能是控制电源控制屏的各项功能，它由电源总开关、启动按钮及停止按钮组成。

当打开电源总开关时，红灯亮；当按下启动按钮后，红灯灭，绿灯亮，此时控制屏的三相主电路及励磁电源都有电压输出。

（4）三相主电路输出

三相主电路输出可提供三相交流200V/3A或240V/3A电源。

输出的电压大小由“调速电源选择开关”控制，当开关置于“直流调速”侧时，A、B、C输出线电压为200V，可完成电力电子实验以及直流调速实验；当开关置于“交流调速”侧时，A、B、C输出线电压为240V，可完成交流电机调压调速及串级调速等实验。

在A、B、C三相附近装有黄、绿、红发光二极管，用以指示输出电压。

同时在主电源输出回路中还装有电流互感器，电流互感器可测定主电源输出电流的大小，供电流反馈和过流保护使用，面板上的TA1、TA2、TA3三处观测点用于观测三路电流互感器输出电压信号。

（5）励磁电源

励磁电源开关拨向“开”侧，在按下启动按钮后，则有220V直流励磁电压输出，并有发光二极管指示输出是否正常，励磁电源由0.5A保险做短路保护。

由于励磁电源的容量有限，仅作为直流电机提供励磁电流，故一般不能作为大电流的直流电源使用。

（6）面板仪表

面板上部设置有精度为0.5级的500V真有效值交流电压表和5A真有效值交流电流表，面板下部设置有0.5级精度的±300V数字式直流电压表和±5A数字式直流电流表。

4DJK02挂件（晶闸管主电路）

该挂件装有12只晶闸管、直流电压和电流表等，其面板如图2-3所示。

（1）三相同步信号输出端

同步信号从电源控制屏获得，电源控制屏内装有∆/Y接法的三相同步变压器，和主电源输出同相，其输出相电压幅度为15V左右，送DJK02-1内的KC04集成触发电路，产生移相触发脉冲；只要将本挂件的12芯插头与装置相连接，则即有三相同步电压信号输入。

（2）正、反桥脉冲输入端

从DJK02-1来的正、反桥触发脉冲分别通过输入接口，加到相应的晶闸管电路上。

（3）正、反桥钮子开关

从正、反桥脉冲输入端来的触发脉冲信号通过“正、反桥钮子开关”接至相应晶闸管的门极和阴极。

面板上共设有十二个钮子开关，分为正、反桥两组，分别控制对应的晶闸管的触发脉冲；开关打到“通”侧，触发脉冲接到晶闸管的门极和阴极；开关打到“断”侧，触发脉冲被切断；通过钮子开关的拨动可以模拟晶闸管失去脉冲的故障情况。

图2-3三相变流桥路面板图

（4）三相正、反桥主电路

正桥主电路和反桥主电路分别由六只5A/1000V晶闸管组成；其中由VT1～VT6组成正桥元件（一般不可逆、可逆系统的正桥使用正桥元件）；由VT1ˊ～VT6ˊ组成反桥元件（可逆系统的反桥以及需单个或几个晶闸管的实验可使用反桥元件）；所有这些晶闸管元件均配置有阻容吸收及快速熔保险保护，此外正桥还设有接成三角形的压敏电阻，起过压吸收。

（5）平波电抗器

实验主回路中所使用的平波电抗器装在电源控制屏内，其各引出端通过12芯的插座连接到DJK02面板的中间位置，有3档电感量可供选择，分别为100mH、200mH、700mH（各档在1A电流下能保持线性），可根据实验需要选择合适的电感值。

电抗器回路中串有3A保险保护，保险座装在电抗器旁。

（6）直流电压表及直流电流表

面板上装有±300V的镜面直流电压表、±2A的镜面直流电流表，均为中零式，精度为1.0级，为可逆调速系统提供电压及电流指示。

5DJK02-1挂件（三相晶闸管触发电路）

该挂件装有三相触发电路和正反桥功放电路等，面板图如图2-4。

图2-4DJK02-1三相触发电路面板图

（1）移相控制电压Uct输入及偏移电压Ub观测及调节

Uct及Ub用于控制触发电路的移相角，在一般的情况下，我们首先将Uct接地，调节Ub，以确定触发脉冲的初始位置；当初始触发角定下后，在以后的调节中只调节Uct的电压，这样确保移相角不会大于初始位置；如在逆变实验中初始移相角α=150°定下后，无论如何调节Uct，都能保证β>30°，防止出现逆变颠覆的情况。

（2）触发脉冲指示

在触发脉冲指示处设有钮子开关用以控制触发电路，开关拨到左边，绿色发光管亮，在触发脉冲观察孔处可观测到后沿固定、而前沿可调的宽脉冲；开关拨到右边，红色发光管亮，触发电路产生互差60°的双窄脉冲。

（3）三相同步信号输入端

通过专用的10芯扁平线将DJK02上的“三相同步信号输出端”与DJK02-1“三相同步信号输入端”连接，为其内部的触发电路提供同步信号；同步信号也可以从其他地方提供，但要注意相序的问题。

（4）锯齿波斜率调节与观测孔

打开挂件的电源开关，同步信号经KC04集成触发电路，产生三路锯齿波信号，调节相应的斜率调节电位器，可改变相应的锯齿波斜率，三路锯齿波斜率应保证基本相同，使六路触发信号保持同时出现，且双窄脉冲间隔基本一致。

图2-5触发电路原理图

（5）控制电路

如图2-5所示，在KC04、KC41和KC42三相集成触发电路的基础上，又增加了4066、4069芯片，可产生三相六路互差60°的双窄脉冲或三相六路后沿固定、前沿可调的宽脉冲链，供触发晶闸管使用。

在面板上设有三相同步信号观测孔、两路触发脉冲观测孔。

VT1～VT6为单脉冲观测孔（在触发脉冲指示为“窄脉冲”）或宽脉冲观测孔（在触发脉冲指示为“宽脉冲”）；VT1ˊ～VT6ˊ为双脉冲观测孔（在触发脉冲指示为“窄脉冲”）或宽脉冲观测孔（在触发脉冲指示为“宽脉冲”）。

三相同步电压信号从每个KC04的8脚输入，在其4脚形成线性增加的锯齿波，移相控制电压Uct和偏移电压Ub经叠加后，从9脚输入。

当触发脉冲选择的钮子开关拨到窄脉冲侧时，通过控制4066（电子开关），使得每个KC04从1、15脚输出相位相差180°的单窄脉冲（可在上面的脉冲观测孔观测到），窄脉冲经KC41（六路双脉冲形成器）后，得到六路双窄脉冲（可在下面的脉冲观测孔观测到）。

将钮子开关拨到宽脉冲侧时，通过控制4066，使得KC04的1、15脚输出宽脉冲，同时将KC41的使能端7脚接高电平，使KC41停止工作，宽脉冲则通过4066的3、9两脚直接输出。

4069为反相器，它将部分控制信号反相以控制4066；KC42为调制信号发生器，对窄脉冲和宽脉冲进行高频调制。

（6）正、反桥功放电路

正、反桥功放电路的原理以正桥的一路为例，如图2-6所示；由触发电路输出的脉冲信号经功放电路中的V2、V3三极管放大后由脉冲变压器T1输出。

Ulf即为DJK02面板上的Ulf，接地才可使V3工作，脉冲变压器输出脉冲。

反桥功放和正桥功放线路完全一致，只是使能端不一样，将Ulf改为Ulr。

图2-6脉冲功率放大电路原理图

（7）正桥使能端Ulf、反桥使能端Ulr

这两个端子用于控制正反桥功放电路的工作与否，当端子与地短接，表示功放电路工作，触发电路产生的脉冲经功放电路从正反桥脉冲输出端输出；悬空表示功放不工作。

Ulf控制正桥功放电路，Ulr控制反桥。

（8）正、反桥脉冲输出端

经功放电路放大的触发脉冲，通过专用的20芯扁平线将DJK02“正反桥脉冲输入端”与DJK02-1上的“正反桥脉冲输出端”连接，为晶闸管提供相应的触发脉冲。

图2-5触发电路原理图

6DJK04挂件（电机调速控制实验I）

该挂件主要完成电机调速实验，如单闭环直流调速实验、双闭环直流调速实验、逻辑无环流等实验。

同时和其它挂件配合可增加实验项目，如与DJK18配合使用就可以完成三闭环错位选触无环流可逆直流调速系统实验。

DJK04的面板图如下：

图2-7DJK04面板图

（1）电流反馈与过流保护

单元有两个功能，一是检测主电源输出的电流反馈信号，二是当主电源输出电流超过某一设定值时发出过流信号切断电源，其原理如图2-8。

TA1、TA2、TA3为电流互感器的输出端，它的电压高低反映三相主电路输出的电流大小，面板上的三个