电压负反馈直流调速系统.docx

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电压负反馈直流调速系统

毕业设计（论文）

题目：

电压负反馈直流调速装置

专业：

电气自动化技术

班级：

08级电气自动化技术3班

学生：

学号：

指导教师：

颜家明职称：

讲师

200年月日

目　　录

电压负反馈直流调速系统的设计

直流电机具有良好的启制性能，使用于在宽调速范围内平滑调速，在扎钢机、旷井卷扬机、挖掘机、大型起重机、金属切削机床、造纸机等电力拖动领域中得到广泛应用。

而在直流电动机的调速方面、调节电枢电压调速是调速系统的主要调速方式，相较于转速负反馈系统而言，转速负反馈必须有测速发电机，这不仅成本高而且给系统安装与维护带来了困难，所以，再次我们选择电压负反馈直流电机进行调速，并对系统进行设计说明。

一、电压负反馈直流调速系统的设计要求

1、驱动直流电动机为额定功率4kw以下直流电动机，额定电压220v

2、不要求可逆

3、要求有欠失磁保护

4、采用220v电源直接供电，减少体积和质量

5、采用集成触发器

6、采用电压负反馈以提高系统电压

二、控制系统方案说明

电压负反馈调速系统原理如图1所示

图1电压负反馈直流调速系统原理图

由他励直流电动机转速方程

n=E/KeΦ=（U-IR）/KeΦ=n0-△n

可知，如果忽略电枢电压，则直流电动机的转速n近似正比于电枢开端电压U。

所以采用电枢电压负反馈代替转速负反馈，可以维持其端电压基本不变。

由图1可以看出反馈反馈检测元件是起分压作用的电位器Rp2。

他反馈信号Uu=rUd,r为电压反馈系数，为了分析方便，把电枢总阻分成两部分，即R=Rrec+Ra,Rec为晶闸管整流装置的内阻（含平波电抗器电阻），Ra为电枢电阻。

由此可得

Udo-IdRrec=Ud

Ud-IdRa=E

电压负反馈调速系统稳态结构如图2所示

图2电压负反馈调速系统稳态结构图

由各部分输入输出关系可得出电压负反馈系统的静态特性方程为

n=（KpKsUn）/[Ce（1+K）]-（RrecId）/[Ce（1+K）]-（RaId）/Ce

式中，K=rKpKs

可知，由电压负反馈环包围的整流装置内阻引起的稳态压降减小到1/（1+K）；

当负载电流增加时，IdRrec,增大，电枢电压Ud降低。

电压反馈信号Uu随之降低。

输入应算放大器偏差电压….AUn=U*-Un增大，使整流装置输出电压增大，从而补偿了转速降落，达到反馈的效果。

三、电压负反馈直流调速装置整机逻辑图

电压负反馈直流调速装置主要由以下几部分组成：

1、电源指示电路

2、单相半控桥式整流电路

3、电压负反馈取样电路

4、励磁回路

5、给定电路

6、PI调节器

7、触发电路

由各部分组成电压负反馈直流调速系统，如图所示：

图3电压负反馈直流调速系统整机逻辑图

四、主电路的设计

1、电源指示电路

a.电路的组成

为了减少设备的体积、重量和造价成本、我们选用220V交流电源对系统直接进行供电。

电路如图所示：

图4系统工作信号指示电路

图5电源电路

在电源电路中，并联一个交流接触器和一个脉冲继电器。

在交流接触器的一端串联一对欠电流继电器的常开触和按钮SB的常开触点，以控制接触器的接通和关断，在脉冲继电器的一端串联一对交流接触器的常开触点以控制脉冲继电器的导通和关断。

在指示电路中，以变压器变压后的6.3v电源作为电路的供电电源，红灯和按钮SB的常闭触点串联，绿灯与主流接触器的一对常开触点串联，红灯与绿灯的两条支路并接于电路中。

b、电路的工作原理

当电源接通后，欠电流继电器KA线圈吸合，常开触点闭合，接下按钮SB后，交流接触器线圈得电吸合，常开触点闭合，脉冲继电器K1线圈得电吸合。

当励磁回路中电流过小时，欠电流继电器KA动作，主电路中KA的常开触点断开，KM回路断开，线圈失电，KM常开触点断开，切断主电路电源。

在信号指示电路中，我们以“红灯停，绿灯行”来表示系统的工作于停止。

当电源接通时，变压器变压后以6.3V电压为两红绿灯提供电源，于红灯串联的是按钮SB的一对常触点，电源接通后，红灯亮，显示系统处点闭合，K1线圈得电闭合，常开触点闭合，绿灯点亮，系统工作。

C、元器件型号、参数的选取、计算

在电源电路中，串联一个50A的快速熔断器以保护交流接触器KM和控制继电器K1。

交流接触器选用CJ20-10/2型。

在此，控制继电器K1我们选用中间继电器来代替。

中间继电器的型号为ZJ8—S型一只

2、单相半控桥式整流电路

电路如图所示

图6整流电路连接图

a、电路的组成

整流电路由亮晶闸管共阴极连接，亮二极管共阳极连接，并接续流二极管和阻容吸收装置，构成单相半控桥式整流电路。

在晶闸管的阳极端串接50A的快速熔断器，防止电流过大时烧坏晶闸管。

在晶闸管和二极管的两端都并接上阻容吸收装置，在桥式整流的交流侧也并接上阻容吸收装置，以吸收电路突然接统统或断开时所产生的浪涌电压。

b、整流电路的工作原理

单相半控桥的导通条件是：

晶闸管需要触发才能导通，整流二极管则自然换相导通。

当电源电压U2为正半周时，U端点位高于N端点位，晶闸管VT1和二极管VD2同时承受正向电压，如果此时VT1门极无触发信号，则晶闸管处于正向阻断状态，而二极管VD2处于正向导通状态，但由于交流侧有阻容吸收装置，所以电源U、N两端不会导通；当门极处于导通状态时，晶闸管和二极管同时导通，电源电压U2将通过VT1、VD2，加在负载电阻上。

负载电流从U端经VT1，平渡电抗器，负载R、VD2回到电源的N端。

在U2的正半周期内，VT2、VD1D均承受反向而处于阻断状态。

由于晶闸管和二极管的导通都有一定的管压降，但实际生产中乎略不计，所以，电动机两端的电压可近似的视为电源电压U2。

当电源电压U2为负半周时，晶闸管换为VT2导通，二极管换成VD1导通，同理于正半周。

为了防止出现VT1直通，VD1、VD2轮流导通现象，电路失去控制，变成单相半波不可控整流电压波形，晶闸管VT1也会因过热而损坏，所以必须接一个续流二极管，以取代晶闸管和桥臂中整流二极管的续流作用。

在U2的正半周，VT1、VD2导通，VD承受反向电压截止，从U2过需变为负时，在电感的感应电势作用下，使VD承受正偏压而导通，负载电流id经感性负载及续流二极管VD构成通路，电感释放能量，晶闸管VT,将随U2过需而恢复阻断，防止了失控现象发生。

单相半控整流电路的输出波形如图所示：

图7单相半控整流的输出波形

C、元器件型号、参数的选取、计算

由于晶闸管承受过电压和过电流的能力较差，所以知时间的过呀或过流会造成原件的损坏。

所以在晶闸管的阳极端串接快速熔断器FU，在交流侧、晶闸管和整流二极管两端都并入阻容吸收装置，并对熔断器和阻容吸收装置的各参数进行计算和原件型号的选择

电机额定电压：

UN=220V

额定功率：

PN=4KW

实际生产中，电机对功率的利用率为80％，则电机的实际功率为

Ｐ定=P/0.8=4*1000/0.8=5KW

整流输出电压平均值为

Ud=0.9Uz0.9*220=198V

电机负载电流为

Id=Pr/Ud=5*10³/198≈25A

圆整为Id=25A

取欲量λ=1.5~2，则

Imax=（1.5~2）Id=50A

流过晶闸管与整流二极管的电流平均值与有效值

IdT=1/2Imax=25A

IT=√2/2*Id=√2/2*25=17.7A

确定晶闸管定额

UTn=（2~3）UN=625~936V

IT（AV）=（1.5~2）IT/1.57=17~22

为了使我们的系统能够兼容更多的电机，所以我们选择电流等级为50A；

取系列标称值IT（AV）=50A；UTn=700V

选择晶闸管型号为KP50—7；2只

整流及续流二极管型号为ZP50—7；3只

3取样电路

取样如电路图所示:

图8取样电路连接图

本系统采用具有电截止控制的电压负反馈，如图所示，电压负反馈信号取自分压电位器Rp6，电阻1.5KΩ，15KΩ分别限制Uu的上限和下限。

调节Rp1即可调节电压负反馈量Uuf的大小。

电流截止信号取自电位器Rp1，Rc为取样电阻，阻值得小，功率很大，以减小电枢回路总电阻

a、电路的组成

取样电路由电动机并联制动环节和反馈环节，串接平波电抗器Ld组成。

直流电动机的制动电路由两相同电阻R1并接组成能耗制动电路以消耗点击停止后由电机内部的磁能所转化而来的电能。

反馈环节由电压负反馈环节和电流截止保护环节组成。

电压反馈取自电位器Rp1，并串接上限电阻和下限电阻。

电流截止保护取自电位器Rp3，电位器Rp2，Rp3和取样电阻Rc并联。

在干路串入平波电抗器Ld，并在Ld两端并入一个10W，1KΩ的电阻。

b、电路的工作原理

取样电路中主要包括含电压负反馈的反馈环节，整流后的电流id经平波电抗器Ld，取样电阻Rc后为电动机供电。

平波电抗器Ld可以吸收电路中的脉动电流，但会延迟晶闸管的擎住电流的建立，而单结晶体管张弛振荡器的脉冲宽度较窄，为保证可靠导通，在平波电抗器两端并联一个10W/1KΩ电阻，既可以减少控制电流的建立时间，也可以在主电路突然断电时，为电抗器提供放电回路。

电压反馈信号取自分压电位器Rp1，1.5KΩ和15KΩ电阻分别限制Uuf的上限和下限调节Rp1即可调节电压反馈量大小，从而得到偏差信号ΔU加在放大器F007的输入端。

两并联电阻R1和交流接触器KM的常闭触电串接构成电机的制动回路。

由于我们所选用的是直流电动机，电机的转动会储存一定的磁能，当电机停止运行时，电机由于惯性会继续转动，此时电动机会变为发电机向电路中释放电流让两电阻并联后串入电机的放电回路，以消耗电机产生的电流，从而使电机快速制动。

c、元器件型号,参数的选取及计算

在稳态中取取样电流IQ一般取

IQ=1~10mA

因为

当取IQ＜1mA时，取样电阻的线性度不好

当取IQ＞10mA时，取样电阻的功耗过大

在此我们取IQ=5mA

由整流电路可知，整流后输出的电压

Ud=198V

电机的实际功率

P实=5KW

则取样电路中应串入的最大电阻

Rm≈40KΩ

在实际生产中，如图所示

图9取样电阻连接图

实取R+Rp1+R´≈40KΩ，

则取

上限电阻R=15KΩ

下限电阻R´=1.5KΩ

电位器Rp1=20KΩ

制动电路中制动电阻的选取于电机的励磁电流决定

由P=EIN，E=Ud=198V，则

电机的额定励磁电流

IN=P/Ud=5KW/198V≈20A

3.励磁电路

电机由单相不可控整桥供电，为了防止失磁而引起飞车事故，在励磁电路中串入欠电流继电器KA，只有励磁电流大于某数值时，KA才动作，KA的常开触电闭合，在主电路的接触器KM的控制回路中，KM才能吸合。

KA的动作电流可由Rp4调整，励磁电路如图所示。

图10励磁回路连接图

整流及续流二极管型号为ZP1—7；4只

a、电路的组成

励磁回路由单相不可控整流桥直接供电，电路中电位器Rp4与欠电流继电器KA并接，用Rp4来调节欠电流继电器KA的动作电流。

并联后的电路再串入励磁线圈，以构成励磁回路。

b、电路的工作原理

当系统电源接通时，励磁回路立即得电。

单相不可控整流桥开始整流后向回路供电，欠电流继电器KA得电吸合，主电路中欠电流继电器KA常开触点闭合。

当主电路中电流过小，则励磁线圈中的励磁电流减小，为防止由于电流过电，电机失磁而产生“飞车”事故，所以欠电流继电器KA断开，主电路中KA的常开触点断开，KM失电断开，主电路断电，电机停止工作。

为了防止系统突然通电或通电过程中由于电流的不稳定而使欠电流继电器断开，所以可以调节电位器Rp4，使KA的动作电流稍高或稍低，以免生产过程中由于KA的频繁断开而导致的不必要麻烦产生。

c、回路中元器件的型号，参数的选取及计算

单相不可控桥的输入电压与整流电路中单相半控桥的输入电压相同。

所以二极管的选取与其相同。

二极管选ZP1-74只

整流后输出的电压

Ud=0.9UN=0.9*220=198V

由电机的额定功率PN=4KW，实际利用率为0.8，则

实际功率

P实=4KW/0.8=5KW

回路中的输出电流

Id=P实/Ud=5KW/198V≈25A

所以，欠电流继电器应选择动作电流大于25A的

在此我们选择

欠电流继电器Z2-52型1个

电机的电枢电流Ia=Id=25A

负载电流IL=PN/UN=18A

则电机的励磁电流Ip=Ia-IL=25-18=7A

所以，电位器Rp4能调节的电流必须在TA之内，

电位器的最高电阻为

R=Ud/If≈30Ω

所以，取最高电阻为30Ω的电位器Rp4

4.给定电路

由单相桥式整流器和三端稳压器构成的稳压电源，作为给定电源。

Rp5整定最高给定电压，R2为限定最低给定电压。

给定电源电路如图所示。

图11给定电路连接图

a、电路的组成

电路经变压器变压后的45V电压经单相桥式整流后向给定电路提供电源。

将变压器线圈分为两个部分，中间接地，以得到正、负电压同时输出。

在电桥的两端分别串入一对容量较大的电容C5、C6和一对容量较小的电容C7、C8，两对电容的中间分别接地。

在正电压输出端串入三端稳压器W7815，在负电压输出端串入W7915.分别稳定+15V电压的输出。

稳压器的接地端共同接地。

稳压器的输出端和接地端之门分别接入电容C9、C10，以吸收峰值电压。

b、电路的工作原理

给定电路的电源由单相不可控整流后的直流电源提供。

电源电压经变压器变压后的输出电压时45V，变压器线圈绕阻的中端接地，将变压器分为两个同时输出22.5V的副边电压。

电流经部可控整流后，直接向稳压器提供稳压电源。

22.5V的电流经整流桥后，由于二极管的管压降，输入稳压器的电压大约为22V左右。

稳压器的输入与输出电压相差不得小于2V，一般在5V左右，在此我们取稍大值7V，这样稳压器的输出电压为+15V.W7915输出固定负电压，其参数与W7915基本相同。

整流后输出的电流为正弦波形电流，在整流桥的两端并入电容C5、C6后，可将正弦波电流变为输出电流大小基本恒定的电流源，有利于稳压器的稳压与给定电路的稳定输出。

稳压器的输入端并入电容C7、C8用以抵消输入端较长接线的电感效应，防止产生自激荡，接线不长时也可不用。

输出端并入电容C9、C10显为了瞬时增减负载电流时不至于引起输出电压有较大的波动。

c、元器件型号、参数的选取及计算

为了在实际生产安装中便于元器件的采购和安装，我们选用和励磁回路中相同的二极管，选用

二极管2CZ0.5-24只

电容C5、C6的作用是将整流后输出电流的两峰值拉平，使输出电流幅值基本恒定，所以C5、C6的电容较大，在此我们选择

电容C5、C61000uF2只

电容C7、C8是为了防止稳压器输入端接线过长时而产生的电感效应，感应电流流一般较小，C7、C8一般在0.1-1uF之间，在此我们选择中间值

电容C7、C80.5uF2只

电容C9、C10是为了瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大波动。

C9、C10的容量以般为1uF

电容C9、C101uF2只

稳压器W78XX系列输出的固定正电压有：

5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V七个等级。

我们要求给定电路输出的正电压问+15V,W79XX系列输出固定负电压，其参数与W78XX系列基本相同，所以我们选择

固定正电压输出稳压器W78151只

固定负电压输出稳压器W79151只

6、比例积分调节器（PI）的组成部份、和控制过程

PI调节如图所示：

图12PI调节电路连接图

如上图由A点虚地可得

Uin=i0R0

Uex=i1R1+1/C1∫idt

整理可得

Uex=R1Ui/R0+1/（R0C1）∫Uindt=KpiUin+1/ζ∫Uindt

式中

Kpi—PI调节器比例部分放大系数Kpi=Ri/Ro

ζ—PI调节器的积分时间常数ζ=RoC1

PI调节器的输出电压时由比例和积分两个部份组成，比例部KpiUin能立即响应输入量的变化，加快响应过程，加快响应过程;积分部份式输入量对时间的积累过程，最后消除误差。

PI调节器控制的物理过程实质是：

但突加输入信号（动态时），由于电容两端电压不能突变、电容详单于短路，阔节器相当于一个放大系数KPI=R1/R0的比例阔节器，其输出端立即相应为KpiUin实现快速控制；此时放大系数值不大，有利于系数的稳定，随着电容充电，输出电压Uθx开始积分的累积过程，其数值不断怎长，实现无静差控制。

实际上，输出量不会无限制地怎长，因为运算放大器会饱和，如图所用的F007最大输出电压为13V。

调节器所设的限幅，电路荡输出电压达到运算放大器的限幅值Uθxm时，就不再增长稳态时，电路相当于开路，同积分调节器，其放大系数为运放器开环放大倍数，数值很大（在以上）这使系统的稳态误差大大减小。

这样不仅很好地实现了快速性与无静差控制，同时又解决了系统的动、静态放大系数要求的矛盾。

1对各个环节的相关作用介绍

a）调节调零点

由运算放大器构成的基本要求之一是“零输入时、零输出”。

若由于温度变化或其他原因而造成零输入时，输出不为零，则可阔节调零器RP，使输出为零。

b）调节器的输入、输出限幅电路

为了防止过大的信号输出使运算放大器发生“堵塞现象”。

在运算放大器的正、反相输入端间，外按两个反并联的二极管VD1和VD2它们构成输入限幅电路。

为了保证运算放大器的线性特性并保护调速系统的各个部件，设置输出电压限幅时十分必要的。

输出限幅电路有很多种。

我们的比例积分阔节器所用的限幅电路就是其中之一

如下图所示:

图13比例积分调节器限幅电路

图中E1、E2为±15V电源，调节电位器RP2、RP3可以调节正、反向电压的限幅值。

c）引入深度电压负反馈

为了使运算放大器能在线性正稳定工作，通常把外部元器件如图中的电阻R3、电容C等跨接在运算放大器的输出端与反相输入端之间构成闭环工作状态，即引入深度电压负反馈，以限制其电压放大倍数。

工作在线性正的理想运算放大器，利用

当Ui＞0，即U+＞U-时，U0=+Uom

当Ui＜0，即U+＜U-时，U0=-Uom

可得出以下两条重要结论：

<1>因rid→∞时，i+≈i≈0、即理想运算放大器两个端子输入电流近似为零。

由于两个输入端并非开路而电流为零，故称为“虚断”。

<2>因Au0→∞，故有u+≈u-即理想运算放大器两个端子输入电位近似相等。

由于两个输入端电位相等，但又不是短路，故称为“虚短”。

如果信号从反相输入端输入，而同时输入端接地，根据u+≈u-可得出：

反相输入端的电位接近于“地”电位，但并不真的接地，即电流不能流入“地”，通常称为“虚地”。

上述两条结论是分析理想运算放大器线性运用时的基本依据。

2对集成运算放大器F007的简单介绍

F007集成运算放大器的电路图形符号，如图所示：

图14F007的电路图形符号

在这个符号中，Au0代表集成运算放大器的电压放大倍数，“△”代表信号的输出方向。

由于集成运算放大器的输入级是差动输入，因此有两个输入端，用“+”表示同向输入端，用“-”表示反向输入端，输出电压表示为u0=（u+-u-）。

从同向端输入电压信号且反向端接地时。

输出电压信号与输入相同；从反向端输入电压信号且同向输入端接地时。

输出电压信号与输入反相。

集成运算放大器有同相输入、反相输入及差动输入三种方式。

F007由24个三极管（其中4个接成二极管）、10个电阻和1个电容组成，放大倍数高达105以上。

在应用时，需了解集成运算放大器的各个引脚。

2为反相输入端，以“-”表示，由此端输入信号，则输出信号与输入信号反相；

3为同相输入端，以“+”表示，由此端输入信号，则输出信号与输入信号同相；

4为负电源端，接-15V电源；

6为输出端；

7为正电源端，接+15V电源；

F007型集成电路（即5624型）类同于国内产品F006型和国外产品MA741型，是属于第二代集成电路中有代表性的产品。

F007的内部电路如下图所示：

图15集成运算放大器F007内部电路

整个电路由四部分组成，用虚线隔于图中。

偏置电路：

由晶体管T8-T13组成，主要用来提供各放大电路稳定的工作电流。

②输入级：

由晶体管T1-T7组成，是提高整个电路质量指标的关键环节。

③中间放大级：

由晶体管T13、T16、T17组成，整个电路的放大倍数主要由这部分担负。

④输出级：

由晶体管T14、T15、T18组成，为了提供负载一定的能力，采用互补对称电路。

电路对外共有9个引线端子，②和③分别为反相输入端和同相输入端，在单相输入情况下，信号从②端输入时，输出信号与输入信号相位相反，③端则相同，关于电路各部分的工作原理，下面再作一些介绍；

集成电路的典型参数如下表：

输入失调电压

2mV

最大共模输出电压

±30V

输入失调电流

0.05mA

共模抑制比

90dB

基极输入电流

0.2mA

失调电压温漂

45uV/℃

差模输入电阻

1000KΩ

失调电流温漂

1uV/℃

输出电阻

＜0.6KΩ

静态动耗

50mw

开环电压增益

106KB

开环带宽

/KHz

最大输出电压

±14V

单位增益上升速度

u/NS

最大共模输出电压

±13V

单位增益建起时间

/NS

③、调速系统PI调节（动态）设计

（一）系统对象函数的确定

图16电枢等效回路

由图有：

KVL：

Ud（s）=Udo（s）-[Rn+LnS]Id（s）

=Udo（s）-Rn[1+LnS/Rn]Id（s）

=Udo（s）-Rn（1+T1S）Id（s）

Rn——线路及电源电阻

Ln——线路及电源电感

T1=Ln/Rn

由KVL有：

Id（s）=[Ud（s）-E（s）]/（Ra+LaS）=[Ud（s）-E（s）]/[Ra（1+LaS/Ra）]

=[Ud（s）-E（s）]/[Ra（1+T2S）]

Ra——电枢电阻E——电枢电势

La——电枢电感T2——La/Ra

结合教科书中的内容，作动态结构图如下：

图17电压负反馈直流调速系统动态结构图

图中γ——电压反馈系数

Ks/（Ts+1）——触发——整流装置传递函数

忽略电枢电势E影响，对系统变换后得：

调压时的系统对象为：

G1（s）=1/[Rn（T1S+1）Ra（T2S+1）+1]≈1/[RnRa（T1+T2）+RnRa+1]

=K1/（TS+1）

作图如下：

其中：

K1=1/（1+Rn+Ra）=1/（1+Rε）

Rε——回路总电阻

T=[RnRa（T1+T2）/（1+RnRa）]=ρ（T1+T2）

（二）系统参数计算

电枢电阻效率ηN=85%

Ra=（0.5～0.6）（1-ηN）UN/IN

=（0.5～0.6）（1-0.85）220/15=1Ω

电枢电感

La=KpUN/2PnNIN=（6～8）UN/2PnNIN=（6～8）*220/（2*1000*15）=0.045mH

线路电感及电源内阻

Rs=1.5m/2π*Uk%*U2/I2≈1.5/2π*0.05*220/10

=0.26Ω

Rn=Rs+Rl=0.4Ω

∴Rε=R