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1、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 班 级 自动化092班 学 号 09423002 09423004 09423013 09423022 姓 名 裴玉柱 刘 勇 薛 尚 刘鲲鹏 指导老师 刘艳 于美荣 日 期2012年11月23日2012年12月06日 直流调速系统设计与调试31 技术要求：32 硬件系统设计42.1 驱动电路：42.2 控制电路：43 直流调速系统参数和环节特性的测定：53.1 电枢回路总电阻R的测定53.2 电枢回路电感L的测定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73.4 主电路电磁时间常数T
2、d的测定83.5 电动机电势常数Ce和转矩常数CM的测定83.6 系统机电时间常数TM的测定83.7 晶闸管触发及整流装置特性Ud=f(Ug)和测速发电机特性UTG=f(n)的测定94 直流调速系统设计95 系统调试与分析105.1双闭环系统的调试105.2 系统的分析147 参考文献：156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
3、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
4、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
5、控制,手动自动集成等。2 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
6、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
7、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。3 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
8、内阻Rn，即R = Ra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U0，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30%Ued70%Ued范围内，然后调整R2使电枢电流在80%Ied90%Ied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Udo=I1R+U1 （2）调节R1使之与R2的电
9、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 UdoI2R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Rn=(U2-U1)/(I1-I2) (5)则电机的电枢电阻为Ra=R-(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。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 LLa+Ld (7)电感的数值可用
10、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: (8) (9) (10) (11)3.4 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-Tz=(GD2/375)dn/dt (12)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N
11、m，n为电机转速，单位为rpm。电机空载自由停车时，T=0，Tz=Tk，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: (15) (16) dn/dt可以从自由停车时所得的曲线nf(t)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n=f(t)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
12、，应用此法测GD2时会有一定的误差。3.4 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t=Td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50%Ied90%Ied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id=f（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: CM = 9.55 Ce3.6 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 由于TMTd，也可以近
