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1、等级:湖南工程学院课程设计课程名称专业综合课程设计课题名称电压单闭环不可逆直流调速系统专业自动化班级1101 班学号201101020114姓名张辉指导教师李祥来、赵葵银、沈细群等2014年9月1日湖南工程学院课程设计任务书课程名称 专业综合课程设计课 题电压单闭环不可逆直流调速系统专业班级自动化1101班学生姓名张辉学 号201101020114指导老师李祥来、赵葵银、沈细群等审 批黄峰任务书下达日期2014年9月1日任务完成日期2014年9月16日设计内容与设计要求设计内容:1. 电路功能：1）用晶闸管缺角整流实现直流调压，控制直流电动机的转速。2）电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环
2、节：整流电路及保 护电路。控制电路主要环节：触发电路、电压电流检测单元、驱动电 路、检测与故障保护电路。3）主电路电力电子开关器件采用晶闸管、IGBT或MOSFET。4）系统具有完善的保护2. 系统总体方案确定3. 主电路设计与分析1）确定主电路方案2）主电路元器件的计算及选型3）主电路保护环节设计4. 控制电路设计与分析1）检测电路设计2）功能单元电路设计3）触发电路设计4）控制电路参数确定设计要求：1. 设计思路清晰，给出整体设计框图；2. 单元电路设计，给出具体设计思路和电路；3. 分析所有单元电路与总电路的工作原理，并进行试验调试。并给 出必要的波形分析。4绘制总电路图，5. 写出设计
3、报告；主要设计条件1. 设计参数1）输入输出电压：（AC） 220 （1+15%）、2）最大输出电压、电流根据电机功率予以选择3）要求电机能实现单向无级调速4）电机型号布置任务时给定2. 可提供实验与仿真条件电力电子与运动控制技术训练室提供实验条件说明书格式 目 录1. 课程设计封面；2. 任务书；3. 说明书目录；4. 设计总体思路，主电路设计；5. 控制单元电路设计（各单元电路图）；6. 实验或仿真调试等。7. 总结与体会；8. 附录（完整的总电路图）；9. 参考文献；10. 课程设计成绩评分表进度安排设计时间分为二周第一周星期一:课题内容介绍和查找资料；星期二:总体电路方案确定星期三:主
4、电路设计星期四:控制电路设计 星期五:控制电路设计；第二周星期一：控制电路设计星期二：电路原理及波形分析、实验调试及仿真等 星期四五:写设计报告，打印相关图纸； 星期五下午:答辩及资料整理参考文献参考文献1 王兆安.电力电子技术（第5版）.机械工业出版社，20082 孙培德.现代运动控制技术及其应用.电子工业出版社，20123 陈伯时.电力拖动自动控制系统（第4版）.机械工业出版社，20124 曾 毅运动控制系统工程机械工业出版社，20145 刘定建，朱丹霞.实用晶闸管电路大全.机械工业出版社，19966 刘星平.电力电子技术及电力拖动自动控制系统.校内，1999第1章概述11.1设计要求21
5、.2设计参数21.3系统组成21.4工作原理3第2章主电路设计52.1主电路的分析52.2单相桥式全控整流电路的计算62.3晶闸管电路参数计算分析7第3章控制电路的设计93.1锯齿波同步移相触发电路93.2检测与保护电路设计103.3调节电路设计12第4章电路调试134.1主电路调试134.2基本单元部件调试134.3调试注意事项14总结15参考文献16附录17第1章概述调速控制系统是通过对电动机的控制，将电能转换成机械能，并且控 制工作机械按给定的运动规律运行的装置，用直流电动机作为原动机的传 动方式称为直流调速。直流调速系统具有良好的起、制动性能，宜于在大 范围内平滑调速，在许多需要调速或
6、快速正反向的电力拖动领域中得到了 广泛的应用。调速系统是最基本的拖动控制系统。相比于交流调速系统， 直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟。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以及确 定，主电路设计控制电路等。为了提高直流调速系统的动静态性能指标， 通常米用闭环控制系统（包括单闭环系统和 多闭环系统）。对调速指标要 求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系 统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，在电流单闭环中，将反映电 流变化的电流互感器输出电压信号作为反馈信号加到“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， 控制整
7、流 桥的“触发电路”，改变“三相全控整流”的电压输出，从而构 成了电流负反馈闭环系统。电机的最高转速也由电流调节器的输出限幅 所决定。同样，电流调节器若采用P （比例）调 节，对阶跃输入有稳态 误差，要消除该误差将调节器换成PI（比例积分）调节。当“给定”恒 定 时，闭环系统对电枢电流变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波 动时，电机的电枢电流能稳定在一定的范围内变化。1.1设计要求1）用晶闸管缺角整流实现直流调压，控制直流电动机的转速。2）电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：整流电路及保护电 路。控制电路主要环节：触发电路、电压电流检测单元、驱动电路、 检测与故障保护电路。3）主
8、电路电力电子开关器件采用晶闸管、IGBT或MOSFET。4）系统具有完善的保护。1.2设计参数1）输入输出电压：（AC） 220 （1+15%）、2）最大输出电压、电流根据电机功率予以选择3）要求电机能实现单向无级调速4）电机型号布置任务时给定1.3系统组成电压单闭环不可逆直流调速系统的电路组成：电路由主电路与控制电 路组成，主电路的主要环节：整流电路及保护电路。控制电路主要环节： 触发电路、电压电流检测单元、驱动电路、检测与故障保护电路。带转速 负反馈的单闭环直流调速系统的原理图如图1所示图1电压单闭环直流调速系统原理图A是调节器，当其选用比例放大器时，就是一个有静差的单闭环调速 系统。GT
9、是触发器装置。UPE是由电力电子器件组成的变换器，其输入 接三相交流电，输出为可控的直流电压Ud，TG是测速发电机，它与电动 机同轴安装。给定电位器RP1通常由一个稳压电源供电，以保证转速给 定信号U*n的精度。Rp2是为获得调速负反馈系数而设置的一个电位器。1.4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wtl、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
10、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,vt2vt4 - 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a60。时，Ud的波形均 为正值。所以本设计中a60。 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
11、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=2.34U2COSa=l. 35U21COSa (0a90 )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。图2晶闸管直流调速实验系统原理图第2章主电路的设计2.1主电路的分析设计要求中提供的电动机为直流电动机，因此需要用到整流电路。整 流电路是电力电子电路中经常用的一种电路，它将交流电转变为直流电。 这里要求设计的主电路为单相全控桥式晶闸
12、管电路，接电动机负载。由于 电动机是阻感负载，且工作时相当于反电动势负载，因此要分别予以分析 考虑。晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸 管在需要的时刻由阻断转为导通。在电力电子电路中，可能会出现一些 突发情况，比如电压过大、电流过大、电压电流变化速率过快等等，这些 都会使晶闸管烧坏，导致整个电路不能正常工作，因此，需要额外的设计 保护电路对晶闸管进行过电压过电流保护，从而保证电力电子电路正常工 作。他励直流电动机是由其他直流电源单独供给励磁电流的电动机，它将 直流电能转变为机械能。从整个系统来看，单相桥式全控整流电路将交流 电网中的交流电转变成直流电，直流电驱动直流电动
13、机工作，但为了保护 晶闸管正常工作，需要围绕晶闸管设计触发电路、过电压和过电流保护电 路。从整个系统来看，单相桥式全控整流电路将交流电网中的交流电转变 成直流电，直流电驱动直流电动机工作，但为了保护晶闸管正常工作，需 要围绕晶闸管设计触发电路、过电压和过电流保护电路。晶闸管可控整流 装置带电动机负载组成的系统，习惯上称为晶闸管直流电动机系统，是电 力拖动系统中主要的一种，也是可控整流装置的主要用途之一。这里用到 的控制电路为单相桥式全控。2.2单相桥式全控整流电路的计算整流电路直流电压的平衡方程为：U = E +RI +AUd M 工dR式中， E为电路总的阻抗，它包括变压器等效电阻、电枢电阻
14、以 及重叠角引起的阻抗。由于电流断续对电动机负载是很不利的，因此需要串联一平波电抗 器来保证电流连续。当电流连续时，电动机转速与电流的关系如下式所示。U R I +AU n =d 工 dCCee在单相全控桥式整流电路中，Ud = 0.9U2cosa式中，AU为晶闸管正向压降，一般为IV左右；Ce为电动机在额定磁通下的电动机转速比；Rs为电路总的阻抗；所谓阻感负载就是负载中既有电阻，又有电感。在u正半周，触发角2a处给晶闸管V和VT4加触发脉冲使其开通，ud = u2。负载中有电感存 在使负载电流不能突变，电感对负载电流起平波作用，假设负载电感很大, 负载电流id连续且波形近似为一水平线，其波形
15、如图4所示。u2过零变 负时，由于电感的作用晶闸管VT和VT4中仍流过电流id，并不关断。至 t = n+ a时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，因VT2和VT3本已承受正电压, 故两管导通。VT2和VT3导通后，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加 反压使VT和VT4关断，流过VT和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3 上,此过程称为换相，亦称换流。至下一周重复上述过程，如此循环下去。ud波形如图2所示。其平均值为:=U2 cos 氐=0.9L cos 氐单相桥式全控整流电路带阻感负载时，晶闸管承受的最大正反向电压均为v；2u 2。2.3晶闸管电路参数计算分析1.晶闸管电压定额的确定通常取晶闸管的UDRM (断态重复峰值电压)和URRM (反复重复峰 值电压)中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时
