數(shù)字式直流調速系統(tǒng)的研究及設計

　　第1章緒論
　　直流調速是指人為地或自動地改變直流電動機的轉速,以滿足工作機械的要求。從機械特性上看,就是通過改變電動機的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動機的機械特性,從而改變電動機機械特性和工作特性機械特性的交點,使電動機的穩(wěn)定運轉速度發(fā)生變化。直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣泛范圍內平滑調速，在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、海洋鉆機、金屬切削機床、造紙機、高層電梯等需要高性能可控電力拖動的領域中得到了廣泛的應用。近年來，交流調速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動系統(tǒng)無論在理論上和實踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎，所以直流調速系統(tǒng)在生產生活中有著舉足輕重的作用。
　　1.1課題背景與研究目標
　　直流調速系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)是工業(yè)生產過程中應用最廣的電氣傳動裝置之一。廣泛地應用于軋鋼機、冶金、印刷、金屬切削機床等許多領域的自動控制系統(tǒng)中。它通常采用三相全控橋式整流電路對電動機進行供電，從而控制電動機的轉速，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，如晶體管、各種線性運算電路等，雖在一定程度上滿足了生產要求，但是因為元件容易老化和在使用中易受外界干擾影響，并且線路復雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，從而致使系統(tǒng)的運行特性也隨之變化，故系統(tǒng)的運行可靠性及準確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。
　　直流電動機可逆調速系統(tǒng)數(shù)字化已經走向實用化，其主要特點是：
　　(1)常規(guī)的晶閘管直流調速系統(tǒng)中大量硬件可用軟件代替，從而簡化系統(tǒng)結構，減少了電子元件虛焊、接觸不良和漂移等引起的一些故障，而且維修方便；
　　(2)動態(tài)參數(shù)調整方便；
　　(3)系統(tǒng)可以方便的設計監(jiān)控、故障自診斷、故障自動復原程序，以提高系統(tǒng)的可靠性；
　　(4)可采用數(shù)字濾波來提高系統(tǒng)的抗干擾性能；
　　(5)可采用數(shù)字反饋來提高系統(tǒng)的精度；
　　(6)容易與上一級計算機交換信息；
　　(7)具有信息存儲、數(shù)據(jù)通信的功能；
　　(8)成本較低。
　　此次課題設計一個直流調速系統(tǒng)，包括主電路和控制回路。主電路由晶閘管構成，控制回路主要由單片機，檢測電路，驅動電路，按鍵輸入，數(shù)碼顯示等構成，檢測電路又包括電流檢測，轉速檢測，電源邏輯狀態(tài)檢測等部分。
　　1.2課題的實際意義
　　隨著微電子技術,微處理機以及計算機軟件的發(fā)展,使調速控制的各種功能幾乎均可通過微處理機,借助軟件來實現(xiàn)。即從過去的模擬控制向模擬-數(shù)字混合控制發(fā)展,最后實現(xiàn)全數(shù)字化。
　　在數(shù)字化系統(tǒng)中,除具有常規(guī)的調速功能外,還具有故障報警,診斷及顯示等功能,同時,數(shù)字系統(tǒng)通常具有較強的通
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合設計要求的虛擬控制電路。根據(jù)系統(tǒng)實際，選擇轉速，電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。電機轉速通過光電脈沖轉換器的計數(shù)，再直接連到單片機。交流側電流通過電流互感器的作用，經采樣，a/d轉換連到單片機。
　　2.2.1系統(tǒng)結構選擇
　　若采用轉速負反饋和pi調節(jié)器的單閉環(huán)調速系統(tǒng)雖然可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉速無靜差，不過當對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)難以滿足要求，因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉矩，在單閉環(huán)調速系統(tǒng)中，只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形，當電流從最大值降低下來以后，電機轉矩也隨之減少，因而加速過程必然拖長。
　　若采用雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，則可以近似在電機最大電流（轉矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，又可以讓電流迅速降低下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行，此時起動電流近似呈方形波，而轉速近似是線性增長的，這是在最大電流（轉矩）受到限制的條件下調速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。采用轉速電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接，這樣就可以實現(xiàn)在起動過程中只有電流負反饋，而它和轉速負反饋不同時加到一個調節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，只靠轉速負反饋，不靠電流負反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動態(tài)性能。
　　與帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)相比，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于idm時表現(xiàn)為轉速無靜差，這時，轉速負反饋起主調作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差。得到過電流的自動保護。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。在動態(tài)性能方面，雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動和升速過程中表現(xiàn)出很快的動態(tài)跟隨性，在動態(tài)抗擾性能上，表現(xiàn)在具有較強的抗負載擾動，抗電網(wǎng)電壓擾動。
　　綜上所述，本系統(tǒng)用一臺單片機及外部擴展設備代替原模擬系統(tǒng)中速度調節(jié)器、電流調節(jié)器、觸發(fā)器、邏輯切換單元、電壓記憶環(huán)節(jié)、鎖零單元和電流自適應調節(jié)器等，從而使直流調速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化。其硬件結構如圖2-1所示。
　　圖2-1單片機控制的直流調速系統(tǒng)結構圖
　　2.2.2系統(tǒng)的工作原理
　　在此單片機控制的直流調速系統(tǒng)中，速度給定、速度反饋和電流反饋信號是通過模擬光電隔離器、a/d轉換器送入計算機，計算機按照已定的控制算法計算產生雙脈沖，經并行口、數(shù)字光電隔離器、功率放大器送到晶閘管的控制級，以控制晶閘管輸出整流電壓的大小，平穩(wěn)的調節(jié)電動機的速度。晶閘管正反組切換由數(shù)字邏輯切換單元來完成。
　　第3章主電路設計與參數(shù)計算
　　電動機的額定電壓為230v，為保證供電質量，應采用三相減壓變壓器將電源電壓降低；為避免三次諧波電動勢的不良影響，三次諧波電流對電源的干擾，主變壓器采用d/y聯(lián)結。
　　3.1整流變壓器的設計
　　工業(yè)供電電壓為ac380v，而電動機的額定電壓為230v，所以必須通過降壓變壓器對使之達到系統(tǒng)要求。本設計采用的是直流電機，故還須通過整流電路使之變成連續(xù)的直流電壓。
　　3.1.1變壓器二次側電壓u2的計算
　　u2是一個重要的參數(shù)，選擇過低就會無法保證輸出額定電壓。選擇過大又會造成延遲角α加大，功率因數(shù)變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。一般可按下式計算，即：
　　式中udma*--整流電路輸出電壓最大值；
　　nut--主電路電流回路n個晶閘管正向壓降；
　　c--線路接線方式系數(shù)；
　　ush--變壓器的短路比，對10～100kva，usk=0.05～0.1；
　　i2/i2n--變壓器二次實際工作電流與額定之比，應取最大值。[2]
　　在要求不高場合或近似估算時，可用下式計算，即：
　　式中a--理想情況下，α=0°時整流電壓ud0與二次電壓u2之比，即a=ud0/u2；
　　b--延遲角為α時輸出電壓ud與ud0之比，即b=ud/ud0；
　　ε——電網(wǎng)波動系數(shù)；
　　1~1.2——考慮各種因數(shù)的安全系數(shù)；
　　根據(jù)設計要求，采用公式：
　　由表查得a=2.34；取ε=0.9；α角考慮10°裕量，則b=cosα=0.985
　　取u2=120v。
　　電壓比k=u1/u2=380/120=3.17。
　　3.1.2一次、二次相電流i1、i2的計算
　　由表查得ki1=0.816,ki2=0.816
　　考慮變壓器勵磁電流得：
　　3.1.3變壓器容量的計算
　　s1=m1u1i1；
　　s2=m2u2i2；
　　s=1/2(s1+s2)；
　　式中m1、m2--一次側與二次側繞組的相數(shù)；
　　s1=m1u1i1=3*380*1.69=1.9266kva
　　s2=m2u2i2=3*120*5.37=1.9332kva
　　s=1/2(s1+s2)=1/2（1.9266+1.9332）=1.9299kva
　　3.2晶閘管元件的選擇
　　整流電路采用晶閘管全控橋電路。由于它具有單向導電性，不允許電流反向，對過電壓，過電流以及過高的和敏感，在低速運行時，導通角很小等等缺點，結合課題提供的參數(shù)，選擇適當?shù)木чl管型號十分重要。
　　3.2.1晶閘管的額定電壓
　　晶閘管實際承受的最大峰值電壓utm，乘以（2～3）倍的安全裕量，參照標準電壓等級，即可確定晶閘管的額定電壓utn，即utn=（2～3）utm[3]
　　整流電路形式為三相全控橋，而，則
　　取
　　3.2.2晶閘管的額定電流
　　選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值大于實際流過管子電流最大有效值，即
　　=1.57>或>==k
　　考慮（1.5～2）倍的裕量
　　=（1.5～2）k
　　式中k=/（1.57）--電流計算系數(shù)。
　　此外，還需注意以下幾點：
　　①當周圍環(huán)境溫度超過+40℃時，應降低元件的額定電流值。
　　②當元件的冷卻條件低于標準要求時，也應降低元件的額定電流值。
　�、坳P鍵、重大設備，電流裕量可適當選大些。
　　由表查得k=0.368，考慮1.5~2倍的裕量
　　取。故選晶閘管的型號為。
　　3.3直流調速系統(tǒng)的保護
　　晶閘管有換相方便，無噪音的優(yōu)點。設計晶閘管電路除了正確的選擇晶閘管的額定電壓、額定電流等參數(shù)外，還必須采取必要的過電壓、過電流保護措施。正確的保護是晶閘管裝置能否可靠地正常運行的關鍵。
　　3.3.1過電壓保護
　　不能從根本上消除過電壓的根源，只能設法將過電壓的幅值抑制到安全限度之內，這是過電壓保護的基思想。抑制過電壓的方法不外乎三種：用非先行元件限制過電壓的幅度；用電阻消耗產生過電壓的能量；用儲能元件吸收產生過電壓的能量。實用中常視需要在電路的不同部位選用不同的方法，或者在同一部位同時用兩種不同保護方法。以過電壓保護的部位來分，有交流側過壓保護、直流側過電壓保護和器件兩端的過電壓保護三種。
　　（1）交流側過電壓保護
　　本設計采用阻容保護即在變壓器二次側并聯(lián)電阻r和電容c進行保護。如圖（3-1）所示：
　　圖3-1rc保護電路
　　表3-1變壓器連接及阻容選值
　　變壓器接法
　　單相
　　三相、二次ｙ聯(lián)結
　　三相二次ｄ聯(lián)結
　　阻容裝置接法
　　與變壓器二次側并聯(lián)
　　y聯(lián)結
　　d聯(lián)結
　　y聯(lián)結
　　d聯(lián)結
　　電容
　�。�
　�。�
　　1/3c
　　3c
　　c
　　電阻
　　ｒ
　�。�
　　3r
　　1/3r
　　r
　　對于三相電路，ｒ和ｃ的值可按上表換算。
　　本系統(tǒng)采用d-y連接。
　　s=1.9299kva，u2=120v
　　變壓器勵磁電流百分數(shù)iem取值：當s=1~10kva時，對應的iem=4~1，所以iem取3。
　　c≥*6iems/u22=*6*3*34*103/1202=14.17µf
　　選取20µf的鋁電解電容器。
　　變壓器短路電壓比選�。簊=1~10kva，=1~5，所以=3
　　r≥*2.3u22/s=*2.3*1202/1.9299*103=9.37ω
　　選取電阻為zb1-10的電阻。
　　（2）直流側過電壓保護
　　直流側保護可采用與交流側保護相同保護相同的方法，可采用阻容保護和壓敏電阻保護。但采用阻容保護易影響系統(tǒng)的快速性，并且會造成加大。因此，一般不采用阻容保護，而只用壓敏電阻作過電壓保護,如圖(3-2)所示。
　　圖3-2壓敏電阻保護的接法
　　u1ma=（1.8-2.2）udc=(1.8-2.2)*230=414-460v
　　選my31-440/5型壓敏電阻。允許偏差+10％（484v）。
　　（3）晶閘管及整流二極管兩端的過電壓保護
　　查下表：
　　表3-2過電壓保護阻容選值
　　晶閘管額定電流/μa
　　10
　　20
　　50
　　100
　　200
　　500
　　1000
　　電容/μf
　　0.1
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