1、電力拖動自動控制系統是把電能轉換成機械能的裝置，它被廣泛地應用于一般生產機械需要動力的場合，也被廣泛應用于精密機械等需要高性能電氣傳動的設備中，用以控制位置、速度、加速度、壓力、張力和轉矩等。直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，在許多需要調速或快速正反向的電力拖動領域中得到應用。晶閘管問世后，生產出成套的晶閘管整流裝置，組成晶閘管電動機調速系統（簡稱V-M系統），和旋轉變流機組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術性能上也顯示出較大的優越性。而轉速、電流雙閉環控制直流調速系統是性能很好、應用最廣的直流調速系統。現代的電力拖動控

2、制系統都是由慣性很小的晶閘管、電力晶體管或其他電力電子器件以及集成電路調節器等組成的。經過合理的簡化處理，整個系統一般都可以用低階近似。而以運算放大器為核心的有源校正網絡（調節器），和由 R、C等元件構成的無源校正網絡相比,又可以實現更為精確的比例、微分、積分控制規律,于是就有可能將各種各樣的控制系統簡化和近似成少數典型的低階系統結構。如果事先對這些典型系統作比較深入的研究,把它們的開環對數頻率特性當作預期的特性,弄清楚它們的參數和系統性能指標的關系,寫成簡單的公式或制成簡明的圖表,則在設計實際系統時,只要能把它校正或簡化成典型系統的形式,就可以利用現成的公式和圖表來進行參數計算,這樣,就建立

3、了工程設計方法的可能性。對于電力拖動系統設計報告首先要根據設計要求確定調速方案和主電路的結構型式，主電路和閉環系統確定下來以后，重點在對電路各元件參數的計算和器件的選型，包括整流變壓器、整流元件、平波電抗器、保護電路以及電流和轉速調節器的參數計算。最后給出參考資料和設計體會和總結。目錄前 言1第一章 設計任務書333第二章 主電路的結構型式和閉環調速系統的組成44445第三章 調速系統主電路元部件的確定及其參數計算63.1 整流變壓器容量計算63.1.1 次級電壓U26773.2 晶閘管的電流、電壓額定計算73.3 平波電抗器電感量計算83.4 保護電路的設計計算93.4.1 過電壓保護911

4、3.5 驅動控制電路的選型設計11第四章 電動機調速電源方案124.1 V-M系統124.2 PWM系統12第五章 雙閉環系統調節器的動態設計135.1 電流調節器的設計135.1.1 時間常數的確定135.1.2 電流調節器結構的選擇135.1.3 電流調節器的參數計算135.1.4 近似條件校驗145.1.5 電流調節器的實現145.2 轉速調節器的設計145.2.1 時間常數的確定145.2.2 轉速調節器結構的選擇145.2.3 轉速調節器的參數計算155.2.5 轉速調節器的實現155.2.6 校核轉速超調量15設計總結16參考文獻16附圖: V-M雙閉環不可逆直流調速系統電氣原理總

5、圖17第一章 設計任務書設計題目某立體物流倉庫，絎架式貨物轉送車舉升系統采用直流電動機驅動滑輪鋼索減速機構。減速比1000：1（電動機旋轉1000轉，平臺上升/下降1m），其傳動效率0.9，飛輪慣量可忽略。舉升平臺自重15Kg，最大貨物重185Kg，貨架層高2m，共4層。試設計電力拖動自動控制系統，使平臺最大層間運行時間小于100S。工作現場有三相四線制380V交流電源，100A空開保護，電網最大電壓波動，通風良好，環境干燥，無粉塵，現場無防爆要求。設計原則直流伺服電動機是在伺服系統中將電信號轉變為機械運動的關鍵元件。首先應為系統提供足夠的公路、轉矩是負載按所需要的速度規律運行，控制特性應保證

6、所需調速范圍和轉矩變化范圍。即從電動機的功率著眼，控制性能好，兼顧電動機的過載能力和溫升范圍，使用環境條件等，來選擇滿足負載運動要求的直流伺服電動機。第二章 主電路的結構型式和閉環調速系統的組成電動機的基本原則（1）電動機在工作過程中，其額定功率應得到充分利用。要求溫升接近但不超過規定的允許數值。（2）電動機應滿足生產機械需要的有關機械特性的要求。保證一定負載下的轉速穩定，有一定的調速范圍及具有良好的起動和制動性能。（3）電動機的結構型式應滿足設計提出的安裝要求和適應周圍的工作環境。例如防止灰塵進入電動機內部，或者防止繞組絕緣受有害氣體腐蝕等。電動機種類的選擇兩層之間的距離為2米，運行時間最大

7、100S，即100S內電機的轉的圈數要大于2000轉，即大于1200r/min,所以直流電機的額定轉速不能低于1200r/min.假如貨物升高2米用了100秒時間，加速時間和減速時間約為0s。（15+185）=1960NP=FVP=FV/=1960再乘1.8的系數，直流電機的功率不小于78.5W。 因此選用直流電動機、型號為90SZ55、工作方式為周期性斷續。參數如表1表1 電動機技術數據型號轉矩(mNm)轉速(r/min)功率(W)電壓(V)電流(A)允許順逆轉速差(r/min)轉動慣量不大于(mNms)電樞勵磁電樞勵磁90SZ55510150080242451100雖然三相半波可控整流電路

8、使用的晶閘管個數只是三相全控橋整流電路的一半，但它的性能不及三相全控橋整流電路。三相全控橋整流電路是目前應用最廣泛的整流電路，其輸出電壓波動小，適合直流電動機的負載，并且該電路組成的調速裝置調節范圍廣（將近50）。把該電路應用于本設計，能實現電動機連續、平滑地轉速調節、電動機不可逆運行等技術要求。三相全控橋整流電路實際上是組成三相半波晶閘管整流電路中的共陰極組和共陽極組串聯電路，如圖六所示。三相全控橋整流電路可實現對共陰極組和共陽極組同時進行控制，控制角都是。在一個周期內6個晶閘管都要被觸發一次，觸發順序依次為：VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 ,6個觸發脈沖相位依次相差60。為

9、了構成一個完整的電流回路，要求有兩個晶閘管同時導通，其中一個在共陽極組，另外一個在共陰極組。為此，晶閘管必須嚴格按編號輪流導通。晶閘管VT1與VT4按A相，晶閘管VT3與VT6按B相，晶閘管VT5與VT2按C相，晶閘管VT1、VT3、VT5接成共陽極組，晶閘管VT2、VT4、VT6接成共陰極組。在電路控制下，只有接在電路共陰極組中電位為最高又同時輸入觸發脈沖的晶閘管，以及接在電路共陽極組中電位最低而同時輸入觸發脈沖的晶閘管，同時導通時，才構成完整的整流電路。由于電網電壓與工作電壓（U2）常常不一致，故在主電路前端需配置一個整流變壓器，以得到與負載匹配的電壓，同時把晶閘管裝置和電網隔離，可起到降

10、低或減少晶閘管變流裝置對電網和其他用電設備的干擾。考慮到控制角增大，會使負載電流斷續，并且負載為直流電動機時，由于電流斷續和直流的脈動，會使晶閘管導通角減少，整流器等效內阻增大，電動機的機械特性變軟，換向條件惡化，并且增加電動機的損耗，故在直流側串接一個平波電抗器，以限制電流的波動分量，維持電流連續。為了使元件免受在突發情況下超過其所承受的電壓電流的侵害，電路中加入了過電壓、過電流保護裝置。如圖1圖1 主電路結構型式開環直流調速系統調節控制電壓Uc就可改變電動機的轉速。如果負載的生產工藝對運行時的靜差率要求不高，這樣的開環調速系統都能實現一定范圍內的無級調速，但是，對靜差率有較高要求時，開環調

11、速系統往往不能滿足要求。這時就要采用閉環調速系統。采用PI調節的單個轉速閉環直流調速系統可以保證系統穩定的前提下實現轉速無靜差。但是，如果對系統的動態性能要求較高，單環系統就難以滿足需要。這是就要考慮采用轉速、電流雙環控制的直流調速系統。為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統中設置兩個調節器，分別調節轉速和電流。二者之間實行嵌套（串聯）聯接。把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環結構上看，電流環在里面，稱作內環；轉速環在外邊，稱作外環。這就形成了轉速、電流雙閉環調速系統。為了獲得良好的靜、動態性能，轉速和電流兩個調節器一般都采用

12、PI調節器。兩個調節器的輸出都是帶限幅作用的，轉速調節器ASR的輸出限幅電壓Uim*決定了電流給定電壓的最大值，電流調節器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子電換器的最大輸出電壓Udm。位置、轉速、電流三環直流調速系統如圖2所示：圖2 位置、轉速、電流三環閉環直流調速系統APR位置調節器，ASR轉速調節器，ACR電流調節器， TG測速發電機，TA電流互感器，UPE電力電子變換器，Un*轉速給定電壓，Un轉速反饋電壓，Ui*電流給定電壓，Ui電流反饋電壓在轉速、電流雙閉環的基礎上，外邊再設一個位置控制環，便形成三環控制的位置傳動系統，如圖3。其中位置調節器APR就是位置環的校正裝置，它的類型

13、和參數決定了位置隨動系統的系統誤差和動態跟隨性能，其輸出限幅決定著電機的最高轉速。位置，轉速，電流三個閉環都畫出單位反饋，反饋系數或儲存系數都已計入各調節器的比例系數中去。圖3 三環直流調速系統電路原理圖第三章 調速系統主電路元部件的確定及其參數計算整流變壓器容量計算次級電壓U2 為了保證負載能正常工作，當主電路的接線形式和負載要求的額定電壓確定之后，晶閘管交流側的電壓U2只能在一個較小的范圍內變化，為此必須精確計算整流變壓器次級電壓U2。影響U2值的因素有：電網電壓的波動整流元件（晶閘管）的正向壓降直流回路的雜散電阻換相重疊角引起的電壓損失整流變壓器電阻的影響考慮上述所有因素，次級相電壓有效

14、值的計算公式為：Udmax負載要求的整流電路輸出的最大值；UT1.2V，通常取UT=1V；n主電路中電流回路晶閘管的個數；A理想情況下=0時，整流輸出電壓Ud與變壓器二次側相電壓Ud之比；C線路接線方式系數；電網電壓波動系數，通常取=0.9；min最小控制角，通常不可逆取min=1020 ；Ush變壓器短路電壓比，100Kv以下的取Ush =0.05；I2/I2N變壓器二次側實際工作電流額定電流之比；已知Udmax=24V，取UT=1V、n=6，查表得A=2.34，取=0.9, min=10, Ush =0.05, I2/I2N=1,查表得C=0.5，代入上式得：，應用式，查表得A=2.34，

15、取=0.9，KI1=0.816，U2=12V，電壓比由式得I1= KI1Id，I2= KI2Id由表得KI1=0.816，KI2=0.816，考慮勵磁電流和變壓器的變比K，根據以上兩式得：3.2 晶閘管的電流、電壓額定計算由整流輸出電壓Ud=UN=24V，進線線電壓為12V，晶閘管承受的最大反向電壓是變壓器二次線電壓的電壓峰值，即：，晶閘管承受的最大正向電壓是線電壓的一半，即：UFM=1/2U2=18.12V。考慮安全裕量，選擇電壓裕量為2倍關系，電流裕量為1.5倍關系，所以晶閘管的額定容量參數選擇為：UVTN=23.3 平波電抗器電感量計算為了是模塊在控制直流電機起動和調速時，能夠更平穩。扭

16、矩更大，推薦使用濾波電抗器。電抗器的選擇方法按對電流脈動情況的要求根據下式估算出電感。式中：Kmd系數，三相全控整流取Kmd =1.05； S電流最大允許脈動系數，取10%； IZ負載額定電流（A）； U2三相輸入相電壓； LD電動機電感，其值按下式計算： 式中：KD系數。一般無補償電機取812；快速無補償電機取68；有補償電機取56； UE電動機額定電壓；電動機磁極對數； NE電動機額定轉速； IE電動機的額定電壓。 本設計=4，UE=24V，IE=5A，NE=1500r/min，取KD=10，則保護電路的設計計算3.4.1 過電壓保護A、交流側過電壓的保護，如圖4圖4 RC過電壓抑制電路圖

17、采用RC過電壓抑制電路如圖4所示，在變壓器次級并聯RC電路，以吸收變壓器鐵心的磁場釋放的能量，并把它轉換為電容器的電場能而存儲起來，串聯電阻是為了在能量轉換過程中可以消耗一部分能量并且抑制LC回路可能產生的震蕩。本設計采用三相全控橋整流電路，變壓器的繞組為Y聯結，阻容保護裝置采用三角形接法，故可按下式計算阻容保護元件的參數電容C的耐壓 電阻R的功率為式中 ST變壓器每相平均計算容量（VA）U2變壓器次級相電壓有效值（V）io%勵磁電流百分比，當ST幾百伏安時io%=10，當ST1000伏安時io%=35UK%變壓器的短路電壓百分比IC，UC當R正常工作時電流電壓的有效值（A，V） （1）電容器

18、的計算,取900F，,取100V。選擇C=900F，耐壓100V的金屬化紙介電容。（2）電阻值的計算，取R=10RC支路電流IC近似為電阻R的功率為 B、直流側的過電壓保護整流器直流側開斷時，如直流側快速開關斷開或橋臂快熔熔斷等情況，也會在A、B之間產生過電壓，如圖5所示本設計用非線性元氣件抑制過電壓，在A、B之間接入的是壓敏電阻，這是由氧化鋅、氧化鉍等燒結制成的非線性電阻元件，它具有正反向相同的很陡的伏安特性，擊穿前漏電流為微安數量級，損耗很小，過電壓時(擊穿后)則能通過達數千安的浪涌電流， 所以抑制電流能力很強。壓敏電阻的額定電壓U1mA的選取可按下式計算Ud0為晶閘管控制角=00時直流輸

19、出電壓 對于本設計：通常用于中小功率整流器操作過電壓保護時，壓敏電阻通流容量可選擇（35）KAC、晶閘管換相過電壓保護,R可取20。 在電路中串接的器件是快速熔斷器，這是一種最簡單有效而應用最普遍的過電流保護元件，其斷流時間一般小于10ms，按圖四接法熔斷器與每一個晶閘管元件相串聯，可靠的保護每一個晶閘管元件。熔斷器的額定電壓、電流可按下式計算額定電壓URN：不小于線路正常工作電壓的方均根值額定電流：電流裕度系數，取環境溫度系數，取實際流過快熔的電流有效值對于本設計：因U2=24V，取URN=55V；， 取=120A。 因而可選取RS3型550V/120A的快熔。如圖7圖5 圖6 圖73.5

20、驅動控制電路的選型設計由于集成觸發電路不僅成本低、體積小，而且還有調式容易、使用方便等優點，故本設計采用KJ041集成觸發電路。需用3個KJ004集成塊和1個KJ041集成塊，即可形成6路雙脈沖形成器，它是三相全空橋式電路的觸發器，它具有雙脈沖形成和電子開關封鎖等功能。KJ041實用電路如圖五所示，移相觸發器輸出脈沖加到該器件的16端，器件內的輸入二極管完成“或”功能，形成補脈沖，該脈沖經放大后分6路輸出。當控制端7接邏輯“0”電平時，器件內的電子開關斷開，各路輸出觸發脈沖。 采用KJ041集成觸發電路的同步電壓應滯后于主電路電壓180度。本設計主電路整流變壓器采用D，y-11聯結，同步變壓器

21、采用D，y-11，5聯結。這時，同步電壓選取的結果見表2。圖8 同步變壓器和整流變壓器的接法 圖9 三相全控橋整流電路的集成觸發電路表2 三相全控橋各晶閘管的同步電壓晶閘管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主電路電壓+ua-uc+ub-ua+uc-ub同步電壓+usb-usa+usc-usb+usa-usc第四章 電動機調速電源方案V-M系統靜止式可控整流器（V-M）用靜止式的可控整流器，以獲得可調的直流電壓。PWM系統直流斬波器或脈寬調制變換器（PWM-M）用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關器件斬波或進行脈寬調制，以產生可變的平均電壓。隨著電力電子技術的發展，對于直流調速系

22、統，我們一般選擇靜止式可控整流器或者直流斬波器或脈寬調制變換器構成直流調速系統用的可控直流電源。一般認為PWM-M系統比V-M系統有相當優越性，表現在：1）開關頻率高，電流易連續，低頻諧波少，電機損耗及發熱都較小；2）低速性能好，穩速精度高，調速范圍寬；3）系統頻帶寬，動態響應快，動態抗擾能力強；4）流電源采用不控整流時，電網功率因數比相控整流器高。但V-M系統控制電路簡單，易于分析，造價較低，也經常被采用。因此本課程設計采用VM系統控制。第五章 雙閉環系統調節器的動態設計5.1 電流調節器的設計5.1.1 時間常數的確定系統電磁時間常數Tl：由上可知L=35.98mH，R=0.5，整流裝置滯

23、后時間常數TS：按表3，三相橋式電路的平均失控時間為Ts=0.0017s。表3 各種整流電路的失控時間（f=50Hz）整流電路形式最大失控時間Tsmax/ms平均失控時間Ts/ms單相半波2010單相橋式105三相半波三相橋式 電流濾波時間Toi：三相橋式電路每個波頭的時間是，為了基本濾平波頭，應有（1-2）Toi，因此取Toi。 電流環小時間常數之和T1：按小時間常數近似處理，取T1=Ts+Toi。5.1.2 電流調節器結構的選擇根據設計要求i5%，并保證穩態電流無差，可按典型型系統設計電流調節器。電流環控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調節器，其傳遞函數為，電流調節器的比例系數，i電

24、流調節器的超前時間常數。檢查對電源電壓的抗擾性能：Tl/Ti=0.142/0.0037=38.31，對照典型型系統動態抗擾性能，各項指標都是可以接受的。5.1.3 電流調節器的參數計算電流調節器超前時間常數i=Tl=0.07s。電流開環增益：要求i5%時，按表三應取KI Ti =0.5，因此KIi-1。取Ks=48，而電流反饋系數N220）=0.03V/A，于是，ACR的比例系數為表4 典型型系統動態跟隨性能指標和頻域指標與參數的關系參數關系KT阻尼比超調量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時間tr峰值時間tp相對穩定裕度76.369.965.559.251.8截止頻率c5.1.4 近

25、似條件校驗 電流環截止頻率：ci=KI-1。 晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件:1/（3Ts）=1/（3-1ci，滿足近似條件。忽略反電動勢變化對電流環動態影響的條件: ci，滿足近似條件。電流環小時間常數近似處理條件:ci，滿足近似條件。5.1.5 電流調節器的實現按所用運算放大器取R0=40k，各電阻和電容值為Ri=KiR0，取65 k； Ci=i/Ri=0.07/（65103）10-6F； Coi=4Toi/R0=410-6F。按照上述參數，電流環可以達到的動態跟隨性能指標為i=4.3%5%（見表4），滿足設計要求。圖10 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調節器轉速調節器的設計5.2.1

26、 時間常數的確定電流環等效時間常數1/KI：已取KITi=0.5，則1/KI=2Ti=20.0037=0.0074s。 轉速濾波時間常數Ton：根據所用測速發電機紋波情況，取Ton=0.01s。轉速環小時間常數Tn：按小時間近似處理, Tn=1/KI+Ton=0.0074+0.01=0.0174s 5.2.2 轉速調節器結構的選擇 按照設計要求，選用典型型系統的PI調節器，其傳遞函數為。5.2.3 轉速調節器的參數計算 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數為n=hTn=5=0.087s，可求得轉速環開環增益，因為Ce=（UN-INRa）/nN=（440-220min/

27、r，=10V/ nN =10/1800=0.006 Vr/min，于是可得ASR的比例系數為5.2.4 近似條件校驗 由式K=1c得轉速環截止頻率為。 電流環傳遞函數簡化條件，滿足簡化條件。 轉速環小時間常數近似處理條件，滿足近似條件。5.2.5 轉速調節器的實現取R0=40k，則Rn=KnR0，取1400k； Cn=n/Rn=0.087/（140103）10-6F；Con=4Ton/R0=40.01/（40103）=110-6=1F，取1F。圖11 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節器5.2.6 校核轉速超調量當h=5時，由表四查得，n=37.6%，不能滿足設計要求。實際上，由于表四是按線

28、性系統計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調量。表5 典型型系統階躍輸入跟隨性能指標（按Mmin準則確定參數關系）h3 4567891052.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%tr/Tts/Tk32211111設理想空載起動時，負載系數z=0，已知=1.5，IN=220A，nN=1800r/min，Cemin/r，Tm=0.1s，Tn=0.0174s。當h=5時，由表五查得，Cmax/Cb=81.2%，而調速系統開環機械特性的額定穩態速降nN=INR/ Ce=2200.12/0.234=94.01 r/min，代入式，計算得：n=能滿足設計要求。表6 典型型系統動態抗擾性能指標與參數的關系h345678910Cmax/Cb72.2%77.