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转速、电流双闭环直流调速系统设计

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转速、电流双闭环直流调速系统设计

1转速、电流双闭环直流调速系统设计216院系工学院专业电气工程及其自动化年级2学生姓名学号80导师及职称2014年6月2摘要直流电动机具有良好的起动、制动性能,宜于在大范围内平滑调速,在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看,直流调速还是交流拖动系统的基础。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器,构成了电流环和转速环,前者通过电流元件的反馈作用稳定电流,后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定,最终消除转速偏差,从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时,转速外环饱和不起作用,电流内环起主要作用,调节起动电流保持最大值,使转速线性变化,迅速达到给定值;稳态运行时,转速负反馈外环起主要作用,使转速随转速给定电压的变化而变化,电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。关键词双闭环,晶闸管,转速调节器,电流调节器,驱动电路3目录设计任务书...................................................................................................................................4第一章、主电路的设计...................................................................................................................41.1、方案的选择.................................................................................................................41.2结构的设计....................................................................................................................41.2.1主电路原理图....................................................................................................41.2.2晶闸管元件的选择............................................................................................51.2.3过电流保护装置及其型号....................................................................................61.2.4过电压保护装置及其型号....................................................................................61.3驱动电路的选择................................................................................................................8第二章、整流变压器及其平波电抗器的设计...............................................................................82.1整流变压器参数的计算和选择.......................................................................................82.2平波电抗器的设计............................................................................................................9第三章、选择控制主要芯片.........................................................................................................113.1控制电路芯片的选择......................................................................................................113.1.1系统触发电路的设计..........................................................................................113.1.2触发电路的选择及校验......................................................................................113.1.3转速检测电路的设计..........................................................................................133.1.4电流检测电路的设计..........................................................................................143.2控制电路的作用及其特点..............................................................................................15第四章、调节器的设计.................................................................................................................154.1、系统的动态结构框图...................................................................................................154.2、电流调节器的设计.......................................................................................................154.3转速调节器的设计.........................................................................................................18第五章、调速系统的总接线.........................................................................................................20第六章、元件清单.........................................................................................................................21第七章、总结与体会.....................................................................................................................21参考文献.........................................................................................................................................224设计任务书在一个转速、电流双闭环VM系统中,转速调节器ASR,电流调节器ACR均采用PI调节器。(1)在此系统中,当转速给定信号最大值VUnm15*时,min1500rnnN;电流给定信号最大值VUim10*,允许最大电流AIdm30,电枢回路总电阻2R,晶闸管装置的放大倍数30ks,电动机额定电流AIN20,电动势系数rVCemin128.0。现系统在VUn5*,AIdl20时稳定运行。(2)1、稳态无静差;2、调速范围D10;3、电流超调量i5;4、空载启动到额定转速时的转速超调量n10。第一章、主电路的设计1.1、方案的选择由于电机上网容量较大,又要求电流的脉动小,故选用三相全控桥式整流电路供电方案。因调速精度要求较高,故选用转速负反馈调速系统。采用电流截止负反馈进行限流保护。出现故障电流时过电流继电器切断主电路电源。1.2结构的设计1.2.1主电路原理图电动机的电源控制电路采用桥式整流电路对三相电源进行整流,整流后通过IGBT对电机的电压进行控制,利用电流互感器对主电路电流进行电流反馈和过电流保护5图1-11.2.2晶闸管元件的选择(1)晶闸管的额定电压晶闸管实际承受的最大峰电压TNU,乘以(2-3)倍的安全裕量,参照标准电压等级,即可确定晶闸管的额定电压TNU,即TNU(2-3)mU整流电路为三相桥式全控整流电路,查表得mU26U,所以TNU(2-3)mU(2-3)26U(2-3)1106539808取TNU700v(2)晶闸管的额定电流选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值TNI大于实际流过管子电流最大有效值TI,即TNI57.1AVTITI或则dddTTAVTKIIIIII57.157.1考虑(1.5-2)倍的裕量AVTI1.52dkI6其中57.1dTIIK由表查得K0.368,考虑1.52倍的裕量ITAV1.52KId1.520.3681.25536.448.1A取ITAV50A,所以晶闸管的型号为KP50-7晶闸管元件1.2.3过电流保护装置及其型号快速熔断器的断流时间短,保护性能好,是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。1晶闸管串连的快速熔断器的选择接有电抗器的三相全控桥电路,通过晶闸管的有效值TI3dI55331.75A选取RLS-35快速熔断器,熔体额定电流35A。2过电流继电器的选择因为负载电流为55A,所以可选用吸引线圈电流为100A的JL14-11ZS型手动复位直流过电流继电器,整定电流取1.255568.75A100A1.2.4过电压保护装置及其型号以过电压保护的部位来分,有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。(1)交流侧过电压保护阻容保护CS/U226105200/110225F耐压1.5Um1.51102233V由公式计算出电容量一般偏大,实际选用时还可参照过去已使用装置情况来确定保护电压的容量,这里选CZJD-2型金属化纸介电容器,电容量20uF,耐压250V。取shU5,R2.3U22/SemshIU2.31102/52001052.2,取2.2IC2fCUC10-62502010-61100.69A7PR34IC2R34(0.69)22.23.14.2W选取2.2,5W的金属氧化膜电阻。压敏电阻的计算U1MA1.32U21.32110202V流通量取5KA。选MY31-220/5型压敏电阻。允许偏差10(242V)。(2)直流侧过电压保护直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法,可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性,并且会造成dtdi/加大。因此,一般不采用阻容保护,而只用压敏电阻作过电压保护。U1MA(1.8-2.2)UDC1.82.2220396440V选MY31-430/5型压敏电阻。允许偏差10(484V)。(3)闸管及整流二极管两端的过电压保护表1-1晶闸管额定电流/A1020501002005001000电容/F0.10.150.20.250.512电阻/1008040201052阻容保护的数值一般根据经验选定抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值mU的1.11.15倍。由上表得C0.5F,R10,电容耐压1.5mU1.562U1.56110566V选C为0.5F的CZJD-2型金属化纸介质电容器,电容量0.22F,耐压为400V。RPfCUm210-6500.510-6311020.8W选R为10普通金属膜电阻器,RJ-0.5。81.3驱动电路的选择集成电路可靠性高,技术性能好,体积小,功耗低,调试方便。随着集成电路制作技术的提高。晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及。目前国内常用KJ和KC系列,两者生产厂家不同,但很相似。采用KJ004集成触发电路的同步电压应滞后于主电路电压180度的触发触发脉冲。其工作原理可参照锯齿波同步的触发电路进行分析,或查阅有关的产品手册。集成电路只需用3个KJ004集成块和隔离电路组成,再由六个晶体管进行脉冲放大,即构成完整的三相全控桥触发电路第二章、整流变压器及其平波电抗器的设计2.1整流变压器参数的计算和选择(1)变压器二次侧电压U2的计算U2是一个重要的参数,选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成延迟角加大,功率因数变坏,整流元件的耐压升高,增加了装置的成本。一般可按下式计算,即BAUUd2.112式中A--理想情况下,0时整流电压Ud0与二次电压U2之比,即AUd0/U2;B--延迟角为时输出电压Ud与Ud0之比,即BUd/Ud0;电网波动系数;11.2考虑各种因数的安全系数;根据设计要求,采用公式BAUUd2.112由表查得A2.34;取0.9;角考虑10裕量,则Bcos0.985取U2120VU1/U2380/1203.2222011.21061272.340.90.985UV9(2)一次、二次相电流的计算由表查得KI10.816,KI20.816考虑变压器励磁电流得110.816551.05143.2IdKIIAK,取14A220.8165544.9IdIKIA(3)变压器容量的计算S1m1U1I1;S2m2U2I2;S1/2S1S2;式中m1、m2--一次侧与二次侧绕组的相数;由表查得m13,m23S1m1U1I133801415.6KVAS2m2U2I2311044.914.85KVAS1/2S1S21/2(15.614.85)15.3KVA考虑励磁功率LP2201.60.352kW,取S15.6kvA2.2平波电抗器的设计由于电动机电枢和变压器存在漏感,因而计算直流回路附加电抗器的电感量时,要从根据等效电路折算后求所需电感量中,扣除上述两种电感量。电枢电感量LM按下式计算P电动机磁极对数,KD计算系数,对一般无补偿电机KD8-12,对于设计,P2,KD10则整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感LB按下式计算NNNDMIPnUKL210377.2136146022102201021033mHIPnUKLNNNDM10U2变压器次级相电压有效值Id晶闸管装置直流侧的额定负载电流KB与整流主电路形式有关的系数对于本设计,KB3.9,KU5则变流器在最小输出电流Idmin时仍能维持电流连续时电抗器电感量L下式计算K是与整流主电路形式有关的系数,三相全控桥K取0.693则使输出电流连续的临界电感量L平电抗器电感量应大于15mH)(平HLLLLBMm22.1933.02-77.2-31.232--1002mHIUUKLdKBB33.022037010059.31002mHIUUKLdKBB31.235220370693.0min2mHIUKLdmin2dIUKL11第三章、选择控制主要芯片3.1控制电路芯片的选择3.1.1系统触发电路的设计晶闸管可控整流电路,通过控制触发角的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。为保证相控电路正常工作,很重要的是应保证按触发角的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。晶闸管相控电路,习惯称为触发电路。大、中功率的交流器广泛应用的是晶闸管触发电路,其中以同步信号为锯齿波的触发电路应用最多。可靠性高,技术性能好,体积小,功率低,调试方便。晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及,已逐步取代分立式电路。此外就是采用集成触发产生触发脉冲。3.1.2触发电路的选择及校验晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲,保证晶闸管在必要的时刻由阻断转为导通。触发电路直流电源电压一般为15V,脉冲变压器匝数比为21,Ug可获得6V左右的电压,因而脉冲变压器一次电流只要大于150mA,即可满足晶闸管要求。本设计课题采用的是三相半波整流电路,电路中三个晶闸管分别接入三相电源,采用共阴极接法,触发顺序依次为VD1VD2VD3,晶闸管必须严格按编号轮流导通,每管各导通120,这里选用KCZ3集成化三脉冲触发组件如下图所示12图3-1由产品目录中查得KP300-10晶闸管的触发电流及触发电压等参数为下表所示。型号ITAVT70VDRMVRRMIDRMRRMITSM50HZVGTIGTVTMITMdv/dtRthjpF外型图TypeAVMa)KA)V/mAVAV/WKN)FigKp200/3520035004033/1502.860010000.088K1Kp300/183001800304.52.0900500表3-113晶闸管触发电路往往包括触发时刻进行控制相位控制电路、触发脉冲的放大和输出环节。触发脉冲的放大和输出环节中,晶闸管触发电路应满足下列要求(1)触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通,三相全控桥式电路应采用宽于120或采用相隔120的双窄脉冲。(2)触发脉冲应有足够的幅度,对户外寒冷场合,脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流35倍,脉冲前沿的陡度也需增加,一般需达12Aus。(3)所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额,且在门极的伏安特性的可靠触发区域之内。(4)应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。3.1.3转速检测电路的设计转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号,滤除交流分量,为系统提供满足要求的转速反馈信号。转速检测电路主要由测速发电机组成,将测速发电机与直流电动机同轴连接,测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号,经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统。其原理图如图3-2所示。图3-2转速检测电路143.1.4电流检测电路的设计使用霍尔电流传感器可以检测电流,把iU接到霍尔传感器上。霍尔效应传感器,可以测量任意波形的电流和电压。输出端能真实地反映输入端电流或电压的波形参数。如图3-3所示图3-3电流检测电路(1)电阻负载(2)电路分析为得到零线,变压器二次侧必须接成星形,而一次侧接成三角形,避免3次谐波流入电网。三个晶闸管按共阴极接法连接,这种接法触发电路有公共端,连线方便。假设将晶闸管换作二极管,三个二极管对应的相电压中哪一个的值最大,则该相所对应的二极管导通,并使另两相的二极管承受反压关断,输出整流电压即为该相的相电压。自然换相点t1t2t3处,均出现了二极管换相,称这些交点为自然换相点。0(3)三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量,为此其应用较少。15三相半波又称三相零式相控整流电路如图2-7a所示。图中TR是整流变压器,可直接由三相四线电源供电。三只晶闸管的阴极连在一起,称为共阴极接法,3.2控制电路的作用及其特点(1)控制电路的作用给逆变器的电子开关提供控制信号;对电流反馈信号进行放大处理,并根据反馈、给定信号调节电子开关控制信号的脉宽;对保护信号做出反映,关闭控制信号。(2)控制电路的特点由于晶闸管的单向导电性,给系统的可逆运行造成困难;由于晶闸管元件的过载能力小,不仅要限制过电流和反向过电压,而且还要限制电压变化率(du/dt)和电流变化率di/dt,因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件;当系统处于深调速状态,即在较低速下运行时,晶闸管的导通角小,使得系统的功率因数很低,并产生较大的谐波电流,引起电网电压波形畸变,对电网产生不利影响;由于整流电路的脉波数比直流电动机每对极下的换向片数要小得多,因此,V-M系统的电流脉动很严重。第四章、调节器的设计4.1、系统的动态结构框图图4-1-IdLUd0---ACR1/RTls1RTmsUcKsTss1Id1CeET0is11T0is1ASR1T0ns1T0ns1*sUnsn164.2、电流调节器的设计1确定时间常数已知sTs0017.0,sToi002.0,所以电流环小时间常数oisiTTT0.00170.0020.0037S。2选择电流调节器的结构因为电流超调量5i,并保证稳态电流无静差,可按典型系统设计电流调节器电流环控制对象是双惯性型的,故可用PI型电流调节器。3电流调节器参数计算电流调节器超前时间常数iTlT0.0133s,又因为设计要求电流超调量5i,查得表有参数关系KT0.250.390.50.691.0阻尼比超调量上升时间tr峰值时间tp相角稳定裕度截止频率c1.0076.30.243/T0.81.56.6T8.3T69.90.367/T0.7074.34.7T6.2T65.50.455/T0.69.53.3T4.7T59.20.596/T0.516.32.4T3.2T51.80.786/T表4-1iITK0.5,所以IKiT5.010.5135.10.0037S,所以ACR的比例系数IiisKRKK078.105.0406.00133.01.135。4校验近似条件电流环截止频率ciWIK135.11S。17晶闸管整流装置传递函数的近似条件111196.1330.0017sSTciW,满足条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响条件1113319.181.840.0133cimlSWTT,满足条件。电流环小时间常数近似处理条件isTT131111180.830.00170.002ciSW,满足条件。5计算调节器的电阻和电容取运算放大器的0R40k,有0RKRii1.0784043.12k,取45k,0.01330.29645iiiCFRk,取0.3F,FkRTCoioi2.040002.0440,取0.2F。故1iiACRiKWss1.0780.013310.0133ss,其结构图如下所示图4-2电流调节器184.3转速调节器的设计1确定时间常数有0.5,IiKT则1220.00370.0074iITssK,已知转速环滤波时间常数onT0.01s,故转速环小时间常数10.00740.010.0174nonITTsK。2选择转速调节器结构按设计要求,选用PI调节器ssKsWnnnASR13计算转速调节器参数按跟随和抗干扰性能较好原则,取h4,则ASR的超前时间常数为40.01740.0696nnhTs,转速环开环增益1222215516.12240.0174NnhKshT。ASR的比例系数为150.050.1151.8490.4832240.0070.60.0174emnnhCTKhRT。4检验近似条件转速环截止频率为1516.10.069635.92NcnNnKWKW。电流环传递函数简化条件为111135.163.7330.0037IcniKsWT,满足条件。转速环小时间常数近似处理条件为111135.138.7330.01IcnonKsWT,满足近似条件。5计算调节器电阻和电容取0R40k,则090.483403619.32nnRKRk,取3700k。19FkRCnnn0188.037000696.0,取0.02FFkCon14001.04,取1F。故190.4830.069610.0696nnASRnKssWsss。其结构图如下图4-3转速调节器6校核转速超调量由h4,查得43.610n,不满足设计要求,应使ASR退饱和重计算n。设理想空载z0,h4时,查得maxbCC77.5,所以n2(maxbCC)(z)mnNTTnn2090.60.115277.51.50.02392.39101000,满足设计要求.20第五章、调速系统的总接线图5-121第六章、元件清单导线电阻晶闸管保险丝二极管三极管电容器电动机第七章、总结与体会在双闭环调速系统中,ASR的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态是无静差,其输出限幅决定允许的最大电流。ACR的作用是电流跟随,过流自动保护和及时抑制电压的波动。通过仿真可知启动时,让转速外环饱和不起作用,电流内环起主要作用,调节启动电流保持最大,使转速线性变化,迅速达到给定值;稳态运行时,转速负反馈外环起主要作用,使转速随转速给定电压的变化而变化,电流内环跟随电流外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。通过对双闭环直流系统的设计,我从中学习到了很多东西,学习到了课堂上学习不到的东西,同时也提高了我的设计编排能力,具体的有(1)文字表述语言很严谨,这方面需要继续加强。(2)交流、讨论文章的大致内容写完后,一定要和老师、其他同学多交流,让他们多提点建议。一些计量软件使用方法,可以向学长们请教。(3)细心模型公式编辑、标点符号、文章各段格式等,都需要细心。(4)搜索需要查阅很多资料,如何在短时间找到你想要得资料,得在搜索关键词上有所设置才行。一些好的统计数据网站,需要随时记录下来,以便日后继续使用。22参考文献1陈伯时.电力拖动自动控制系统(第2版)M.北京机械工业出版社.20052陈伯时.电力拖动自动控制系统,第3版北京机械工业出版社,20043胡寿松自动控制原理第4版北京国防工业出版社4王兆安电力电子技术第4版北京机械工业出版社,20005王军.自动控制原理M.重庆重庆大学出版社,2008.6石玉等电力电子技术题例与电路设计指导北京机械工业出版社,1998忽略此处..

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