双闭环不可逆直流调速系统的设计.doc

课程设计成果说明书题 目： 双闭环不可逆直流调速系统的设计学生姓名： 陈武 学 号： 110402104 学 院： 船舶与海洋工程学院 班 级： A11电气 指导教师： 苏玉香 浙江海洋学院教务处2014年 10 月 26 日浙江海洋学院课程设计成绩评定表20 14 20 15 学年 第 一 学期学院 船舶与海洋工程学院 班级 A11电气 专业 电气工程及其自动化 学生姓名(学 号) 陈武110402104课程设计名 称电力拖动控制系统课程设计题 目双闭环不可逆直流调速系统设计指导教师评语指导教师签名： 年 月 日答辩评语及成绩答辩小组教师签名： 年 月 日 浙江海洋学院课程设计任务书2014 2015 学年 第 1 学期 学院 船舶与海洋工程学院 班级 A11电气 专业 电气工程及其自动化 学生姓名(学号)陈武课程名称电力拖动控制系统课程设计设计题目双闭环不可逆直流调速系统设计完成期限自 2014年 月 日至 2014 年 月 日 共 1 周设计依据1. 该调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽地转速调速范围（D10），系统在工作范围内能稳定工作；2. 系统静特性良好，无静差（静差率S2%）；3. 动态性能指标：转速超调量 n<8%，电流超调量i<5%，动态最大转速降n810%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts1s；4. 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续；5. 调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。6. 电力电子变流电路采用晶闸管构成的三相可控整流电路。第二组：晶闸管整流装置：Rrec=0.15，Ks=36。负载电机额定数据：PN10kW，UN=220V，IN=53.5A，nN=1500r/min，Ra=0.37，1.5。系统总电阻R0.58 Tm=0.34S。设计要求及主要内容1. 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构形式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图。2. 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算（包括整流变压器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等）。3. 驱动控制电路的选型设计（模拟触发电路、集成触发电路、数字触发电路均可）。4. 动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节器的结构形式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。5. 绘制VM双闭环直流不可逆调速系统电气原理总图（要求用计算机绘图）。（建立传递函数方框图），并研究参数变化时对直流电机动态性能的影响。6. 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。参考资料1. 陈伯时主编。电力拖动自动控制系统运动控制系统（第3版）北京：机械出版社，2003. 72. 机械工程手册、电机工程手册编辑委员会，电机工程手册第九卷自动控制系统，机械工业出版社，19823. 朱仁初、万伯任，电力拖动系统设计手册，机械工业出版社，1994指导教师签字日期摘要 电力拖动实现了电能与机械能之间的能量转换，而电力拖动自动控制系统也即运动控制系统的任务是通过控制电动机电压，电流和频率等输入量，来改变工作机械的转矩，速度和位移等机械量，是各种工作机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。  本文研究设计的是晶闸管整流器控制的转速电流双闭环直流调速系统，主电路设计是依据晶闸管-电动机系统组成，其系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器和保护电路等组成。整流变压器和晶闸管整流调速装置的功能是将输入的交流电整流后变成直流电；平波电抗器的功能是使输出的直流电流更平滑；保护电路防止过流过压等问题，整个系统可以实现电动机的平滑调速。关键词： 晶闸管、直流调速、双闭环目录一、 主电路的结构形式和闭环调速系统的组成11.1 主电的路结构形式11.2 闭环调速系统的组成2二、主电路元部件的确定及其参数计算22.1 整流变压器参数计算22.2 可控晶闸管参数计算32.3 平波电抗器参数计算32.4 整流电路及晶闸管保护电路设计4三、驱动控制电路的设计5四、 双闭环直流调速系统设计64.1 电流环的设计64.2 转速调节器的设计84.3调速系统电气原理总图9五、总结10六 、参考文献11一、 主电路的结构形式和闭环调速系统的组成 1.1 主电的路结构形式 变压调速是双闭环直流调速系统的主要调速方法，系统的硬件结构至少包含了两个部分，即能够调节直流电动机电枢电压的直流电源和产生被调转速的指路电动机。随着电力电子技术的发展，可控直流电源主要有两大类，第一类是相控整流器，他利用晶闸管把交流电源直接转化可控的直流电源，第二类是直流脉宽变换器，他先利用不可控整流把交流电变换成直流电，然后用PWM脉宽调制方式调节输出的直流电压。变压器调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：静止可控整流器，旋转电流机组，直流斩波器和脉宽调制变换器。静止可控整流器又称V-M系统，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变Ud，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。旋转变流机组简称G-M系统，适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。直流斩波器和脉宽调制交换器采用PWM受器件限制，适用于中、小功率的系统。由于本设计是双闭环直流调速系统的设计，对电压变化的控制精度要求较高，因此选用V-M系统满足要求。  根据教材中所学的知识，我们知道V-M系统中调节器给定电压即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出瞬时电压Ud。由于要求直流电压脉动较小，故采用三相全控桥式整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥整流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相整流电路的一大优点，并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省，而且工作可靠，能耗小，效率高。同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综合各种因素，选晶闸管三相全控桥整流电路为电动机的电枢提供电压是比较理想的选择。本设计选用三相桥式全控整流电路，其原理如图1-1所示，习惯将其中阴极连接在一起到3个晶闸管（）称为共阴极；阳极连接在一起的3个晶闸管（）称为共阳极，另外通常习惯晶闸管从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a,b,c三相电源相接的3个晶体管分别是,共阳极组中与a,b,c三相电源相接的3个晶闸管分别是。图1-1 三相桥式全控整流电路原理图其工作特点为：1）每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中1个晶闸管是共阴极组的，1个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。2)6个晶闸管的触发脉冲按的顺序相为、位依次相差；共阴极组的脉冲依次差，共阳极组也依次差;同一相的上下两个桥臂即与，与，与脉冲相差。3） 整流输出电压一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样。4）在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为保证电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。 1.2 闭环调速系统的组成对于直流电动机，我们希望在启动的过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，在达到稳态转速之后又希望只有转速负反馈，不让电流负反馈起作用，只用一个调节器显然是不可能的，采用转速和电流两个调节器应该能行。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，如图2-1所示，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速换在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静动态性能，转速和电流调节器一般都采用PI调节器。图1-2 双闭环调速系统动态结构图 双闭环直流调速系统动态结构框图如图1-2所示，速度调节器根据转速给定电压 和速度反馈电压 的偏差进行调节，其输出是电流的给定电压 。电流调节器根据电流给定电压 和电流反馈电压的偏差进行调节，其输出是功率变换器件的控制信号 。通过 电压进而调节整流装置的输出，即电机的电枢电压，由于转速不能突变，电枢电压改变后，电枢电流跟着发生变化，相应的电磁转矩也跟着变化，由可知，只要与不相等那么转速n会相应的变化 二、主电路元部件的确定及其参数计算 2.1 整流变压器参数计算 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： 式中-理想情况下，时整流电压与二次电压之比，即；-延迟角为时输出电压与之比，即；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，由表查得 =2.34；取=0.9；角考虑10°裕量，则 =0.985根据任务书提供的数据 为了便于计算取120V；变压比；副边输出有效电压为=170V；副边输出有效电流=43.66A 考虑电机过载系数为那么输出电流应可以达到65A；变压器容量为17065=19.14KVA； 考虑到晶闸管和电抗器的压降，变压器本身的漏磁，并根据变压器应留有一定裕量（1.3倍左右）的原则。应选择参数为额定容量为25KVA，副边输出额定电流为65A的变压器。 2.2 可控晶闸管参数计算 通常取晶闸管的断态重复峰值电压和反向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，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作电压时晶闸管所承受峰值电压的2-3倍。本设计中峰值电压293.9V，故晶闸管电压定额为：587.9V881.8V取其电压定额为600V 晶闸管的电流定额主要由其通态平均电流来标称，规定为晶闸管在环境为和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温是允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。因此在使用时同样应按照实际波形的电流与通态平均电流所造成的发热效应相等，即有效值相等的原则来选取晶闸管的电流定额，并留有一定裕量。一般取其通态平均电流为此原则所得计算结果的1.52倍。可按下式计算： =(1.52)式中计算系数=/1.57由整流电路型式而定，为波形系数，为共阴极或共阳极电路的支路数。当时，三相全控桥电路=0.368故计算的晶闸管额定电流为=(1.52) ×0.368×(53.5×1.5)=44.29A59.06A，取50A。 2.3 平波电抗器参数计算 在V-M系统中，脉动电流会增加电机的发热，同时也产生脉动转矩，对生产机械不利，为了避免或减轻这种影响，须设置平波电抗器。平波电抗器的电感量一般按低速轻载时保证电流连续的条件来选择。通常首先给定最小电流(以A为单位通常取电动机额定电流的5%10%)，再利用它计算所需的总电感量（以为单位），减去电枢电感，即得平波电抗器应有的电感值。 对于三相桥式整流电路总电感量为： L1=0.693=0.693=22.2mH 由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。该脉动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。通常负载需要的只是直流分量，对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加，引起过热。因此，应在电直流侧传入平波抗器，用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量L2可由下式计算： 式中K2为与整流电路形式有关的系数查表得1.045，Si为电流最大允许脉动系数，通常三相电路S i (510)%£，在这里，S i 取为8%。  电枢电感的计算公式为 P电动机磁极对数，计算系数，对一般无补偿电机：=812 那么电枢电感=6.85mH （取P=2,=10）由于变压器的漏电感很小，可以忽略不计，那么平波电抗器电感值取为，取其电感值为,。2.4 整流电路及晶闸管保护电路设计晶闸管可控整流器组成的直流电源有一些不足之处，首先晶闸管是单向导电的，他不允许电流反向，给电动机的可逆运行带来困难；另外晶闸管的可控性是基于对其门极的一项触发控制，在较低速度运行时，晶闸管的导通角很小，使得系统的功率因素也随之减小，在交流会产生较大的谐波电流引起电网电压的畸变；更为严重的是，晶闸管对过电压，过电流和过高的与都十分敏感，其中任意指标超过允许值都可能在很短时间内损坏晶闸管。为了使晶闸管装置能长期可靠运行，除了合理选择元件外，还须针对元件工作的条件设置恰当的保护措施。晶闸管主要需要的保护：过电流保护和限制，过电压保护和限制。对于过电压保护，本电路可以采用RC过电压抑制电路，该装置置于供电变压器的两侧或者电力电子线路的直流上，如图2-4-1 图2-4-1当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会出现过电流的现象。实际应用的电力电子装置中，一般采用快速熔断器、直流快速熔断器、过电流继电器等几种方式组合使用。本设计中在电力变压器副边每相母线中串接快速熔断器。整流器直流侧在快速开关断开或桥臂快速熔断等情况，也会在A、B之间产生过电压，可以用非线性元气件抑制过电压，本设计压敏电阻设计来解决过电压时(击穿后)，正常工作时漏电流小、损耗低，而泄放冲击电流能力强，抑制过电压能力强，除此之外，它对冲击电压反应快，体积又比较小，故应用广泛。其电路图如右图2-4-2所示。图2-4-2其中过流保护电路如图2-4-32所示。在三相母线每一相串接如图的过流保护电路，其中由比较电路输入电流限幅值。图 2-4-3 三、驱动控制电路的设计 三相整流电路中必须对两组中应导通的一对晶闸管同时给触发脉冲为此可以采用两种办法：一种是使每个触发脉冲宽度大于，称宽脉冲触发；另一种是在触发某一号晶闸管的同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，相当于用两个窄脉冲等效代替一个宽脉冲，称为双脉冲触发。随着工业自动化，集成化的不断把发展；现在市场中已有多种型号的六脉冲触发集成电路广泛应用于各种控制中，从本设计的简单和稳定性出发，本设计直接采用KJ系列的三相全控桥式整流电路的集成触发器KJ041作为三相整流电路的触发电路。KJ041的内部是由12个二极管构成的6个或门，其作用是将6路单脉冲输入转换为6路双脉冲输出。以上触发电路均为模拟量，这样使集成片内部结构、可靠，但是却是其容易受电网电压影响，导致触发脉冲的不对称度较高，可达。在对精度要求高的大容量变流装置中，采用了数字触发电路，可获得很好触发脉冲对称度。KJ041的主要参数和限制（1）工作电源电压：V（2）同步输入允许最大电流值：6mA（3）输出脉宽：400us2ms（4）最大负载能力：100mA由KJ041外部接线组成的三相桥式整流电路触发原理图如下图3.1所示 图3.1三相全控桥整流电路的集成触发电路原理图端口1和端口4，端口2和端口5，端口3和端口6分别输出两路相位互差的移向脉冲，可以方便地构成全控桥式晶闸管触发器线路。四、 双闭环直流调速系统设计 控制系统采用转速、电流双闭环结构，把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环为内环，转速环为外环，假设转速调节器和电流调节器的最大输入电压 U* im = U*nm =10v，两调节器的输出限幅电压为10V，则电流和转速的反馈系数为：另外由 得, 用工程设计的方法来设计转速电流双闭环直流调速系统，原则是先内环后外环。4.1 电流环的设计反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际反电动势与转速成正比，系统的电磁时间常数远小于机电时间常数，因此转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即.这样在按动态性能设计电流环时，可以不考虑反电动势变化的影响。也就是说可以去掉反电动势的作用这样得到电流环的近似结构框图如图4-1所示：图4-1电流环动态结构框图 参数计算: 小参数环节近似处理：根据已知数据得电磁时间常数 三相桥式电路平均失控时间Ts=0.0017s电流调节器设计：另检查电源电压的抗扰动性能：参照附表4-1-1的典型I型系统动态抗扰性能可采用PI调节器。 表4-1-1典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间tp8.3T 6.2T 4.7T3.6T相对稳定裕度76.3°69.9°65.5°59.2°51.8°截止频率c0.243/T0.367/T0.455/T 0.596/T 0.786/TACR的超前时间常数：电流环开环增益: 要求电流超调量 i % 5，应取,所以于是，ACR的比例系数为 检验： a、，所以满足 b、，所以满足 c、，所以满足 取调节器的输入电阻=40k，则电流调节器的各参数为，取28 = ，=, 取0.47根据上述参数可以达到的动态指标为：%=4.3%5% 故能满足设计要求。4.2 转速调节器的设计为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前必须有一个积分环节，它应包含在转速调节器当中。这样转速环开环传递函数共有两个积分环节，所以应该设计成典型II型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。因此转速调节器也应该采用PI调节器，其传递函数可表示为： 电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，这样用电流环等效环节代替电流环后整个转速控制系统的动态结构图如下图4-2所示： 图4-2电压环动态结构框图当h=5时，ASR退饱和超调量为： =式中，表示电动机允许的过载系数，按题意=1.5；z为负载系数，设为理想空载起动，则z=0; 为调速系统开环机械特性的额定稳态速降，=；是基准值为时的超调量相对值，而=。参照表4-2-1当h=5时，=81.2%，故起动到额定转速，即= 时，退饱和超调量为 =满足设计要求。表4-12典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系h345678910Cmax/Cb72.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%tm/T2.452.702.853.003.153.253.303.40tv/T13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85h=5时，而所以调整时间为：满足设计要求。 转速环开环增益： 电流环的等级时间常数为=2=0.0074s，(在电流环中已取因=0.5）。 取转速反馈滤波时间常数 =0.01s，那么转速环的时间常数为=0.0074s+0.01s=0.0174s 于是，ASR的比例系数： 时间常数: 电流环等效时间常数： 小时间常数近似处理： ASR超前时间常数： 检验： 1、，所以满足 2、，所以满足 4.3调速系统电气原理总图由上述各环节的传递函数，即可绘出双闭环直流调速系统的电气原理图。五、总结 本设计为V-M双闭环直流调速系统设计，通过三相变压整流装置将三相交流电压整流为直流电压。其中对主电路的结构及元件包括变压器，晶闸管以及电抗器的参数进行了计算和选取。确定了电流调节器和转速调节器的结构并按照设计参数要求对调节器的参数进行了计算和确定。 通过本次设计使我对电力拖动自动控制系统有了进一步的认识和了解，掌握了用工业设计法对双闭环调节器的设计方法。对电力电子器件在工业发展中所起的巨大作用也有了认识。另外在设计过程中遇到了一些难题，在自己查找多方资料并和同学相互讨论的情况下终于找到了解决的方法。这使我明白理论和实际是存在一定偏差的，计算结果并不能代表实际数据。总的来说这次设计让我受益匪浅，对我来说是一次很好的经历。 六 、参考文献1. 陈伯时主编。电力拖动自动控制系统（第2版）。北京：机械出版社，2000. 62. 陈伯时主编。电力拖动自动控制系统运动控制系统（第3版）北京：机械出版社，2003. 73. 黄俊主编。半导体变流技术（修订本）。北京：机械工业出版社，19864. 朱仁初、万伯任，电力拖动系统设计手册，机械工业出版社，19925. 张东力、陈丽兰、仲伟峰，直流拖动控制系统，机械工业出版社，19996. 机械工程手册、电机工程手册编辑委员会，电机工程手册第九卷自动控制系统，机械工业出版社，19827. 机械工程手册、电机工程手册、电机工程手册编辑委员会，电机工程手册，第二版，基础卷（二），机械工业出版社，19968. 阮毅、陈伯时主编。电力拖动自动控制系统运动控制系统（第4版）北京：机械出版社，2010. 1