双闭环直流电机调速控制

湖南工程学院课程设计课程名称运动控制系统课程设计课题名称双闭环直流电机控制系统专业自动化班级0981学号200913110107姓名冯靓指导教师唐勇奇、刘星平2012年11月14日湖南工程学院课程设计任务书课程名称：运动控制系统课程设计题目：双闭环直流电机控制系统设计专业班级：自动化0981学生姓名：冯靓学号：07指导老师：唐勇奇、刘星平审批：唐勇奇任务书下达日期2012年11月03日设计完成日期2012年11月14日设计内容与设计要求1．设计内容：1．系统总体方案确定：1.1用晶闸管整流实现直流调压，实现直流电动机的无级调速。1.2系统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主电路电力电子开关器件采用晶闸管、IGBT.4系统具有完善的保护2.主电路设计与分析2.1设计主电路；2.2计算主电路参数并选择主电路元器件选型；2.3设计主电路保护环节；3.控制电路设计与分析3.1确定控制电路总体结构，要求采用双闭环控制；.2设计速度调节器电路；.3设计电流调节器电路3.3设计触发电路4.双闭环直流调速控制系统的调试或仿真4.1在实验室对设计的单闭环直流调速控制系统进行调试；4.2设计单闭环直流调速控制系统仿真模型，确定设计系统的性能指标。2．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，给出具体设计电路；3．系统仿真时需给出仿真波形并进行分析。4．绘制总电路图5．写出设计报告；主要设计条件1．设计依据主要参数1）输入输出电压：三相交流，380V;2）主电路最大输出电压、电流根据电机参数予以确定；3）要求电机能实现单向无级调速4）电机型号电机型号1：Z2-22额定参数2.2KW220V12.35A3000r/min电机型号2：Z2-71额定参数30KW225V158.5A3000r/min2.可提供实验设备或上机仿真说明书格式1．课程设计封面；2．任务书；3．说明书目录；4．系统方案确定；5．主电路设计6．控制电路设计（各单元电路图）；7．系统实验、电路改进、仿真等。8．总结与体会；9．附录（完整的总电路图）；10．参考文献；11、课程设计成绩评分表进度安排第一周星期一: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:主电路设计星期四:主电路元件选型星期五:控制电路设计；第二周星期一:控制电路设计星期二~三:：系统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1．王兆安，电力电子技术（第5版）．机械工业出版社，2008.2．刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，2009.3.浣喜明，姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，2008.4．刘祖润，胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995.5.林飞，杜欣．电力电子应用技术的MATLAB仿真．中国电力出版社，2009.6．钟炎平．电力电子电路设计．华中科技大学出版社，2010.7．徐德鸿．现代电力电子器件原理与应用技术．机械工业出版社，2011.8．洪乃刚．电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真．机械工业出版社，2006.第1章系统总体方案确定1.1用晶闸管整流实现直流调压，实现直流电动机的无级调速。本设计采用的转速电流反馈控制直流调速系统各个模块如图1-1所示。系统可分为三个部分：主电路和控制电路以及保护电路和反馈环节。主电路主要包括整流变压器和电力电子变换装置，起到将交流变换成直流，从而为直流电动机提供电源电压的作用。控制电路主要包括电流调节器和转速调节器以及触发器，其中电流调节器与电流反馈环构成电流环，起到稳定电流的作用；转速调节器和转速反馈环构成转速环，使转速稳态无静差；触发器则用于为整流晶闸管组提供触发脉冲。保护电路主要为晶闸管保护电路，包括由整流变压器交流侧的快速熔断器组构成的保护电路，以及与晶闸管并联的阻容电路构成的保护电路。保护电路的设置使得晶闸管免受过电压以及过电流的影响，从而使系统工作可靠。反馈环节包括电流反馈环节和转速反馈环节。前者由电流互感器进行电流检测，再进行整流滤波得到电流反馈信号，后者则使用测速发电机来得到实际转速信号。此外，还有其它部分的电路。包括减小电流脉动的平波电抗器，以及减小直流电压脉动的滤波电容。++-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd++-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE图1-1转速电流反馈控制直流调速系统组成框图第2章主电路设计2.1主电路结构图2-1晶闸管三相全控整流电路在图2-1中，SB1为停止按扭，SB2为启动按扭。主电路的工作过程为：先合上开关QS1，接通三相电源，经整流变压器变压后，一路经整流二极管VD1~VD6组成的三相不可控桥式整流电路转换成直流电，作为直流电机的励磁电源。当励磁电流达到最小允许值后，过电流继电器吸合，此时按下启动按扭SB2，接触器KM得电吸合，其主触头闭合，从整流变压器输出的三相电压经热继电器后加到由晶闸管VT1~VT6组成的三相全控整流电路上，在触发电路的控制下得到可调的电压，从而调节电机的转速。2.2参数设计和元件选型2.2.1.整流变压器参数计算与选型在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致。此外，为了尽量减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求它们相互隔离，故通常要配用整流变压器。本设计采用变压器的接线型式为一次侧绕组采用△联接，二次侧绕组采用Y联接。为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式（△/Y）和负载要求的额定电压（UN=220V）确定之后，晶闸管交流侧的电压U2只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器次级电压U2。影响U2值的因素有：（1）首先要保证满足负载所需求的最大电流值的Idmax。（2）晶闸管并非是理想的可控开关元件，故导通时有一定的管压降VT。（3）变压器漏抗的存在会产生换相压降。（4）平波电抗器有一定的直流电阻，当电流流经该电阻时就要产生一定的电压降。（5）电枢电阻的压降。综合以上因素得到的U2精确表达式为：式中，A=Ud0/U2表示当控制角α=0°时，整流电压平均值与变压器次级相电压有效值之比；B=Udα/Ud0表示当控制角为α与0°时，整流电压平均值之比；C是与整流电路形式有关的系数；Uk%是变压器的短路电压百分比，100kVA以下的变压器取Uk%=5，100kVA~1000kVA的变压器取Uk%=5~10；ε为电网电压波动系数，通常取0.9~1.05，供电质量较差，电压波动较大的情况应取较小值；ra=INRΣ/UN表示电动机电枢电路总电阻RΣ的标幺值，对于小容量容量的电动机，通常取ra=0.04~0.08；UT表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降；Idmax/IdN表示电动机允许过载倍数，即λ。考虑到本设计为了保证电动机负载能在额定转速下运转，并且所取U2留有一定裕量，根据经验，公式中的控制角α应取30°为宜。电动机电枢电路总电阻标幺值ra=INRΣ/UN=12.35×1.2/220=0.067。其它部分参数可查附表1-1取值如下：ε=0.9，A=2.34，B=cosα=cos30°=0.866，C=0.5，Uk%=5。则U2==132V。可取U2=135V。根据主电路接线方式，得KI2=I2/Id=0.816，考虑到电动机的允许过载倍数，忽略变压器初次侧间的能量损耗，则次级电流有效值应为I2=λKI2·IN=1.5×0.816×12.35=15.116A。根据变压器特性，即m1U1I1=m2U2I2。取m1=m2=3，则U1I1=U2I2，故整流变压器容量为S=（1/2）（S1+S2）=（1/2）（m1U1I1+m2U2I2）=m2U2I2=3×135×15.116=6.12kVA。综上，整流变压器容量可取为6kVA，型号可选为S9-6/0.38。2.2.2.整流晶闸管参数计算与选型已知本设计采用的是三相桥式整流电路，则在阻感负载中晶闸管承受的最大电压（考虑到2~3倍裕量）：URM=（2~3）·2.45U2=（2~3）×2.45×135=661V~993V。取为URM=800V。又已知直流电动机过载倍数为λ=1.5，则电路中允许流过的最大电流为：Idmax=λIdN=1.5×12.35=18.53A故晶闸管应能承受的电流有效值：IVT=Idmax/1.732=18/1.732=10.7A取11A故晶闸管额定电流（考虑到1.5~2倍裕量）：IT（AV）=（1.5~2）·IVT/1.57=（1.5~2）×11/1.57=11A~14A。可取为IT（AV）=10A。综上，晶闸管型号可选为：KP-10。查资料可得KP-10型晶闸管主要参数：额定电压：800V；额定电流：10A；门极触发电压：≤2.5V；门极触发电流5mA~45mA。则晶闸管整流装置放大系数为KS=220/2.5=88。2.3电压、电流的保护本设计主要考虑晶闸管的保护。如图2-2所示。图2-2晶闸管保护电路图2.3.1过电流保护电路设计本设计采用快速熔断器安装于交流侧的过电流保护方案。考虑在整流变压器二次侧每一相上各安装一个快速熔断器。由前面的计算选型可知，晶闸管的最大工作电压为URM=800V。故选取快速熔断器额定电压为UFN≥URM/2=400V。又由前面的计算选型可知，流过晶闸管的电流有效值为IVT=11A，故选取快速熔断器额定电流为IFN≥IVT=11A，可选10A。综上，快速熔断器型号可选为117NH-10A/400V。2.3.2过电压保护电路设计本设计采用电阻和电容并联于晶闸管的过电压保护方案。下面进行电阻和电容的参数计算和选型。由经验公式：C=（2~4）IT×10-3（μF）R=10Ω~30ΩPR=（1/2）CUm2得：C=（2~4）IT×10-3=（2~4）×10×10-3=（20~40）nFPR=（1/2）CUm2=（1/2）×0.04×10-6×1352=3.645×10-4J由于一个周期晶闸管充放电各一次，因此：2PR=2×3.645×10-4=7.29×10-4JP（AV）=PR/T=7.29×10-4/0.02=0.03645W功率选择留5～6倍裕量：P=（5~6）P（AV）=（5~6）×0.03645=0.18W~0.22W综上，电阻R选择阻值为10Ω~30Ω,功率为0.5W的电阻。电容C选择容量为40nF的电容。第3章控制电路的设计3.1控制电路的机构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，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接如图3-1所示。TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG+图3-1转速、电流双闭环直流调速系统结构ASR—转速调节器ACR—电流调节器TG—测速发电机TA—电流互感器UPE—电力电子变换器3.2设计电流调节器电路①整流装置滞后时间常数对于三相全控桥式整流电路，可取。②电流滤波时间常数对于三相全控桥式整流电路，可取。③电流环小时间常数按小时间常数近似处理，取。④电流调节器的选择因为电流超调量，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。图3-2电流调节器其模拟电路图如图3-2所示。二极管3VD1和3VD2起运放输入限幅，保护运放的作用。二极管3VD3、4VD4和电位器3RW1、3RW2用于正负限幅，调节3RW1或3RW2就可以改变下输出幅值或负限幅值。3R1是为了避0免运算放大器长期工作产生零点漂移，其阻值较大，可取4.7M。⑤电流反馈系数⑥电流调节器参数计算电枢回路电磁时间常数：。电流调节器超前时间常数：。电流环开环增益：要求时，就取，因此于是，电流环的比类系数为⑦校验近似条件电流环截止频率：==135.1。晶闸管整流装置传递函数的近似条件：满足条件。忽略反电动势变化对电流环动态