晶闸管双闭环直流调速系统设计.

1电力拖动自动控制系统课程设计报告班级：自动1102姓名：张晨学号：111401217指导老师：谢勇2扬州大学信息工程学院自动化专业部2014年12月29日至2015年1月4日3目录一课程设计目的和意义（）二技术指标和设计要求（）2.1.技术数据2.2.设计要求三系统方案选择（）四电路的设计（）4.1.主电路设计（）4.2.触发电路设计（）4.3.调节器参数设计（）4.4.保护电路设计（）五系统电路图及电路工作原理（）六系统仿真模型（）6.1.双闭环直流调速系统仿真电路图（）6.2.断开速度环后系统的仿真波形（）七心得体会（）八参考书目（）4一课程设计目的和意义1.熟悉自动控制系统设计的一般原则、设计内容以及设计程序的要求，掌握工程设计的方法。2.掌握自动控制系统的计算机仿真技术3．学会收集、分析、运用自动控制系统设计的有关资料和数据4．通过对系统的设计、仿真调试,培养独立工作能力、分析问题解决问题的能力。5.培养编制技术总结报告的能力。二技术指标和设计要求2.1.技术数据直流电动机额定参数为：Unom=220V,Inom=100A,Nnom=1470r/min,Ra=0.26Ω，GD2=16N.m2,λ=1.5，励磁电压Uf=220V，励磁电流If=1.5A。给定电压最大值为10V。晶闸管整流装置：Ks=30。系统主电路0.6R。2.2.技术要求1．该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥10），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s≤0.03）3．动态性能指标：空载起动到额定转速时转速超调量δn＜10%，电流超调量δi＜5%，动态速降Δn≤8-10%4．系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续55．调速系统中设置有过电压、过电流等保护6.分析当速度环断开后系统工作情况2.3.设计内容1．根据题目的技术要求，确定调速系统方案，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（包括有变压器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等）3．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调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求4．分析当速度环断开后系统工作情况5．对设计的系统进行计算机仿真6.整理设计数据资料，撰写课程设计报告。三系统方案选择在直流电机调速中主要有单闭环、双闭环的两种方案，单闭环结构简单，它采用转速负反馈和PI调节器可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。根据带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程，起动电流达到最大值后，受电流负反馈的作用降6低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。理想起动过程的起动电流呈方形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。所以起动过程，采用电流负反馈，而在稳态运行时只采用转速负反馈，这就是转速、电流双闭环系统。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，这样构成的双闭环直流调速系统比单闭环系统有更好的动静态性能。由于本课题既要求系统稳态无静态，又有较高的动态性能指标，因而选用双闭环调速系统。转速、电流双闭环直流调速系统的方框图如图1所示。图1转速、电流双闭环直流调速系统TA---电流互感器ACR---电流调节器TG---测速发电机ASR---转速调节器UPE---电力电子变换器Un*---转速给定电压Un---转速反馈电压Ui*---电流给定电压Ui---电流反馈电压7四电路的设计双闭环调速系统的动态结构框图如图2所示。在双闭环系统中，按照设计多环控制系统原则（先内环后外环），应该首先设计电流调节器，然后把整个电流内环看作是转速调节器中的一个环节，再设计转速调节器。在设计的过程中需对电流环和转速环进行近似处理和结构化简，从而确定调节器的结构，以利于后续的模拟电路设计和参数计算。图2双闭环调速系统的动态结构框图4.1、主电路设计4.1.1设计思路本设计中直流电动机由单独的可调整流装置供电，三相全控桥整流电路是目前应用最广泛的整流电路，其输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广（将近50）。把该电路（如图3所示）应用于本设计，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。通过调节触发延迟角а的大小来控制输出电压Ud的大小，从而改变电动机M8的供电电压。由改变电枢电压调速系统的机械特性方程式n=(Ud/CeФ)-(RO+Ra)T/CeCTФ2（1）式中：Ud整流电压，RO整流装置内阻，由式（1）可知，改变Ud，即可改变转速n。图3三相全控桥整流电路4.1.2、整流变压器容量计算1、变压器次级电压为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后，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）U2值的大小首先要保证满足负载所需求的最大直流值Ud；（2）晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降，用UT表示；（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：9IIuurIIrruUddKTdddpdDCebAnmaxmax2100%)(1上式为变压器二次侧相电压U2的较精确表达式，在要求不太精确的情况下，变压器二次侧相电压U2可由简化式确定。AuUD)5.1~2.1(2（2）式中UD是电动机的额定电压；系数uudA20可由参考资料[1]中的表6-1查得A=2.34。计算得：U2在112.8—141之间，取U2=120V。2、次级电流I2和变压器容量I2=KI2·Id,KI2为各种接线形式时变压器次级电流有效值和负载电流平均值之比。对于本设计KI2取0.816,且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗，故I2=0.816×150=122.4A变压器变比K=U1/U2=380/120=3.2；取K=3。同样，由参[1]表6-1查得变压器二次和一次绕组的相数m2=3，m1=3所以二次容量kWIumS444.122*120*32222一次容量S1=m1*U1*I1=3*380*40.8=44KWS=（S1+S2）/2=44KW4.1.3晶闸管参数计算三相全控桥整流电路实际上是组成三相半波晶闸管整流电路中的共阴极组和共阳极组串联电路，如图3所示。三相全控桥整流电路可实现对共阴极组和共10阳极组同时进行控制，控制角都是60度。在一个周期内6个晶闸管都要被触发一次，触发顺序依次为：VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，6个触发脉冲相位依次相差60度。为了构成一个完整的电流回路，要求有两个晶闸管同时导通，其中一个在共阳极组，另外一个在共阴极组。晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压Um，考虑到电电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽2~3倍的安全系数，即按下式选取UTN=（2~3）UM，式中系数2~3的取值应视运行条件，元件质量和对可靠性的要求程度而定。对于本设计，UM=√6U2，故计算的晶闸管额定电压为UTN=（2~3）√6U2=（2~3）×294=588～882V,取1000V为使晶闸管元件不因过热而损坏，需要按电流的有效值来计算其电流额定值。即必须使元件的额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。可按下式计算：IT（AV）=(1.5~2)KfbIMAX，式中计算系数Kfb=Kf/1.57Kb由整流电路型式而定，Kf为波形系数，Kb为共阴极或共阳极电路的支路数。当α=00时，三相全控桥电路Kfb=0.368，故计算的晶闸管额定电流为IT（AV）=(1.5~2)KfbIMAX=(1.5~2)×0.368×(100×1.5)=82.8～110.4A，取100A.4.1.4电抗器电感量计算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得的所需电感量中，扣除上述两种电感量。使输出电流连续的临界电感量的计算公式：211mindULKI（3）式中u2为晶闸管装置交流侧的电流相电压有效值，Idmin为要求连续的最小负11载电流平均值，Kl为与整流主电流形式有关的系数，查参考资料[1]中的表6-6中的序号2。11200.69316.65%100LmH（4）但在电机回路中包括电机电感和变压器每相的漏感，实际外加电感比(4)式要求的小。电机电感公式如下：3102DDDdULKPnI（5）式中UD和ID为电动机的额定电压和额定电流，n和p为电动机的额定转速和磁极对数，KD为计算系数，对于一般无补偿电机KD=8212，LD-为单位为mH很明显Nnom=1470r/min时，p=232208102.99221470100DLmH（6）折合到变压器二次每相的漏感LB计算公式%100kzBBdUULKI（7）式u2--------晶闸管装置交流侧的电流相电压有效值Id-------晶闸管装置直流侧的额定负载电流uk%------变压器的短路比，按参[1]中的ξ6-1计算KB-------与整流主电路形式有关的系数，查参[1]表6-6中的序号3LB-------单位为mH51203.90.234100100BLmH（8）12与负载串联的限制电流脉动的实际临界电感量(2)lalDBLLLL（9）最后算得使输出电流连续的临界电感量：L=15.8mH4.2、触发电路设计由于集成触发电路不仅成本低、体积小，而且还有调式容易、使用方便等优点，故本设计采用KJ041集成触发电路。KJ041为6路双脉冲形成器，它是三相全空桥式电路的触发器，它具有双脉冲形成和电子开关封锁等功能。KJ041实用电路如图4所示，移相触发器输出脉冲加到该器件的1~6端，器件内的输入二极管完成“或”功能，形成补脉冲，该脉冲经放大后分6路输出。当控制端7接逻辑“0”电平时，器件内的电子开关断开，各路输出触发脉冲。采用KJ041集成触发电路的同步电压应滞后于主电路电压180度。本设计主电路整流变压器采用D，y-11联结，同步变压器采用D，y5-11联结。这时，同步电压选取的结果见表一。13usa1234567111091413128161512345671110914131281615KJ004KJ004-15V+15V12345671110914131281615KJ004RP6RP3(1~6脚为6路单脉冲输入)12345671110914131281615KJ041(15~10脚为6路双脉冲输出)至VT1usbuscupucoR19R13R20R14R21R15R9R3R6R18R8R2R5R17R7R1R4R16R10R11R12C7C4C1C8C5C2C9C6C3RP4RP1RP5RP2至VT2至VT3至VT4至VT5至VT6图4触发电路表一各晶闸管的同步电压晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压+Ua-Uc+Ub-Ua+Uc-Ub同步电压-Usa+Usc-Usb+Usa-Usc+Usb4.3.