双闭环直流调速系统设计

1、 直流调速系统设计 第一章 主电路设计与参数计算 调速系统方案的选择： 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。 电动机额定电压为 220V ，为保证供电质量，应采用三相减压变压器将电源电压降 低。为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰。主变压器采用 A/D 联结。 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。 为使线路简单，工作可靠，装置体积小，宜采用 KJ004 组成的六脉冲集成触发电 路。 该系统采用减压调速方案，故励磁应保持恒定，励磁绕组采用三相不控桥

2、式整流 电路供电，电源可从主变压器二次侧引入。为保证先加励磁后加电枢电压，主接触器 主触点应在励磁绕组通电后方可闭合，同时设有弱磁保护环节 电动机的额定电压为 220V ，为保证供电质量，应采用三相减压变压器将电源电压 降低；为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采 用 D/Y 联结。 1.1 整流变压器的设计 1.1.1 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： ) B- U2 1 1.2 Ud(1-1 2 A

3、 B 式中 A- 理想情况下， =0 时整流电压 Ud0与二次电压 U2之比，即 A=Ud0/ U2； 延迟角为 时输出电压 Ud与 Ud0 之比，即 B=Ud/U d0 ； 电网波动系数； 1 1.2 考虑各种因数的安全系数； 根据设计要求，采用公式： Ud U2 11.2 d (1-3) AB 由表查得 A=2.34 ；取 =0.9 ；角考虑 10裕量，则 B=cos =0.985 220 U 2 1 1.2 106 127 V ，取 U2=120V 。 2 2.34 0.9 0.985 电压比 K=U 1/U 2=380/120=3.2 。 1.1.2 一次、二次相电流I1、 I2的计算

4、 由表查得 K I1 =0.816, KI2 =0.816 考虑变压器励磁电流得： I 1 1.05 K I1I d 0.816 55 3.2 14 A , 取 14A I2KI 2Id 0.816 55 44.9A 1.1.3 变压器容量的计算 S1=m1U1I 1；( 1-4 ) S2=m2U2I 2；( 1-5 ) S=1/2(S1+S2)；(1-6 ) 式中 m1、 m2 - 一次侧与二次侧绕组的相数； 由表查得 m1=3， m2=3 S1=m1U1I 1=3380 14=15.6KVA S2=m2U2I 2 =3 110 44.9=14.85 KVA S=1/2(S 1+S2)=1/

5、2 ( 15.6+14.85 ) =15.3KVA 考虑励磁功率 PL =220 1.6=0.352kW ，取 S=15.6kvA 1.2 晶闸管元件的选择 1.2.1 晶闸管的额定电压 晶闸管实际承受的最大峰值电压 UTN ，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 U TN ，即 UTN =( 2 3) U m 整流电路形式为三相全控桥，查表得 Um6U2 ，则 UTN 23 Um23 6U2 23 6 110 539 808V （3-7） 取 UTN 700V 1.2.2 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 I

6、TN 大于实 际流过管子电流最大有效值 IT8 ，即 I TN =1.57 I T（AV） IT 或 IT （AV） = =KI d（ 1-8 ） TN T（AV） T T（AV） 1.57 1.57 I dd 考虑（ 1.5 2）倍的裕量 IT（AV）=（1.5 2）KI d（1-9 ） 式中 K= IT / （ 1.57 Id）- 电流计算系数。 此外，还需注意以下几点： 当周围环境温度超过+40 时，应降低元件的额定电流值。 当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。 关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。 由表查得 K=0.368 ，考虑 1.5 2 倍的裕量 1-10

7、 ） IT AV 1.52 KId 1.5 2 0.368 1.2 55 36.4 48.A4 取 IT AV50A 。故选晶闸管的型号为 KP50-7 晶闸管元件。 （ 可用 3CT107 替换 ） 。 1.3 直流调速系统的保护 晶闸管有换相方便，无噪音的优点。设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额 定电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。正确的保 护是晶闸管装置能否可靠地正常运行的关键。 1.3.1 过电压保护 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/U22=6 10 5

8、200/110 2=25 F 耐压 1.5U m =1.5 110 2 =233V 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 U sh=5 ， R 2.3 U 22/S UIesmh =2.3 1102/5200 em =2.2 ，取 2.2 -6 -6 I C=2fCUC10-6=2502010-6 110=0.69A 22 PR （3 4）I C2R=（34） （ 0.69 ） 2 2.2=3.1 4.2W 选取 2.2 ， 5W的金属氧化膜电阻。 压敏电阻的计

9、算 U1MA=1.3 2 U2=1.3 2 110=202V 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 di /dt 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 ） UDC=（1.8 2.2） 220=396 440V 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 查下表： 可选

10、加在晶闸管两端工作电压峰值 U m 的 1.1 1.15 倍。 表 1-1 阻容保护的数值一般根据经验选定 晶闸管额定电流/ A 10 20 50 100 200 500 1000 电容 / F 0.1 0.15 0.2 0.25 0.5 1 2 电阻 / 100 80 40 20 10 5 2 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 由上表得 C=0.5F， R=10 ， 电容耐压 1.5 U m =1.5 6 U 2 =1.5 6 110=566V 选 C 为 0.5 F 的 CZJD-2 型金属化纸介质电容器, 电容量 0.22 F，耐压为 400V 。

11、PR =fCUm2 10-6 =50 0.5 10-6（ 3110） 2=0.8W 选 R 为 10 普通金属膜电阻器，RJ-0.5 。 1.3.2 过电流保护 快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，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 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1.25 55=68

12、.75A 100A 1.3.3 平波电抗器的计算 为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁 心电抗器 Ld ，称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知的，因此电 抗器参数计算主要是电感量的计算。 1）算出电流连续的临界电感量L1 可用下式计算，单位mH。 3-11 ) 式中 K1 与整流电路形式有关的系数，可由表查得； d min 最小负载电流，常取电动机额定电流的 5 10 计算。 2）限制输出电流脉动的临界电感量 L2 根据本电路形式查得K 1 =0.695 55 5% 所以L1 = 0.695120 =30.3mH 由于晶闸管整流装置的输出电压是

13、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，应在直流侧串入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界 电感量 L2 （单位为 m）可用下式计算 L2 K U2 SiId 3-12 ) 式中 K 2 系数，与整流电路形式有关， Si 电流最大允许脉动系数，通常三相 电路 Si ( 5 10 )。 根据本电路形式查得 K 2 =1.045, 所以 L2 K2 U 2 = 1.045120 =22.8mH 22 SiI d10% 5

14、5 3 ） 电动机电感量 LD 和变压器漏电感量LT 电动机电感量 LD （单位为 mH）可按下式计算 U D 3 LD Kd D103（3-13 ） 2pnID 式中 U D 、 I D 、 n直流电动机电压、电流和转速，常用额定值代入； p电动机的磁极对数；K D 计算系数。一般无补偿电动机取8 12 ，快速无补偿电 动机取 68，有补偿电动机取 56。本设计中取 K D =8、 U D =220V 、 I D =55A、 n=1000r/min 、 p=1 U 220 LD KdD103=8103 =16mH D d 2pnI D2 1 1000 55 变压器漏电感量 LT （单位为 m

15、H）可按下式计算 LTKT UshU2 100ID 3-14 ) 式中KT 计算系数，查表可得 5% 10%。 U sh 变压器的短路比，一般取 本设计中取 K T =3.2 、 U sh =0.05所以 LT =3.2 0.05 120/ (10055) =3.5mH 4)实际串入平波电抗器的电感量 考虑输出电流连续时的实际电感量： Ld1 max L2,L1 (LD 2LT) 4.56mH(3-15 ) 5) 电枢回路总电感 : L Ld1 LD 2LT =4.56+6.91+2 6.9=19.51mH 1.4 励磁电路元件的选择 整流二极管耐压与主电路晶闸管相同，故取800V。额定电流可

16、查得K=0.367 ， I D(AV) =(1.52)K I L =(1.5 2) 0.367 3.77A=2.08 2.77A 可选用 ZP 型 3A、 800V 的二极管。 RPL 为与电动机配套的磁场变阻器，用来调节励磁电流。 为实现弱磁保护， 在磁场回路中串入了欠电流继电器 KA ，动作电流通过 RPI 调整。 根据额定励磁电流 I ex =1.2A ，可选用吸引线圈电流为 2.5A 的 JL14-11ZQ 直流欠电流 继电器。 1.5 继电器 - 接触器控制电路设计 为使电路工作更可靠，总电路由自动开关引入，由于变压器一次侧 50 型三极自动断路器，脱扣器的额定电流为 用交流接触器来

17、控制主电路通断，由于 的交流接触器。 在励磁回路中， 串联吸引线圈电流为 I1 12A，故选 30A 的三极自动断路器即可满足要求。 I 2 =39A , 故可选故选 CJ10 60 、线电压为 2.5A 的 JL14-11ZQ 直流欠电流继器， 吸引电 DZ5 220V 流可在 3/10 65/100 范围内调节，释放电流在 1/10 2/10 范围内调节。 选用 AL18-22Y 型按扭，启动按扭用绿色，并带有工作指示灯，停止按扭色。选用 XDX2型红色指示灯。 图 1-2 主电路图电路 第 2 章 双闭环的动态设计和校验 2.1 电流调节器的设计和校验 1)确定时间常数 已知 Ts 0.

18、0017s ， Toi 0.002s，所以电流环小时间常数 T i Ts Toi =0.0017+0.002=0.0037S 。 2 ) 选择电流调节器的结构 因为电流超调量 i 5% ，并保证稳态电流无静差，可按典型系统设计电流调节器 K1 电流环控制对象是双惯性型的，故可用 PI 型电流调节器 WACR s K i i 1 。 ACRi s 3 ) 电流调节器参数计算： 电流调节器超前时间常数Ti =Tl =0.0133s ，又因为设计要求电流超调量 i 5%， 0.5 0.5 1 查得有 KI T i =0.5 ，所以 KI= = 135.1S 1 ，所以 ACR的比例系数 I i I

19、T i 0.0037 Ki KI R i =135.1 0.0133 0.6 1.078。 iK s40 0.05 1 3Ts 4 ) 校验近似条件 电流环截止频率 Wci = K I =135.1 S 1。 晶闸管整流装置传递函数的近似条件： 3 0.0017 196.1S 1Wci，满足条件。 忽略反电动势变化对电流环动态影响条件： 3 1 3 1 19.18S 1 Wci ，满足条件。 Tm Tl1.84 0.0133 ci 电流环小时间常数近似处理条件： 11 3 Ts Ti 11 11 3 0.0017 0.002 1 180.8S 1 Wci， 满足条件。 5 ) 计算调节器的电阻

20、和电容 取运算放大器的 R0=40 k ，有 Ri Ki R0 =1.078 40=43.12 k ，取 45 k ， Ci Ri 0.0133 04.051k33 0.296 F ，取0.3 F，Coi 4Toi R0 4 0.002 40k 0.2 F ，取 0.2 F 。 故WACR s is Ki i 1 =1.078 0.0133s 1 ，其结构图如下所示： 0.0133s 图 2-1 电流调节器 2.2 转速调节器的设计和校验 1 ) 确定时间常数： 1 有 K I T i 0.5,则2T i 2 0.0037s 0.0074s，已知转速环滤波时间常数 KI Ton =0.01s

21、，故转速环小时间常数 T n 1 Ton 0.0074 0.01 0.0174 s 。 n K Ion 2 ) 选择转速调节器结构 按设计要求，选用 PI 调节器 WASR s Kn ns 1 ns 3 ) 计算转速调节器参数： 按 跟 随 和 抗 干 扰 性 能 较 好 原 则 ， 取 h=4, 则 ASR 的 超 前 时 间 常 数 为 n hT n 4 0.0174 0.0696s ， 转速环开环增益 KN h1 1 2 2 2 2 516 . 1s 。 2h2T 2n2 42 0.01742 ASR的比例系数为： Kn h 1 Ce Tm 5 0.05 0.115 1.84 4) 检验

22、近似条件 2h RT n 2 4 0.007 0.6 0.0174 90.4 8 3。 转速环截止频率为 Wcn K N K N n 516.1 0.0696 35.92。 W1 电流环传递函数简化条件为 135.1 3 T i 3 0.0037 63.7s 1 Wcn，满足条件。 转速环小时间常数近似处理条件为： 件。 5 ) 计算调节器电阻和电容： 1 K I 1 135.1 3 Ton 3 0.01 38.7s 1 Wcn ，满足近似条 取 R0=40 k ，则 Rn K n R0 90.483 40 3619.32k ，取 3700 k 。 Rn 0.0696 3700k 0.0188

23、 F ，取 0.02 F 10 Con 4 0.01 1 F ，取 1 F 。 40k 故 WASR s Kn ns 1 90.483 0.0696s 1 。其结构图如下： ns 0.0696s 图 2-2 转速调节器 6） 校核转速超调量： 由 h=4 ，查得 43.6% 10% ，不满足设计要求，应使 ASR 退饱和重 计算 n 。设理想空载 z=0 ，h=4 时， 查得 Cmax =77.5% ，所以 n =2 C max Cb ）（ z ） Cb 209 0.6 nN n TTn=2 77.5% 1.5 0.115 0.0239 2.39% 10%，满足设计要求 1000 第3章 触发

24、电路选择与校验 11 3.1 触发电路的选择与校验 选用集成六脉冲触发器电路模块，其电路如电气原理总图所示。 从产品目录中查得晶闸管的触发电流为I GT 250mA,触发电压 VGT 3V 。由已知条件 可以计算出 U nmnmax 0.007 1000 7V ， Ui*mIdm 0.05 209 10.45V ， Cen I dR 0.115 1000 209 0.6 7.304V 。 Ks40 因为 Uc7.304V ，VGT3V ，所以触发变压器的匝数比为 KGUc7.3042.43， c GT GVGT3 取 3:1 。 设 触 发 电 路 的 触 发 电 流 为 250mA， 则 脉

25、 冲 变 压 器 的 一 次 侧 电 流 只 需 大 于 250/3=83.3mA 即 可 。 这 里 选 用 3DG12B 作 为 脉 冲 功 率 放 大 管 ， 其 极 限 参 数 BVCEO 45V,I cm 300mA . 触发电路需要三个互差 120 ，且与主电路三个电压U、 V、 W同相的同步电压，故要 设计一个三相同步变压器。这里用三个单相变压器接成三相变压器组来代替，并联成 DY 型 。同 步电压二次 侧取 30V，一 次侧直 接与电 网连接 ，电压为 380V, 变压比 为 380/30=12.7 。 触发器的电路图如下图31 所示： 12 第四章 系统 MATLAB仿真 13 本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件 MATLAB ，使用 MATLAB 对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种，一是以控制系统的传递函数为基础， 使用 MATLAB 的 Simulink 工具箱对其进行计算机仿真研究。另外一种是面向控制系 统电气原理结构图，使用 Power