双闭环直流调速系统课程设计报告

1、1双闭环直流调速系统课程设计报告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 相不控桥式整流电路供电电源可从主变压器二

2、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2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a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 1-1 式中A-理想情况下a 0时整流电压 Ud0与二次电压 U2之比即AUdO/U2B-延迟角为 a时输出

3、电压 Ud与UdO之比即BUd/UdO &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 1-3 由表查得 A2.34 取 & 0.9角考虑 10裕量则 Bcos a 0.985 222O11.21O61272.34O.9O.985UV 取 U212OV。 电压比 KU1/U2380/1203.2 。 1.1.2 一次、二次相电流 I1、I2 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 14A 3 220.8165544.9IdIKIA 1.1.3 变压器容量的计算

4、S1m1U1I1 1-4 S2m2U2I2 1-5S1/2S1S2 1-6 式中 m1 、m2 -一次侧与二次侧绕组的相数由表查得 m13m23 S1m1U1I13 380X1415.6KVAS2m2U2l23X110 44.914.85 KVAS1/2S1S21/215.614.8515.3KVA 考虑励磁功率 LP2201.60.352kW 取 S15.6kvA 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 TNU 乘 以 23 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 23mU 整流电路形式为三相全控桥查表 得 2

5、6UUm 则 223236236110539808TNmUUUV 3-7 取 700TNUV 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 TNl 大于实际 流过管子电流最大有效值 Tl8 即 4 TNl 1.57AVTlTl 或AVTl57.1Tl57.1TlddllKdl 1-8 考虑 1.52 倍的裕量AVTI1.52KdI 1-9 式中 KTI/1.57dI- 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 C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

6、适当选大些。 由表查得 K0.368 考虑 1.52 倍的裕量 dAVTKII25.1 1-10 1.520.3681.25536.448.4A 取 AIAVT50 。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 5 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 错误未指

7、定书签。 阻容保护C S/U226 X 10 X 5200/110225? 8F 耐压 1.5Um1.5 X10 X2233V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 R 2.3 U22/SemshlU2.3 X 1102/5200 X 1取52.2 OIC2 n fCUCX 162 nX 50 X 20-6(1100.69A PR 34IC2R34 X0.692 2.23.14.2W 选取2.2 Q 5W的金属氧化膜电阻。 压 敏电阻的计算 U1MA1.32U21.X

8、2X110202V 流通量取5KA 。选 MY31-220/5 型压敏电阻。允许偏差 10242V 。 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。U1MA1.8-2.2UDC1.82.2 送20396440V 选 MY31 -430/5 型压 敏电阻。允许偏差 10484V。3 闸管及整流二极管两端的过电压保护 6 查下表表 1-1 阻容保护的数值一般根据经验 选定 晶闸管额定电流/卩A 10 20 50 100 200 50

9、0 1000电容/ 卩 F 0.1 0.15 0.2 0.25 0.5 1 2电阻 / Q 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 C0.5?0? 8FR10Q电容耐压 1.5mU1.5 x 62U1.5 x 6X 110556V 为 0.5? 0? 8F 的 CZJD-2型金属化纸介质电容器电容量0.22? 0? 8F耐压为400V。RPfCUmX 10-650 X.5 X0-6 XX11020.8W 选 R 为 10Q 普通 金属膜电阻器 RJ-0.

10、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 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 7 JL14-11ZS 型手动复位直流过电流继电器整定电流取1.25 X 5568.75A100A 1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

11、抗器 dL 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 1L 可用下式计算单 位 mH。 min211dIUKL 3-11 式中 1K 与整流电路形式有关 的系数可由表查得 mindI 最小负载电流常取电动机额定电 流的 510 计算。 根据本电路形式查得 1K0.695 所以 1L1200.69555530.3mH 2 限制输出电流脉动的临界电感量 2L 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

12、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 2L 单位为 m 可用下式 计算 diISUKL222 3-12 式中 2K 系数与整流电路形式有关 iS 电流最大允许脉动系数通常三相电路iS 6.919.51mH 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。额定电流可查得 K0.367 IDAV1.52KLI1.52 X 0.367 377A2.082.77A 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

13、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 Iex 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 AI121 故选 DZ550 型三极自动断路器脱扣器的额 定电流为 30A 的三极自动断路器即可满足要求。 用交流接触器来控制主电路通断由于2I39A故可选故选CJ1060、线电压为 220V 的交流接触器。 在励磁回路中串联吸引线圈电 流为 2.5A 的 JL14-11ZQ 直流欠电流继器吸引电流可在 3/

14、1065/100 范围内调节释放电流在 1/102/10 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。 10 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 sTs0017.0sToi002.0 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 sKsWiiiAC

15、R1 。 11 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 查得有 iITK0.5 所以 IKiT5.011.1350037.05.0S 所以 ACR 的比例系数 siIiKRKK078.105.0406.00133.01.135 。 4 校验近似条件 电流 环截止频率 ciWIK135.11S 。 晶闸管整流装置传递函数的近 似条件 11.1960017.03131STsciW 满足条件。 忽略反电动势 变化对电流环动态影响条件 cilmWSTT118.190133.084.11313 满足条件。 电流环小时间 常数近似处理条件

16、 isTT131ciWS18.180002.00017.0131 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 FkRCiii296.0450133.0 取0.3FFkRTCoioi2.040002.0440 取 12 0.2F。故 sKsWiiiACR1ss0133.010133.0078.1 其结构图如下所示图 2-1电流调节器2.2转速调节器的设计和校验1确定时间常数有5.0iITK贝U ssTKil0074.00037.0221已知转速环滤波时间常 数onT0.01s故转速环小时间常数sTKTonln017

17、4.001.00074.01。2选择转速调节器结构 按设 计要求选用PI调节器ssKsWnnnASR1 3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shTnn0696.00174.04 13转速环开环增益122221.5160174.042521sThhKnN。ASR 的比例系数为483.900174.06.0007.04284.1115.005.0521nmenRThTChK。4检验近似条件转速环截止频率为92.350696.01.5161nNNcnKWKW。 电流环传递函数简化条 件为cniIWsTK17.630037.01.1353131满足条件。转速

18、环小时间常数近似处理条件为cnonIWsTK17.3801.01.1353131满足近似条件。5计算调节器电阻和电容取0R40k则kRKRnn32.361940483.900 取 3700k。FkRCnnn01 88.037000696.0 取 0.02F FkCon14001.04 取 1F。 故 ssssKsWnnnASR0696.010696.0483.901。其结构图如下 14 图2-2转速调节器6校核转速超调量 由h4查得106.43n 不满足设计要求应使 ASR退饱和重 计算n。设理想空载 z0h4 时查得 bCCmax77.5 所以 n2bCCmaxzmnNTTnn2090.60

19、.115277.51.50.02392.39101000 满足设计要求 . 第 3 章 触发电路选择与校验 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 GTI250mA 触发电压 VVGT3 。由已知条件可以计算出 max0.00710007nmUnV VIUdmim45.1020905.0 15 0.11510002090.67.30440edcsCnIRUVK 。 因为 VUc304.7VVGT3 所以触发变压器的匝数比为 43.23304.7GTcGVUK 取 3:1。设触发电路的触发电流为 250mA 则

20、脉冲变压器的一次侧电流只需大于 250/383.3mA 即 可。这里选用 3DG12B 作为脉冲功率放大管其极限参数 mAIVcm30045BVCEO. 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 380/3012.7。 触发器的电路图如 下图 31 所示 16 第四章 系统 MATLAB 仿真 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 17 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 System 工具箱进行调 速系统仿真的新方法。本次系统仿真采用后一种方法。 4.1 系统的建模与参数设置 转速、电流双闭环直流调速系统的 主电路模型主要由交流电源、同步脉冲触发器、晶闸管直流 桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。采用面向电气原 理