双闭环直流调速系统课程设计

1、双闭环直流调速系统课程设计一、变流变压器容量的计算和选择在一般情况下，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，这里选项用 的变压器的一次侧绕组采用联接，二次侧绕组 采用Y联接。s为整流变压器的总容量，s为变压器一次侧的容 量，Ui为一次侧电压，Il为一次侧电流，S2为变 压器二次侧的容量，U 2为二次侧电压，I2为二次 侧的电流，叫、m2为相数，以下就是各量的推导 和计算过程。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

2、的范围内变化，为此必 须精确计算整流变压器次级电压U 2。影响U 2值的因素有：(1) U2值的大小首先要保证满足负载所需求 的最大电流值的Idmax。(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Vt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:U N 1 (DP)1 d max工Uk Id nUTd max100 Id式中1 d maxI dNad0.067591 (drp)-d maxU ABC Id3dnUT355.76Vd max100

3、Id1 2Id0.816Ki2IK i2I N 123 .3792 A2(S1m2u2I2133.25KVAc、1 ,11、S2) (m1u111 m2u212)变流变压器的计算系数整流电路单相双半波单相半控桥单相全控桥三相半波三相半控桥三相全控桥带平衡电抗器的双反星形A Udo"0.90.90.91.172.342.341.17B Ud /Ud0cos1 coscoscos1 coscoscos22C0.7070.7070.7070.8660.50.50.5Ki2 I2/Id0.707110.5780.8160.8160.289综上：选择变压器二次侧输出电压为：360VSCB10-

4、 140KVAZ 380V/ 360VS的意思表示此变压器为三相变压器，如果S换成D则表示此变压器为单C的意思表示此变压器的绕组为树脂浇注成形固体。B的意思是箔式绕组，如果是R则表示为缠绕式绕组，如果是L则表示为铝绕组，如果是Z则表示为有载调压（铜不标）。10的意示是设计序号，也叫技术序号。140KVAM表示此台变压器的额定容量（140千伏安）。380V的意思是一次额定电压，360V意思是二次额定电压。二、整流元件晶闸管的选型正确选择晶闸管能够使晶闸管装置在保证 可靠运行的前提下降低成本。选择晶闸管元件主 要是选择它的额定电压Utm和额定电流IT（AV）首先确定晶闸管额定电压Utm,晶闸管额定

5、电 压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压 Urm,考虑到电网电压的波动和操作过电压等因 素，还要放宽23倍的安全系数，则计算公式:U TM(2 3)U rm对于本设计采用的是三相桥式整流电路，晶闸管按1至6的顺序导通，在阻感负载中晶闸管 承受的最大电压：Urm 疽 2 2.45U2故计算的晶闸管额定电压为1764 V 2646 V取 2000V。再确定晶闸管额定电流It(av),额定电流有效值 大于流过元件实际电流的最大有效值。一般取按 此原则所得计算结果的1.52倍。Id maxIn 2.1 72 151.2AIvt1/3Idmax 87.295A由此可求出晶闸管的额定电流，其公式为：I

6、T(AV) (1.5 2)又 83.40 111.20A1.57可以取额定电流为100A。本设计选用晶闸管的型号为 KP100A/2000V额定电压：VDRM 2000V额定电流:IT(AV) 100A门极触发电压：VGT 3.5 V门极触发电流：IGT 300 mA三、直流侧电抗器设计直流侧电抗器的选择直流侧电抗器的主要作用为限制直流电流 脉动；轻载或空载时维持电流连续；在有环流可 逆系统中限制环流；限制直流侧短路电流上升 率。（一）限制输出电流脉动的电感量Lm （单位为mH , Udm/U2 103 U2式中Sifdm2 fd SiId-电流脉动系数，取10%输出电流的基波频率，单位为Hz

7、 ,于三相全控桥fd 300Hz。SiI dM /IdId "Ki2Udm/U2 103 Ug 3.465mH2 fdSiId 2 fdU2SiI2（二）输出电流保持连续的临界电感量L （单位为mHLl KLU2/Idmin式中，in - 为要求连续的最小负载电流平均值，单位为A,本设计中5 5%In；Kl -为计算系数，三相全控桥KL 0.693 o即Ll KLU2/Idmin 69.3mH取 70mH四、主电路保护电路设计电力半导体元件虽有许多突出的优点， 但承 受过电流和过电压的性能都比一般电气设备脆 弱的多，短时间的过电流和过电压都会使元件损 坏，从而导致变流装置的故障。因此

8、除了在选择元件的容量外，还必须有完善的保护装置(一)过电压保护设计过电压保护可分为交流侧和直流侧过电压保护，前常采用的保护措施有阻容吸收装置、 硒 堆吸收装置、金属氧化物压敏电阻。这里采用金 属氧化物压敏电阻的过电压保护。1. 交流侧过电压保护阻容吸收装置接在变压器二次侧(1) 单相电路电阻电容串联后并联在绕组两端，其参数估算可以用下列公式CKeSbU 2NUc 1.5U2PrR(U2Xe电阻R的额定功率应选择计算值Pr的2倍式中，Ke为系数，单相200V-A以下的电路Ke取 700,单相200V A以下的电路Ke取400; sb为整 流变压器容量；UN为晶闸管的额定电压；Rf为等 效负载电阻

9、；Rf为:14"； f为电源频率；U2 向M人匚工HziKL I n为变压器二次侧电压；Xe为容抗,Xe 42 fC电容器应采用纸质金属膜电容器O(2) 单相电路常见的阻容吸收装置有；两种接法,即三角形八SbC KeUN电阻值计和星形联接, 其参数Ke为系数，见下表；电容器采用应采用纸质金属膜电容器, 算同单相。不同联接时的Ke值变压器的联接电容器三角形电容器星形联型式联接Ke值接Ke值Y/Y,初级中点 不接地150450Y/A初级中占3009001 / Lx) l/J1 八'、不接地所有其他接法9002700二次侧过电压保护:Ke=270094.5ufC1c 2fCUC 1

10、0 6 16.96 A cc2 一一Pr (3 4)Ic R 8.629 11.505W电容取100uf)电阻取10 / 10WO晶闸管电压保护：C (2.5 5) 10 3ItnVc(1.1 1.5)VtnLR (1 3) ; CPr fCV2m 10 6Vtn为晶闸管的额定电压Lk为变压器的漏抗C (2.5 5) 10 31TN 0.25 0.5ufVc (1.1 1.5)Vtn 2200 3000VR (1 3)" 62.45 187.35C CPR fCV2m 10 69.7W电容取0.3uf ,电阻取100 / 10W。(二)过电流保护设计过电流保护措施有下面几种，可以根据

11、需要 选择其中一种或数种。(1)在交流进线中串接电抗器或采用漏抗 较大的变压器，这些措施可以限制短路短路电 流。(2)在交流侧设置电流检测装置，利用过电压信号去控制触发器，使脉冲快速后移或对脉冲进行封锁(3)交流侧经电流互感器接入过电流继电 器或直流侧接入过电流继电器，可以在发生过电 流时动作，断开主电路。(4)对于大容量和中等容量的设备以及经 常逆变的情况，可以用直流快速开关进行过载或 短路保护。直流开关的应根据下列条件选择： 快速开关的额定电流112d额定整流电流1 N O快速开关的额定电压UK")额定整流电压UNO快速开关的分断能力Ifd2d直流侧外部短 路时稳态短路电流平均电

12、流平均值Id20。快速开关 的动作电流Ig2d按电动机最大过载电流整定1g 2d KI N式中，K为电动机最大过载倍数，一般不大于2.7； In为直流电动机的额定电流。(5)快速熔断器它可以安装在交流侧或直流侧，在直流侧 与元件直接串联。在选择时应注意以下问题：快熔的额定电压应大于线路正常工作 电压的有效值。熔断器的额定电流应大于溶体的额定 电流。溶体的额定电流Ikn可按下式计算1.57 ITa 1 KN 1T1、一次侧过电流保护设计1.57 ITa I KN ItJ3U 线 I 线 140KVAI 线 212.7A取 I KN 220A熔断器的额定电压可选400V,额定电流选220A2、晶闸

13、管过电流保护设计1.57 ITa IKN ITIT 100A取 I KN 120A（三）压敏电阻的设计550V型压敏电U1mA 1.1UN 1.1 490 539V因此，压敏电阻额定电压取阻。五、双闭环调速系统调节器的动态设计本章主要设计转速调节器、电流调节器的结构 选择和参数设计。通过软件来实现模拟电路的功 能。先设计电流调节器，然后设计转速调节器。 在设计过程的时候要注意设计完要校验。 在设计 转速调节器的时候，校核转速调节量，如果不满 足设计要求时候，重新按照ASRM饱和的情况设 计超调量。电流调节器的设计1 .确定时间常数(1)整流装置滞后时间常数 Ts。三相桥式电路的平均失控时间Ts

14、=0.0017s(2)电流滤波时间常数Toi。三相桥式电路 的每个波头的时间是3.3ms,为了基本滤平波头，应有(12) Toi=3.3ms ,因此取Toi=2ms=0.002s。(3)电流环小时间常数之和TiO按小时间常 数近似处理，取 Ti=Ts+Toi=0.0037s。(4)电磁时间常数Ti的确定。由前述已求出 电枢回路总电感。Li KiUz/Idmin 69.3mH 一一一，一 3则电磁时间常数 Li工692 0.066SR 1.052 .选择电流调节器的结构根据设计要求i 5%,并保证稳态电流无静 差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环 控制对象是双惯性型的，因此可用PI型调节器

15、， 其传递函数为WACR (s)Ki( is 1)iS式中 Ki-电流调节器的比例系数； 电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能:口0.06617.84T i 0.0037参照典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型I 型系统设计。3 .计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数:iTi 0.03S电流开环增益：要求5% 时，取 KiTi 0.5,因此0.50.51KI135.1sTi 0.0037 s于是,ACR勺比例系数为- Ki iR 135.1 0.03 1.05K iKS56 0.0661.151式中电流反馈系数10V /10IN0.

16、0662.1 72-晶闸管专制放大系数K56O4 .校验近似条件电流环截止频率：ci Ki135.1s 1(1)晶闸管整流装置传递函数的近似条件113Ts 3 0.0017s1196.1sci满足近似条件o(2)忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件3 TmTi0.37 0.0311s 1 28.47s 1 ci ci满足近似条件o(3)电流环小时间常数近似处理条件111111s 1180.8s 1 ci3 *TsToi3 v 0.0017 0.002满足近似条件o5 .计算调节器电阻和电容 由图6.1 ,按所用运算放大器取R0 40K ,各电阻 和电容值为Ri KiR0 1.151 40K4

17、6.04K , 取 46KCi 0.03 30.65 10 6F 0.65uF , 取 0.65uFRi46 103?Coi着 舞 0.17 106F0.17u取 0.2uF按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为i 4.3% 5%,满足设计要求。Ui 224-，一 丁一Rq工 &22工_._f1I 01含滤波环节的PI型转速调节器的设计1.确定时间常数(1)电流环等效时间常数1/Kio由前述已知,KiTi0.5)则12Ti 2 0.0037s 0.0074s Ki(2)转速滤波时间常数 八 根据所用测速发电 机纹波情况)取Ton=0.01S.(3)转速环小时间常数Tn。按小时

18、间常数近似 处理，取.1T TnTon 0.0074s 0.01s 0.0174sKi2.选择转速调节器结构 按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数式为Wasr(S)Kn( nS 1)3.计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5,则ASR的超前时间常数为n=hTn=5 0.0174s=0.087s则转速环开环增益h 1622Kn 2-2 22 s396.4s2h2T n22 52 0.01742可得ASR勺比例系数为Knh 1 CeTm6 0.066 0.305 0.3736 512h RTn 2 5 0.0067 1.05 0.0174Un In RaC enN490 7

19、2 0.46 0.305V min/ r1500转速反馈系数。1010V/nN0.0067V min/r15004.检验近似条件转速截止频率为Kncn11KN n 396.4 0.087s1 34.5s(1)电流环传递函数简化条件为1 KI1135.1 13 T i 3 0.0037s63.7scn满足简化条件(2)转速环小时间常数近似处理条件为1 KI3 Ton1 135.1s1 38.7S1 cn3 1 0.01满足近似条件O5.计算调节器电阻和电容根据图6.2所示）取R0 40k）则RnKnR0 36.51 40 1460.4K,取 1500KCn 0.087 30.058 10 6F

20、0.058uF ,取 0.06uFRn1500 103,Con4Ton4 0.011 10 6F1uF）取 1uFRo40 103图5.2含滤波环节6.校核转速超调量 当h=5时，典型 型系统阶跃输入跟随性能376%,不能满足设计要求。实际上,由于附表6.3是按线性系统计算的，而突加阶跃 给定时，ASF和，不符合线性系统的前提，应 该按ASRM饱和的情况重新计算超调量。计算超 调量。设理想空载起动时，负载系数Z 0,已知 In 72A,2.1)nNT n 0.0174s o1500r/min , R 1.05 , C 当h 5时)由查得)0.305V min/ r)Tm 0.37S)Cmax/

21、C81.2%而调速系统开环机械特性的额定稳态速降C maxnbn八4Cb n*式中 电机中总电阻R R2 C max (CbnN T na R 0.461.05 1.51；调速系统开环机械特性的额定稳态速降nN-N-R 72 1.51356.5r/min Ce0.305)n*为基准值,对应为额定转速nN 1500r / min o根据式(6-24)计算得356.5 0.0174 n 2 81.2% 2.1 3.81% 10%15000.37满足设计要求。六、驱动电路的设计晶闸管的触发电路晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的 门极触发脉冲，保证晶闸管在学要的时刻由阻断 转为导通。晶闸管触发电路往

22、往包括触发时刻进 行控制相位控制电路、触发脉冲的放大和输出环 节。触发脉冲的放大和输出环节中，晶闸管触发 电路应满足下列要求：(1)触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，三相全控桥式电路应采用宽于60。或采用相隔60°的双窄脉冲。(2)触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒 冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发 电流35倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般 需达12A/ us。(3)所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门 极的电压、电流和功率定额，且在门极的伏安特 性的可靠触发区域之内。(4)应有良好的抗干扰性能、温度稳定性 及与主电路的电气隔离。在本设计中最主要的是第1、2条。理想的 触发脉冲

23、电流波形如图5.1 。12 t3t4图5.1理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1t2 -一脉冲前沿上升时间(1s)t1 t3强脉冲宽度IM 强脉冲幅值(3Igt5Igt)t1 t4 一脉冲宽度I -脉冲平顶幅值(1.5Igt2Igt)常用的晶闸管触发电路如图5.2。它由V1、V2构成的脉冲放大环节和脉冲变压器 TM及附属 电路构成的脉冲输出环节两部分组成。当 Vi、V 导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极 之间输出出发脉冲。VD和R是为了 V V2由导 通变为直截时脉冲变压器TM释放其储存的能量 而设的。为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部 123分，还需适当附加其它的电路环节。, V1AR24

24、-图5.2触发电路晶闸管触发电路类型很多，有分立式、集成 式和数字式，分立式相控同步模拟电路相对来说 电路比较复杂；数字式触发器可以在单片机上来 实现，需要通过编程来实现，本设计不采用。由 于集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功 耗低，调试方便，所以本设计采用的是集成触发 器，选择目前国内常用的 KJ、KC系例，本设计 采用KJ004集成块和KJ041集成块。对于三相全控整流或调压电路，要求顺序输出的触发脉冲依次间隔 60。本设计采用三相 同步绝对式触发方式。根据单相同步信号的上升 沿和下降沿，形成两个同步点，分别发出两个相 位互差180°的触发脉冲。然后由分属三相的此 种电路组

25、成脉冲形成单元输出6路脉冲，再经补 脉冲形成及分配单元形成补脉冲并按顺序输出6路脉冲。本设计课题是三相全三相全控桥整流电 路中有六个晶闸管，触发顺序依次为：VT1 VT2 VT3-VTKVT5-VT6,晶闸管必须严格按编号 轮流导通，6个触发脉冲相位依次相差 60°,可 以选用3个KJ004集成块和一个KJ041集成块， 即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲 放大，就可以构成三相全控桥整流电路的集成触 发电路如图5.3 o至VT6（至VT5至VT4至VT3 .1至VT2至VT1（1510脚为6路双脉冲输出）.卜不丁,（13脚为6路单脉冲输入）图5.3 三相全控桥整流电路的集成触

26、发电 路脉冲变压器的设计本方案的双脉冲电路是采用性能价格比优越 的、每个触发单元的一个周期内输出两个相隔 60°的脉冲的电路。如图5.4中两个晶闸管构成 一个“或”门。当 V5、V6都导通时，Uc5约为 -15V,使截止，没有脉冲输出，但只要中有 V5、 V6中一个截止就使得变为正电压，使得V7、V8导通就有脉冲输出。所以只要用适当的信号来控制的V5或V6截止（前后间隔60° ）,就可 以产生符合要求的双脉冲了。其中 VD4和R17 的作用，主要是防止双窄脉冲信号相互干扰。此 触发脉冲环节的接线方式为：以VT 1器件的触发 单元而言，图5.4电路中的丫端应该接VT2器 件触

27、发单元的X端，因为VT2器件的第一个脉 冲比VT1器件的第一个脉冲滞后60。所以当 VT2触发单元的V4由截止变导通时，本身输出 一个脉冲，同时使 VT1器件触发单元V6的管截 止，给VT1器件补送一个脉冲。同理，VT1器件 触发单元的X端应接VT6器件触发单元的丫端。 依次类推，可以确定六个器件相应触发单元电路 的双脉冲环节间的相互接线。+15V vs2SRiD-1RP2一 R3V1II1cTsVD1VD2Rr+GQ 田QR4-C2V2220V36VVD11VD14C7R11I JR12Rl5+ C6RvVD15C5R13QJvd7 bC3 HFVD4R1孤50VD6V7R17R80 icv

28、dio0zrzvd5TPVDRl6+15V VD8R18V8ust一一 upo O 6 O接封锁信,XY -15VTF uco-15V图5.4同步型号为锯齿波的触发电路图5.4中脉冲变压器TP主要用于完成触发 脉冲信号的电流放大，解决触发电路与晶闸管控 制极电路之间的阻抗匹配，并实现弱电回路(触 发回路)和强电回路(晶闸管主电路)之间的电 隔离。如图可以得出TP脉冲变压器的一次侧电压 U 强触发电压50V弱触发电压15V。取变压器的变 比K=5,脉冲宽度0 6。，脉冲变压器的磁铁材料 选择DR320。查阅资料可得铁心材料的饱和磁密BsBrU 20U 201.45B/T ,饱和磁场强度Hs 19

29、00Am2,剩磁磁密0.02 B T设计计算步骤为：U 20U 20(1)确定变压器的二次侧的强电压Ua 50 10VK 5确定变压器的二次侧的强电压5 5 ivK 5(2)确定空载励磁电流i0I0 (0.2 0.3) I2； K (0.2 0.3)06 5 0.024A 0.036A式中，I2为一般取晶闸管最大触发电流的两倍I2 2IGT 2 300 10 3 0.6A o(3)计算脉冲磁导率，选定铁心材料。(& B)Hs (1.45 0.02),1900 7.5式中，B的单位为T,仃 A/m,由此得出的单位为4)确定铁心体积V无 偏 移U1 I050 0.0033 0.3V 1 0

30、 2 0.0242(Bs Br)(1.45 0.02)式中，为脉冲电压宽度， 关系为410 H . m1Wb/m2 1A?H/m2,H 的单位H/m o与电角度间的换算0.01 o 0.0100 60180°18000.0033器件要求变压器SCB10- 140KV/Y 380V/ 360V晶闸管KP100A/2000V电抗器70mH一次侧电流保 护（熔断器）额定电压400V,额定电流 220A二次侧电压保 护（阻容）电容取100uf ,电阻取10 / 10W晶闸管电压保 护（阻容）电容取0.3uf ,电阻取100 / 10W晶闸管过电流Ikn 120A（熔断器）压敏电阻额定电压550V电流调节器Ki 1.151ACRt匕例系数电流调节器RiR 46.04K电流调节器CiCi 0.65uF电流调节器CoiCoi0.