双闭环直流调速系统设计1

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,应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.为防止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,应选用转速负反应调速系统.采用电流截止负反应进行限 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

2、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前方可闭合,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；为防止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,增加了装置的本钱.一般可按下式计算,即：U2 =1 1.21-1 A；B式中A-理想情况下, a=0°时整流电压 Ud0与二次电压 U之比,

3、即 A=U0/u2； B-延迟角为 a时输出电压 Ud与Ud0之比,即 B=Ud/Ud0；S电网波动系数；11.2 考虑各种因数的平安系数;根据设计要求,采用公式:U2 =11.2Ud(1-3)由表查得 A=2.34 ;取£ =0.9 ; &角考虑10°裕量,那么B=cos = =0.985220234090.985=106 127 V,取 U2=120V.电压比 K=Ui/U 2=380/120=3.2.1.1.2 一次、二次相电流Ii、I2的计算由表查得 Kii =0.816,K12 =0.816考虑变压器励磁电流得:11 =1.05Ki30.816553.2=

4、14 A ,取 14AI2 = K121d = 0.81655 = 44.9 A1.1.3 变压器容量的计算S1=mUI 1;(1-4 )S2=m>U2l2；(1-5)S=1/2(S1+S2)；(1-6)式中m、m2 - 一次侧与二次侧绕组的相数；由表查得 m=3, m?=3SmUI 1=3X 380 X 14=15.6KVAS2=m2UI 2=3X 110 X 44.9=14.85 KVAS=1/2(S i+S2)=1/2 ( 15.6+14.85 ) =15.3KVA考虑励磁功率PL =220 X 1.6=0.352kW ,取 S=15.6kvA1.2 晶闸管元件的选择Utn ,乘以

5、23倍的平安裕量,参照标准电压Utn ,即 Utn = (23)Um1.2.1 晶闸管的额定电压晶闸管实际承受的最大峰值电压等级,即可确定晶闸管的额定电压整流电路形式为三相全控桥,查表得UTN =(23Um =(23)疽2 =(23?褥m110 = 539808V (3-7 )取 UTN =700V1.2.2 晶闸管的额定电流选择晶闸管额定电流的原那么是必须使管子允许通过的额定电流有效值ITN大于实际流过管子电流最大有效值1T 8,即1 TN =1.57 1T( AV ) > 1 T 或 1 T (AV) > = =K 1 d( 1-8 )1.57 1.57 Id考虑(1.52)倍

6、的裕量It(av)= (1.5 2) KId(1-9 )式中K="/ (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 +40C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,电流裕量可适中选大些.由表查得 K=0.368 ,考虑1.52倍的裕量It(av)=(1.5 2 KI d(1-10 )=1.5 - 20.3681.2 55= 36.4 - 48A取1T(AV)=50A.应选晶闸管的型号为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

7、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、过电流保护举措.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C> S/U22=6X 10 X 5200/110 2=25 口耐压1.5U m =1.5 X 110 X 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 =5,2

8、2/SUsh2上=2.3 X 110 /5200 XIem=2.2 ,取 2.2 QI c=2 兀 fCUoX 10-6=2 兀 X 50 X 20 X 10-6 X 110=0.69APr> (3 4)I c2R=(3 4) X ( 0.69 ) 2X 2.2=3.1 4.2W选取2.2 Q , 5W的金属氧化膜电阻.压敏电阻的计算Uima=1.3 贬 5=1.3 X 22 X 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

9、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.Uima= ( 1.8-2.2) Udc=(1.8 2.2) X 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/A1020501002005001000电容/科F0.10.150.20.250.512电阻/ Q1008040201052抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻

10、容保护电路方法.电容耐压由上表得 C=0.5F, R=10Q ,电容耐压1.5 Um=1.5 x V6 U2=1.5 x J6 x 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 pF,耐压为400V.PR=fCUm2X 106=50 X 0.5 X 10-6 X 曲 X 110 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举措.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J

11、_d= 55,3 、. 3=31.75A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由于负载电流为 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 X 55=68.75A = 100A1.3.3 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mHU2,、L1 = K1 (3-11 )1 d m in式中 Ki 与

12、整流电路形式有关的系数,可由表查得；Idmin 最小负载电流,常取电动机额定电流的5%10%计算.根据本电路形式查得K 1=0.695,120所以L1 = 0.695 =30.3mH55 5%2)限制输出电流脉动的临界电感量L2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 mH可用下式计算1-2 = KU2Sild(3-12

13、)式中K2系数,与整流电路形式有关,5 -电流最大允许脉动系数,通常三相电路 Sj w ( 510) %.根据本电路形式查得K 2=1.045,所以 L2 = K2" =1.045 120=22.8mHSL10% 553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 d3Ld = Kd父10 3-13 2pnl d式中 Ud、Id、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；Kd计算系数.一般无补偿电动机取812,快速无补偿电动机取68,有补偿电动机取56.本设计中取Kd=8、Ud=220V、l d =55A、 n=100

14、0r/min 、p=1U32203LD = Kd - 10 =8 10 =16mH2pnID2 1 1000 55变压器漏电感量Lt 单位为 mH可按下式计算Lt(3-14 )UshU2100Id式中Kt 计算系数,查表可得Ush变压器的短路比,一般取5%10%.本设计中取Kt =3.2、U sh =0.05所以 Lt =3.2 X 0.05 X 120/ ( 100 X 55) =3.5mH4)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

15、+6.91+2 X 6.9=19.51mH1.4 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K=0.367 ,I d(av)=(1.52)K I L=(1.5 2) X 0.367 X 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RP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-接触器限制电路设计DZ5为使电路工作更可靠,总电路由自动开关

16、引入,由于变压器一次侧I1=12A,应选-50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.220V用交流接触器来限制主电路通断,由于 I 2 =39A,故可选应选 CJ1060、线电压为的交流接触器.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 3/1065/100 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.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Ts=0.0017

17、s, Toi = 0.002s,所以电流环小时间常数Ty =Ts +Toi =0.0017+0.002=0.0037S.2 选择电流调节器的结构由于电流超调量5<5%,并保证稳态电流无静差,可按典型系统设计电流调节器K 1电流环限制对象是双惯性型的,故可用 PI型电流调节器 WACR s =2- O ACRis3电流调节器参数计算：电流调节器超前时间常数Ti=Tl =0.0133s,又由于设计要求电流超调量仃i<5%,0.50.5查得有K1T丁=0.5 ,所以K1= 135.1S ,所以 ACR的比例系数一Tq 0.0037Ki =K| R i 135.1 0.0133 0.6Ks

18、40 0.05定 1.078.4) 校验近似条件电流环截止频率Wci = KI =135.1 S,.晶闸管整流装置传递函数的近似条件：3Ts - 3 0.0017= 196.1SWci ,满足条件.忽略反电动势变化对电流环动态影响条件:3HL1.84 0.013319.18SWci,满足条件.电流环小时间常数近似处理条件:Ts T 3 0.0017 父 0.002= 180.8SWci,满足条件.5) 计算调节器的电阻和电容取运算放大器的R0 =40 kQ ,有 Ri = Ki R0 =1.078 x 40=43.12 kC ,取Ri0 013300133 为 0.296 件,取 0.3 叶,

19、Coi45kJoi4ToiR04 0.00240k1.1=0.2F故 WACR s =Ki i 11.0780.0133s 1=is0.0133s其结构图如下所示:Ri Ci卜图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KI Tv =0.5,那么 一=2T =2父0.0037s = 0.0074s,转速环滤波时间常数 -KI -_ _1_ T0n =0.01s ,故转速环小时间常数T =+T0n =0.0074 +0.01 = 0.0174s.一 Ki2) 选择转速调节器结构：Kn ns 1按设计要求,选用PI调节器 Wasr(s)=n s3) 计算转速调节器参数：按

20、跟随和抗干扰性能较好原那么,取h=4,那么 ASR的超前时间常数为却=hT 更=4M0.0174 =0.0696s,转速环开环增益K N 2-2 =22= 516.1s.2h Tq 2 40.0174ASR的比例系数为:h 1 C Tm2h： RT5 0.05 0.115 1.842 4 0.007 0.6 0.0174= 90.483.4) 检验近似条件转速环截止频率为Wcn =KN = KN =516.1x0.0696 = 35.92.Wi电流环传递函数简化条件为1 色 :1/口351 = 63.7s,Wn ,满足条件.3Tq3 0.0037转速环小时间常数近似处理条件为：1 必 =1 M

21、35 = 38.7s,Wcn,满足近似条3Ton3 0.01件.5) 计算调节器电阻和电容：取 R0=40kC,那么 Rn =Kn R0 =90.483M40 =3619.32kC ,取 3700 kQ 0CnRn0.06963700 k1 1=0.0188年,取 0.02 'on4 0.01 40kAe=1 叶,取 1 NF.故 WAsr s =Kn nS 190.483 0.0696s 1 十届用心?=.其结构图如下:0.0696s- n s图2-2 转速调节器6) 校核转速超调量：计算仃n.设理想空载z=0 , h=4时,查得Cmax =77.5% ,所以 0 n =2 ( &q

22、uot;Cmax )(九z)CbCb由h=4,查得0n =43.6% >10% ,不满足设计要求,应使ASR退饱和重209 0.6nNnT曳二2m 77.5% 父1.5M 0.115 = 0.0239= 2.39% <10%,满足设计要求Tm1000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Igt v 250mA,触发电压Vgt<3V.由条件可以计算出_ _ * _ _ _ _ _ _ _ _ _U nm =anmax= 0.007 M 1000 = 7V ,Uim =?1dm

23、=0.05 209 = 10.45V ,Cen IdR0.115 1000 209 0.6Ks40=7.304V .由于Uc = 7.304V , Vgt <3V ,所以触发变压器的匝数比为Kg =幺 =7垩*2.43 ,Vgt3取3:1.设触发电路的触发电流为250mA,那么脉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, 1cm = 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

24、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列图31所示：LJ UU U1-I第四章 系统MATLAB©真本次系统仿真采用目前比拟流行的限制系统仿真软件MATLAB ,使用 MATLAB对限制系统进行计算机仿真的主要方法有两种,一是以限制系统的传递函数为根底,使用MATLAB 的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究.另外一种是面向限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同步脉冲触发器、转速、电流双闭环直流调速