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 变压器二次侧电压 U的计算 2U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 2延迟角α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：U d2~1 U.1

（1-1）

2 BA

式中A--

理想情况下，α

=0°时整流电压

U与二次电压

U之比，即

A=U/；B-- 延迟角为α时输出电压U与U之比，即 B=U/U；d0dd0dε——电网波动系数；1——考虑各种因数的安全系数；～ 1.21 根据设计要求，采用公式： U d(1-3)2.~U112BA=0.985B=cosαα角考虑10°裕量，则由表查得A=2.34；取ε=0.9；220V~127U1061~1.2=120V。，取U20.9850.92.34=380/120=3.2。电压比K=U/U21I的计算一次、2二次相电流I、1.1.221=0.816K由表查得K=0.816,I2I1考虑变压器励磁电流得：IK550.81614A取,dI1A141.05I13.2KA44.955KI0.816Id2I2变压器容量的计算1.1.3）（1-4UI；S=m1-5）I；（S=mU22221-6）；1111（S=1/2(S+S)21一次侧与二次侧绕组的相数；--m、m式中21=3mm=3，由表查得2114=15.6KVA××380US=mI=3111144.9=14.85KVA110×=3=mUI×S2222=15.3KVA15.6+14.85）S=1/2(S+S)=1/2（21P，取=220×1.6=0.352kW考虑励磁功率S=15.6kvAL晶闸管元件的选择1.2晶闸管的额定电压1.2.1U）倍的安全裕量，参照标准电压～3晶闸管实际承受的最大峰值电压，乘以（2TNUUU）3等级，即可确定晶闸管的额定电压，即=（2～mTNTNU6U，则整流电路形式为三相全控桥，查表得2m261105392~2~33U~2~38086UUV

（3-7）

2TNmU 700V取TN

晶闸管的额定电流I

大于实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

TN[8]I，即际流过管子电流最大有效值

TIIIIIIII

T

（1-8=1.57=>

） 或

>=K

dT

)T(AVTTNd)T(AVd2）倍的裕量～考虑（1.5II

（1-9）K）=（1.5～2d)AVT(II）电流计算系数。（1.57式中K=/Td此外，还需注意以下几点：①当周围环境温度超过+40℃时，应降低元件的额定电流值。②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。③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KI~2.15I（1-10）dAVT0.36848.4A~1.25536.4~1.52I50A。故选晶闸管的型号为KP50-7晶闸管元件。(可用取3CT107替换)。AVT1.3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。 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。3交流侧过电压保护1）阻容保护①=6×10×5200/110=25μFC≥S/U2222=233V=1.5耐压≥1.5U×110m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250V。的容量，这里选CZJD-2型金属化纸介电容器，电容量20uF，耐压U=5取，shU5sh22/S2.3U，取2.2ΩR/5200=2.3×110≥×=2.2Ω210Iem-6-6110=0.69A10×50π××20×I=2πfCU×10=2CC224.2W）×2.2=3.1～4)P≥(3～4)IR=(3～×（0.69CRΩ，5W的金属氧化膜电阻。选取2.2②压敏电阻的计算22××UU=1.3=1.3110=202V21MA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di/dt加大。因此，一般阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。U=（1.8-2.2）U=(1.8～2.2)×220=396～440VDC1MA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：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/Aμ1020501002005001000电容/μF0.10.150.20.250.512Ω电阻/1008040201052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。可选加在晶闸管两端工作电压峰值倍。 m4

电容耐压

U的

1.1～1.15，由上表得C=0.5μF，R=10Ω66UU110=566V××=1.5电容耐压≥1.5×=1.52m400V。型金属化纸介质电容器,电容量0.22μF，耐压为CZJD-2选C为0.5μF的2-6-623P=0.8W××(×10=50×0.5×10110)=fCUmRRJ-0.5。为R10Ω普通金属膜电阻器，选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（I55dI=31.75A=接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管的有效值=T33。选取RLS-35快速熔断器，熔体额定电流35A）过电流继电器的选择（2型手动复位100A的JL14-11ZS因为负载电流为55A，所以可选用吸引线圈电流为100A55=68.75A≈直流过电流继电器，整定电流取1.25×1.3.3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L，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，因此电心电抗器d抗器参数计算主要是电感量的计算。L可用下式计算，单位mH。1）算出电流连续的临界电感量1U2KL（3-11）11IdminK－与整流电路形式有关的系数，可由表查得；式中1I－最小负载电流，常取电动机额定电流的5％～10％计算。mindK=0.695根据本电路形式查得11200.695L=30.3mH所以=1555%L2）限制输出电流脉动的临界电感量2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5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L（单位为mＨ）可用下式计算电感量UKL（3-12）SIKS22di22流最大允许脉动系数，通常三相－系数，与整流电路形式有关，式中2iS≤（5～10）％。电路iK=1.045,根据本电路形式查得2U12021.045KL=22.8mH=所以22di电动机电感量和变压器漏电感量TD（单位为10%55SILLLmH电动机电感量）可按下式计算DU3D10LK（3-13）dD2pnIDUI、n－直流电动机电压、电流和转速，常用额定值代入；式中、DDK－计算系数。一般无补偿电动机取8～p－电动机的磁极对数；12，快速无补偿电DKUI=55A、=220V、设计中取=8、～有取6～8，补偿电动机取56。本动机DDDn=1000r/min、p=1U22033D81010LK==16mHdD211000552pnID（单位为mH）L可按下式计算变压器漏电感量UUKL（3-14）T2shTT100IDK式中－计算系数，查表可得TU5%－变压器的短路比，一般取～10%。shKU=0.05、本设计中取 =3.2Tsh6L=3.2×0.05×120/（100×55）=3.5mH 所以T4）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：(L2L) Lmax4L,L.56mH （3-15）Td112D5) 电枢回路总电感 :LL2L=4.56+6.91+2×6.9=19.51mHTDd11.4 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=(1.5～2)×0.367×I=(1.5~2)K3.77A=2.08～2.77AD(AV)L可选用ZP型3A、800V的二极管。RP为与电动机配套的磁场变阻器，用来调节励磁电流。L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I磁电流I=1.2A，可选用吸引线圈电流为2.5A的JL14-11ZQ直流欠电流ex继电器。1.5继电器-接触器控制电路设计I12A，故选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DZ51－50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。I=39A,故可选故选CJ10用交流接触器来控制主电路通断，由于－60、线电压为220V2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3/10～65/100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。7主电路图电路图 1-2双闭环的动态设计和校验章第2电流调节器的设计和校验2.1）确定时间常数s.002s0017T0T0.，已知，所以电流环小时间常数TTT1ois=0.0017+0.002=0.0037S 。oiis 选择电流调节器的结构 2） %5，并保证稳态电流无静差，可按典型系统设计电流调节器因为电流超调量 i 1K ii Ws型电流调节器。 PI电流环控制对象是双惯性型的，故可用ACRsi电流调节器参数计算：）3%TT5，电流调节器超前时间常数=0.0133s=，又因为设计要求电流超调量ili50.50.1S1.KTK系==以，有查135得=0.5所例数比ACR所，以的iII0037.0Ti8RK601330.135.10.iI0781.K=。i050.40Ks校验近似条件）41SKW。电流环截止频率=135.1=Ici晶闸管整流装置传递函数的近似条件：111W196.1S，满足条件。>ci0017.3T30s忽略反电动势变化对电流环动态影响条件：111W19.318S3，满足条件。ci01330.T1.84Tlm电流环小时间常数近似处理条件：11111W180.8S，满足条件。ciTT3002.030.0017is计算调节器的电阻和电容）5RRRKkkk，取=1.078取运算放大器的45=4040=43.12，，有0i0iT4002.4001330.oiiF2.00.C296CFFF，。取0.3，取0.2，oii40Rk45kR0i1K1s0.01330781.iisW故，其结构图如下所示：=ACRs0.0133si2-1 图电流调节器转速调节器的设计和校验 2.29确定时间常数： 1）1,5KT0.s0074.0037s0.02T2，有已知转速环滤波时间常数则K，故转速环小时间常数=0.01s。K：2）选择转iiIInononI速调节器结构1KsnnWsPI调节器按设计要求，选用ASRsn3）计算转速调节器参数：：间常数为超则，取h=4,则ASR的前时和按跟随抗干扰性能较好原s0.0696hT40.0174，nn51h1s1516.K。转速环开环增益N22220174.02hT24nTh1C84..050115150.me3890.K4ASR的比例系数为：。n0174.0.604202hRT.007n检验近似条件4）KN92069635.K516.10W.转速环截止频率为。ncnNW1K11.11351IW7s63.电流环传递函数简化条件为，满足条件。3T30.0037K11351.11I7sW38.，满足近似条转cni01.303T速环小时间常数近似处理条件为：cnon件。5）计算调节器电阻和电容：RRKR90.483403619.32kkk。取=403700，则，取0nn00.0696nF.0C0188F0.02，取n3700kRn1040.01FC1F40k1Ks1.069690.483s0Ws故。。，取1onnn其结构图如下：ASRs0696.s0n转速调节器图2-2校核转速超调量：6）%106%43.，查得由h=4退饱和重，不满足设计要求，应使ASRnCCmaxzmax）=2（）（查得。设理想空载z=0，h=4时，=77.5%，所以计算nnCCbb0.6209Tn0.11510%0.023977.5%1.52.39%2nN.=，满足设计要求Tn1000m触发电路选择与校验3章第触发电路的选择与校验3.1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。V3VI。由已知条件触发电压＜250mA,从产品目录中查得晶闸管的触发电流为GTGT可以计算出*V70.007U1000n，maxnm*V4510.050.209UI，dmimRInC0.620910000.115deV7.304U。c40Ks11U7.304c 2.K43V.304VV3U7，，因为所以触发变压器的匝数比为，GGTcV3GT取3:1。设触发电路的触发电流为250mA，则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BV45V,I300mA.cmCEO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3—1所示：12仿真系统MATLAB 第四章MATLABMATLAB ，使用本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件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，工具箱对其进行计算机仿真研究。另外一种是面向控制系的 MATLABSimulink 使用工具箱进行调速系统仿真的新方法。本次系统 PowerSystem统电气原理结构图，使