晶闸管双闭环不可逆直流调速系统设计.docx

第一章绪论2其次章主电路结构选择32.1变压器参数计算3第三章双闭环直流调速系统设计43.1电流调整器的设计73.2转速调整器的设计9第四章触发电路的选择与原理图12第五章直流调速系统MATLAB仿真14第六章总结16第七章参考文献16第一章绪论转速负反馈限制直流调速系统（简称单闭环调速系统）P/调整器的单闭环转速系统可以实现转速调整无静差，消退负载转矩扰动对稳态转速的影响，并用电流截止负反馈限制电枢电流的冲击，避开出现过电流现象。但转速单闭环系统并不能充分依据志向要求限制电流（或电磁转矩）的动态过程。对于常常正、反转运行的调速系统，缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。当到达稳态转速时，最好使电流马上降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而快速转入稳态运行。这类志向启动过程示意下图1所示。启动电流呈矩形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动（制动）过程。下面我们引入了一种双闭环系统来对限制系统进行优化。其次章主电路结构选择目前具有多种整流电路，但从有效降低脉动电流保证电流连续和电动机额定参数的状况动身本设计选用三相桥式全控整流电路，其原理如图2-1所示，习惯将其中阴极连接在一起到3个晶闸管（V7,VTvV7;）称为共阴极；阳极连接在一起的3个晶闸管（«,叮,略）称为共阳极，另外通常习惯晶闸管从1至6的依次导通，为此将晶闸管按图示的依次编号，即共阴极组中与a,b,c三相电源相接的3个晶体管分别是v,vvv,共阳极组中与a,b,C三相电源相接的3个晶闸管分别是v,V,v;。图2-1三相桥式全控整流电路原理图其工作特点为：1）每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中1个晶闸管是共阴极组的，1个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。2）6个晶闸管的触发脉冲按vv«口vv;的依次相为、位依次相差60°；共阴极组的脉冲依次差120。，共阳极组也依次差120。；同一相的上下两个桥臂即Vl与VT4,丫刀与V（,与VT2脉冲相差180。3）整流输出电压一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样。4）在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为保证电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。2.1变压器参数计算由于整流输出电压Wd的波形在一周期内脉动6次的波形相同，因此在计算时只需对一个脉冲进行计算。由此得整流输出平均电压Ud=2.34t2cosa(a60°)明显S%=440V,假如忽视晶闸管和电抗器的压降，则可以求得变压器副边输出定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温是允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。因此在运用时同样应依据实际波形的电流与通态平均电流所造成的发热效应相等，即有效值相等的原则来选取晶闸管的电流定额，并留有肯定裕量。一一般取其通态平均电流为此原则所得计算结果的1.5-2倍。可按下式计算：AF(AV)(152)KPIMAX'式中计算系数Ky7,=勺/1.575由整流电路型式而定，Kf为波形系数，勺为共阴极或共阳极电路的支路数。当a=0°时，三相全控桥电路=0.368故计算的晶闸管额定电流为IT(AV)=(1.5-2)7=(1.5-2)×0.368×(220×1.5)=182.16-242.88A,取200Ao第三章双闭环直流调速系统设计双闭环直流调速系统限制原理图如图3,1所示速度调整器依据转速给定电压U：和速度反馈电压U”的偏差进行调整，其输出是电流的给定电压U；(对于直流电动机来说，限制电枢电流就是限制电磁转矩，相应的可以调速)。电流调整器依据电流给定电压，和电流反馈电压S的偏差进行调整，其输出是功率变换器件(三相整流装置)的的限制信号U1通过上电压进而调整镇流装置的输出，即电机的电枢电压，由于转速不能突变，电枢电压变更后，电枢电流跟着发生变更，相应的电磁转矩也跟着变更，由TF=吟,只要7；与乙不相等那么转速n会相应的变更。整个过程到电枢电流产生的转矩与负载转矩达到平衡，n不变后，达到稳定。O图3.1双闭环直流调速系统电路原理图在双闭环直流调速系统中，转速和电流调整器的结构选择与参数设计须从动态校正的须要来解决。假如采纳单闭环中的伯德图设计串联校正装置的方法设计双闭环调速系统这样每次都须要先求出该闭环的原始系统开环对数频率特性，在依据性能指标确定校正后系统的预期特性，经过反复调试才能确定调整器的特性，从而选定其结构并计算参数但是这样计算会比较麻烦。所以本设计采纳工程设计方法：先确定调整器的结构，以确保系统稳定，同时满意所需的稳定精度。再选择调整器的参数，以满意动态性能指标的要求。这样做，就把稳，准，快和抗干扰之间相互交叉的冲突问题分成两步来解决，第一步先解决主要冲突，即动态稳定性和稳定精度，然后再进一步满意其他动态性能指标。依据“先内环后外环”的一般系统设计原则，从内环起先，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调整器，然后把整个电流环看作是转速调整系统中的一个环节，再设计转速调整器如图3.2所示为双闭环直流调速系统动态结构框图。电流内环图3.2双闭环直流调速系统动态结构框图在双闭环调速系统在稳态工作中，当转速和电流两个调整器都不饱和时，各变量之间有下列关系：在稳态工作点上，转速n是由给定电压Un*确定的，ASR的输出量Ui*是有负载电流IdL确定的，而限制电压UC的大小则同时取决于n和Id。这些关系反映了PI调整器不同于P调整器的特点。P调整器的输出量总是正比于其输入量，而PI调整器则不然，其输出量在动态过程中确定于输入量的积分，达到稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的须要确定的。后面须要Pl调整器供应多么大的输出值，它就能供应多少，直到饱和为止。双闭环调速系统的稳态参数计算和无静差系统的稳态计算相像，依据各调整器的给定与反馈值计算有关的反馈系数转速反馈系数=D皿U*电流反馈系数A=广dm本设计中电流调整器输出负限幅值为OV,正限幅值为10V；转速调整器输出负限幅值为10V,正限幅值为0V。依据已知参数可求得转速反馈系数为：U*IOVa=j=0.0055Vminr%ax1800rmin电流反馈系数尸为:64一 NId 220 × 1.5 A= 0.03VA另外由C"UNTNRa依据电机参数得C=440-220x0.()88=。？337VminrnNe18003.1电流调整器的设计在图3.2画线结构框图中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际反电动势与转速成正比，系统的电磁时间常数远小于机电时间常数，因此转速的变更往往比电流变更慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变更较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即EnO.这样在按动态性能设计电流环时，可以不考虑反电动势变更的影响。也就是说可以去掉反电动势的作用这样得到电流环的近似结构框图如图3.3所示电流环动态结构图可简化为：图3.3电流环动态结构框图1)确定时间常数依据已知数据得电磁时间常数T/4也T=OW'R0.42三相桥式晶闸管整流电路的平均后时间(=()()()17s,取电流反馈滤波时间常数7；,=0.0025,可得电流环的小时间常数为Tli=Ts+Toi=0.0017s+0.002s=0.0037s2)选择电流调整器结构依据设计要求电流超调量3iV5%并且保证稳态电流无静差，可以按典型I型系统设计电流调整器。电流环限制对象是双惯性型的，因此电流调整器选用Pl调整器，其传递函数为Wacr(三)=Kiis另检查电源电压的抗扰动性能：&=卫-=10.8参照附表3-1的典型I型系TZi0.0037统动态抗扰性能可采纳PI调整器。表3-1典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量30%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间trOo6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间tpOo8.3T6.2T4.7T3.6T相对稳定裕度Y76.3°69.9°65.5°59.2°51.8°截止频率c0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T3)计算电流调整器参数电流调整器超前时间常数：=Tl=OMs为满意-%5%要求，应取K7,=0.5,因此电流环开环增益K,为2 (2×0.0037)ST = 135.14 5-1于是电流调整器的比例系数Kj为qR_135.1x0.04x0.427已Ks48×0.045一4)校验近似条件电流环截至频率以=K=135.14b,晶闸管装置传递函数近似条件为d,故该近似条件满意。1 _ 137 3×0.0017ST=I 96.1 S->%.忽视反电动势影响的近似条件为43jl0Z),现(TfJl)=3×l(0.1×0.04)r,=47.4ST<Wa故该近似条件满意。电流环小时间常数近似处理条件为?,grF),现-(TxTt,)=-1/(0.0017×0.002)ST=180.8ST>%故该近似条件满意。5)取调整器的输入电阻凡=40k。，则电流调整器的各参数为Ri=K.¾=1.134×40k=45.36k,取45AQ生=0J4xl03取3F,R45*IO3取 0.47AF = G2F,c_4_4x0.002XIO。°i"Ro40×103依据上述参数可以达到的动态指标为i%=4.3%5%故能满意设计要求。3.2转速调整器的设计电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，这样用电流环等效环节代替电流环后整个转速限制系统的动态结构图如下图3.4所示：图3.4流环动态结构框图1)确定时间常数电流环的等级时间常数为L=2G=0.0074s,(在电流环中已取因K",=0.5).取转Ki速反馈滤波时间常数=0.01s,那么转速环的时间常数为Tii=2Tli+Tn=0.0074s+0.01s=0.0174s2)选择转速调整器结构为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前必需有一个积分环节，它应包含在转速调整器当中。这样转速环开环传递函数共有两个积分环节，所以应当设计成典型II型系统，这样的系统同时也能满意动态抗扰性能好的要求。因此转速调整器也应当采纳Pl调整器，其传递函数可表示为Wsr(三)=加3)选择转速调整器参数按跟随性能和抗扰性能较好的原则选择h=5,求出转速超调量3“和过渡过程时间4。假如能够满意设计要求，则可依据所选的h值计算有关参数；否则要变更h值重新进行计算，直到满意设计要求为止。当h=5时，ASR退饱和超调量为(max.Am/;*Cmax.、Tn5=()=2()(l-Z):TCbHCbYlTm式中，4表示电动机允许的过载系数，按题意4=1.5；Z为负载系数，设为志向空载起动，则Z=0;11N为调速系统开环机械特性的额定稳态速降，即N=塔；(也4%)CeCb是基准值为时的超调量相对值，而加2/2(4-z)取乌。参照表2当h=5时，(%以)=81.2%,故起动到额定转速，即*=时，Cb退饱和超调量为= 81.2%×2×1.5×220x0.120.0174×0.2337/18000.1=2.66%满意设计要求。表2典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系h345678910CmaxCb72.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%tm/T2.452.702.853.003.153.253.303.40tv/T13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85空载起动到额定转速的过渡过程中，由于在大部分时间内ASR饱和而不起调整作用，使过渡过程时间4延长，4可表示为其中L为恒流升速时间，是退饱和超调过渡过程时间。t2CeTmn0.2337×0.1×1800CC(Idni-Lu)R1.5×220×0.42退饱和超调过渡过程时间等于动态速升的回复时间。当h=5时r0=8.8Tii=0.153s。但复原时间是按误差为5%M计算的。这里DrTy.h.=2AI=206.4rmin,故5%n.=10.3rmi11o这就是说，转速进入10.3rminCeTtnb的复原时间为0153s°但这里的复原时间应按转速进入5%乙”来计算，由于5%”,“=90r/min远大于10.3rmin,明显所需时间将远小于0.153s,故可忽视不计，于是f,f2=03s°可见，能满意设计要求。这样，就可依据h=5选择转速调整器的参数。ASR的时间常数为n=h.,=5×0.0174s=0.087s转速环开环增益为KN彳=s-=396.4S2h2Tn50×0.01742ZJtASR比例系数为h+X)CT6×0.045×0.2337×0.1口)K11=15.72haRTyn2×5×0.0055×0.42×0.0174Ul如去调整器输入电阻¾=20k,则Rl=Ktl=15.7×20k=314k,取30OkoF =0.277 F ,取 0.2 Fc,rzt0.087XlO6R3(X)×103F=2F ,4Toll_4×0.01×IO6Rl,20×1034)校验近似条件转速环截止频率为殴=KNr=396.4×0.087J-1=34.5,电流闭环传递函数简化条件为豌,的一匚，现5%15x0.0037lv1=54.1 sx>cn故满意该简化条件。小时间常数近似处理条件为2“*Q4T3现IJl-“)=I1/(2×0.0037×0.01)=38.75ST>cn故满意该简化条件第四章触发电路的选择与原理图三相整流电路中必需对两组中应导通的一对晶闸管同时给触发脉冲为此可以采纳两种方法：一种是使每个触发脉冲宽度大于60。，称宽脉冲触发；另一种是在触发某一号晶闸管的同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，相当于用两个窄脉冲等效代替一个宽脉冲，称为双脉冲触发。随着工业自动化，集成化的不断把发展；现在市场中已有多种型号的六脉冲触发集成电路广泛应用于各种限制中，从本设计的简洁和稳定性动身，本设计干脆采纳KJ系列的三相全控桥式整流电路的集成触发器KJ041作为三相整流电路的触发电路。KJ041的内部是由12个二极管构成的6个或门，其作用是将6路单脉冲输入转换为6路双脉冲输出。以上触发电路均为模拟量，这样使集成片内部结构、牢靠，但是却是其简洁受电网电压影响，导致触发脉冲的不对称度较高，可达3°40在对精度要求高的大容量变流装置中，采纳了数字触发电路，可获得很好触发脉冲对称度。KJ041的主要参数和限制(1)工作电源电压：±15V(2)同步输入允许最大电流值：6mA(3)输出脉宽：400us2ms(4)最大负载实力：IoOmA由KJ041外部接线组成的三相桥式整流电路触发原理图如下图4.1所示图4.1三相全控桥整流电路的集成触发电路原理图该集成片的主要设计特点为:(1)端口1和端口4,端口2和端口5,端口3和端口6分别输出两路相位互差180°的移向脉冲，可以便利地构成全控桥式晶闸管触发器线路。（2）输出负载的实力大，移相性能好，脉冲输出稳定，正、负半周脉冲相位均衡性好。（3）移相范围宽，对同步电压要求不高，并且具有脉冲列调制输出端等功能。触发电路输出脉冲波形如下图4.2触发电路输出脉冲波形图第五章直流调速系统MATLAB仿真利用matIab仿真工具组成转速,电流双闭环调速系统仿真图如图5.1所示，转速和电流闭环通过一个滞后环限制接入脉冲发生器的输入端，来实现对他励直流电动机的转速限制，使转速最终趋于稳定值。同时通过转速输出显示器可以很直观清楚的视察仿真结果。通过仿真得到电机转速状况如图5.2所示。Fitter2图5.3双闭环直流调速系统电枢电流仿真结果第六章总结本设计为V-M双闭环直流调速系统设计，通过三相变压整流装置将三相沟通电压整流为直流电压。其中对主电路的结构及元件包括变压器，晶闸管以及电抗器的参数进行了计算和选取。确定了电流调整器和转速调整器的结构并依据设计参数要求对调整器的参数进行了计算和确定。并在确定全部参数的基础上对系统进行了Matlab仿真。通过本次设计使我对电力拖动自动限制系统有了进一步的相识和了解，驾驭了用工业设计法对双闭环调整器的设计方法。对电力电子器件在工业发展中所起的巨大作用也有了相识。另外在设计过程中遇到了一些难题，在自己查找多方资料并和同学相互探讨的状况下最终找到了解决的方法。这使我明白理论和实际是存在肯定偏差的，计算结果并不能代表实际数据。总的来说这次设计让我受益匪浅，对我来说是一次很好的经验。第七章参考文献1陈伯时电力拖动自动限制系统一一运动限制系统，第三版，机械工业出版社，20032杨威张金栋主编电力电子技术，重庆高校出版社，20023王兆安，黄俊电力电子技术，第四版,机械工业出版社，20084黄俊王兆安电力电子变流技术第三版,机械工业出版社，20055莫正康电力电子应用技术，第三版，机械工业出版社，20006张东力陈丽兰仲伟峰直流拖动限制系统机械工业出版社，19997朱仁初万伯任电力拖动限制系统设计手册机械工业出版社，19948张广溢郭前岗电机学重庆高校出版社，20029机械工程手册、电机工程手册编辑委员会，电机工程手册第九卷自动限制系统,机械工业出版社，198210机械工程手册、电机工程手册编辑委员会，电机工程手册,其次版,基础卷（二）,机械工业出版社，1996附录1V-M双闭环直流调速系统电气原理图HjQfaCfTrg2Sd5GHJQTBC