毕业设计（论文）-双闭环串级自动调速系统设计及MATLAB仿真.doc

摘 要在穿孔轧机中采用晶闸管串级调速，可以达到节能调速的目的，因此本课题具有实际的应用价值。根据穿孔轧机对电气传动系统的要求，本文选择了转差回馈型的串级调速方式，调速系统效率高，能较好的满足转矩过载能力和静、动态特性的要求。本系统采用了具有电流内环和速度外环的典型的双闭环自动调速系统结构、集成的触发电路和综合的过流过压保护电路。在已知的工艺过程和技术要求下，计算了整流器、逆变器及双闭环的动态参数等。调节器的设计是本系统设计的重点，电流调节器和速度调节器都选择了模拟pi调节规律，能较好的实现穿孔轧机自动调速功能，满足了要求的技术指标。本系统进行了matlab仿真，仿真结果基本满足了系统要求，如果本系统能够应用到实际的生产中，将会提高生产效益。关键词：串级调速 交流调速 双闭环 穿孔轧机 pi调节器abstractadopting thyristor cascade speed control in perforation rolling mill, can reach the purposes of energy-saving and speedadjusting, wherefore this topic take on practical application value. according to the electric driving system requirement of perforation rolling mill, slipping feedback type cascade speed control mode the is selected, speed governing system which is high efficiency, is able to better satisfy cogging force overload capacity and the require of static and dynamic characteristics.the system use double closed loop automatic speed regulation system which has current internal loop and velocity external loop, integrated flip-flop circuit and comprehensive overflowing and over-voltage protection electronic circuit. both at given process engineering and technical requirement ， calculate current rectifier, inverter and double loop-locked dynamic parameter etc. the design of the adjuster is the system designs emphases, upper selection of the regulator, having select simulation proportional-intergral controller in the current regulator and speed controller，which are able to better realize perforation roll automatic speed regulation function and satisfy required technical criteria .the system proceed matlab simulation, whose result basic satisfy systems requirement, in the event of the system in a position to application to practical on line , would improve production benefit .keyword：cascade speed control intercourse speed regulation double closed loop perforation roll simulation proportional-intergral controller. 目 录第一章 绪论11.1 本项课题的意义11.2 交流调速系统11.3 穿孔轧机自动调速系统设计的主要内容2第二章 系统方案的确定32.1 系统方案的确定32.2系统方案的说明3第三章主电路的设计53.1逆变变压器的计算53.1.1逆变变压器原副边的接线方式53.1.2逆变变压器二次电压的计算53.1.3逆变变压器容量的计算63.2 有源逆变晶闸管元件的计算与选择73.2.1晶闸管的反向重复峰值电压与串联数目的确定73.2.2晶闸管额定电流与并联支路数的确定83.3转子整流器的计算与元件选择93.4直流回路电抗器的计算103.4.1 直流回路电抗器的作用103.4.2 直流回路中电抗器电感值的计算10第四章 控制系统的设计124.1 过流和过压保护124.1.1过流和过压保护原理124.1.2 过压和过流保护装置144.2 瞬时停电保护装置164.3触发电路174.3.1 集成触发器kj004174.3.2 触发电路的定相184.3.3电路说明194.4 串联逆变器脉冲移相的确定叉相控制方式20第五章 双闭环串级调速系统的设计215.1 对象的数学模型215.1.1 电动机的传递函数215.1.2 触发逆变环节的传递函数225.1.3 主回路的传递函数235.2 电流闭环的设计235.2.1电流检测装置235.2.2电流闭环动态参数的计算245.2.3电流调节器及给定滤波器参数的确定265.3 速度闭环的设计285.3.1 速度检测装置285.3.2 速度环动态参数的计算285.3.3 速度调节器及给定滤波器参数的确定29第六章 系统仿真316.1仿真模型316.2仿真结果31结束语33谢辞34参考文献35附录36第一章 绪论1.1 本项课题的意义穿孔轧机（简称穿孔机）1是用以轧制无缝钢管的一种大型轧钢设备。无缝管品种规格齐全，油井管自给率达以上。经过年的建设、生产和科研，我国无缝管已是产品品种、规格齐全，其产品的用途覆盖了地质、石油、冶金、煤炭、化工、汽车、船舶、电站以及军工、航空航天、核能等行业，为国家经济建设和国防安全做出了巨大的贡献。无缝钢管加工的主要流程为：穿孔机是用来完成上述工艺流程中“穿孔”工序的设备。加热然后的实心圆钢坯料被穿孔机上高速旋转着的轧辊咬入后，借助于导板和顶头的作用使坯料穿孔变形。穿孔机自动调速系统主要是控制穿孔机电机的转速，使无缝钢管达到质量要求，自动调速系统可提高无缝钢管的质量和产量，降低成本，增强无缝钢管23与电焊钢管的竞争力。1.2 交流调速系统直流电机拖动和交流电机拖动在19世纪中先后诞生。在20世纪的大部分年代里，约占整个电力拖动容量的不变速拖动系统都采用交流电机，而只占20%的高控制性能可调速拖动系统则采用直流电机，这似乎已经成为一种举世公认的格局。交流调速系统的方案虽然早已有多种发明并得到世纪应用，但其性能却始终无法与直流调速系统向匹敌。直到本世纪70年代初叶，席卷世界先进工业国家的石油危机，迫使他们投入大量的人力和财力去研究高效高性能的交流调速系统，期望它来节约能源。经过十年左右的努力，到了80年代大见成效，一直被认为是天经地义的交直流拖动的分工被逐渐打破，高性能交流调速系统应用的比重逐年上升。在各部门中的用可调速交流拖动取代直流拖动的比例也逐年上升。交流调速系统4种类很多，常见的有：1）降压调速；2）电磁转差离合器调速；3）绕线转子异步电机转子串电阻调速；4）绕线异步电动机串级调速；5）变极对数调速；6）变频调速。本次课题设计所用到的调速方式是绕线异步电动机串级调速，属转差功率回馈型调速系统，转差功率的一部分消耗掉，大部分则通过交流装置回馈电网或者转化为机械能予以利用，转速越低时回收的功率越多，调速的效率比较高及具有良好的调速性能。1.3 穿孔轧机自动调速系统设计的主要内容穿孔轧机自动调速系统设计的主要内容主要包括以下几个部分的内容：1）系统方案的确定1。本系统采用了具有电流内环和速度外环的典型双闭环自动调速系统晶闸管控制双闭环调速系统。2）控制部分。本系统的控制部分由三部分组成，即触发装置5、调节装置和过流过压保护装置。选用的触发电路主要是以kj004集成触发器为核心，并对电路进行触发的六脉冲触发实用电路；调节装置包括电流调节器和速度调节器的设计；过流过压保护装置主要包括直流电压变化器、过压和过流保护环节和综合保护电路。3）主电路的设计1。主电路的计算主要包括有源逆变器的计算与元件的选择和转子整流器的计算与元件的选择。4）控制系统的仿真。自动调速系统的内容比较广泛，种类比较多，本系统的设计只选择了其中的一种，借鉴前人的优秀成果，做了比较详细的介绍。但在设计中也存在许多不足之处，如控制系统的设计中的触发电路和保护电路，在设计过程中没能详细的介绍计算元器件的过程等等。因此，在阅读的过程中，希望各位能够提出宝贵的意见，作进一步的改进。第二章 系统方案的确定2.1 系统方案的确定根据穿孔机对电气传动系统的要求，采用晶闸管串级调速是很合适的。采用串级调速后，按电动机的临界转矩值降低为原来的82.6%计算1，本电动机仍近似具有2倍（）的转矩过载能力，能够满足工艺所提出的要求。另外，为了满足静、动特性的要求，本系统采用了具有电流内环和速度外环的典型双闭环自动调节系统。图2-1所示的是本系统所采用方案的示意框图。图2-1晶闸管串级调速系统2.2系统方案的说明 若采用双闭环调速系统，则可以近似在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流（转矩）受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。本系统主要由主电路和控制电路两部分组成。其中主电路包括整流、逆变、逆变变压器和元器件的保护等；控制电路包括调节器、触发电路、保护电路等。另外，本系统采用两组逆变器串联的连接方式，这样，虽然多用一些设备及元件，但具有下列优点1： （）可采用普通电力变压器作为逆变变压器，不必再订制副边线圈电压为特殊规格的逆变变压器。根据转子开路电压和调速范围的要求，本系统之逆变变压器的副边线电压应为727伏（详见第三章的计算）。若用两组逆变桥串联的方案，则每台变压器的副边线电压只要为原来值得1/2，即363.5伏即可。因此，选用两台副边额定线电压为400伏的普通电力变压器。（） 由于每台逆变变压器的副边线电压降低了一半，因而逆变器中元件的耐压，也可相应降低一半，这样可以降低元件成本，同时便于选用。（）系统在调速范围不大的情况下运行时，可以只投入其中一组逆变器，把另一组逆变器切除，以提高系统运行的功率因数。两组逆变器可以互为备用，一组有故障时，另一组仍能单独投入正常运行。（）通过将两逆变器的不同脉冲移相方式进行组合，可以改善串级调速系统运行的功率因素，减少电网电压波形的畸变，提高运行的稳定和可靠性等。第三章主电路的设计主电路的计算与元件选择包括有源逆变器的计算、转子整流器的计算和直流电抗器的计算与元件选择。主电路原理图见附录1。3.1逆变变压器的计算对于不同的异步电动机转子额定电压和不同的调速范围，要求有不同的逆变变压器二次侧电压；同时也希望有源逆变器与电网隔离。因此，一般需要配置逆变变压器。这里，主要讨论如何确定逆变变压器的二次电压，容量和接线方式。3.1.1逆变变压器原副边的接线方式如果逆变变压器二次侧绕组接成星形1，并将其中点与电网的中点相连，则当一次侧加入正弦波电压时，将由于变压器磁化曲线的非线性，而使各相激磁电流也为非正弦，其中包含三次谐波分量，该三次谐波电流可以通过中线流回。如果变压器中点不与电网中点相连，则三次谐波没有回路，逆变变压器的激磁电流中也就没有三次谐波分量。不含三次谐波的激磁电流将产生具有平顶波形的磁通，该磁通在变压器的绕组中产生具有尖顶波形的电压，从而使电压为非正弦的。具有尖顶波形的电压之幅值可以达到正常值的50%60%，这对逆变变压器绝缘是不利的。为了避免出现这种现象，逆变变压器的一次绕组一般应接成三角形，以使激磁电流的三次谐波在三角形中以环流形式存在，从而使二次绕组的感应电势是正弦的。如果一次绕组接成星形，则根据同样的道理，二次绕组应接成三角形，或者再附加一个三角形绕组。这样，在三角形绕组中便有三次谐波电流，从而使每相绕组中的电压是正弦的。所以在穿孔轧机自动调速系统中可选择/y-11型接线方式。3.1.2逆变变压器二次电压的计算逆变变压器的二次电压，可以根据使最低转速下转子最大整流电势与逆变器最大逆变电势相等的原则来确定。设串级调速系统4最大理想空载转差率为，它对应着理想空载最低转速，则按三相桥式整流接时，转子最大整流电势为 （3-1）由于 （3-2）式中d调速范围； 最大转差率（或称最大调速深度）。将式3-2代入3-1，得 （3-3）三相桥式逆变器的最大逆变电压为 （3-4）式中最小逆变角令，则可由式3.3和式3.4求得逆变变压器二次侧最大相电势为 （3-5）若用和分别表示变压器二次侧最大线电势和电动机转子额定（开路）线电压，则式3-5也可写成如下形式 （3-6）由式3-6可知，逆变变压器二次电势除与电动机转子额定电势有关外，还与调速范围d和逆变角有关。穿孔轧机的调速范围不大，在这次的设计中要求的调速范围是d= 3 : 1,所以这类设备所用的逆变变压器的二次电压比较低。关于最小逆变角的确定，对于只运行在电动状态的串级调速系统，一般取 （3-7）因此，每一台逆变变压器的二次线电势便可由上式3-6得到： （伏）3.1.3逆变变压器容量的计算逆变变压器的容量，可有两种近似的计算方法，一种是根据已选定的电动机容量，来近似确定逆变变压器的容量；另一种是根据逆变变压器二次侧等效线电流（但对具有平方转矩的泵类设备，则应按最高转速所对应的最大电流进行计算）和二次最高线电势来确定。变压器的二次等效电流，可以根据等效直流电流来计算，即 （3-8）而逆变变压器的二次线电势为 （3-9）式中为最小逆变角。因此，逆变变压器的容量可根据下式确定 （千伏安） （3-10）根据已知条件可得：（千伏安） 根据以上计算，选用两台标准的三相电力变压器，其主要技术数据如下：型号：sj-1000千伏安；电压：6.06/0.4千伏；电流：95.3/1444安；接线方式：/y-11。均有一定的裕量。3.2 有源逆变晶闸管元件的计算与选择3.2.1晶闸管的反向重复峰值电压与串联数目的确定晶闸管反向重复峰值电压15，是指在触发极断路的情况下，可施加重复频率为50赫、持续时间不大于10毫秒的反向最大脉冲电压，其值规定为反向不重复电压的80%，一般约等于晶闸管的阻断重复峰值电压。由于可能出现操作过电压和系统中可能出现事故过电压等，所以晶闸管的反向重复峰值电压，应选为比线路正常电压的峰值高23倍，即 （3-11）式中，是线路正常时的反向峰值电压，对变压器来说，通常为。=362（伏）则 （伏）在大型晶闸管串级调速系统中，常需要几个晶闸管串联，此时，若所选晶闸管的反向重复峰值电压为，则三相桥式有源逆变器中每个桥臂上串联元件的数目，可根据下式求出 （3-12）式中 考虑网压升高而引入的系数，其值可取为1.1； 均压系数，一般取为0.9； 电压储备系数，取为23； 逆变变压器二次线电压的峰值。根据上面的给定的系数可得即可在逆变器的桥臂上串联一个晶闸管器件。3.2.2晶闸管额定电流与并联支路数的确定标定的晶闸管额定电流4，是指正弦半波（导通角为）电流的平均值，而表征元件发热的应该是电流的有效值，正弦半波电流的平均值为 （3-13）有效值 （3-14）由式3-13和3-14得 （3-15）对于三相桥式电路，是额定整流电流，与的关系如下 （3-16） 转子的额定线电流为1255安，所以安，所以选择标定的晶闸管额定电流应大于460.6安。 在大容量串级调速系统中，常需要几个晶闸管元件并联。此时，若选用每个元件的额定平均电流为，则每个桥臂上并联的支路数为 （3-17）式中 电流储备系数，其值可取为23； 三相桥式线路系数，取0.367； 均流系数，其值可取0.9； 转子回路的最大直流电流，其值应取与系统中可能出现的最大转矩相对应的电流值。因此，每个桥臂上并联的支路数为4。需要指出，由于串级调速系统中晶闸管一直工作在逆变状态，所以在选择晶闸管时应该使各主要参数比较接近，最好选关断时间较短的元件。晶闸管元件的确定如下： kp-500安/1400伏型水冷、平板式元件；每个桥臂上的元件一串四并；两个逆变桥共用48只晶闸管元件。3.3转子整流器的计算与元件选择转子整流器用的硅整流二极管，是在低频率、大电流下工作，所承受的电压与调速范围有关。在上述条件下通过计算选择硅整流二极管的方法。每个桥臂上串联的硅整流元件数，也可以根据式3-12确定为 （3-18）式中 电压储备系数，其值一般取1.52左右； 转子线电压峰值； 最大转差率（即调速深度）； 二极管反向重复峰值电压； 考虑网压升高而引入的系数，其值可取为1.1； 均压系数，一般取为0.9；即每个桥臂上串联的硅整流元件数为1个。综上所述，硅整流二极管承受的最高电压和串联元件数目与调速范围有关，且调速范围越大，元件承受的电压越高，串联的元件越多。则 (伏) 。从电流来看，标定的硅整流二极管额定电流与标定的晶闸管额定电流相等，即可根据 得到（安）所以，在确定硅整流元件的并联支路数时，仍可使用3-17式，但此时应乘以低频系数，其值约为1.21.5，即 （3-19）因此， 即硅整流元件的并联支路数为4。所以，硅整流二极管的选择如下：硅整流二极管：500安/800伏的不可控元件，每个桥臂上的元件为一串四并，转子整流桥共用24只硅整流元件。3.4直流回路电抗器的计算3.4.1 直流回路电抗器的作用在串级调速电动机的转子直流回路中，必须设置足够大的电抗器，其主要原因现归纳成以下四点：（1）电抗器必须保证串级调速系统在最小工作电流下仍能维持电流连续。如果电抗器的电抗不是足够大，那么在正常工作状态下电流就可能不连续了。此时，机械特性曲线上翘，特性变软，这对于静态和动态都是不利的。（2）电抗器应能保证串级调速系统中的逆变器不产生严重的提前短路现象。当电抗器的电感不是足够大时，逆变器将提前短路，这对串级调速系统的运行是不利的。（3）转子回路的直流电路中电流实际上带有交流成分的脉动直流，其脉动的程度与线路形式、角以及电抗器有关，该脉动成分将增加电动机的附加损耗。因此，电抗器必须将直流电流中的脉动成分限制在允许范围内。（4）电抗器还有限制短路电流上升率的作用。当串级调速系统直流回路短路或颠覆时，电流急剧增加。如果电抗器的电感足够大，则此时可以限制电流上升率，使不致过大，从而保证直流回路的快速开关在短路电流值允许范围以内时及时地断开电路。3.4.2 直流回路中电抗器电感值的计算电抗器电感值的计算，可以根据上述几个方面的要求来进行，并取其中较大的值。（毫亨） （3-20）式中 电流连续临界值，其值可根据具体情况选取，常取电动机额定电流的5%10%； 逆变变压器的二次相电势； 折算到转子侧的电动机每相漏抗； 折算到二次侧的变压器每相漏抗。（安）折算到电动机转子侧的每相漏感为：（毫亨）折算到逆变变压器二次侧的每相漏感：（毫亨） 则（毫亨） 电抗器的有关参数如下： （1）电抗器的电阻：每台电抗器都由壁厚为2.5毫米的20毫米20毫米方形通关绕成，绕组的外径d=698毫米，内径d=450毫米、匝数匝，铜管电阻率.毫米2/米。每台电抗器的电阻为（欧）三台电抗器的总电阻为(欧) （2）电抗器的总电抗为（毫亨）第四章 控制系统的设计本系统的控制部分由三部分组成，即触发装置、调节装置和过流过压保护装置。这章主要介绍触发装置和过流过压保护装置，调节装置将在后面中介绍。4.1 过流和过压保护4.1.1过流和过压保护原理晶闸管（包括整流二极管）对过电压和过电流都非常敏感，当外加反向电压超过晶闸管反向重复峰值或流过的电流超过晶闸管的额定电流一定值时，都会导致元件损坏。因此，除对元件正确计算和合理选择外，还需要配置必要的保护装置。晶闸管串级调速系统的过流事故，一般是由于颠覆、缺相运行、负载增加造成过载等原因引起的，特别是发生颠覆时，回路内将产生很大的短路电流。由于晶闸管的温升时间常数很小，比一般电器元件小的多，所以过流时其结温迅速升高；当结温超过允许值（一般最高允许结温为）时，元件迅速损坏。因此，对于串级调速系统，为了保证颠覆时不致损坏元件和设备，常采用快速熔断器6和在直流回路中加入快速开关，以进行过电流保护。转子额定线电流：=1255（安） 。考虑到起动电流比额定电流大一些，为保证正常起动查表11-3a，选取rsl-2000快速熔断器，熔体额定电流2000安。交流侧快速熔断器的选择：定子额定线电流：（安），可选择rsl-300快速熔断器，熔体额定电流300安。直流回路中快速开关的选择：kp-9型，2000安，快速开关，开关额定电流为2000安。造成过电压的因素很多，如串级调速系统中交流开关的闭合与断开、交流侧快速熔断器的熔断和晶闸管换流都将产生尖峰瞬时电压等；变压器的漏抗和初次级绕组之间分布电容组成的谐振电路，可能产生谐振电压、转子直流回路中由于快速开关切断而在平波电抗器和电机、变压器的漏抗中产生过电压以及雷击过电压等，都可能造成过电压的原因。另外，异步电动机的激磁电流通常是定子额定电流的30%70%，这说明电机中存有很大的磁场能量。因此，若在转子断开情况下断开定子回路，可能在转子回路中产生很高的冲击电压，从而损坏元件甚至设备。为了避免法身上述情况，在操作顺序上应考虑过压问题，为此，在事故或正常停车时转子回路或直流回路断开以前，应考虑向转子接入电阻，以提供一条转子闭合通路，然后再断开定子电流。对于大容量的变换器，三相阻容保护装置比较庞大，此时，可采用图4-1 所示的阻容保护电路6。其r，c的计算如下： （4-1） （4-2）式中变压器每相平均计算容量，单位为va；变压器二次侧相电压有效值，单位为v；变压器励磁电流百分值，102000kva的变压器，其值取为410；变压器的短路电压百分值，102000kva变压器，其值为510。得：所以可以取。（欧）图4-1交流侧阻容保护电路电容c的交流耐压，为正常工作时阻容两端交流电压的有效值。电阻r的功率的计算可以根据以下经验公式估算 （4-3） （4-4）所以电阻可选择400欧2瓦。除了考虑以上的情况以外，应还有过流和过压保护装置，下面将设计。4.1.2 过压和过流保护装置过流和过压保护装置主要由直流电压变换器、过压和过流保护环节和综合保护电路等环节组成的。下面分别说明各环节的工作原理。（一）直流电压变换器（yb）直流电压变换器1的原理图如图4-1所示，此变换器的功能是将电动机转子的电压整流成直流电压（输入量），并使此直流电压与转子电压成正比且两者之间是电隔离的；而后，再将此直流电压，输出到保护环节中去，以免使保护环节与主回路发生直接的电连接。图4-1 直流电压变换器（yb）原理图直流电压变换器由上、下两部分组成，下部分的电路即为一个高频方波电压发生器，其输出电压的频率约为4000赫，该方波电压信号通过变压器1b的次级绕组加到上面部分的电路上，作为调制和解调电源。上面部分的电路是由晶体管（3dk4c）组成的对称开关电路，其功能是，先将直流输入电压调制成矩形波交流电流，而后，在通过隔离变压器2b，将矩形波交流电压解调为直流输出电压。（二）过压和过流保护环节（gy、gl）过压和过流保护环节的原理图如图4-2 所示。用fc-52线性集成电路组成一个放大器，利用正反馈作用，使放大器具有继电特性；而后，用位移电位器 实现特性的移位，从而得到所需之继电特性。调整gy，使电动机运行的转差率s超过。伏时，gy动作，由+6伏变为-6伏。该-6伏电压送至下一级综合保护电路中去。图4-2 过流和过压保护环节原理图（三）综合保护电路（zh）综合保护电路的原理图如图4-3所示。此电路的输入端为二极管所组成的逻辑或门。当gy和gl动作时，-6伏电压送到综合保护电路的输入端，使晶体管由导通变为截止，晶体管与则由截止变为导通；的导通，使电流调节器lt的输出电压为零，脉冲控制角立即返回到的位置；德导通，使继电器通电并动作，从而使直流快速开关ds立即断开。图4-3 综合保护电路（zh）原理图（四）控制电路的直流电源 由于放大器输入电压和输出电压极性相反，而触发器的移向控制电压又为正电压，故给定电压就得取正电压，转速反馈电压为负，电流环反馈电压为正，可参看图中的电压的极性。为此给定电压与触发器共用一个-15v电源。用一个2.2k,1w电位器引出给顶电压。 这里选用cm17815和cm17915三端集成稳压器10作为控制电路电源，如图4-4所示：（b1、b2为整流桥）图4-4控制电路的直流电源4.2 瞬时停电保护装置在供电系统中，常将在5秒钟以内可以恢复的停电称为“瞬时停电”。据日本有关资料介绍，在瞬时停电中，持续0.10.5秒的瞬时停电占全部停电的84%，持续1秒以上的只占百分之几。瞬时停电保护装置有多种，图4-5所示为其中比较简单、使用较广的一种。图4-5是带瞬时停电保护装置的串级调速系统1，使用它可以避免出现瞬时停电所造成的三不良后果。图4-5瞬时停电保护装置对于时间较短的瞬时停电，采用上述措施是可行的；若停电时间较长，导致电机转速下降很明显时，可采用正常起动方法重新起动串级调速系统。4.3触发电路4.3.1 集成触发器kj004目前触发电路应用较多的是阻容移相触发电路、单结晶体管触发电路、正弦波同步触发电路、锯齿波同步触发电路。其在变流装置中所起的基本作用是向晶闸管提供门极电压和门极电流，使晶闸管在需要导通的时刻可以导通；根据控制要求决定晶闸管的导通时刻，对变流装置的输出功率进行控制。在本设计中选用集成六脉冲触发器实用电路。集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。如图4-6所示为kj0045电路原理图：如图4-6kj004原理图，其中点划线框内为集成电路部分。从图中可以看出，它与分立元件的锯齿波移相触发电路相似。可分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选集脉冲放大几个环节。由1个kj004构成的触发单元可输出2个相位间隔180的触发脉冲。只需用3个kj004集成块和1个kj04l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，即构成完整的三相全控桥触发电路，如图4-7所示。图4-6 kj004原理图图4-7触发电路原理 其中，kj041内部实际是由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。也有厂家生产了将图5-6全部电路集成的集成块，但目前应用还不多。4.3.2 触发电路的定相 向晶闸管整流电路供电的交流侧电源通常来自电网，电网电压的频率不是固定不变的，而是会在允许范围内有一定的波动。触发电路除了应当保证工作频率与主电路交流电源的频率一致外，还应保证每个晶闸管的触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系，这就是触发电路的定相。 为保证触发电路和主电路频率一致，利用一个同步变压器，将其一次侧接人为主电路供电的电网，由其二次侧提供同步电压信号，这样，由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管电压频率始终是一致的。接下采的问题是触发电路的定相，即选择同步电压信号的相位，以保证触发脉冲相位正确。触发电路的定相由多方面的因素确定，主要包括相控电路的主电路结构、触发电路结构等。下面以主电路为三相桥式全控整流电路、采用锯齿波同步的触发电路的情况为例，讲述触发电路的定相。 触发电路定相1的关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系。图4-8给出了主电路电压与同步电压的关系示意图。图4-8三相全控桥中同步电压与主电路电压关系示意图 对于晶闸管vt1，其阳极与交流侧电压u2相接，可简单表示为vt1所接主电路电压为+u2，vtl的触发脉冲从0至180的范围为。采用锯齿波同步的触发电路时，同步信号负半周的起点对应于锯齿波的起点，通常使锯齿波的上升段为240，上升段起始的30和终了的30线性度不好，舍去不用，使用中间的180。锯齿波的中点与同步信号的30位置对应。三相桥整流器大量用于直流电动机调速系统，且通常要求可实现再生制动，使ud=0的触发角为90。当90时为整流工作，90时为逆变工作。将90确定为锯齿波的中点，锯齿波向前向后各有90的移相范围。于是90与同步电压的300对应，也就是0与同步电压的210对应。由图5-7可知，0对应于vtl 阳极电压u2的30的位置，则其同步信号的180与的0对应，说明vtl 的同步电压应滞后于u2180。对于其它的5个晶闸管，也存在同样的关系，即同步电压应滞后于主电路电压180。对于共阴极组的vt4、vt6和vt2，它们的阴极分别与u2、v2和w2相连，可简单表示它们的主电路电压分别为-u2、-v2和-w2。4.3.3电路说明（一）同步问题说明12 所谓“同步”是指触发脉冲信号和晶闸管上所加的电源电压不仅频率相同，而且要保持固定的相位关系，从而使晶闸管在每一个周期都能在同一相位上触发，也即必须保持各周期中的控制角不变。只有这样，才能使晶闸管变流装置有稳定的输出电压和电流。加在晶闸管上的电源主电压，在整流装置中，是主电流交流侧的电压。当可控整流设备通过整流变压器和交流电网相接时，应为整流变压器的副边绕组电压；当整流设备直接接入电网是时，电源主电压就是交流电网电压。从加在晶闸管上的电源电压中取得反映电源电压的频率和相位信息，并将其作用于触发脉冲的产生电路，从而使所产生的触发脉冲能和电源主电压保持固定的相位关系。这种包含电源电压频率和相位信息的电压称为同步电压。一般来说，因同步电压较小，通常从降压的同步变压器取得。（二）变压器的说明与三相电源变压器不同，由于三相同步变压器的副边绕组电压要分别接到六个触发电路，因而各触发电路必有公共接地端。当副边绕组采用形接法时，会引起短路。所以，三相同步变压器副边绕组就只能采用y形连接方法。即三相同步变压器只能接成y/y和/y两类。在本设计中只要同步电压与u相电压u同相，就可满足晶闸管移相范围的要求。即用同步电压u2与触发电路u2端相接，v2与v2，w2与w2相接即可。（三）同步变压器的说明19由于向晶闸管整流电路供电的交流侧电源通常来自电网，电网电压的频率不是固定不变的，而是会在允许的范围内有一定的波动。触发电路应当保证工作频率与主电路交流电源的频率一致。为了保证频率一致，且该电路需要三个互差120,于主电路三个相电压 u2、v2、w2同相的三个同步电压，因此需要设计一个三相同步变压器。这样，由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管电压频率始终是一致的，但考虑到同步变压器功率很小，一般每相不超过1w，这样小的三相变压器很难买到，故可用三个单相变压器接成三相变压器组来代替，并接成dy。，即可获得与主电路二次侧相电压同相的三个电压u2、v2、w2。按电路要求，为保证移相范围，同步电压不易太小，取30v，因一次侧直接与电网相接，每相绕组电压为380v，考虑制造方便，功率的裕量留大一些，最后确定单相变压器参数为：容量为3va，电压为380v/30v，数量为3只。同步变压器的设计及连接在设计图上。4.4 串联逆变器脉冲移相的确定叉相控制方式两组逆变器的控制角、之工作情况如下：当时，使保持不变，此时属纵续控制，当时，逆变器1scr之逆变角将跟随逆变器2scr逆变角的变化而变化。图4-9为叉相方式1的工作示意图。图4-10为叉相控制方式下的曲线。图4-9叉相控制方式示意图图4-10叉相控制方式下的曲线第五章 双闭环串级调速系统的设计5.1 对象的数学模型5.1.1 电动机的传递函数晶闸管串级调速系统结构14如图5-1示。图5-1晶闸管串级调速系统结构其中为速度给定，为电流给定，为速度反馈，为电流反馈，为触发器输入信号，e为电动机反电势，为晶闸管逆变电压，为主回路电流电动机的运动方程为： (5-1)式中 为串级调速系统的转矩常数，如果取安，则公斤.米/安电动机的积分时间常数为安秒/转/分式中 传动系统总的飞轮惯量，其值为6900公斤.米2。所以电动机的传递函数为： （5-2）5.1.2 触发逆变环节的传递函数触发逆变环节的传递函数为： (5-3)式中 晶闸管的平均失控时间，其值取0.0017秒； 触发逆变器的发达系数（因为采用叉相控制的方式，故的值在两个工作区域是不同的）。1）当自0变到2伏时，、的情况，见表5-1。因此， 。2）当自2变到5伏时，、的情况，见表7-2。因此， 。在进行动态计算时，为保证系统的稳定性，按进行计算。表5-1 、与的关系(一)（伏）（伏）08362730表5-2 、与的关系(二)（伏）（伏）0730205.1.3 主回路的传递函数主回路的传递函数已在第五章（晶闸管串级调速系统的原理与应用）中给出对于本系统，此传递函数为 (5-4)式中 因为，所以计算时式中的s取为0.67。 5.2 电流闭环的设计5.2.1电流检测装置串级调速双闭环系统的框图，如图5-2所示，电流反馈是利用电流检测装置实现的。对于大中容量的串级调速系统，最常用的电流检测装置1有交流电流互感器、直流电流互感器和霍尔效应电流变换器等。这里用到应用最广的交流互感器作为电流检测装置的电流闭环系统。三相桥式有源逆变器中，交流侧有效电流与直流电流之间存在着近似的比例关系。因此，利用交流电流互感器检测交流电流，既可以反映直流电流，同时又能把控制回路与主回路隔离；此外，交流电流互感器结构简单。由于具备上述优点，所以交流电流互感器的应用很广。为了保证检测精度，电流互感器的铁心需要使用软磁性材料，而且在正常工作时不饱和。图5-2采用交流电流互感器取电流反馈信号如果使用三个电流互感器，则应按图 所示接线，接入副边电流为0.1安的变流器，变流器二次侧也采用三相桥式整流，经滤波后在电阻负载上产生与成正比的直流输出电压，即为电流反馈信号。这样，整流后的输出电流为安；如果负载电阻选100欧姆，则输出的最大电压为12伏，再经分压即可产生010伏的输出信号；负载电阻的耗散功率为瓦。由于一般插件不允许承受过高的温度，因此，可把负载电阻的瓦数取为计算值的4倍以上。据此，负载电阻的参数选为：100欧，8瓦。在使用电流互感器时，特别需要注意的是，电流互感器的副边不能开路，否则副边将产生高压，导致击穿二极管，甚至危及人身安全。5.2.2电流闭环动态参数的计算在计算电流闭环的动态参数时，应该首先绘出它的框图并写出各环节的传递函数，前面已经给出。串级调速电流环的典型框图如图5-3所示。图5-3晶闸管串级调速系统的电流环框图图中，为晶闸管的平均失控时间，其值取0.0017秒；为电流反馈滤波时间常数，其值取0.0015秒。上述两个都是小惯性时间常数。为主回路放大系数，为主回路电磁时间常数，它们都是转速n的函数。为了提高抗干扰能力，对于电流环，可以按三阶工程最佳（典型型）时的预期开环传递函数来计算动态参数，但必须要求大惯性环节能够近似成一个积分环节才行。此时，图5-3所示的框图可以变成图5-4a所示的框图，并进一步简化成图5-4b所示的形式。图5-4 电流环按三阶工程最佳计算时的框图a框图；b简化框图因为图5-4b所示框图所对应的系统，具有三阶工程最佳的典型结构，所以电流调节器应采用pi调节器，其微分和积分时间常数分别为 (5-5)校正后，闭环的传递函数为由图5-4b可得与之间的传递函数为由于和都是最小时间常数，故可忽略上式中含有二次幂以上的各项，此时，上式可简化为了消除上式中“”项所产生的微分作用，以避免超调量过大，需要再加置一个时间常数为的给定滤波器，其传递函数为 （5-6）这样，电流环等效传递函数就变为 (5-7)5.2.3 电流调节器及给定滤波器参数的确定电流环反馈强度和电流反馈滤波器：电流反馈强度，在电流的最大值为时，使电流反馈信号为8伏，等于速度调节器的最大输出电压，所以电流反馈强度为：伏/安电流反馈滤波器的时间常数取为2毫秒，这样，电流反馈环节的传递函数为电流反馈的滤波电容微法，取为0.33微法。根据前面的计算，进一步确定电流环的框图如下：图5-5 电流环的框图如图5-5所示，其中，电流环中的小时间常数之和为（秒）秒=26.2在前面已确定电流调节器应是比例积分调节器，其传递函数为 （5-8）式中 （秒）（秒）因此在确定调节器时可选用fc-52型线性集成运算放大器，故可以根据它的输入阻抗将比例积分调节器的输入端的电阻取为20千欧。调节器的积分电容为（微法）取为0.47微法。调节器的比例电阻为（千欧）取为47千欧。电流给定滤波器传递函数为 (5-9)式中 因为，又查表6-16中的曲线得（秒）给定滤波电容器的电容量为（微法）取为4.7微法。电流调节器的接线与参数，如图5-6所示。电流环的等效传递函数为图5-6 电流调节器原理图5