双闭环直流调速系统设计的计算要点.doc

武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书摘 要转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。根据晶闸管的特性，通过调节控制角大小来调节电压。基于设计题目，直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调速控制电路。在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。本文首先确定整个设计的方案和框图。然后确定主电路的结构形式和各元部件的设计，同时对其参数的计算，包括整流变压器、晶闸管、电抗器和保护电路的参数计算。接着驱动电路的设计包括触发电路和脉冲变压器的设计。最后，即本文的重点设计直流电动机调速控制器电路，本文采用转速、电流双闭环直流调速系统为对象来设计直流电动机调速控制器。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，二者之间实行嵌套联接。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称做外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。先确定其结构形式和设计各元部件，并对其参数的计算，包括给定电压、转速调节器、电流调节器、检测电路、触发电路和稳压电路的参数计算,最后画出了调速控制电路电气原理图。关键词： 双闭环； 转速调节器；电流调节器双闭环直流调速系统设计的计算1 双闭环直流调速系统分析为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图2所示，即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。 图1 双闭环直流调速系统原理图为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构框图，如图2所示。因为设计要求系统在负载和电网电压的扰动下稳态无静差，所以电流、转速调节器均使用PI调节器。 图2 双闭环调速系统稳态结构框图应用工程方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器。按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展。在双闭环系统中，应该首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。 图3 双闭环调速系统动态结构框图 双闭环调速系统的实际动态结构框图如图1所示，由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同的延时，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向横波，因此也需要滤波，滤波时间常数用表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为的给定滤波环节。2 电流调节器的设计2.1 初始条件不可逆的生产设备，采用双闭环调速系统，其整流装置采用三相桥式全控整流电路。系统基本数据如下：直流电动机：=220V, =136A，=1460r/min，=0.132Vmin/r，允许过载倍数=1.5；时间常数=0.03S, =0.18S；晶闸管装置放大倍数：=40;电枢回路总电阻：R=0.5；电流反馈系数：=0.049V/A(10V/1.5)，取=0.5；转速反馈系数：=0.0068Vmin/r(10V/)，取=0.007。2.2 确定时间常数整流装置滞后时间常数。流装置用的是三相桥式全控整流电路的平均失控时间=0.0017s。电流滤波时间常数。三相桥式电路每个波头的时间是3.3s，为了基本滤平波头，应有（12）=3.33ms，因此取=2ms=0.002s。电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取=+=0.0037s。2.3 选择电流调节器结构根据设计要求5%，并保证稳态电流无差，可按典型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型电流调节器，其传递函数为： （2-1）检查对电源电压的抗扰性能： （2-2）由式（2-2）可知，系统抗扰性能，各项指标都是可以接受的。2.4 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：=0.03s。电流超调量，则应取，因此 （2-3）于是，ACR的比例系数为 （2-4）2.5 校验近似条件电流环截止频率：晶闸管整流装置传递函数的近似条件 （2-5）满足近似条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 （2-6）满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件 （2-7）满足近似条件。2.6 计算调节器电阻和电容由图4，按所用运算放大器取，各电阻和电容值为 ，取40 ，取0.75 ，取0.2 图4 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器 图5 校正成典型型系统的电流环动态结构框图按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为=4.3%5%,满足设计要求。3 转速调节器的设计3.1 确定时间常数电流环等效时间常数 。因为已取，则 （3-1）转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取=0.01s。转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取 （3-2）3.2 选择转速调节器结构 图6 转速环动态结构框图按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为 （3-3）3.3 计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为 （3-4）由式 （3-5）可求得转速环开环增益于是，由式 （3-6）可得ASR的比例系数为3.4 检验近似条件转速环截止频率为 （3-7）电流环传递函数简化条件为 （3-8）满足简化条件。转速环小时间常数近似处理条件为 （3-9） 满足近似条件。3.5 计算调节器电阻和电容 图7 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器根据图7，取，则 ，取470 , 取0.2 ，取13.6 校核转速超调量当h=5时， ，由式 （3-10） 可得，满足设计要求。4 系统电路设计 4.1系统主电路设计 4.1.1主电路结构设计 在直流调速系统中，我们采用的是晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统)的原理图如图3-1所示。它通过调节处罚装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压，从而实现平滑调速。与旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都很大提高，而且在技术性能上也显现出较大的优越性。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，根据晶闸管的特性，可以通过调节控制角大小来调节电压。当整流负载容量较大或直流电压脉动较小时应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。三相整流电路中又分三相半波和全控桥整流电路，因为三相半波整流电路在其变压器的二次侧含有直流分量，故本设计采用了三相全控桥整流电路来供电，该电路是目前应用最广泛的整流电路，输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。图8 V-M 系统主电路原理图图9 主电路原理图三相全控制整流电路由晶闸管VT1、VT3、VT5接成共阴极组，晶闸管VT4、VT6、VT2接成共阳极组，在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电路。 为了使元件免受在突发情况下超过其所承受的电压电流的侵害，在三相交流电路的交、直流侧及三相桥式整流电路中晶闸管中电路保护有电压、电流保护。一般保护有快速熔断器，压敏电阻，阻容式。 4.1.2主电路交流变压器设计一般情况下，晶闸管变流装置所要求的交流供电电压与电网电压是不一致的，所以需要变流变压器，通过变压器进行电压变换，并使装置于电网隔离，减少电网于晶闸管变流装置的互相干扰。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。为整流变压器的总容量，为变压器一次侧的容量，为一次侧电压, 为一次侧电流, 为变压器二次侧的容量，为二次侧电压，为二次侧的电流，、为相数。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只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器次级电压。影响值的因素有：(1)值的大小首先要保证满足负载所需求的最大电流值的。(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精确表达式为： 式（3-1） 式中,为电动机额定电压 ； 及C见表1-1；，为电动及额定电流，为电动机电枢电路总电阻；表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降；为电网电压波动系数，通常取，供电质量较差，电压波动较大的情况应取较小值；为变压器的短路电压百分比，100千伏安以下的变压器取，1001000千伏安的变压器取；- 负载电流最大值；所以,表示允许过载倍数。也可以用下述简化公式计算 =（1.0-1.2） 或 =（1.2-1.5）其中，系数（1.0-1.2）和（1.2-1.5）为考虑各种因素的安全系数，为整流输出电压。对于本设计：为了保证电动机负载能在额定转速下运转,计算所得应有一定的裕量,根据经验所知,公式中的控制角应取300为宜。，,，（其中A、B、C可以查表3-1中三相全控桥），=1.7表1 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0.90.90.91.172.342.341.17C0.7070.7070.7070.8660.50.50.50.707110.5780.8160.8160.289把已知条件代入式（3-1）可得结果： =V 根据主电路的不同接线方式，有表3-1查的，即可得二次侧电流的有效值，从而求出变压器二次侧容量。而一次相电流有效值/，所以一次侧容量 。一次相电压有效值取决于电网电压，所以变流变压器的平均容量为: 对于本设计,=， =A设计时留取一定的裕量，可以取容量为的整流变压器。4.1.3 整流元件晶闸管的选型选择晶闸管元件主要是选择它的额定电压 和额定电流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， 而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，则晶闸管额定电压计算结果： 取 。晶闸管额定电流的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。 已知 可得晶闸管的额定电流计算结果 ： 取300A 本设计选用晶闸管的型号为KP（3CT）-300A （ 螺栓型）额定电压： VDRM=2000V 额定电流：IT(AV)=300A门极触发电压：VGT 30 V 门极触发电流：IGT 400 A 4.1.4 电抗器的设计（1）交流侧电抗器的选择 为限制短路电流，所以在线路中应接入一个空心的电抗器，称为进线电抗器。 （2）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。 限制输出电流脉动的电感量 的计算 式（3-2）式中，-电流脉动系数，取，本设计取10%。 -输出电流的基波频率，单位为，对于三相全控桥 表2 电感量的相关参数电感量的有关数据单相全控桥三相半波三相全控桥带平衡电抗器的双反星形100150300300最大脉动时的值1.20.880.800.802.851.460.6930.3483.186.753.97.8反并联线路2.52交叉线路0.67输出电流保持连续的临界电感量的计算： 式（3-3）式中，为要求连续的最小负载的平均值，本设计中；为变流装置交流侧相电压有效值。代入已知参数，可求的 =4.25mH =20.33mH和包括了电动机电枢电感量和折算到变流变压器二次侧的每相绕组漏电感，所以应扣除和，才是实际的限制电流脉动的电感和维持电流连续的实际临界电感。 式（3-4） = 式（3-5）式中， K-计算系数，对于一般无补偿绕组电动机K=812，对于快速无补偿绕组电动机K=68，对于有补偿绕组电动机K=56，其余系数均为电动机额定值，这里K取10。n-极对数，取n=2。%-变压器短路比，一般取为； -为计算系数，三相全控桥。即 = =实际要接入的平波电抗器电感: 电枢回路总电感: 可取20mH4.2保护电路的设计4.2.1过电压保护 通常分为交流侧和直流侧电压保护。前者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。 压敏电阻是有氧化锌，氧化铋等烧结制成的非线性电阻元件，它具有正反相同很陡的伏安特性，正常工作是漏电流小，损耗小，而泄放冲击电流能力强，抑制过电压能力强，此外，它对冲击电压反映快，体积又比较小，故应用广泛。 在三相的电路中，压敏电阻的接法是接成星形或三角形如图3-3所示。图10 二次侧过电压压敏电阻保护 压敏电阻额定电压的选择可按下式计算： 压敏电阻承受的额定电压峰值 式（3-6）式中 -压敏电阻的额定电压， VYJ型压敏电阻的额定电压有：100V、200V、440、760V、1000V等；为电网电压升高系数，可取。压敏电阻承受的额定电压峰值就是晶闸管控制角=300时输出电压。由此可将式（1-6）转化成 可得压敏电阻额定电压 所以压敏电阻额定电压取850V型压敏电阻。、 4.2.2过电流保护在本设计中，选用快速熔断器与电流互感器配合进行三相交流电路的一次侧过电流保护，保护原理图3-4如下： 图11 一次侧过电流保护电路（1）熔断器额定电压选择：其额定电压应大于或等于线路的工作电压。本课题设计中变压器的一次侧的线电压为760V，熔断器额定电压可选择800V。（2）熔断器额定电流选择：其额定电流应大于或等于电路的工作电流。 本课题设计中变压器的一次侧的电流 =熔断器额定电流 232A因此，如图3-4在三相交流电路变压器的一次侧的每一相上串上一个熔断器，按本课题的设计要求熔断器的额定电压可选400V，额定电流选232A。4.3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，保证晶闸管在必要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路往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12Aus。 （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。理想的触发脉冲电流波形如图4-1。 图12 理想的晶闸管触发脉冲电流波形-脉冲前沿上升时间（）-强脉冲宽度 -强脉冲幅值（）-脉冲宽度 -脉冲平顶幅值（）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：VT1VT2VT3VT4VT5VT6，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60O，可以选用3个K