冶金行业直流电动调速系统-毕业论文

天津冶金职业技术学院 毕业课题 冶金行业直流电动调速系统冶金行业直流电动调速系统 系别电气工程系 专业电气自动化 班级电气 08-2 学生姓名 指导教师崇 宝 年 2011 年 5 月 1 日 I 摘要 直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要 调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直 流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础， 采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部 分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控 制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功 能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性， 并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降 低系统成本，从而有效的提高工作效率。 直流双闭环调速系统的性能很好，具有调速范围广、精度高、动态性能好和 易于控制等优点，所以在电气传动系统中得到了广泛的应用。直流双闭环调速系 统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速 和电流。本文对直流双闭环调速系统的设计进行了分析，对直流双闭环调速系统 的原理进行了一些说明，介绍了其主电路、检测电路的设计，详细介绍了电流调 节器和转速调节器的设计以及一些参数的选择和计算，使其满足工程设计参数指 标。 关键词：直流双闭环，调速系统，电流调节器，转速 II 目录 摘要. 1 绪论.1 1.1 任务背景.1 1.2 直流双闭环系统介绍.1 2 调速系统总体设计.2 2.1 直流电动机的选择.2 2.2 电动机供电方案的选择.3 2.3 系统的结构选择.3 2.4 双闭环系统的抗干扰分析.5 3 直流双闭环调速系统电路设计.6 3.1 晶闸管-电动机主电路的设计.6 3.1.1 主电路设计.6 3.2 整流变压器的计算.7 3.2.1U2 的计算.7 3.2.2一次和二次相电流 I1 和 I2 的计算。.7 3.2.3 变压器的容量计算。.8 3.3 晶闸管元件的选择.8 3.3.1晶闸管的额定电压.8 3.3.2晶闸管的额定电流.8 3.3.3 晶闸管保护环节的计算.8 3.4 转速、电流调节器的设计.9 3.4.1 电流调节器.10 3.4.2 转速调节器.12 3.5 转速检测电路设计.15 3.6 电流检测电路设计.15 4 触发电路的设计.15 4.1 触发电路的选择.16 4.2 触发电路的原理图.16 4.3 触发电路的工作原理.16 5 励磁电路元件的选择.19 6 小结与体会.20 7 参考文献.21 1 1 绪论 1.1 任务背景 自 70 年代以来，国内外在电气传动领域内，大量地采用了“晶闸管直流电动 机调速”技术(简称 KZD 调速系统)。尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞 猛进的发展，但在工业生产中 KZD 系统的应用量还是占有相当的比重 。在工程 设计与理论学习过程中，会接触到大量关于调速控制系统的分析、综合与设计问 题。传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有 各自优点的同时也存在着不同的局限性。 以计算机作为工具的计算和仿真技术能为各种不同的控制系统提供一种方 便，灵活多变的“活的数学模型”，在这个“活的数学模型”上进行实验研究， 不仅省钱，而且安全，周期短、见效快.鉴于上述优点，我们需要开发和研究既能 够进行直流双闭环的系统设计，又能将设计结果进行系统仿真的软件，以方便工 程设计和理论学习。 1.2 直流双闭环系统介绍 直流电机双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛，经济， 适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强优点。我们知道反馈闭 环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用 都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭环调速系统可以在保证 系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要 求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因 为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系 统中，只有电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电 流值以后，强烈的负反馈作用限制电流得冲击，并不能很理想的控制电流的动态 波形。在实际工作中，我们希望在电机最大电流受限的条件下，充分利用电机的 允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电 2 力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来， 使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转 速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）首相的条件下调速系统所能得到的最 快的起动过程。 实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最 快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值得恒流过程，按照反馈控制规律， 电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈， 而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希 望只要转速负反馈，不在电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。 这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用不同的阶段。 在设计过程中，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，需要设置两个 调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，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，叫内环；转速环在外面，叫外环。这样就 形成了转速、电流双闭环调速系统。 2 调速系统总体设计 2.1 直流电动机的选择 本次设计选用的电动机型号 Z2-31型，额定功率 4.2KW，额定电压 230V，额定 电流 18.25A,额定转速 1450r/min,P 级对数为为 1。 2.2 电动机供电方案的选择 单相整流电路虽元件小，线路简单，维修方便对触发电路要求也低，但它职 能用于小功率的电路，而且电压波动大，易能使电网不平衡，按规定，4KW 以下的 可用单相，而 4KW 以上的要用三相整流电路。 虽然三相半波也是元件少，易调整等优点，但其致命弱点是电压脉动系数 大，变压器利用率低。故采用三相桥式。 3 半控桥使用可控硅少，触发电路也简单但其有自然续流和可能出现“失控” 现象。因此系统的要求精度选择全控桥。 由上可知，选择三相全控整流方式。 电动机额定电压为 230V，为保证供电质量，应采用三相减压变电器将电源 电压降低，为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波对电源干扰主变压器采 用 D/Y 联结。 因调速精度要求高，为获得良好的静、动态性能，故选用转速电流双闭环 调速系统，且两个调节器采用 PI 调节器，电流反馈进行限流保护，出现故障电流 时由过流继电器切断这电路电源。 为使线路简单、工作可靠、装置体积小，宜选用 KJ004 及 KJ041 组成的六脉 冲集成触发电路。 该系统采用减压调速方案，故励磁应该保持恒定，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， 主接触器主触点应该在励磁绕组通电后方可闭合，同时设有弱励磁保护环节。 2.3 系统的结构选择 若采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭环调速系统虽然可以在保证系统稳定 的条件下实现转速无静差，不过当对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起 制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统难以满足要求，因为在单闭环系直 流电机双闭环调速系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩，在单 闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在 超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控 制电流的动态波形，当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减少，因而 加速过程必然拖长。 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 4 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。所以选 用转速电流双闭环系统结构。 直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节 器(ACR), 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。 两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。转速调节器 ASR 的输出限 幅电压 * im U决定了电流给定电压的最大值；电流调节器 ACR 的输出限幅电压 cm U限 制了电力电子变换器的最大输出电压 dm U。 由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以 保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 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电力电子 变换器 UPE，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。如图 2-1 所示： 图图 2-1直流双闭环调速系统直流双闭环调速系统 5 为了获得良好的静、 动态性能， 转速和电流两个调节器一般都采用 PI 调节器。 这样构成的双闭环直流调速系统。如图 2-2 图图 2-2 转速和电流双闭环直流调速系统原理图转速和电流双闭环直流调速系统原理图 电动机的转速由给定电压usn 决定, 速度调节器ASR 的输入偏差电压为 uSR=usn- ufn, ASR 的输出电压usi 作为电流调节器ACR 的给定信号( 其输出的 限幅值Usim 决定了电流调节器给定电压的最大值) ; 电流调节器ACR 的输入偏差 电压为uCR=- usi+ufi, ACR 的输出电压UC 作为触发电路的控制电压( 其输出 的限幅值Ucm 决定了晶闸管整流输出电压的最大值)。 改变控制电压UC, 就能改变触发器控制角及整流输出电压Ud0, 相应地也 就改变了电动机的转速, 达到调速的目的。 2.4 双闭环系统的抗干扰分析 由于转速环和电流环都采用了PI 调节器, 其主要特征是静态基本无误差, 动态抗扰动能力强。 直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发 器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，其中主电路中串入平 6 波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转 矩对生产机械的不利影响。 3 直流双闭环调速系统电路设计 3.1 晶闸管-电动机主电路的设计 3.1.1 主电路设计 晶闸管-电动机调速系统（V-M 系统）主电路原理图如图 3-1 所示： 图图 3-1V-M 系统主电路原理图系统主电路原理图 图中 VT 是晶闸管可控整流器，它由三相全控桥式整流电路组成，如图 3-2 所 示： 7 图图 3-23-2三相全控桥式整流电路三相全控桥式整流电路 通过调节触发装置 GT 的控制电压 c U来移动脉冲的相位，即可改变平均整流电 压 d U，从而实现平滑调速。 3.2 整流变压器的计算 3.2.1 U2 的计算 U2=(12)Ud/(AB) A：理想情况下，=0时整流电压 Ud0 与二次电压 U2 之比，即 A=Ud0/U2。 B：延迟角为时，输出电压 Ud 与 Ud0 之比。即 B=Ud/Ud0。 ：电网波动系数。通常取=0.9。 查资料得：A=2.34,=0.9,取=10，B=cos=0.985, U2=(12)230v/(2.340.90.985)=111133, 取 U2=120v, 电压比 K=U1/U2=398/120=3.32。 3.2.2 一次和二次相电流 I1 和 I2 的计算。 查资料得：Ki1=0.816,Ki2=0.816, 8 I1=1.05Ki1Id/K=(1.050.81618.25)/3.32=4.7A I2=Ki2Id=0.81618.25=14.9A 3.2.3 变压器的容量计算。 S1=3U1I1=(33984.7)kvA=5.6kvA, S2=3U2I2=(312014.9)kvA=5.4kvA, S=1/2(S1+S2)=1/2(5.6+5.4)kvA=5.5kvA, 考虑励磁功率 PL=(2301.045)w=0.24kw, 取 S1=5.6kvA,S2=5.4kvA,S=5.5kvA,I1=5A,I2=15A。 3.3 晶闸管元件的选择 3.3.1 晶闸管的额定电压 Utn=(23)Um =588882V 取 Utn=700V。 3.3.2 晶闸管的额定电流 查资料得：K=0.367, It(av)=(1.52)KIdb=(1.52)0.3671.218.25A =12.116.07A, 取 It(av)=20A, 故选 Kp(3G)20 晶闸管元件。 3.3.3 晶闸管保护环节的计算 交流侧过电压保护。 （1）阻容保护 耐压1.5Um 9 选 CZJD-2 型金属化纸介电容器，电容量 20uF,耐压 250V。 可选 4.3w,8w 金属膜电阻。 （2）压敏电阻 Rv1 的选择 取 230V,电流量取 5kA,故选用 MY-220/5 的压敏电阻作交流侧浪涌过电压保护。 直流侧过电压保护。 选 MY-450/3 作直流侧过电压保护。 （3）晶闸管两端的过电压保护 查资料得：C2=0.15uF,R2=8 电容耐压 选 CZJD-2 型金属化纸介电容量，电容量 0.22uF,耐压 400V。 取 R2=43,1w 金属膜电阻。 （4）过电流保护 快速熔断器的选择。 接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管电流有效值 故选用 RCS-20 的熔断器，熔断电流为 20A。 过电流继电器的选择。 负载电流 18.25A，选用吸引线圈电流为 20A 的 JL14-11ZS 型平动复位直流过电流 继电器，整定电流可取 1.2518.25A=23A。 3.4 转速、电流调节器的设计 转速、电流双闭环调速系统的动态结构图如图 3-3 所示： 10 图图 3-3直流双闭环调速系统动态结构图直流双闭环调速系统动态结构图 由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需 加低通滤波。 这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示， 其滤波时间常数 oi T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 等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。由测速发电机得到的转速反馈电压 含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用 on T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 on T的给定滤波环节。 系统设计的一般原则是：先内环后外环。在这里，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。 3.4.1 电流调节器 3.4.1.1 电流调节器设计 含给定滤波与反馈滤波的 PI 型电流调节器如图 3-4 所示： 图图 3-4含给定滤波与反馈滤波的含给定滤波与反馈滤波的 PIPI 型电流调节器型电流调节器 其中 * i U为电流给定电压， d I为电流负反馈电压， c U为电力电子变换器的 控制电压。 11 3.4.1.2 电流调节器参数选择 确定时间常数 （1）三相桥式电路的平均失控时间为0.0017 s Ts。 （2）电流滤波时间常数本设计初始条件已给出，即0.002 oi Ts。 （3）电流环小时间常数之和0.0037 isoi TTTs 。 选择电流调节器结构 根据设计要求：稳态无静差,超调量5% i ，可按典型 I 型系统设计电路调 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： (1) ( ) ii ACR i Ks Ws s 电磁时间常数 0.06 0.04 1.5 l L Ts R 。 检查对电源电压的抗扰性能： 0.04 10.81 0.0037 l i Ts Ts ， 参照典型 I 型系统动态抗 扰性能指标与参数的关系表格，可知各项指标都是可以接受的。 计算电流调节器参数 电流调节器超前时间常数：0.04 il Ts。 电 流 环 开 环 增 益 ： 要 求5% i 时 ， 应 取0.5 Ii K T， 因 此 1 0.50.5 135.1 0.0037 I i Ks Ts ACR 的比例系数为 135.1 0.04 1.5 1.41 25 0.23 Ii i s KR K K 检验近似条件 电流环截至频率： 1 135.1 ciI Ks 机电时间常数 22 3.921.5 0.365 30 375 375 0.13270.1327 m em GD R Tss C C 12 晶闸管整流装置传递函数的近似条件 1 11 196.1 33 0.0017 ci s s Ts 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 1 11 3324.83 0.3650.04 ci ml s T Tss 满足近似条件。 电流环小时间常数近似处理条件 1 1111 180.8 330.00170.002 ci soi s TTss 满足近似条件。 计算调节器电阻和电容 由图 3-4，按所用运算放大器取 0 40Rk，各电阻和电容值为 0 1.41 4056.4 ii RK Rkk ，取56k 3 0.04 0.714 56 10 i i i CFuF R ，取0.75uF 3 0 44 0.002 0.2 40 10 oi oi T CFuF R ，取0.2uF 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% i ，满足 设计要求。 3.4.2 转速调节器 3.4.2.1 转速调节器设计 含给定滤波与反馈滤波的 PI 型转速调节器如图 3-5 所示： 13 图图 3-5含给定滤波与反馈滤波的含给定滤波与反馈滤波的 PIPI 型转速调节器型转速调节器 其中 * n U为转速给定电压，n为转速负反馈电压， * i U：调节器的输出是电流 调节器的给定电压。 3.4.2.2 转速调节器参数选择 确定时间常数 （1）电流环等效时间常数 1 22 0.00370.0074 i I Tss K （2）转速滤波时间常数本设计初始条件已给，即0.0025 on Ts （3）转速环小时间常数 1 0.00740.00250.0099 non I TTsss K 选择转速调节器结构 按照设计要求，选用 PI 调节器，其传递函数为 nnnn n 2 nemnnemn (1)(1) ( ) (1)(1) R KsKRs W s sC T s TsC T s Ts 计算转速调节器参数 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取5h ，则 ASR 的超前时间常数为 5 0.00990.0495 nn hTss 14 转速开环增益 22 N 2222 n 15 1 1224.4 22 50.0099 h Kss h T ASR 的比例系数为 em n n (1)(5 1) 0.23 0.1327 0.365 0.79 22 5 0.57 1.5 0.0099 hC T K h RT 检验近似条件 转速环截止频率 11 1 1224.4 0.049560.6 N cnNn K Kss 电流环传递函数简化条件为 11 11135.1 63.7 330.0037 I cn i K ss T 满足简化条件。 转速环小时间常数近似处理条件为 11 11135.1 77.5 330.0025 I cn on K ss T 满足简化条件。 计算调节器电阻和电容 取 0 40Rk，则 0 0.79 4031.6 nn RK Rkk ，取33k 3 0.0495 1.5 33 10 n n n CFuF R ，取1.5uF 3 0 44 0.0025 0.25 40 10 on on T CFuF R ，取0.3uF 校核转速超调量 当5h 时，37.6% n ，不能满足设计要求。应按 ASR 退饱和的情况重 新计算超调量。 按 ASR 退饱和重新计算超调量 过载倍数2 dmdbl dNdN II II 15 max * 17.5 1.5 0.0099 0.1327 2()()2 81.2% 21.16%8% 15000.365 Nn n bm Cn T z CnT 能满足设计要求。 3.5 转速检测电路设计 转速的检测可把 n U接到一个测速发电机上即可检测转速，如图 3-5 所示： TGU2 Un RP4 . 图图 3-5 转速检测电路转速检测电路 3.6 电流检测电路设计 使用霍尔电流传感器可以检测电流，把 i U接到霍尔传感器上。霍尔效应传感 器，可以测量任意波形的电流和电压。输出端能真实地反映输入端电流或电压的 波形参数。如图 3-6 所示： 图图 3-63-6 霍尔效应传感器电路霍尔效应传感器电路 16 4 触发电路的设计 4.1 触发电路的选择 由于可控硅整流电路对触发电路要求与主电路同步，并能平稳移相，脉冲前 沿陡，有足够的幅度和一定的脉宽，线性度要好，以及抗干扰能力强。单结晶闸 管触发电路简单，可靠，调整方便。但移相范围只有 150 度，功率低，而且不易 同步。所以本设计中选用了参数一致较好的大规模集成块电路 KCZ 集成六脉冲组 件触发器。 4.2 触发电路的原理图 17 4.3 触发电路的工作原理 如图 4.1 所示，触发电压的形成用 KJ004 芯片完成。KJ004 电路由同步检测电 路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功 率放大电路四部分组成。电原理见下图：锯齿波的斜率决定于外接电阻 R6、RW1, 流出的充电电流和积分电容 C1 的数值。对不同的移相控制电压 VY,只有改变权电 阻 R1、R2 的比例,调节相应的偏移电压 VP。同时调整锯齿波斜率电位器 RW1,可以 使不同的移相控制电压获得整个移相范围。触发电路为正极性型,即移相电压增加, 导通角增大， R7 和 C2 形成微分电路,改变 R7 和 C2 的值可以获得不同的脉冲输出。 KJ004 芯片内部结构如图 4.2 所示。 图图 4.24.2 KJ004KJ004 芯片内部结构图芯片内部结构图 双脉冲信号的形成与控制用 KJ041 六路双脉冲形成器完成， KJ041 是三相全控 桥式触发线路中必备的电路，具有双脉冲形成和电子开关控制封锁功能。实用块 有电子开关控制的 KJ041 电路组成逻辑控制，适用于正反组可逆系统。 18 如图 4.2 所示，KJ041 的 1-6 脚管为单脉冲信号输入。把单脉冲信号由 10-15 脚管两两同时输出形成双脉冲信号，10-15 脚管两两同时输出对应输送给 VT6-VT1 晶闸管。 （1）假设在