直流电动机调压调速系统设计.doc

武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书目录1 绪论12 主电路设计与参数计算22.1主电路原理图及说明22.2检测电路的设计32.2.1速度检测电路32.2.2电流检测电路32.3晶闸管元件的选择42.3.1晶闸管的额定电压42.3.2晶闸管的额定电流42.4直流调速系统的保护42.4.1过电压保护42.4.2 过电流保护52.4.3平波电抗器的计算62.5励磁电路元件的选择72.6触发电路理论设计73 双闭环的动态设计和校验103.1 电流调节器的设计和校验103.2转速调节器的设计和校验11总结与体会13参考文献14附录15直流电动机调压调速系统设计1 绪论随着时代的进步和科技的发展，拖动控制的电机调速系统在工农业生产、交通运输以及日常生活中起着越来越重要的作用，因此，对电机调速的研究有着积极的意义.长期以来，直流电机被广泛应用于调速系统中，而且一直在调速领域占居主导地位，这主要是因为直流电机不仅调速方便，而且在磁场一定的条件下，转速和电枢电压成正比，转矩容易被控制。因此采用直流电机调速可以得到良好的动态特性。由于直流电动机具有优良的起、制动性能，宜与在广泛范围内平滑调速。在轧钢机、矿井卷机、挖掘机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控硅电力拖动的领域中得到广泛应用。近年来交流调速系统发展很快，然而直流拖动控制系统毕竟在理论上和在时间上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动系统的基础，长期以来，由于直流调速拖动系统的性能指标优于交流调速系统。因此，直流调速系统一直在调速系统领域内占重要位置。1957年，晶闸管问世，到了六十年代，已产生出成套的晶闸管整流装置，使变流技术产生了根本性的变革，开始进入晶闸管年代。到今天，晶闸管电动机调速系统成为直流调速系统的主要形式。VM系统中V是晶闸管可控硅整流器。 它可以是单相、三相、或更多相数、半波、全波、半控、全控等类型，通过调节触发器装置GT的开展电压来移动触发脉冲的相位、即可改变整流电压的Ud，从而实现平滑调速。和旋转变流机组拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大的提高，而且在技术性能上也显示较大的优越性，其门极电流可以直接用晶体三极管来开展，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大装置。在开展作用的快速性方面，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将会大大提高系统的动态性能。2 主电路设计与参数计算2.1 主电路原理图及说明晶闸管相控整流电路有单相、三相、全控、半控等，调速系统一般采用三相桥式全控整流电路，如图2.1所示。在变压器二次侧并联电阻和电容构成交流侧瞬态过电压保护及滤波，晶闸管并联电阻和电容构成关断缓冲；快速熔断器直接与晶闸管串联，对晶闸管起过流保护作用。图2.1 主原理图本系统采用转速和电流双闭环控制系统。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。两者之间实行嵌套（或称串级）联接，如图1所示。把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制三相桥式整流电路。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。电流调节器和转速调节器的作用：（1）电流调节器的作用：作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随外环调节器的输出量变化对电网电压波动起及时抗扰作用在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。（2）转速调节器的作用：转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。对负载变化起抗扰作用输出限幅值决定电机允许的最大电流 双闭环无静差调速系统的转速调节器采用了PI调节器，所以保持了无静差调速的优点，也克服了快速性不好的缺点，较之单闭环控制系统，其动态性能也优越得多 。为了在动态时限制冲击电流和获得饱和的电流波形，在转速调节器组成的转速环之内设置了一个有电流调节器构成的电流闭环，不但改善了动态性能，而且系统有良好的静态性能。2.2检测电路的设计2.2.1速度检测电路转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信号。转速检测电路主要由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统。图2.2速度检测电路2.2.2电流检测电路电流检测电路的主要由电流互感器，整流电路和滑动变阻器组成。通过电流互感器将负载的电流按比例引出，转化为电压信号然后与转速调节器的输出比较，调节电流的大小。图2.2电流检测电路图2.3电流检测电路2.3晶闸管元件的选择2.3.1晶闸管的额定电压晶闸管实际承受的最大峰值电压，乘以（23）倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压，即 =（23）整流电路形式为三相全控桥，查表得，则取2.3.2晶闸管的额定电流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大于实际流过管子电流最大有效值8，即 =1.57 或 =K 考虑（1.52）倍的裕量 =（1.52）K 式中K=/（1.57）-电流计算系数。由表查得 K=0.368，考虑1.52倍的裕量 取。故选晶闸管的型号为KP50-7晶闸管元件。(可用3CT107替换)。2.4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。2.4.1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。1） 交流侧过电压保护 阻容保护CS/U22=6105200/1102=25F耐压1.5Um =1.5110=233V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的容量，这里选CZJD-2型金属化纸介电容器，电容量20uF，耐压250V。取=5，R2.3 U22/S=2.31102/5200=2.2，取2.2IC=2fCUC10-6=2502010-6110=0.69APR(34)IC2R=(34) （0.69）22.2=3.14.2W选取2.2，5W的金属氧化膜电阻。 压敏电阻的计算U1MA=1.3U2=1.3110=202V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阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成加大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。U1MA=（1.8-2.2）UDC=(1.82.2) 220=396440V 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2.1 阻容保护的数值一般根据经验选定晶闸管额定电流/A1020501002005001000电容/F0.10.150.20.250.512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。电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值的1.11.15倍。由上表得C=0.5F，R=10，电容耐压1.5=1.5=1.5110=566V选C为0.5F的CZJD-2型金属化纸介质电容器,电容量0.22F，耐压为400V。=fCUm210-6=500.510-6(110)2=0.8W 选R为10普通金属膜电阻器，RJ-0.5。2.4.2 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接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管的有效值=31.75A选取RLS-35快速熔断器，熔体额定电流35A。（2）过电流继电器的选择因为负载电流为55A，所以可选用吸引线圈电流为100A的JL14-11ZS型手动复位直流过电流继电器，整定电流取1.2555=68.75A100A2.4.3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心电抗器，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，因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。1）算出电流连续的临界电感量可用下式计算，单位mH。 式中 与整流电路形式有关的系数，可由表查得；最小负载电流，常取电动机额定电流的510计算。根据本电路形式查得=0.695所以 =30.3mH 2）限制输出电流脉动的临界电感量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。该脉动电流可看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。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，应在直流侧串入平波电抗器限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量可用下式计算 式中系数，与整流电路形式有关，电流最大允许脉动系数，通常三相电路（510）。根据本电路形式查得=1.045,所以 =22.8mH 3） 电动机电感量和变压器漏电感量电动机电感量（单位为mH）可按下式计算 式中 、n直流电动机电压、电流和转速，常用额定值代入；p电动机的磁极对数；计算系数。一般无补偿电动机取812，快速无补偿电动机取68，有补偿电动机取56。本设计中取=8、=220V、=55A、n=1000r/min、p=1=16mH 变压器漏电感量（单位为mH）可按下式计算 式中 计算系数，查表可得变压器的短路比，一般取5%10%。本设计中取=3.2、=0.05所以 =3.20.05120/（10055）=3.5mH 4）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： 5) 电枢回路总电感:=4.56+6.91+26.9=19.51mH2.5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，ID(AV)=(1.52)K=(1.52)0.3673.77A=2.082.77A 可选用ZP型3A、800V的二极管。RPL 为与电动机配套的磁场变阻器，用来调节励磁电流。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RPI 调整。根据额定励磁电流Iex =1.2A，可选用吸引线圈电流为2.5A的JL14-11ZQ直流欠电流继电器。2.6触发电路理论设计由于晶闸管装置需要触发脉冲才能正常工作，因此触发电路的选择是十分重要的，它决定了我们系统的稳定性和系统的安全性。我们可以在触发脉冲集成芯片方面选择各种不同的方案，此主电路采用的是三相全控桥整流电路。方案一：采用3片TCA785芯片。TCA785是德国西门子(Siemens)公司于1988年前后开发的第三代晶闸管单片移相触发集成电路，与原有的KJ系列或KC系列晶闸管移相触发电路相比，它对零点的识别更加可靠，输出脉冲的齐整度更好，而移相范围更宽，且由于它输出脉冲的宽度可人为自由调节，所以适用范围较广。由于TCA785芯片具有更好的特性，对过零点的识别更加可靠，输出脉冲的整齐度更好，移相范围更宽，在现在要求调速系统特性越来越高的环境下，本次设计采用的就是TCA785芯片。图2.3 TCA785芯片的引脚图其中5脚为外接同步信号端，用于检测交流电压过零点。10脚为片内产生的同步锯齿波，其斜坡最大及最小值由9、10两脚的外接电阻与电容决定。通过与11脚的控制电压相比较，在15和14脚可输出同步的脉冲信号，因此，改变11脚的控制电压，就可以实现移相控制，脉冲的宽度则由12脚外接电容值决定，当选择双窄脉冲的驱动方式时，12脚应接150pF电容。实际上，有几十个微秒的脉冲宽度即可使晶闸管正常导通。方案二：采用3片KJ004芯片和1片KJ041芯片。KJ041六路双脉冲形成器是三相全控桥式触发线路中必备的电路，它具有双脉冲形成和电子开关的功能。使用两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。KJ004可控硅移相电路可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中,作可控硅的双路脉冲移相触发。器件输出两路相差180度的移相脉冲,可以方便地构成全控桥式触发器线路。电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低,有脉冲列调制输出端等功能与特点。方案比较：从2种芯片的作用上看，都可以实现我们三相全控桥式供电装置中，但是KJ041与KJ004组成的控制电路主要应用于正反组的可逆系统中，而本设计要求中并没要求我们实现电动机的正反转可逆运行，在达到同等目的的情况下，选择使用芯片TCA785，来组成触发控制电路。3 双闭环的动态设计和校验3.1 电流调节器的设计和校验1）确定时间常数已知，所以电流环小时间常数=0.0017+0.002=0.0037S。2） 选择电流调节器的结构可用PI型电流调节器。3） 电流调节器参数计算： 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，查得有=0.5，所以=，所以ACR的比例系数 =。4） 校验近似条件电流环截止频率=135.1。晶闸管整流装置传递函数的近似条件：，满足条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响条件： ，满足条件。电流环小时间常数近似处理条件：，满足条件。5） 计算调节器的电阻和电容取运算放大器的=40，有=1.07840=43.12，取45，取0.3，取0.2。故=，其结构图如下所示： 图3.1 电流调节器3.2转速调节器的设计和校验1） 确定时间常数：有则，已知转速环滤波时间常数=0.01s，故转速环小时间常数。2） 选择转速调节器结构：按设计要求，选用PI调节器3） 计算转速调节器参数：按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=4,则ASR的超前时间常数为：，转速环开环增益 。ASR的比例系数为：。4） 检验近似条件转速环截止频率为。电流环传递函数简化条件为，满足条件。转速环小时间常数近似处理条件为：，满足条件。5） 计算调节器电阻和电容：取=40，则，取3700。，取0.02，取1。故。其结构图如下：图3.2 转速调节器6） 校核转速超调量：由h=4，查得，不满足设计要求，应使ASR 退饱和重计算。设理想空载z=0，h=4时，查得=77.5%，所以=2（）（）=，满足设计要求.总结与体会双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态启动时，由于在启动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从启动时间上看，第二阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速启动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态是无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。ACR的作用是电