双闭环直流电动机调速系统设计.doc

武汉理工大学 电力拖动自动控制系统 课程设计说明书 1 目目 录录 1 绪论 2 2 设计任务和要求 2 2 1 设计参数 2 2 2 主要任务 2 3 调速系统总体设计 3 4 主电路设计 4 4 1 主电路原理及电路图 4 4 2V M 电路中的环流问题 5 4 3 电路的谐波和功率因数分析 7 5 电路参数的设计及电路原件的选择 8 5 1 整流变压器的计算 8 5 2 电流调节器的设计 9 5 3 转速调节器的设计 10 5 4 晶闸管的选型 12 6 触发电路设计 12 7 晶闸管过电压保护和过电流保护电路设计 15 7 1 晶闸管的过电压保护 15 7 2 过电流保护 15 7 3 缓冲电路 16 7 设计小结及体会 17 参考文献 18 附录 19 武汉理工大学 电力拖动自动控制系统 课程设计说明书 2 双闭环直流电动机调速系统设计 1 绪论 直流电动机具有良好的起 制动性能 宜于在大范围内实现平滑调速 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 直流拖动 控制系统又是交流拖动控制系统的基础 所以应该首先掌握直流拖动控制系统 采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭环直流调速系统是比较基础比较容易掌握的 它 可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差 但是 如果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 单闭环系统就难以满足需要 原因 是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程 为了实现在允许条 件下的最快起动 关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程 采用电流负反 dm I 馈就可以得到近似的恒流过程 怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈 又使 它们只能分别在不同的阶段里起作用呢 转速 电流双闭环直流调速系统很好的解决了 这个问题 转速 电流双闭环直流调速系统是性能很好 应用最广的直流调速系统 采用转速 电流双闭环直流调速系统可获得优良的静 动态调速特性 转速 电流双闭环直流调速 系统的控制规律 性能特点和设计方法是各种交 直流电力拖动自动控制系统的重要基 础 所以掌握直流双闭环调速系统对于电力拖动控制系统的学习有很重要的作用 2 设计任务和要求 2 1 设计参数设计参数 直流电动机负载 电动机额定参数为 3 3KW 220V 15 6 980 min 电流 过载倍数 1 5 Ce 0 135v min r 他励电压 220V 2 22 2 主要任务主要任务 1 空载启动转速超调量 10 电流超调量 5 2 完成总体系统设计 3 完成单元电路和总电路设计 武汉理工大学 电力拖动自动控制系统 课程设计说明书 3 3 3 调速系统总体设计调速系统总体设计 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 决定了电流给定电压的最大值 电流调节器 ACR 的输出限幅电压限制了电力电子 im U cm U 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 3 1 所示 给定电压 速速度度 调调节节器器 电电流流 调调节节器器 三三相相集集成成 触触发发器器 三三相相 全全控控桥桥 直直流流 电电动动机机 电电流流 检检测测 转转速速 检检测测 Un Un U n Ui Ui Uc n Ud 图 3 1 直流双闭环调速系统 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 其原理图如图 3 2 所示 武汉理工大学 电力拖动自动控制系统 课程设计说明书 4 图 3 2 直流双闭环调速系统原理图 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 4 主电路设计 4 1 主电路原理及电路图 为实现电机的四象限运行 可采用两组晶闸管反并联连接 电路图如3 1 所示 电动机正向运行时由正组变流器供电 反向运行时 则由反组变流器供电 两组晶闸管 分别由两套触发装置控制 都能灵活的控制电动机的起 制动和升 降速 在 V M 系统 中一般不允许让两组晶闸管同时处于整流状态 否则将造成电源短路 武汉理工大学 电力拖动自动控制系统 课程设计说明书 5 fdrd UU 00 fdfd UU cos max00 图 3 1 主电路原理图 电动机四象限运行时两组变流器 简称正组桥 反组桥 的工作情况 第 1 象限 正转 电动机作电动运行 正组桥工作在整流状态 1 2 EM Uda 第 2 象限 正转 电动机作发电运行 反组桥工作在逆变状态 2 2 EM Udb 第 3 象限 正转 电动机作电动运行 反组桥工作在整流状态 2 2 EM Uda 第 4 象限 反转 电动机作发电运行 正组桥工作在逆变状态 1 2 EM Udb 4 2V M 电路中的环流问题 采用两组晶闸管反并联的可逆 V M 系统解决了电机的正 反转运行和回馈制动问题 但是 如果两组装置的整流电压同时出现 便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之 间流通的短路电流 称作环流 如图 3 2 所示 一般地说 这样的环流对负载无益 徒 然加重晶闸管和变压器的负担 消耗功率 环流太大时会导致晶闸管损坏 因此应该予 以抑制或消除 图 3 2 反并联 V M 系统中的环流 由图 3 2 可以看出 如果让正组 VF 和反组 VR 都处于整流状态 两组的直流平均电 压正负相连 必然产生较大的直流平均环流 为了防止产生直流平均环流 应该在正组 处于整流状态 为正时 强迫让反组处于逆变状态 为负 且幅值与相等 fd U 0fd U 0fd U 0 使逆变电压把整流电压顶住 则直流平均环流为零 于是 rd U 0fd U 0 武汉理工大学 电力拖动自动控制系统 课程设计说明书 6 rdrd UU cos max00 fr coscos 180 fr rf 其中和分别为 VF 和 VR 的控制角 由于两组晶闸管装置相同 两组的最大输出 f r 电压是一样的 因此 当直流平均环流为零时 应有 max0d U 或 如果反组的控制角用逆变角表示 则 r 由此可见 按照上式来控制就可以消除直流平均环流 这称作配合控制 为了 更可靠地消除直流平均环流 可采用 rf 为了实现配合控制 可将两组晶闸管装置的触发脉冲零位都定在 90 即当控 制电压时 使 此时 电机处于停止状态 增0 c U 90 000rrf 0 00 rdfd UU 大控制电压移相时 只要使两组触发装置的控制电压大小相等符号相反就可以了 这 c U 样的触发控制电路示于图 3 3 用同一个控制电 4 组触发装置 正组触发装置 GTF 由 直接控制 而反组触发装置 GTR 由控制 是经过反号器 AR 后获得的 c U cc UU c U 图 3 3 配合控制电路 采用同步信号为锯齿波的触发电路时 移相控制特性是线性的 两组触发装置的控 制特性都画在图 3 4 中 当控制电压时 和都调整在 90 增大时 0 c U f r c U 减小而增大 或减小 使正组整流而反组逆变 在控制过程中始终保持 f r r rf 反转时 则应保持 fr 武汉理工大学 电力拖动自动控制系统 课程设计说明书 7 2 3 D II 61 1 61 2 31111 sinsin5sin7sin11sin13 571113 1 1sin2 32 3 sin 2sin12sin ad k dd nk k n nk iIwtwtwtwtwt nwt IwtIn IwtInwt 图 3 4配合控制特性 为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中逆变角太小而导致换流失败 出现 逆变 颠覆 现象 必须在控制电路中进行限幅 形成最小逆变角保护 与此同时 对角 min 也实施保护 以免出现而产生直流平均环流 通常取 其值视 min 30 minmin 晶闸管器件的阻断时间而定 4 3 电路的谐波和功率因数分析 这里我们假设直流电感 l 为足够大 以 为例 此时 电流为正负半周各 0 30 的方波 三相电流波形相同 且依次相差 其有效值与直流电流的关系为 0 120 0 120 同样可将电流波形分解为傅里叶级数 以 a 相电流为例 将电流负 正两半波的中 点作为时间零点 则有 由上式可得电流基波和各次谐波有效值分别为 1 I n I 武汉理工大学 电力拖动自动控制系统 课程设计说明书 8 2 2N I I max 2 2 min 2 cos dT sh N UnU U I ACU I 1 6 6 d nd II II n 1 3 0 955 I I 11 coscos 1 111 3 coscos0 955cos I I n 6k 1 k 1 2 3 由此可得以下结论 电流仅含 6k 1 k 为正整数 次谐波 各次谐波有效值与谐波 次数成反比 且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数 由以上式子可得基波因数为 电流基波与电压的相位差仍为 故位移因数仍为 功率因数即为 5 电路参数的设计及电路原件的选择 5 1 整流变压器的计算 变压器副边电压可以采用如下公式计算 负载所要求的整流输出的最大值 maxd U 晶闸管正向压降 通常为 0 4 1 2v 这里取 1v T U T U n 主电路中电流回路晶闸管个数 A 理想情况下 0 时 整流输出电压与二次边相电压之比 C 线路接线方式系数 电网电压波动系数 通常取 0 9 最小控制角 取 min min 30o 变压器短路电压比 100kv 一下取 0 05 sh U sh U 变压器二次侧实际工作电流额定电流比 武汉理工大学 电力拖动自动控制系统 课程设计说明书 9 2 2N I I 已知 220v 1v n 2 查表的 A 2 34 取 0 9 0 05 maxd U T U min 30o sh U 1 查表得 C 0 5 代入上式得 2 min 2202 2 121 7 2 34 0 9 cos0 5 0 05 UV 因此变压器变比取 1380 3 12 2121 7 U K U 整流变压器容量 22 3 121 7 15 65 7SmU Ikw 5 5 2 2 电流调节器的设计电流调节器的设计 1 确定时间常数 1 整流装置滞后时间常数 Ts 三相桥式电路的平均失控时间 Ts 0 0017s 2 电流滤波时间常数 Toi 三相桥式电路的每个波头的时间是 3 3ms 为了基本滤 平波头 应有 1 2 Toi 3 3ms 因此取 Toi 2ms 0 002s 3 电流环小时间常数之和 按小时间常数近似处理 取 i T Ts Toi 0 0037s i T 4 电磁时间常数的确定 由前述已求出电枢回路总电感 l T 2 1 min 0 693 121 7 5 4 15 6 l d U LKmH I 则电磁时间常数 5 4 0 01 0 58 l l LmH Ts R 2 选择电流调节器的结构 根据设计要求 并保证稳态电流无静差 可按典型 I 型系统设计电流调节器 10 i 电流环控制对象是双惯性型的 因此可用 PI 型调节器 其传递函数为 1 ii ACR s i Ks W s 式中 电流调节器的比例系数 i K 电流调节器的超前时间常数 i 检查对电源电压的抗扰性能 0 01s 2 7 0 0037s l i T T 3 计算电流调节器的参数 电流调节器超前时间常数 0 01s il T 电流开环增益 要求时 取 10 i 0 5 Ii K T 武汉理工大学 电力拖动自动控制系统 课程设计说明书 10 因此 1 0 50 5 135 1 0 0037 I i Ks Ts 于是 ACR 的比例系数为 135 1 0 01 0 58 0 051 36 0 427 Ii i s KR K K 式中 电流反馈系数 10 10 0 427 1 5 15 6 N VI 晶闸管专制放大系数 36 s K 4 校验近似条件 电流环截止频率 1 135 1 ciI Ks 1 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 2 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 1 11 3347 81 0 0630 0625 ci ml s T Tss 满足近似条件 3 电流环小时间常数近似处理条件 1 1111 180 78 330 00170 002 ci soi s TTss 满足近似条件 电流调节器结构示意图如图 5 1 所示 图 5 1 含滤波环节的 PI 型电流调节器 5 35 3 转速调节器的设计转速调节器的设计 1 确定时间常数 武汉理工大学 电力拖动自动控制系统 课程设计说明书 11 1 电流环等效时间常数 1 KI 由前述已知 则0 5 Ii K T 1 22 0 00370 0074 i I Tss K 2 转速滤波时间常数 根据所用测速发电机纹波情况 取 on T 0 01s on T 3 转速环小时间常数 按小时间常数近似处理 取 n T 1 0 00740 010 0174 non I TTsss K 2 选择转速调节器结构 按照设计要求 选用 PI 调节器 其传递函数式为 1 nn ASR n Ks Ws s 3 计算转速调节器参数 按跟随和抗扰性能都较好的原则 先取 h 5 则 ASR 的超前时间常数为 h 5 0 0174s 0 087s nn T 则转速环开环增益 K 22 2222 16 396 4 22 50 0174 N n h ss h T 可得 ASR 的比例系数为 1 6 0 125 0 135 0 063 9 43 22 5 0 0067 0 58 0 0174 em n n hC T K h R T 转速反馈系数 1010 0 0102 min 980 N VV Vr n 4 检验近似条件 转速截止频率为 11 1 396 4 0 08734 5 N cnNn K Kss 1 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 2 转速环小时间常数近似处理条件为 11 11135 1 38 7 330 01 I cn on K ss T 满足近似条件 武汉理工大学 电力拖动自动控制系统 课程设计说明书 12 2 2 2 VT II 转速调节器的结构示意图入图 5 2 所示 图 5 2 含滤波环节的 PI 型转速调节器 5 4 晶闸管的选型 晶闸管的额定电压通常取段态重复峰值和反向重复峰值电压中较小的标值 DRM U RRM U 作为该晶闸管的额定电压 晶闸管的额定电流一般取通态平均电流的 1 5 2 倍 在桥式 整流电路中 晶闸管承受的最大正反电压均为 晶闸管额定电压一般选取最大反向 2 2U 电压的 2 3 倍 带反电动势时 变压器二次侧电流有效值为其输出平均电流的一半 而对于对于 2 I 桥式整流电路 晶闸管的通态平均电流 则在本设计中晶闸管额定电流 11 03A VT AV I 在本设计中晶闸管额定电压 311V N U 6 触发电路设计 要使晶闸管开始导通 必须有足够能量的触发脉冲 在晶闸管电路中必须有触发电 路 用于晶闸管可控整流电路等相控电路的驱动控制 即晶闸管的触发电路 要使晶闸 管开始导通 必须施加触发脉冲 在晶闸管触发电路中必须有触发电路 触发电路性能 的好坏直接影响晶闸管电路工作的可靠性 也影响系统的控制精度 正确设计触发电路 是晶闸管电路应用的重要环节 对于三相桥式整流电路的触发电路很重要的一点就是保证按触发角的大小在正确 的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发设计 也就是保持触发电路与主电路同步 为 保证触发电路和主电路在频率上一直 在设计中采用了一个同步变压器 将一次侧接入 武汉理工大学 电力拖动自动控制系统 课程设计说明书 13 为主电路供电的电网 由其二次侧提供同步信号接入触发电路 在本次设计中采用了以集成触发器 TC787 为晶闸管触发电路的主要元件 TC787具有具有功耗小 功能强 输入阻抗高 抗干扰性能好 移相范围宽 外接组件少 等优点 而且装调可靠 使用方便 只需要一片芯片就可以完成三相桥式整流电路的驱 动电路 其管脚结构如图6 1所示 图 6 1 TC787 管脚分布图 各管脚功能 1 同步电压输入端 引脚 1 Vc 引脚 2 Vb 及引脚 18 Va 分别为三相同步输入 电压连接端 应用中分别接经输入滤波后的同步电压 同步电压的峰值应不超过 TC787 或 TC788 的工作电源电压 VDD 2 脉冲输出端 在半控单脉冲工作模式下 引脚 8 C 引脚 10 B 引脚 12 A 分 别为与三相同步电压正半周对应的同相触发脉冲输出端 而引脚 7 B 引脚 9 A 引脚 11 C 分别为与三相同步电压负半周对应的反相触发脉冲输出端 当TC787 或 TC788 被设置为全控双窄脉冲工作方式时 引脚 8 为与三相同步电压中 C 相正半周及 B 相负半周对应的两个脉冲输出端 引脚 12 为与三相同步电压中 A 相正半周及 C 相 负半周对应的两个脉冲输出端 引脚 11 为与三相同步电压中 C 相负半周及 B 相正半 武汉理工大学 电力拖动自动控制系统 课程设计说明书 14 周对应的两个脉冲输出端 引脚 9 为与三相同步电压中 A 相同步电压负半周及 C 相电 压正半周对应的两个脉冲输出端 引脚 7 为与三相同步电压中 B 相电压负半周及 A 相 电压正半周对应的两个脉冲输出端 引脚 10 为与三相同步电压中 B 相正半周及 A 相 负半周对应的两个脉冲输出端 应用中均接脉冲功率放大环节或脉冲变压器 3 控制端 引脚 5 Pi 为输出脉冲禁止端 该端用来进行故障状态下封锁TC787 或 TC788 的输出 高电平有效 应用中接保护电路的输出 引脚 14 Cb 引脚 15 Cc 引 脚 16 Ca 分别为对应三相同步电压的锯齿波电容连接端 该端连接的电容值大小决定 了移相锯齿波的斜率和幅值 应用中分别通过一个相同容量的电容接地 引脚 6 Pc 为 TC787 或 TC788 工作方式设置端 当该端接高电平时 TC787 或 TC788 输出双脉冲 而当该端接低电平时 输出单脉冲 引脚 4 Vr 为移相控制电压输入端 该端输入电压的高低 直接决定着TC787 或 TC788 输出脉冲的移相范围 应用中接给定环节输出 其电压幅值最大为TC787 或 TC788 的工作电源电压 VDD 引脚 13 Cx 该端连接的电容 Cx 的容量决定着 TC787 或 TC788 输出脉冲的宽 度 电容的容量越大 则脉冲宽度越宽 由 TC787 构成的晶闸管触发电路如图 6 2 所示 三相同步电压经过 T 型网络进入 电路 经过过零检测和 极性判别电路检测出零点和极性后 在 三个电容上 a C b C c C 积分形成锯齿波 锯齿波在芯片内部比较器中与移相电压比较取得交相点 触发信号由 7 12 号引脚引出 接晶闸管的门极 图 6 2 触发电路原理图 武汉理工大学 电力拖动自动控制系统 课程设计说明书 15 7 晶闸管过电压保护和过电流保护电路设计 在电力电子电路中 除了电力电子器件参数选择合适 驱动电路设计良好外 采用 合适的过电压保护 过电流保护 du dt 保护和 di dt 保护也是必要的 7 1 晶闸管的过电压保护 电力电装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类 外因过电压主 要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因 包括 1 操作过电压 由分闸 合闸等开关操作引起的过电压 电网侧的操作过电压会由 供电变压器感应耦合 或由变压器绕组之间存在的分布电容静电感应耦合过来 2 雷击过电压 由雷击引起的过电压 内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程 包括 1 换相过电压 由于晶闸管或者与全控型器件反并联的续流二极管在换相结束后不 能立刻恢复阻断能力 因而有较大的反向电流流过 使残存的载流子恢复 而当恢复了 阻断能力时 反向电流急剧减小 这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳极之间 或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压 2 关断过电压 全控型器件在较高频率工作 当器件关断时 因正向电压的迅速降 低而线路电感在器件两端感应出的过电压 本设计中采用 RC 过电压保护电路如图 7 1 所示 将该装置置于供电变压器两侧或者 电力电子电路直流侧 图 7 1 RC 过电压保护电路 7 2 过电流保护 电力电子电路运行不正常或者发生故障时 可能会发生过电流 过电流分过载和短 武汉理工大学 电力拖动自动控制系统 课程设计说明书 16 路两种情况 其中快速熔断器 直流快速短路器和过电流继电器是较为常用的措施 在 本设计中采用的事快速熔断器 其电路如图 7 2 所示 图 7 2 过电流保护电路 采用快速熔断器 简称快熔 是电力电子装置中最有效 应用最广泛的一种过电流 保护措施 在选择快熔时应考虑 1 电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定 2 电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路的连接方式确定 快熔一般与电 力半导体器件串联连接 在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中 3 快熔的值应小于被保护器件的允许值 2 I t 2 I t 4 为保证熔体在正常过载情况下不熔化 应考虑其时间 电流特性 7 3 缓冲电路 缓冲电路又称为吸收电路 其作用是抑制电力电子器件的内电压 du dt 或者过电流 和 di dt 减小器件的开关损耗 缓冲电路可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路 关断缓 冲电路又称为 du dt 抑制电路 用于吸收器件的关断过电压和换相过电压 抑制 du dt 减小关断损耗 开通缓冲电路又称为 di dt 抑制电路 用于抑制器件开通时的电流过冲 和 di dt 减小器件的开通损耗 可将关断缓冲电