电流与转速双闭环直流调速系统的设计与研究-论文

电流与转速双闭环直流调速系统的设计与研究电流与转速双闭环直流调速系统的设计与研究 论文论文 目录 摘要 2 第一章 转速 电流双闭环直流调速系统 主电路设计 3 一 转速 电流双闭环直流调速系统的系统组成 3 二 转速 电流双闭环直流调速系统的原理图 3 三 器件的选择及参数的计算 4 1 3 1可控整流变压器的选择及计算 4 1 3 2晶闸管选择及计算 4 1 3 3晶闸管的保护 5 1 3 4平波电抗器的选择及计算 5 1 3 5快速熔断器选择及计算 6 1 3 6自锁电路 6 1 3 7调节器的选择及计算 7 二 转速调节器结构的选择 7 第二章转速 电流双闭环直流调速系统 调节器设计 7 一 电流调节器设计 7 二 转速调节器设计 8 三 反号器 9 第三章 转速 电流双闭环直流调速系统 原理简述 9 一 触发电路原理 9 第四章转速 电流双闭环直流调速系统 反馈 保护及其他电路 10 一 转速反馈环节FBS 10 二 电流反馈环节及过流保护环节 11 三 零速封锁器DZS 11 四 过电压保护和TA互感器 11 五 给定器 12 六 稳压电源 12 第五章 调试并验证双闭环调速系统的起动性能 12 一 调试双闭环调速系统的起动性能 12 总结 15 参考文献 16 摘要 本文所论述的是 转速 电流双闭环直流调速系统转述单闭环直流调速系统的主电路设计与研究 主电路设计是依据晶闸管 电动机 V M 系统组成 其系统由整流变压器TR 晶闸管整流调速装置 平波电抗器L和电动机 发电机组等组成 整流变压器TR和晶闸管整流调速装置的功能是将输入的交流电整流后变成直 流电 平波电抗器L的功能是使输出的直流电流更平滑 电动机 发电机组提供三相交流电源 关键词 主电路 整流变压器 晶闸管整流调速装置 平波电抗器 第一章 转速 电流双闭环直流调速系统 主电路设计 一 转速 电流双闭环直流调速系统的系统组成 图1 1 转速 电流双闭环直流调速系统 ASR 转速调节器 ACR 电流调节器 TG 测速发电机 TA 电流互感器 UPE 电力电子变换器 Un 转速给定电压 Un 转速反馈电压Ui 电流给定电压Ui 电流反馈电压 为实现转速和电流两种负反馈分别作用 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 二者之间实行嵌套连接 如图所示 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 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 二 转速 电流双闭环直流调速系统的原理图 图1 2双闭环直流调速系统电路原理图 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 直流调速系统的电路原理图如上图所示 图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性 它们 是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的 并考虑到运算放大器的倒相作用 图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的 转速调节器ASR的输出限幅电压Uim 决定 后了电流给定电压的最大值 电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制电压Ucm 限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm 三 器件的选择及参数的计算605 电流与转速双闭环直流调速系统的设计与研究 1 3 1可控整流变压器的选择及计算 作为整流装置电源用的变压器称为整流变压器 一般的变压器有整流跟变压两项功能 其中整流是把交流变直流 整流的过程中 采用三相桥式全 控整流电路 三相桥式全控整流电路原理图如下 图1 3 三相桥式全控整流电路原理图 可控整流的原理 当晶闸管的阳极和阴极之间承正向电压并且门极加触发信号晶闸管导通 并且 去掉门极的触发信号晶闸管依然维持导通 当晶闸管的阳极和阴极之间承受反向电压并且门极 不管加不加触发信号晶闸管关断 可控整流变压器的参数计算 参考课程设计一数据 选择一台主变压器计算如下 一次绕组为0 22KV 二次绕组为0 232KV 由直流发电机额定数据得 PN 0 185KW P30 PN 0 185KW 查附录表1得实验室小型电热设备的cos 1 0 tan 0 Q30 P30 tan 0 185 0 0KV A S30 P30 cos 0 185 1 0 0 185 KV A 只装一台主变压器应全部满足用电设备总计算负荷S30的需要 即 ST SNT S30 选择SNT 0 2 KV A 所以所选变压器的型号为 S9 0 2 0 38 型 1 3 2晶闸管选择及计算 晶闸管导通的条件 受正向阳极电压 同时受正向门极电压 一旦导通后 门极信号去掉后晶闸管 仍导通 晶闸管维持导通的条件 继续受正向阳极电压 同时流过晶闸管的电流大于它的维持电 流 晶闸管关断条件 必须去掉阳极所加的正向电压 或者给阳极施加一反电压 或者设法使流过 晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 晶闸管参数计算如下 参考课程设计一数据 Ud Cen IdR 0 155 1600 1 1 52 3 305 53V U2 Ud 2 34 305 53 2 34 130 57V Id0 Udo R 305 53 52 3 5 84A Ivt Id0 3 1 2 3 37A Ivt AV Ivt 1 57 2 15A URM 61 2U2 319 83V 可选用的晶闸管为 KP 5 8 型 表1 1 型号Type 通态平均电流 IT AV A 正向电流有效值 IF AV A 通态峰值电压 VTM 正反向重复峰值电压 VRRM V 正反向重复峰值电流 IRRM mA 触发电流 IGT mA 触发电压 VGT V 维持电流 IH MA 断态电压临界上升率dv dt V s 通态电流临界上升率di dt A s 工作结温 Tj 结壳热阻 Pjc W 外型 Outline 推荐散热器 KP5A 5 8 2 2 200 2000 8 0 5 45 2 5 5 45 500 40 250 3 0 B1 SZ13 1 3 3晶闸管的保护 晶闸管的保护电路 大致可以分为两种情况 一种是在适当的地方安装保护器件 例如 R C阻容吸收回路 限流电感 快速熔断器 压敏电阻或硒堆等 再一种则是采用电子保护电路 检 测设备的输出电压或输入电流 当输出电压或输入电流超过允许值时 借助整流触发控制系统使 整流桥短时内工作于有源逆变工作状态 从而抑制过电压或过电流的数值 1 晶闸管的过流保护 晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类 一类是由于整流电路内部原因 另一类则是整流桥 负载外电路发生短路而引起的过电流 另外 如整流变压器中心点接地 当逆变负载回路接触大 地时 也会发生整流桥相对地短路 1 对于第一类过流 即整流桥内部原因引起的过流 以及逆变器负载回路接地时 可以采用第一 种保护措施 最常见的就是接入快速熔短器的方式 2 对于第二类过流 即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流 则应当采用电子电路进行保 护 2 晶闸管的过压保护 晶闸管设备在运行过程中 会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭 同时 设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现 1 过电压保护的第一种方法是并接R C阻容吸收回路 以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制 2 过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护 1 3 4平波电抗器的选择及计算 平波电抗器 平波电抗器用于整流以后的直流回路中 整流电路的脉波数总是有限的 在输出的 整直电压中总是有纹波的 这种纹波往往是有害的 需要由平波电抗器加以抑制 平波电抗器的电感量一般按低速轻载时保证电流连续的条件来选择 对于三相桥式整流电路 参考课程设计一数据 L 0 693U2 Idmin 又因为一般Idmin为电动机额定电流的5 10 这里去10 In 1 1A 因此 L 0 693 U2 0 11 Ud Cen IdR 0 155 1600 1 1 52 5 305 75V U2 Ud 2 34 305 75 2 34 123 93V 所以 L 0 693 123 93 0 11 780 76mh 1 3 5快速熔断器选择及计算 熔断器作用 当电路发生故障或异常时 伴随着电流不断升高 可能损坏电路中的某些重要器件或贵重器件 也有可能烧毁电路甚至造成火灾 若安置了熔断器 那么 熔断器就会在电流异常升高到一定的 高度和一定的时候 自身熔断切断电流 从而起到保护电路安全运行的作用 快速熔断器的额定电流的计算如下 ITN IT 2 A 其中IT为晶闸管的额定通态平均电流 即为5A 因此 ITN 7 854A 快速熔断器的额定电压UTN可用下列公式计算 UTN KUTUV 21 2 UV U2 130 662V KUT为元件电压计算系数 查表得2 45 因此 UTN 226 36V 所以应选用的熔断器为 RT0 100 型 1 3 6自锁电路 在接触器的 自锁 电路 简单的两位按钮 开 和 断 接触器的线圈一个接头 根据线圈的电压 要求 接上一条火线或零线 在按电钮 开 的时候 由按钮接通线圈的另一个接头 提供了线圈 电压 接触器吸和 当按钮断开时 按钮的这一条火线 通过接触器的辅助接点 继续为线圈提供 电压 接触器还可以保持接通状态 这就是接触器的 自锁 如果要断开接触器 就按动按钮开 关的 停 接触器失电 断开了电路 如图所示 图1 4 自锁电路原理图 1 3 7调节器的选择及计算 系统给定 U nm U im 10V 1 5 Idm Id 转速反馈系数 U nm nmax 10 1600 0 006V min r 电流反馈系数 U im Idm 10 1 1 1 5 6 06V A 一 电流调节器结构的选择 电流环的传递函数可以写成 电流环以跟随性能为主 即选用典型I系统 图1 5 电流环等效近似处理后校正成为典型I系统框图 ACR选用PI型电流调节器 传函如下 WACR S Ki is 1 is Ki 电流调节器的比例系数 i 电流调节器的超前时间常数 二 转速调节器结构的选择 转速环开环传递函数应共有两个积分环节 所以应该设计成典型II系统 系统同时也能满足动态 抗扰性能好的要求 图1 6转速环等效近似处理后校正成为典型II系统框图 ASR也应该采用PI调节器 其传递函数为 WASR s Kn ns 1 ns Kn 转速调节器的比例系数 n 转速调节器的超前时间常数 第二章转速 电流双闭环直流调速系统 调节器设计 一 电流调节器设计 2 1 1确定时间常数 1 整流装置滞后时间常数Ts 按表1 2 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 三相桥式电路每个波头的时间是3 3ms 为了基本滤平波头 应有 1 2 Toi 3 33ms 因此取Toi 2ms 0 002s 3 电流环小时间常数之T i近似处理 取T i Ts Toi 0 0037s 4 电枢回路电磁时间常数Tl Tl L R 0 781 52 3 0 015s 5 电力拖动系统时间常数Tm由实验测得 Tm 40ms 0 04s 2 1 2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I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W s Ki iS 1 iS 检查对电源电压的抗干扰性能 Tl T I 0 015s 0 0037s 4 05 参照书中表2 3的典型型系统动态抗扰性能 各项指标都是可以接受的 2 1 3计算电流调节器参数 电流调节器超前时间常数 i Tl 0 015s 电流环开环增益 要求 i 5 时 查表得KIT i 0 5 因此 KI 0 5 0 0037s 135 1s 1 于是 ACR的比例系数为 Ki KI iR Ks 135 1 0 015 52 3 122 5 6 06 0 143 2 1 4校验近似条件 电流环截止频率 Wci KI 135 1s 1 晶闸管整流装置传递函数近似条件 1 3Ts 1 3 0 0017s 191 6s 1 Wci 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 3 1 TmTl 3 1 0 04s 0 015s 122 47s 1 Wci 满足近似条件 电流环小时间常数近似处理条件 1 3 1 TsToi 1 3 1 0 0017 0 002 180 8s 1 Wci 满足近似条件 2 1 5计算调节器电阻和电容 所用运算放大器取R0 40k 各电阻和电容值为 Ri KiR0 0 143 40 5 72K Ci i Ri 0 015 5 72 2 62 F Coi 4Toi R0 4 0 002 40 0 2 F 二 转速调节器设计 2 2 1确定时间常数 1 电流环等效时间常数1 KI 已知KIT i 0 5 则 1 KI 2T i 2 0 0037s 0 0074s 2 转速时间常数Ton 根据所用测速发电机纹波情况 取Ton 0 01s 3 转速小时间常数 T n 按小时间常数近似处理 取 T n 1 KI Ton 0 0174s 2 2 2选择电流调节器结构 由于设计要求无静差 故选用PI型电流调节器 其传递函数为 W s Ki iS 1 iS 2 2 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 n hT n 5 0 0174s 0 087s 转速开环增益 KN h 1 2h2T n2 6 2 52 0 0174 396 4s 2 ASR的比例系数为 Kn h 1 CeTm 2h RT n 6 6 06 0 155 0 04 2 5 0 00625 52 3 0 0174 3 96 2 2 4检验近似条件 转速环截止频率为 Wcn KN W1 KN n 396 4 0 087 34 5s 1 1 电流环传递函数简化条件为 KI T i 3 135 1 0 0037 3 63 7s 1 Wcn 2 转速环小时间常数近似处理条件为 KI Ton 3 135 1 0 01 3 38 7s 1 Wcn 2 2 5计算调节器电阻和电容 取R0 40k 各电阻和电容值为 Rn KnR0 3 96 40 158 4k Cn n Rn 0 087 158 4 103 5 49 10 3F Con 4Ton R0 4 0 01 40 103 1 F 2 2 6校核转速超调量 n 2 Cmax Cb Z nN n T n Tm 2 81 2 1 5 0 5 0 8 52 3 0 155 1600 0 0174 0 04 11 92 15 能满足设计要求 转速调节器具有将输入的给定信号与反馈信号进行加 减 比例 积分 违反等一些运算的功能 使其 输出量能根据输入的信号按照某种预定的规律变化 上图为转速调节器电路图 三 反号器 图2 1 反号器电路图 反号器AR由运算放大器及有关电阻组成 如图2 3所示 用于调速系统中信号需要倒相的场合 反号器的输入信号由信号放大器的反相输入 故输 出电压为 Uout RP R3 R1 调解RP的可动触点 可改变RP的数值 使RP R3 R1 则Uout Uin 输入与输出成倒相关系 第三章 转速 电流双闭环直流调速系统 原理简述 一 触发电路原理 三相桥式全控整流电路相当于一组共阴极的三相半波和一组共阳极的三相半波可控整流电路串 联起来构成的 习惯上将晶闸管按照其导通顺序编号 共阴极的一组为VT1 VT3和VT5 共阳极 的一组为VT2 VT4和VT6 电流与转速双闭环直流调速系统的设计与研究 图4 1 三相桥式电阻性负载全控整流电路 图4 2 三相桥式电阻性负载a 0 时波形 图4 3 三相桥式全控整流电路触发脉冲 第四章转速 电流双闭环直流调速系统 反馈 保护及其他电路 一 转速反馈环节FBS 1 转速反馈环节主要作用是将测速发电机输出的电压进行滤波 滤除交流分量并变换为能满足系 统需要的与电动机转速成正比的电压作为系统的转速反馈信号 另外还备有转速的检测信号 图4 1 转速反馈环节FBS电路图 二 电流反馈环节及过流保护环节 1 交流互感器测得晶闸管交流进线的电流 以获得过电流信号 图5 4是过流保护电路的电路图 图4 2 过流保护电路的电路图 三 零速封锁器DZS 零速封锁器的作用是当系统处于停车状态时 即给定电压为零 同时电动机转速也为零时 将系 统中所有调节器锁零 以避免停车时 由于各调节器的零点漂移 致使晶闸管整流电路有微量的 输出 从而使电动机出现窜动现象 四 过电压保护和TA互感器 压敏电阻RV三角形联结进行交流侧的过电压保护 电流互感器TA可取得与主电路电流成正比的 电流信号用于控制系统中 图4 3 过电压保护和TA互感器 五 给定器 给定器可以产生幅值可调和极性可变的阶跃给定电压或可平滑调节的给定电压 图4 4 给定器的电路图 六 稳压电源 1 稳压电源输出稳定的 15V直流电源向所有需要直流电源的各控制单元供电 它由整流 滤波 稳 压三个部分组成 第五章 调试并验证双闭环调速系统的起动性能 一 调试双闭环调速系统的起动性能 5 1 1双闭环调速系统调试选择 1 先部件 后系统 即先将各单元的特性调好 然后才能组成系统 2 先开环 后闭环 即使系统能正常开环运行 然后在确定电流和转速均为负反馈时组成闭环系 统 3 先内环 后外环 即先调试电流内环 然后调转速外环 5 1 2开环外特性的测定 1 控制电压UCt由给定器Ug直接接入 直流发电机所接负载电阻Rd断开 2 使Ug 0 调节偏移电压电位器 使 稍大于90 合上主电路电源 逐渐增加给定电压Ug 使电 机起动 升速 调节Ug使电机空载转速n0 1500r min 再调节负载电阻Rd 改变负载 在直流电机 空载至额定负载范围 测取7 8点 读取电机转速n 电机电枢电流Id 即可测出系统的开环外特性n f Id 表5 1开环特性n f Id 的测定 n r min 1200 1190 1180 1170 1160 1140 Id A 0 58 0 68 0 71 0 75 0 8 0 9 注意 若给定电压Ug为0时 电机缓慢启动 则表明 太小 需后移 5 1 3单元部件调试 ASR调试 使调节器为PI调节器 加入一定的输入电压 调整正 负限幅电位器RP1 RP2 是输出 正负值等于 5V ACR调试 使调节器为PI调节器 加入一定的输入电压 调整正 负限幅电位器 使脉冲前移 30 使脉冲后移 30 反馈电位器RP3逆时针旋到底 使放大倍数最小 5 1 4系统调试 电流与转速双闭环直流调速系统的设计与研究 将Ublf接地 Ublr悬空 即使用一组桥六个晶闸管 1 电流环调试 电动机不加励磁 a 系统开环 即控制电压Uct由给定器Ug直接接入 开关S拨向左边 主回路接入电阻Rd并调至最 大 Rd由MEL 03的两只900 电阻并联 逐渐增加给定电压 用示波器观察晶闸管整流桥两端电压波形 在一 个周期内 电压波形应有6个对称波头平滑变化 b 增加给定电压 减小主回路串接电阻Rd 直至Id 1 1Inom 再调节MCL 31挂箱上的电流反馈电位器RP 使电流反馈电压Ui近似等于速度ASR的输出限幅值 ASR的输出 限幅值为 5V c MCL 31的G 给定 输出电压Ug接至ACR的 3 端 ACR的输出 7 端接至Uct 即系统接入已接成PI调节 的ACR组成电流单闭环系统 ACR的 9 10 端接MCL 11电容器 可预置7 5 F 同时 反馈电位器RP3逆时针旋到底 使放大倍数最小 逐渐增加给定电压Ug 使之等于ASR 输出限幅值 5V 观察主电路是否小于或等于1 1Inom 如Id过大 则应调整电流反馈电位器 使Ui增加 直至Id 1 1Inom 如Id Inom 则可将Rd减小直至切除 此时应增加有限 小于过电流保护整定值 这说明系统已具有限 流保护功能 测定并计算电流反馈系数 2 速度变换器的调试 电动机加额定励磁 a 系统开环 即给定电压Ug直接接至Uct Ug作为输入给定 逐渐加正给定 当转速n 1500r min 时 调节FBS 调速变换器 中速度反馈电位器RP 使速度反馈电压为 5V左右 计算速度反馈系 数 b 速度反馈极性判断 系统中接入ASR构成转素单闭环系统 即给定电压Ug接至ASR的第2端 A SR的第3端接至Uct 调节Ug Ug为负电压 若稍加给定 电机转速即达最高速且调节Ug不可控 则表明单闭环系统速度反馈极性有误 但若接成转速 电流双闭环系统 由于给定极性改变 故速度反馈极性可不变 5 1 5系统特性测试 将ASR ACR均接成PI调节器接入系统 形成双闭环不可逆系