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晶闸管 闭环 直流 调速 系统 设计

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1 电力拖动自动控制系统 课程设计报告 班班级级 自自动动 1102 姓名 姓名 张张 晨晨 学号 学号 111401217 指指导导老老师师 谢谢 勇勇 扬扬州大学信息工程学院自州大学信息工程学院自动动化化专业专业部部 2014 年年 12 月月 29 日至日至 2015 年年 1 月月 4 日日 2 目目 录录 一 课程设计目的和意义 二 技术指标和设计要求 2 1 技术数据 2 2 设计要求 三 系统方案选择 四 电路的设计 4 1 主电路设计 4 2 触发电路设计 4 3 调节器参数设计 4 4 保护电路设计 五 系统电路图及电路工作原理 六 系统仿真模型 6 1 双闭环直流调速系统仿真电路图 6 2 断开速度环后系统的仿真波形 七 心得体会 八 参考书目 3 一一 课课程程设计设计目的和意目的和意义义 1 熟悉自动控制系统设计的一般原则 设计内容以及设计程序的要求 掌握工程 设计的方法 2 掌握自动控制系统的计算机仿真技术 3 学会收集 分析 运用自动控制系统设计的有关资料和数据 4 通过对系统的设计 仿真调试 培养独立工作能力 分析问题解决问题的能力 5 培养编制技术总结报告的能力 二二 技技术术指指标标和和设计设计要求要求 2 1 技技术术数据数据 直流电动机额定参数为 Unom 220V Inom 100A Nnom 1470r min Ra 0 26 16N m2 1 5 励磁电压 Uf 220V 励磁电流 If 1 5A 给定电压最大值为 GD 2 10V 晶闸管整流装置 Ks 30 系统主电路 0 6R 2 2 技技术术要求要求 1 该调速系统能进行平滑的速度调节 负载电机不可逆运行 具有较宽的调速范围 D 10 系统在工作范围内能稳定工作 2 系统静特性良好 无静差 静差率 s 0 03 3 动态性能指标 空载起动到额定转速时转速超调量 n 10 电流超调量 i 5 动态速降 n 8 10 4 系统在 5 负载以上变化的运行范围内电流连续 5 调速系统中设置有过电压 过电流等保护 6 分析当速度环断开后系统工作情况 2 3 设计设计内容内容 1 根据题目的技术要求 确定调速系统方案 画出系统组成的原理框图 4 2 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算 包括有变压器 电力电子器件 平波电抗器 与保护电路等 3 动态设计计算 根据技术要求 对系统进行动态校正 确定 ASR 调节器与 ACR 调节器的 结构型式及进行参数计算 使调速系统工作稳定 并满足动态性能指标的要求 4 分析当速度环断开后系统工作情况 5 对设计的系统进行计算机仿真 6 整理设计数据资料 撰写课程设计报告 三三 系系统统方案方案选择选择 在直流电机调速中主要有单闭环 双闭环的两种方案 单闭环结构简单 它 采用转速负反馈和 PI 调节器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 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 在单闭环直流调速系统中 电流截止负反馈环节是专 门用来控制电流的 但它只能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 根据带电流截止负反馈的单 闭环直流调速系统起动过程 起动电流达到最大值后 受电流负反馈的作用降低 下来 电机的电磁转矩也随之减小 加速过程延长 理想起动过程的起动电流呈 方形波 转速按线性增长 这是在最大电流 转矩 受限制时调速系统所能获得的 最快的起动过程 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 按照反馈控制规律 采用某个物理量的负反馈就可以 保持该量基本不变 那么 采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程 所以 起动过程 采用电流负反馈 而在稳态运行时只采用转速负反馈 这就是转速 电流双闭环系统 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 二者 5 之间实行嵌套 或称串级 联接 这样构成的双闭环直流调速系统比单闭环系统 有更好的动静态性能 由于本课题既要求系统稳态无静态 又有较高的动态性能指标 因而选用双 闭环调速系统 转速 电流双闭环直流调速系统的方框图如图 1 所示 图 1 转速 电流双闭环直流调速系统 TA 电流互感器 ACR 电流调节器 TG 测速发电机 ASR 转速调节器 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 四四 电电路的路的设计设计 双闭环调速系统的动态结构框图如图 2 所示 在双闭环系统中 按照设计多 环控制系统原则 先内环后外环 应该首先设计电流调节器 然后把整个电流内 环看作是转速调节器中的一个环节 再设计转速调节器 在设计的过程中需对电 流环和转速环进行近似处理和结构化简 从而确定调节器的结构 以利于后续的 模拟电路设计和参数计算 6 图 2 双闭环调速系统的动态结构框图 4 1 主电路设计 4 1 1 设计思路 本设计中直流电动机由单独的可调整流装置供电 三相全控桥整流电路是 目前应用最广泛的整流电路 其输出电压波动小 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 将近 50 把该电路 如图 3 所示 应用于本 设计 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 通 过调节触发延迟角 的大小来控制输出电压 Ud 的大小 从而改变电动机 M 的 供电电压 由改变电枢电压调速系统的机械特性方程式 n Ud Ce RO Ra T CeCT 2 1 式中 Ud 整流电压 RO 整流装置内阻 由式 1 可知 改变 Ud 即可改变转速 n 7 图 3 三相全控桥整流电路 4 1 2 整流变压器容量计算 1 变压变压器次器次级电压级电压 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 U2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 U2 影响 U2值的因素有 1 U2值的大小首先要保证 满足负载所需求的最大直流值 Ud 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 UT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 U2精确表达式为 I Iu ur I I rru U d dK Td d d pdD CebA n max max 2 100 1 上式为变压器二次侧相电压 U2的较精确表达式 在要求不太精确的情况下 变 压器二次侧相电压 U2可由简化式确定 2 A u U D 5 1 2 1 2 式中 UD是电动机的额定电压 系数可由参考资料 1 中的表 6 1 查得 u ud A 2 0 A 2 34 计算得 U2在 112 8 141 之间 取 U2 120V 2 次级电流 I2和变压器容量 8 I2 KI2 Id KI2 为各种接线形式时变压器次级电流有效值和负载电流平均值 之比 对于本设计 KI2 取 0 816 且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗 故 I2 0 816 150 122 4A 变压器变比 K U1 U2 380 120 3 2 取 K 3 同样 由参 1 表 6 1 查得变压器二次和一次绕组的相数 m2 3 m1 3 所以 二次容量 kW IumS 44 4 122 120 3 2222 一次容量 S1 m1 U1 I1 3 380 40 8 44KW S S1 S2 2 44KW 4 1 3 晶闸管参数计算 三相全控桥整流电路实际上是组成三相半波晶闸管整流电路中的共阴极组 和共阳极组串联电路 如图 3 所示 三相全控桥整流电路可实现对共阴极组和共 阳极组同时进行控制 控制角都是 60 度 在一个周期内 6 个晶闸管都要被触发 一次 触发顺序依次为 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 6 个触发脉冲相位依次相 差 60 度 为了构成一个完整的电流回路 要求有两个晶闸管同时导通 其中一个 在共阳极组 另外一个在共阴极组 晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压 Um 考虑到电 电网电压的波动和操作过电压等因素 还要放宽 2 3 倍的安全系数 即按下式选 取 UTN 2 3 UM 式中系数 2 3 的取值应视运行条件 元件质量和对可靠性的 要求程度而定 对于本设计 UM 6 U2 故计算的晶闸管额定电压为 UTN 2 3 6 U2 2 3 294 588 882V 取 1000V 为使晶闸管元件不因过热而损坏 需要按电流的有效值来计算其电流额定 值 即必须使元件的额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值 可按 下式计算 IT AV 1 5 2 KfbIMAX 式中计算系数 Kfb Kf 1 57Kb由整流电路型式而 9 定 Kf为波形系数 Kb为共阴极或共阳极电路的支路数 当 00时 三相全控桥 电路 Kfb 0 368 故计算的晶闸管额定电流为 IT AV 1 5 2 KfbIMAX 1 5 2 0 368 100 1 5 82 8 110 4A 取 100A 4 1 4 电抗器电感量计算 由于电动机电枢和变压器存在漏感 因而计算直流回路附加电抗器的电感量 时 要从根据等效电路折算后求得的所需电感量中 扣除上述两种电感量 使输 出电流连续的临界电感量的计算公式 3 2 11 mind U LK I 式中 u2为晶闸管装置交流侧的电流相电压有效值 Id min 为要求连续的最小负 载电流平均值 K l 为与整流主电流形式有关的系数 查参考资料 1 中的表 6 6 中的序号 2 4 1 120 0 69316 6 5 100 LmH 但在电机回路中包括电机电感和变压器每相的漏感 实际外加电感比 4 式要求的小 电机电感公式如下 5 3 10 2 D DD d U LK PnI 式中 UD和 ID为电动机的额定电压和额定电流 n 和 p 为电动机的额定转速 和磁极对数 KD为计算系数 对于一般无补偿电机 KD 8212 LD 为单位为 mH 很明显 N nom 1470r min 时 p 2 6 3 220 8102 99 2 2 1470 100 D LmH 折合到变压器二次每相的漏感 LB计算公式 10 7 100 kz BB d UU LK I 式 u2 晶闸管装置交流侧的电流相电压有效值 Id 晶闸管装置直流侧的额定负载电流 uk 变压器的短路比 按参 1 中的 6 1 计算 KB 与整流主电路形式有关的系数 查参 1 表 6 6 中的序号 3 LB 单位为 mH 8 5120 3 90 234 100100 B LmH 与负载串联的限制电流脉动的实际临界电感量 9 2 lalDB LLLL 最后算得使输出电流连续的临界电感量 L 15 8mH 4 2 触发电路设计 由于集成触发电路不仅成本低 体积小 而且还有调式容易 使用方便等优 点 故本设计采用 KJ041 集成触发电路 KJ041 为 6 路双脉冲形成器 它是三相全空桥式电路的触发器 它具有双脉 冲形成和电子开关封锁等功能 KJ041 实用电路如图 4 所示 移相触发器输出脉 冲加到该器件的 1 6 端 器件内的输入二极管完成 或 功能 形成补脉冲 该脉 冲经放大后分 6 路输出 当控制端 7 接逻辑 0 电平时 器件内的电子开关断开 各路输出触发脉冲 采用 KJ041 集成触发电路的同步电压应滞后于主电路电压 180 度 本设计 主电路整流变压器采用 D y 11 联结 同步变压器采用 D y5 11 联结 这时 同 11 步电压选取的结果见表一 usa 1 2 3 4 5 6 7 11 10 9 14 13 12 8 16 15 1 2 3 4 5 6 7 11 10 9 14 13 12 8 16 15 K J 0 04 K J 004 15V 15V 1 2 3 4 5 6 7 11 10 9 14 13 12 8 16 15 K J 00 4 R P6 R P3 1 6脚为 6 路单脉冲输入 1 2 3 4 5 6 7 11 1 0 9 1 4 1 3 1 2 8 16 1 5 K J041 15 10 脚为 6路双脉冲输出 至 V T1 usb usc upuco R1 9 R1 3 R2 0 R14 R2 1 R15 R9 R3 R6 R1 8 R8 R2 R5 R1 7 R7 R1 R4 R1 6 R1 0R1 1 R1 2 C 7 C 4 C 1 C 8 C 5 C 2 C 9 C6 C 3 R P4 R P1 R P5 R P2 至 V T2至 V T3至 V T4至 V T5至 V T6 图 4 触发电路 表一 各晶闸管的同步电压 晶闸 管 VT1VT2VT3VT4VT5VT6 主电 路电压 Ua Uc Ub Ua Uc Ub 同步 电压 Usa Usc Usb Usa Usc Usb 4 3 调节调节器参数器参数设计设计 4 3 1 电流调节器的设计 根据设计要求 i 5 而且 可按典型 I 型 0 0277 0 00377 510 li TTss 系统设计 电流调节器选择 PI 型 其传递函数如下 1 W s K i ACRi i s s 12 1 电流调节器参数计算 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 0 002s 查参 2 中表 1 2 得 三相桥式电路的平均失控时间 TS 0 0017s T i Ts Toi 0 0037s 其他参数如下 0 6R 10 0 067 1 5 100 im nom U I 9 55 me CC 2 375 m GD R T CeCm 2200 26 100 0 132min 1470 nomanam e nom UR I CVr n 22 22 16 0 6 0 154 375375 9 55 0 132 375 9 55 0 132 m GD RGD R Ts CeCm 1 16 6LLmH 3 16 6 10 0 0277 0 6 l L Ts R 电流调节器超前时间常数 0 0277 il Ts 电流环开环增益 要求 i 5 时 按参 2 表 2 2 应取 KIT i 0 5 0 0277 0 6 1 12 2 2 0 0037 0 067 30 i i i s R K TK 2 校核验近似条件 电流环截止频率 1 0 50 5 135 1 0 0037 ciI i WKs T 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 sw 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 13 11 3345 9 0 154 0 0277 ci ml W T T 满足近似条件 3 电流环小时间常数近似处理条件 1 1111 180 8 330 00170 002 ci soi sW TTss 满足近似条件 按照以上参数 电流环可以达到的动态指标为 i 4 3 1 5 1 414 120 254 52 V 取 500V 22 2 3 1205 12 3 2 3 2 5 14 7 104 K TMo Uu R Si 66 12 2310 314 253 120 10 1 63 c IfCUAA 电阻的功率 2 1 3 4 1 632 5 20 26 5 R PW 可选用 2 5 欧姆 50 瓦功率电阻 图 6 过压保护 2 晶闸管换相过电压保护 这种保护可用 RC 与晶闸管并联如图 6 中所示 由参考资料 1 中 表 6 4 查得 R 10 C 0 5 五五 系系统电统电路路图图及及电电路工作原理路工作原理 F 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 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 制了电力电子电换器的最大输出电压 Udm 系统组成的原理框图如下 17 图 7 系统电路原理图 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 电路工作原理 双闭环控制直流调速系统的特点是电动机的转速和电流分别是由两个独立 的调节器来控制 且转速调节器的输出就是电流调节器的给定 因此电流环能够 随转速的偏差调节电动机电枢的电流 当转速低于给定转速时 转速调节器的积 分作用是输出增加 即电流给定上升 并通过电流环调节使电动机电流增加 从 而使电动机获得加速转矩 电动机转速上升 当实际转速高于给定转速时 转速 调节器的输出减小 即电流给定减小 并通过电流调节是电流下降 电动机将会 因为电磁转矩下降而减速 在当转速调节器饱和输出达到限幅值时 电流环即以 最大电流 I dm 实现电动机的加速 是电动机的启动时间最短 在可逆调速系统 中实现电动机的快速制动 在不可逆调速系统中 由于晶闸管整流器不能通过反 18 向电流 因此不能产生反向制动转矩而使电动机快速制动 六六 系系统统仿真仿真 6 1 双闭环直流调速系统仿真电路图 在 MATLAB 的 simulink 中搭建双闭环调速系统仿真模型如图 8 所示 模型 由晶闸管 直流电动机组成的主回路和转速电流调节器组成的控制回路两部分组 成 其中的主电路部分 交流电源 晶闸管整流器 触发器 移相控制环节和电动 机等环节使用 POWER SYSTEM 模型库中的模块 控制回路主体是转速和电流 两个调节器以及反馈滤波环节 模型中转速反馈和电流反馈均取自电动机测量单元的转速和电流输出端 电流调节器的输出端接移相特性模块 shifter 的输入端 而电流调节器的输出限 幅就决定了控制角的范围 图 9 至图 12 分别为图 8 的仿真结果 其中图 9 为电动机转速曲线 图 10 为 电动机电枢电流波形 图 11 的上图为速度环调节器限幅输出 图 11 的下图为速 度环误差信号波形 图 12 的上图为电流环调节器限幅输出 图 12 的下图为电流 环误差信号 从转速和电流波形可以看到 在启动阶段电动机以恒流启动 大约 在 1 4 秒时启动结束 电枢电流下降到零 转速上升到 1500r min 尽管转速已经 超调 电流给定已经变负 但是本系统为不可逆调速系统晶闸管整流装置不能产 生反向电流 这时电枢电流为零 电动机的电磁转矩也为零 如图 13 所示 没有 反向制动转矩 又因为是在理想空载启动状态 所以电动机保持在最高转速状态 在 2 5 秒时加上负载 图 8 中 Ramp 框图 斜率为 100 s 限幅在 140 电动机转 速下降 ASR 开始退饱和 电流环发挥调节作用 经过 1 4 秒电动机开始稳定在 给定转速上 19 6 2 断开速度环后的调速系统仿真 在图 8 的仿真模型图中 用一个开关串在速度反馈通道中 当开关闭合时系 统为速度 电流双闭环系统 当开关断开时系统处于速度开环而电流闭环的情况 这可以研究速度开环时系统运行状态 图 14 为速度环断开后的系统仿真图 图 15 图 16 表示仿真停止时间为 12 秒时的速度环断环后的波形 速度环 在 4 5 秒断环后 电流环给定为最大 由于电流环仍然是闭环的 使定子电流跟 踪最大值上升到 1 安培 转速也上升 与此同时 电流环积分器输出不断上升 大约在 5 2 秒时电流环调节器输出较大 经限幅后送到 shifter 的输入端 控制移 相角 欲使三相整流电路输出电压减小 由于小于电动机反电势 三相整流电路 晶闸管不导通 三相整流电路停止向电机供电 所以定子回路电流为零 电流误 差及电流环输出都最大 电机在惯性作用下带动负载 电机转速下降 反电势也 下降 当反电势下降到一定程度时 反电势小于整流电路的输出电压 三相整流 电路再次向电机供电 定子电流快速上升 电流误差及电流环积分器输出下降 控制移相角 使转速上升 随着转速上升反电势跟着上升 与此同时 电流环积 分器输出不断上升 当电流环调节器输出较大时 将再次控制移相角 欲使三相 整流电路输出电压再次减小 这样不断重复以上过程 20 图 8 仿真模型 21 图 9 电动机转速 图 10 电动机电枢电流波形 22 图 11 上图为速度环调节器限幅输出 下图为速度环误差信号 Ud1 波形 图 12 上图为电流环调节器限幅输出 下图为电流环误差信号 Ud2 波形 23 图 13 电磁转矩 图 14 速度环断开后的仿真系统图 a 转速 24 b 电枢电流 图 15速度环断开后的速度及电枢电流波形 a shift 输入 上 与电流误差 下 Ud2 波形 b 速度环输出 上 与速度误差 下 Ud1 波形 图 16 控制回路波形 25 七 心得体会 写出各自的心得体会 着重在设计与调试的体会 八 参考书目 1 半导体变流技术 第 2 版 黄俊 机械工业出版社 1986 1 2 电力拖动自动控制系统 陈伯时 机械工业出版社 2006 5 3 电机原理与设计的 MATLAB 分析 JIMINE 电子工业出版社 2006 7 4 电力电子应用技术 莫正康 第三版 机械工业出版社 2000 5 电力电子和电力拖动控制系统的 MATLAB 仿真 洪乃刚主编 机械工业出版 社 2006 1

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