不可逆转速、电流双闭环直流晶闸管调速系统课程设计.doc

目录 第1章电路总体说明2第2章 系统电路设计62.1给定器的设计62.2零速封锁器DZS和速度变换器FBS62.3速度调节器ASR72.4电流调节器ACR72.5电流反馈与过流保护FBC+FA82.6触发装置GT和I组脉冲放大器AP192.7保护电路设计9第3章 器件模块参数设计113.1变压器参数设计113.2晶闸管的设计113.3平波电抗器的设计123.4直流电动机的设计12第4章调节器参数设计134.1电流调节器的设计134.1.1确定电流调节器的时间常数134.1.2 电流调节器结构的设计134.2速度调节器的设计154.2.1确定速度调节器的时间常数154.2.2速度调节器结构的设计16附录 电气原理图18设计心得体会19参考文献20 摘要本次设计是采用晶闸管、二极管等电器元件设计了一个不可逆转速、电流双闭环直流晶闸管调速系统，并通过参数计算来完成的。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器（ASR）以及转速检测环节、转速调节器(ACR)，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流，整个系统采用PI调节。关键词：不可逆双闭环直流控制系统，晶闸管，ASR，ACR第1章电路总体说明不可逆转速、电流双闭环直流调速系统的原理框图如图1-1所示图1-1 不可逆转速、电流双闭环直流调速系统的原理框图G:给定器 DZS：零速封锁器 ASR：速度调节器 ACR：电流调节器GT：触发装置 FBS：速度变换器 FA：过流保护器 FBC：电流变换器 AP1：组脉冲放大器在系统设计时，要求以最大电流起动，这就需要尽量利用电机的允许过载能力，最好在过渡过程中始终保持最大允许电流，使电动机以最大的加速度起动，到达稳定转速之后，又让电流立即降低下来，使转矩和负载转矩平衡，使电机在稳定运行。这就需要在起动过程中，获得一个使电流保持为最大电流Idm的恒流过程，于是采用电流的负反馈来保持电路衡东，同时为保证转速无静差，需要有转速负反馈。为了实现转速电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置两个调节器，把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管的触发装置。电流环在里面，叫内环，转速环在外面，叫外环。本设计通过设计转速调节器、电流调节器的结构选择和参数，然后通过软件来实现模拟电路的功能。先设计电流调节器，然后设计转速调节器。在设计的时候要注意设计完要校验。再设计转速调节器的时候，校核转速调节量，如果不满足设计要求的时候，重新按照ASR退饱和的情况设计超调量。双闭环直流系统的稳态结构图如图1-2所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳太特征。一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值；不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳太时总是为零.UKsa1/CeU*nUctIdEnUd0Un+=-ASR+U*i +-IdRR b ACRui-UPE图1-2 双闭环直流系统的稳态结构图实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。其次为双闭环控制系统数学模型。双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图1-3所示。图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流显露出来U*n+a Uct-IdLnUd0Un+-b -UiUiWASR(s)WACR(s)Ks -_ Tss+1- 1/ RTs+1RTmsU*iId1/Ce+=d00dd1/Ce图1-3双闭环直流系统动态结构图实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。其次为双闭环控制系统数学模型。双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图1-3所示。图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流显露出来为了保证调速系统稳态无静差，转速环和电流环所用的控制器ASR和ACR均使用PI调节器，两个调节器的输出限幅值分别为Uin*和Uotn。同时加上滤波环节，抑制给定信号可能参杂的交流分量，两个调节器上增设二极管钳位的外限幅电路，限制输出限幅值，调解电位可改变正负限幅值，主电路采用Y型连接，触发电路的信号以此加在主电路上的晶闸管上，另外，采用护互感器取电流 反馈信号，用同轴相连的发电机取电压反馈信号第2章 系统电路设计双闭环晶闸管不可逆直流调速系统由给定器、速度调节器、电流调器、触发装置、速度变换器、电流变换器等环节组成。在这里我们来分开讨论各个环节的作用。2.1给定器的设计给定器的原理图如2-1所示，电压给定器由一个电位器RP1、 RP2及两个钮子开关Sl、S2组成。RP1 、RP2用来调节电压的大小，最大输出电压为15V，S2为开停开关。其中两个电位器的电阻都取10，又因为，则其功率 ， 则取用功率为0.02的电阻。 图2-1电压给定原理图2.2零速封锁器DZS和速度变换器FBS零速封锁器的作用是当转速给定电压和转速反馈电压均为零时（即在停车状态下），封锁各调节器，保证电机不会爬行。速度变换器为速度检测变换环节，将直流测速发电机的输出电压变换成适用于控制单元并与转速成正比的直流电压，作为速度反馈，2.3速度调节器ASR如图2-2所示，速度调节器由二极管VD3、VD4和电位器RPl、RP2组成正负限幅可调的限幅电路。由C5、R5组成反馈微分校正网络，有助于抑制振荡，减少超调，速度调节器可为比例调节器，也可接成比例积分调节器，场效管VT1，为零速封锁电路，当A端为0V时，VD5导通，将调节器反馈网络短接而封锁；当A端为-15V时，VD5夹断，调节器投入工作。RP3为放大系数调节电位器，RP4为调零电位器。图2-2 速度调节器原理图2.4电流调节器ACR电流调节器工作原理基本上与速度调节器相同，与速度调节器相比，增加了4个输端，“2”端接推信号，“4”和“6”接逻辑控制器的相应输出端UZ和UF，当这一端为高电平时，三极管VT1、VT2导通将信号对地短接，用于逻辑无环流可逆系VT3、VT4组成互补输出电流放大级。电流调节器原理图如图2-3所示图2-3 电流调节器工作原理图2.5电流反馈与过流保护FBC+FA 当电源的输出端超过额定负载或短路时,会对电源造成损坏,以至造成系统不能正常工作.针对于此我们在设计电源时要对产品进行限流保护设计.那么方法很多,我们可以将他设计到电源的输入端或者设计到电源的输出端.要达到最佳的设计方法就要以实际的情况而定。电流检测为交流测的电流互感器反映电流大小的信号经三相桥式整流电路整流后加至RP1、RP2及R1、R2、VD7上，RP1的可动触点输出作为电流反馈信号，反馈强度由RP1调节。RP2可动触点与过流保护电路相连，输出过流信号，动作电流的大小由RP2调节。当主电路电流超过某一数值后，VST1导通，VT2截止，VT3导通，使继电器K动作，关闭主电路电源开关，并使小电珠H发亮。表示已跳闸。正常工作时，VT3截止，继电器K不得电。当过流时，VT2由导通变为截止，在集电极输出一个高电平至电流调节器ACR的输入端，作为过流推信号。SB为复位按钮，当过流动作后，如过流故障排除，则须按下SB以解除，恢复正常工作。原理图如图2-4所示。图2-4 电流反馈与过流保护原理图2.6触发装置GT和I组脉冲放大器AP1在不可逆转速，电流双闭环直流电机调速系统中使用的三相桥式整流器，整定电压=0 触发角 ，是时，电路工作在整定状态。而触发器的同步信号有输入波形触发电路长生。触发器应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系，而触发电路定相的关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系。集成触发电路芯片基础上，增加了由KJ004，KJ041等芯片构成的模拟开关，以控制输出触发脉冲的形式，在移相集成触发器，六路双脉冲形成器，三相全控桥双脉冲触发电路和脉冲列调制形成器的作用下，以减小触发电源功率及脉冲变压器体积，提高脉冲前沿陡度2.7保护电路设计在主电路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。过电流保护可以通过电流互感器检测输入电流的变化，与给定值进行比较，当达到设定值时发出过流信号到逻辑控制器，再由逻辑控制器来封锁触发脉冲，实现电路保护。过电压保护：在晶闸管元件两端并联RC阻容吸收电路来抑制过电压。电阻R选择阻值为20，功率选择15W的电阻，电容C选择容量为0.5过电流保护：交流侧经电流互感器接入过电流继电器或直流侧接入过电流继电器，可以在发生过电流时动作，断开主电路。也可以在每个桥臂串快速熔断器对晶闸管进行过电流保护。快速熔断器的要求：熔断器的额定电压 因此，按本课题的设计要求，用于晶闸管过电流保护的快速熔断器的额定电压可选择240V。图2-5 保护电路原理图第3章 器件模块参数设计3.1变压器参数设计由于整流输出电压的波形在一周期内脉动6次的波形相同，因此在计算时只需要对一个脉冲进行计算。由此得出整流输出平均电压： ( 由于为不可逆系统，则导通角取=0)由直流电动机参数可知：，则3.2晶闸管的设计对于晶闸管，是通过触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，改变可控整流器平均输出电流电压，从而实现直流电动机的平滑调速。对于三相桥式整流电路，晶闸管电流有效值为： 则晶闸管的额定电流为： 取1.52倍的安全裕量，500由于电流连续，因此晶闸管最大正反向峰值电压均为变压器二次线电压峰值，即： 取23倍的安全裕量，由公式：得又由 公式得 ， 取为24。则应取额定电压为600V、额定电流为500A、的晶闸管。3.3平波电抗器的设计由于在系统中脉动电流会增加电动机的发热，同时也会产生脉动转矩，对生产机械不利，除此之外电波波形的断续给用平均值描述的系统带来一种非线性的因素，引起机械性能的非线性进而影响系统的性能，进而本系统采用电感量足够大的平波电抗器。在三相桥式整流电路中，总的电感量的计算如下所示：对于三相桥式整流电路总电感量为：由于=（5%-10%）,取10%，则=70A电枢电感 （取P=2，=10） 由于变压器的漏电感很小，可以忽略不计，那么平波电抗器电感值的取值为：L=0.93-0.79=0.14mH,取其电感值为0.2mH。3.4直流电动机的设计(1) 电枢回路电磁时间常数 (2) 电动机电动势系数 (3) 电动机额定励磁下的转矩系数 (4) 电力拖动系统机电时间常数 第4章调节器参数设计4.1电流调节器的设计4.1.1确定电流调节器的时间常数 (1) 整流装置滞后时间常数Ts：三相桥式电路平均失控时间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3.33ms，为了基本滤平波头应有（12）Toi = 3.33s。则Toi=0.002s(3) 电流小时间常数：按小时间常数近似处理： (取=15V) （取=10V）4.1.2 电流调节器结构的设计采用含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器，其原理图如图4-1所示。图中为电流给定电压，为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。图4-1 PI型电流调速器根据设计要求，并保证稳态电流无差，可按典型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：检查对电源电压的抗扰性能：电流调节器超前时间常数：电流环开环增益：取，因此则，ACR的比例系数为： (1) 校验近似条件电流环截止频率：晶闸管整流装置传递函数的近似条件：，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：，满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件：，满足近似件。 (2) 计算调节器的电阻和电容按所用运算放大器取，各电阻和电容值为：，取，取，取 按照上述参数，电流环可以达到的动态更随性性能指标为 满足设计要求4.2速度调节器的设计4.2.1确定速度调节器的时间常数(1) 已取，则电流环等效时间常数(2) 转速滤波时间常数。取=0.005s(3) 转速环小时间常数按小时常数近似处理，取4.2.2速度调节器结构的设计采用含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型转速调节器，其原理图如图4-2所示。图中为转速给定电压，为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压。图4-2 PI型转速调节器按设计要求，选用PI调节器，其传递函数为：按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=3，则ASR的超前时间常数为：转速开环增益为：则，ASR的比例系数为： (1) 校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:，满足近似条件。转速环小时间常数近似处理条件为：，满足近似条件。 (2) 调节器电阻和电容的计算按所用运算放大器取，则，取，取，取按退饱和超调量的计算方法计算调速系统空载启动到额定转速时的转速超调量： 即 能满足是设计要求附录 电气原理图不可逆转速、电流双闭环直流调速系统电气原理图设计心得体会通过这次课程设计，使我对不可逆转速，电流双闭环直流调速系统有了更深入的理解。其中涉及到多方面的知识，主要包括转速-电流双闭环的设计、晶闸管的设计及给定器的设计，涉及到了电力电子、电力拖动、运动控制等多个学科。双闭环系统的核心是电流调节器和速度调节器，在确定两个调节器的类型、结构和参数时采用常用的工程设计方法，电流调节器采用典型型系统，计算其基本参数后，校验近似条件，能够满足系统的要求，若不能满足则要从新设计调节器的类型和结构。转速调节器采用典型型系统，和电流调节器一样，计算其基本参数，校验近似条件，能满足系统的要求。通过这个环节设计，不仅是我对调节器的参数计算掌握的更牢固，更加掌握了转速调节器和电流调节器在系统中所起