带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统设计

武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书目录摘要21主回路的设计21.1变压器参数的设计与计算21.2平波电抗器参数的设计与计算31.3晶闸管元件参数的计算31.4保护电路的设计4双反馈调速及控制系统42.1闭环调速控制系统42.2带电流断路的负反馈闭环控制系统52.3减压阀设定82.4控制和驱动电路设计93参数计算103.1基本参数计算103.2电流断路负反馈环参数的计算与设计123.3减压阀的参数设计和计算123.4减压阀串联补偿设计154总电图165须知18参考资料18带电流截断负反馈转速的单闭环直流调速系统设计摘要直流电动机具有良好的起动制动性能，适合大范围平滑调速，且直流调速系统在理论和实践中比较成熟，是研究其他调速系统的基础。 直流电动机中，带电阻负反馈直流调速系统的应用最广泛，广泛应用于轧机、冶金、印刷、金属切割机床等多个领域的自动控制。 本次课程对带电流断路负反馈转速的单闭环直流调速系统进行了参数设计。1主回路的设计1.1变压器参数的设计与计算变压器副边电压按下式计算因此，变压器的变比近似如下：一次侧和二次侧电流I1和I2的计算I1=1.052870.861/3.45=75AI2=0.861287=247A变压器容量的计算S1=m1U1I1=338075=85.5kVAS2=m2U2I2=3110247=81.5kVAs=0.5 (S1 S2 )=0.5 (85.581.5 )=83.5 kva因此，整流变压器的参数为变比K=3.45、容量S=83.5kVA1.2平波电抗器参数的设计与计算Ud=2.34U2cosUd=UN=220V、=0 U2=Idmin=(5%-10%)IN，此处为10%L=0.6931.3晶闸管元件参数的计算晶闸管的额定电压通常选择截止反复峰值电压UDRM和反复峰值电压urm中较小的电压作为该设备的额定电压。 晶闸管额定电流一般选择导通平均电流的1.5-2倍。 在桥式整流电路中施加在晶闸管两端的最大正反电压，晶闸管的额定电压一般选择最大正反电压的23倍。在有反电动势负载情况下，变压器的二次侧电流有效值I2是其输出直流电流有效值Id的一半，但在桥式整流电路中晶闸管的导通平均电流IVT=I，在本设计中晶闸管的额定电流IVT(AV)=523-698A本设计中晶闸管的额定电压UN=311-466V1.4保护电路的设计过电压保护本设计中采用RC过电压抑制电路，如图1-1所示，该装置设置在供电变压器的两侧或电力电子电路的直流上。在过电流保护本设计中，通过在电力变压器副边的各相母线上串联连接快速保险丝的方法来保护电路图1-1过电压保护电路双反馈调速及控制系统2.1闭环调速控制系统将开环系统改为单环转速负反馈调速系统，采用PI调节器，既保证了动态性能，又没有转速的静差，可以解决开环系统的不足。 该闭环系统动作原理，通过将直流电机转速变化信号反馈到触发环路，自动增减触发角，自动调整整流输出电压Uds，能够稳定，其系统结构框图示于图2-1触发电路整流电路电动机转速反馈电源Udsu-是图2-1单环转速负反馈系统的框图2.2带电流断路的负反馈闭环控制系统转速反馈控制直流调速系统存在问题，启动、制动过程和锁定状态下电枢电流过大。 为了解决反馈闭环调速系统启动和锁定时电流过大的问题，系统需要自动限制电子电流的环节。 根据反馈控制原理，为了使哪个物理量维持基本恒定，应当导入其物理量的负反馈。 那么，请导入电流的负反馈，使电流基本保持一定，不要超过允许值。分析了电流的负反馈和转速的负反馈。 限流作用只是在启动时和锁定时起作用，正常运行时应根据负载自由增减电流，采用电流切断负反馈的方法，在电流较大时加入电流负反馈来限制电流，电流正常时只有转速负反馈来控制转速。 电流切断负反馈环如图2-2 (a )、(b )、(c )图所示.(a )独立直流电源的比较电压(b )稳压管的比较电压(c )运算放大器的电流切断负反馈环图2-2电流切断负反馈的一环在图(a )中，使用独立的直流电源作为比较电压，其大小可以通过电位器调节，相当于调节切断电流。 在图(b )中，将稳定电压管VS的破坏电压Ubr作为比较电压，因此线路非常简单，但不能进行平滑的电流值的调节。 图(c )是反馈环路和运输的连接电路。从系统的稳态结构中，可以导出此系统的两个静态特性方程式此时，导入了电流的负反馈，静态特性如下图2-3带电流断路负反馈闭环调速系统的静特性静态特性的一些特点：(1)电流负反馈的作用相当于在主电路中加入大电阻Kp Ks Rs，稳定速度大特性急剧下降。(2)比较电压Ucom与规定电压Un*的作用一致，将理想的无负载转速设为(3)二段式静特性常被称为下垂特性或挖掘机特性。 挖掘机撞到硬石头，电力过载时，动机停止，电流也只不过是锁定电流。 在式(1)中，设n=0一般来说(4)最大切断电流在规定条件下得知锁定电流Idbl=2IN=35A、截止电流Idcr=1.5IN=26.25A(5)带电流切断负反馈的闭环直流调速稳定系统的结构框图及结构图如图2-4及图2-5所示KpKs1/CeRsrUfn联邦调查局UgnIdRs-UbjnUc公司UnUdoUbj公司图2-4带电流断路负反馈的闭环直流调速稳态系统结构框图图2-5包含电流切断负反馈的转速负反馈的原理图2.3减压阀设定作为图2-6微PI调节器比例积分调节器是用于实现系统的无静差调速系统的结构图图2-6 PI调节器的结构图比例积分调节器的控制传递函数如下：=/是PI减压阀的比例放大系数=/是PI减压阀的超前时间常数。 比例调整器的输出仅取决于输入偏差量的现状，积分调整器的输出包含输入偏差量的所有履历。 积分调节器变为稳定状态时Un=0，只要过去有un，该积分就有一定的数值，足以生成稳定运转所需的控制电压。 图2-7是采用PI调节器的单闭环调速系统的动态修正特性图2 -采用2-7pi调节器的单闭环调速系统2.4控制和驱动电路设计晶闸管触发电路类型多，分立式、集成式和数字式，分立式相控同步模拟电路电路相对复杂的数字触发可以用单片机实现，需要编程实现，不采用本设计。 由于集成电路可靠、技术性能好、体积小、功耗低、调试方便，本设计采用集成触发器，选择当前国内常用的KJ、KC系列实例，本设计采用KJ004集成块和KJ041集成块。三相全控整流或调压电路要求依次输出的触发脉冲按顺序间隔60秒。 本设计采用三相同步绝对式触发方式。 由单相同步信号的上升沿和下降沿形成两个同步点，并且产生180个相位彼此不同的触发脉冲。 脉冲形成单元包括被分成三相的这种电路，所述脉冲形成单元输出具有六个脉冲，然后经由辅助脉冲形成和分配单元形成辅助脉冲，并顺序输出具有六个脉冲。 本设计课题在于，三相全桥整流电路中具有6个晶闸管，触发顺序为vt1-vt2-vt3-vt4-vt5-vt6，晶闸管必须严格地按编号顺序导通，6个触发脉冲相位各不相同60O，3个KJ004块和KJ041块如果可以形成6个双脉冲，用6个晶体管进行脉冲放大，则三相全桥整流电路的集成触发电路可以构成为图5.3那样。图2-8三相全控制桥整流电路集成触发控制电路三参数计算3.1基本参数计算1 )额定负载时的稳定速度下降为：2 )闭环系统所需的开环放大系数：计算电动机的电动势系数：开环系统的额定速度如下所示闭环系统的开环放大系数如下：3 )计算转速的负反馈环的反馈系数和参数设以额定转速处于稳定状态时规定电压转速反馈的放大率4 )计算运算放大器的放大系数和参数；运算放大器放大系数Kp是：5 )判断系统稳定性的计算：已知平波电抗器： RL=0. 3. 电枢电路总电阻R=2.85、总电感L=200mH系统各要素的时间常数电磁时间常数Tl:机电时间常数Tm:晶闸管装置的延迟时间常数Ts:0.00167S开环放大系数应当满足的稳定条件是K98.67，并且K=122.48，系统不稳定。3.2电流断路负反馈环参数的计算与设计图3-1 .其工作原理相当于将独立的直流电源用作比较电压，其大小可通过电位器调节，可调整电流值。 此时，二极管导通，电流截止负反馈信号被施加到放大器，晶闸管系统的输出电压减小，机械特性呈现下降特性时，二极管截止而消失。 可以是给定技术参数的值。 要降低功耗，请选择以下选项：m-是-是UdIdRsVDUiUcom公司连接放大器m图3-1电流切断负反馈环3.3调节器的参数设计与计算设计闭环调速系统时，动态稳定性和稳态性能指标往往存在矛盾。 这时，必须设计适当的动态补偿装置，用它改造系统，使之既能满足动态稳定性，又能满足稳态性能指标的要求。动态修正的方法很多，并且能够在一个系统中满足要求的修正方式也不是唯一的。 在电力拖动自动控制系统中，串联校正和反馈校正是最普遍的。 串联校正比较简单，实现也容易。 在带电力电子变换器的直流闭环调速系统中，由于其传递函数的次数较低，一般采用PID调节器的串联校正方式，完成动态校正的任务。PID调节器有PD、PI、PID 3种。 通过对PD调节器配置的前进进行的校正，可以提高系统的稳定馀量，并且可以获得充分的高速性。然而，包括可能受稳定精度影响的PI调节器的滞后校正可以保证稳定的精度。 一般调速系统的要求以动态稳定性和稳态精度为主，对快速性的要求稍差，因此采用PI调节器。 如图3-2所示图3-2比例积分(PI )调节器电路图现在正在采用PI调节器进行校正，原系统的传递函数如下其中分母的二次项可以分解为两个一次项的积Matlab程序如下所示k=122.47/(0.00167 * 0.161 * 0.07 ) z= :p=-1/0.0067 -1/0.07 -1/0.161；num，den=zp2tf(z，p，k )bode(num，den )margin(num，den )电网其结果得到条形图如图3-3所示3-3系统修正前bode图由于原始系统不稳定，放大系数k过大，截止频率过高，不得不设法抑制。 因此，将校正环节的转换频率设定得远低于原始系统的截止频率，使校正装置的比例微分项与原始系统的时间常数最大惯性环节相抵消来选定。接下来，为了使校正后的系统具有充分的稳定馀量，其对数幅度频率特性以斜率跨越直线，降低原始的对数幅度频率和相位频率特性，并且降低校正后的系统的对数幅度频率和相位频率特性的截止频率。 这样，应该到处都有根据以上2点，修正环节的追加部分的对数特性可以如下决定拿起来，拿起来，用鸟瞰图查一下，所以因为所以呢PI调节器的传递函数如下所示最后选择PI调节器的电阻参数，选择后的双曲馀弦值的双曲馀弦值3.4减压阀串联补偿设计校正后的系统开环传递函数Matlab程序编写如下：k=502/(0.00167*0.66*0.07) z= :p=-1/0.00167 -1/0.07 0；num，den=zp2tf(z，p，k )bode(num，den )margin(num，den )电网得到的条形图如图3-4所示。从图3-4可知，校正后的系统的振幅馀量和稳定馀量都满足稳定的条件但是，频率降低、快速性降低显然是稳定的方案，最终能够使系统稳定下来。如上所述，转速调节器的类型和参数的