运控直流双闭环调速系统设计报告

运动控制系统 题 目： 双闭环直流调速系统 院 系： 电子信息与电气工程学院 老 师: 雷慧杰 姓 名： XXY 学 号： xx 专 业： 11 自动化专升本 1 班 2 摘摘 要要 本设计通过分析直流双闭环调速系统的组成,设计出系统电路的原理图。同 时采用工程设计的方法对直流双闭环调速系统的电流和转速两个调节器进行设 计，先设计电流调节器，然后将整个电流环看作是转速调节系统的一个环节， 再来设计转速调节器。遵从确定时间常数，选择调节器结构，计算调节器参数， 较检近似条件的步骤一步一步地实现对调节器的具体设计。之后，再对系统的 起动过程进行分析，以了解系统的动态性能。 关键词：直流 双闭环 调节器 动态性能 3 目目 录录 1 变流变压器容量的计算和选择变流变压器容量的计算和选择.4 2 整流元件晶闸管的选型整流元件晶闸管的选型.7 3 直流侧电抗器设计直流侧电抗器设计.8 3.1 直流侧电抗器的选择.8 4 主电路保护电路设计主电路保护电路设计.8 4.1 过电压保护设计.9 4.1.1 交流侧过电压保护 .9 4.2 过电流保护设计.11 4.2.1 一次侧过电流保护设计 .12 4.3 压敏电阻的设计.12 5 双闭环调速系统调节器的动态设计双闭环调速系统调节器的动态设计.12 5.1 确定时间常数.12 5.2 选择电流调节器的结构.13 5.3 计算电流调节器的参数.13 5.4 校验近似条件.14 5.5 计算调节器电阻和电容.14 5.6 校核转速超调量.15 5.7 晶闸管驱动电路的设计.16 6 课程设计体会课程设计体会.18 4 1 变流变压器容量的计算和选择变流变压器容量的计算和选择 在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致； 此外，为了尽量减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求它们相互隔离，故通 常要配用整流变压器，这里选项用的变压器的一次侧绕组采用联接，二次侧 绕组采用 Y 联接。 为整流变压器的总容量，为变压器一次侧的容量，为一次侧电压, SS 1 U 为一次侧电流, 为变压器二次侧的容量，为二次侧电压，为二次侧 1 I 2 S 2 U 2 I 的电流，、为相数，以下就是各量的推导和计算过程。 1 m 2 m 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只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算 2 U 整流变压器次级电压。 2 U 影响值的因素有： 2 U (1)值的大小首先要保证满足负载所需求的最大电流值的。 2 U maxd I (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，用表 T V 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精确表达式为： 2 U d dk TD d d PDN I IU CBA nUr I I rrU U max max 2 100 )(1 式中 5 maxd dN I I 06759 . 0 N N Da U RI rr V I IU CBA nUr I I rrU U d dk TD d d PDN 76.355 100 )(1 max max 2 816 . 0 2 2 d I I I K AIKIKI NIdI 3792.123 22 2 KVAIumIumIumSSS25.133)( 2 1 )( 2 1 22222211121 变流变压器的计算系数变流变压器的计算系数 整流电路 单相双 半波 单相半控 桥 单相全 控桥 三相半 波 三相半控桥 三相全控 桥 带平衡电 抗器的双 反星形 02 / d AUU 0.90.90.91.172.342.341.17 0 / dd BUU cos 1 cos 2 coscos 1 cos 2 coscos C0.7070.7070.7070.8660.50.50.5 22/Id KII 0.707110.5780.8160.8160.289 综上：选择变压器二次侧输出电压为：360V SCB10140KVA380V360V S 的意思表示此变压器为三相变压器，如果换成则表示此变压器为单 相。 C 的意思表示此变压器的绕组为树脂浇注成形固体。 B 的意思是箔式绕组，如果是则表示为缠绕式绕组，如果是则表示为 铝绕组，如果是则表示为有载调压（铜不标） 。 6 10 的意示是设计序号，也叫技术序号。 140KVA 则表示此台变压器的额定容量（140 千伏安） 。 380V 的意思是一次额定电压，360V 意思是二次额定电压。 2 整流元件晶闸管的选型整流元件晶闸管的选型 正确选择晶闸管能够使晶闸管装置在保证可靠运行的前提下降低成本。选 择晶闸管元件主要是选择它的额定电压 和额定电流 TM U )(AVT I 首先确定晶闸管额定电压，晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实 TM U 际承受的最大电压，考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放 RM U 宽 23 倍的安全系数，则计算公式： RMTM UU)32( 对于本设计采用的是三相桥式整流电路，晶闸管按 1 至 6 的顺序导通，在 阻感负载中晶闸管承受的最大电压: 22 62.45 RM UUU 故计算的晶闸管额定电压为 1764 V2646 V 取 2000V。 再确定晶闸管额定电流，额定电流有效值大于流过元件实际电流的最 )(AVT I 大有效值。一般取按此原则所得计算结果的 1.52 倍。 AII Nd 2 . 151721 . 2 max AII dVT 295.873/1 max 由此可求出晶闸管的额定电流，其公式为： A I I VT AVT 20.11140.83 57 . 1 )25 . 1 ( )( 可以取额定电流为 100A。 7 本设计选用晶闸管的型号为 KP100A/2000V 额定电压： VDRM 2000V 额定电流： IT(AV) 100A 门极触发电压：VGT 3.5 V 门极触发电流：IGT 300 mA 3 直流侧电抗器设计直流侧电抗器设计 3.1 直流侧电抗器的选择直流侧电抗器的选择 直流侧电抗器的主要作用为限制直流电流脉动；轻载或空载时维持电流连 续；在有环流可逆系统中限制环流；限制直流侧短路电流上升率。 (一)限制输出电流脉动的电感量（单位为 mH） m L did dm m IS U f UU L 2 3 2 2 10/ 式中-电流脉动系数，取 10%； i S -输出电流的基波频率，单位为，对于三相全控桥。 d f Z H300 dZ fH ddMi IIS/ 2 / 2Id KII 即 mH IS KU Uf U IS U f UU L i I d dm did dm m 465 . 3 2 10 2 10/ 2 2 2 3 2 3 22 （二）输出电流保持连续的临界电感量（单位为 mH）L min2/dLL IUKL 式中，-为要求连续的最小负载电流平均值，单位为，本设计中 mind IA ； Nd II%5 min -为计算系数，三相全控桥。 L K693 . 0 L K 即 mHIUKL dLL 3 . 69/ min2 取mH70 8 4 主电路保护电路设计主电路保护电路设计 电力半导体元件虽有许多突出的优点，但承受过电流和过电压的性能都比 一般电气设备脆弱的多，短时间的过电流和过电压都会使元件损坏，从而导致 变流装置的故障。因此除了在选择元件的容量外，还必须有完善的保护装置。 4.1 过电压保护设计过电压保护设计 过电压保护可分为交流侧和直流侧过电压保护，前常采用的保护措施有阻 容吸收装置、硒堆吸收装置、金属氧化物压敏电阻。这里采用金属氧化物压敏 电阻的过电压保护。 4.1.1 交流侧过电压保护 （1） 单相电路 电阻电容串联后并联在绕组两端，其参数估算可以用下列公式 N b e U S KC 2 fC R R f 100 2 5 . 1 UUC 22 )( Xe U RPr 电阻 R 的额定功率应选择计算值的 2 倍。 r P 式中，为系数，单相 200VA 以下的电路取 700，单相 200VA 以下的电 e K e K 路取 400；为整流变压器容量；为晶闸管的额定电压；为等效负载 e K b S N U f R 电阻；为; 为电源频率；为变压器二次侧电压； f R N N I U 额定整流电流 额定整流电压 f 2 U 为容抗， e X fC Xe 2 10 6 电容器应采用纸质金属膜电容器。 9 （2） 单相电路 常见的阻容吸收装置有；两种接法，即三角形和星形联接， 其参数 N b e U S KC 2 为系数,见下表； e K 电容器采用应采用纸质金属膜电容器，电阻值计算同单相。 不同联接时的不同联接时的值值 e K 变压器的联接型式 电容器三角形联接值 e K电容器星形联接值 e K Y/Y，初级中点不接地 150450 Y/，初级中点不接地 300900 所有其他接法 9002700 4.1.2 二次侧过电压保护 =2700 e K uf U S KC N b e 5 .94 2 N N f I U R 8 . 9100 fC R R f AfCUI CC 96.16102 6 WRIP CR 505.11629 . 8 )43( 2 电容取，电阻取/。uf10010W10 4.1.3 晶闸管电压保护： TN IC 3 10)55 . 2( TNC VV)5 . 11 . 1 ( C L R K )31 ( 10 62 10m R fCVP 为晶闸管的额定电压 TN V 为变压器的漏抗 K L ufIC TN 5 . 025 . 0 10)55 . 2( 3 VVV TNC 30002200)5 . 11 . 1 ( 35.18745.62)31 ( C L R K WfCVPm R 7 . 910 62 电容取，电阻取/。uf3 . 0100W10 4.2 过电流保护设计过电流保护设计 过电流保护措施有下面几种，可以根据需要选择其中一种或数种。 （1）在交流进线中串接电抗器或采用漏抗较大的变压器，这些措施可以限 制短路短路电流。 （2）在交流侧设置电流检测装置，利用过电压信号去控制触发器，使脉冲 快速后移或对脉冲进行封锁。 （3）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。 （4）对于大容量和中等容量的设备以及经常逆变的情况，可以用直流快速 开关进行过载或短路保护。直流开关的应根据下列条件选择： 快速开关的额定电流额定整流电流。 2l d I N I 快速开关的额定电压额定整流电压。 Kld U N U 快速开关的分断能力直流侧外部短路时稳态短路电流平均电流平均 2fd d I 值。快速开关的动作电流按电动机最大过载电流整定 20d I 2g d I 2g dN IKI 式中，K 为电动机最大过载倍数，一般不大于 2.7；为直流电动机的额定电 N I 流。 （5） 快速熔断器 它可以安装在交流侧或直流侧，在直流侧与元件直接串联。在选择时应注 意以下问题： 11 快熔的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值。 熔断器的额定电流应大于溶体的额定电流。 溶体的额定电流可按下式计算 KN I1.57 TaKNT III 4.2.1 一次侧过电流保护设计 1.57 TaKNT III KVAIU1403 线线 AI 7 . 212 线 取AIKN220 熔断器的额定电压可选 400V，额定电流选 220A 4.2.2 晶闸管过电流保护设计 1.57 TaKNT III AIT100 取AIKN120 4.3 压敏电阻的设计压敏电阻的设计 VUU NmA 5394901 . 11 . 1 1 因此，压敏电阻额定电压取 550V 型压敏电阻。 5 双闭环调速系统调节器的动态设计双闭环调速系统调节器的动态设计 本章主要设计转速调节器、电流调节器的结构选择和参数设计。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。在设计过 程的时候要注意设计完要校验。在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时候，重新按照 ASR 退饱和的情况设计超调量。 12 5.1 确定时间常数确定时间常数 （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（12）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 mHIUKL dll 3 . 69/ min2 则电磁时间常数 S R L L l l 066 . 0 05 . 1 10 3 . 69 3 5.2 选择电流调节器的结构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5% i 流调节器。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：,参照典型 I 型系统动态84.17 0037 . 0 066 . 0 i l T T 抗扰性能，各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型 I 型系 统设计。 5.3 计算电流调节器的参数计算电流调节器的参数 电流调节器超前时间常数： STl i 03 . 0 电流开环增益：要求时，取， 5% i 0.5 Ii K T 13 因此 1 0.50.5 135.1 0.0037 I i Ks Ts 于是，ACR 的比例系数为 151 . 1 066 . 0 56 05 . 1 03 . 0 1 . 135 S iI i K RK K 式中 电流反馈系数； 066 . 0 721 . 2 10 /10 N IV 晶闸管专制放大系数。 56 S K 5.4 校验近似条件校验近似条件 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 ci lm ss TT 11 47.28 03 . 0 37 . 0 1 3 1 3 满足近似条件。 （3） 电流环小时间常数近似处理条件 ci ois ss TT 11 8 . 180 002 . 0 0017 . 0 1 3 11 3 1 满足近似条件。 5.5 计算调节器电阻和电容计算调节器电阻和电容 由图 5.5.1，按所用运算放大器取，各电阻和电容值为KR40 0 , 取KKRKR ii 04.4640151 . 1 0 K46 ，取uFF R C i i i 65 . 0 1065 . 0 1046 03 . 0 6 3 uF65 . 0 14 ，取uFF R C oi oi 17 . 0 1017 . 0 1046 002 . 0 44 6 3 0 uF2 . 0 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满4.3%5% i 足设计要求。 5.6 校核转速超调量校核转速超调量 当 h=5 时，典型型系统阶跃输入跟随性能指标得，不能满37.6% n 足设计要求。实际上，由于附表 6.3 是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时， ASR 饱和，不符合线性系统的前提，应该按 ASR 退饱和的情况重新计算超调量。 计算超调量。 设理想空载起动时，负载系数，已知，0ZAIN721 . 2 ，1500 /min N nr 05 . 1 RrVCemin/305 . 0 STm37 . 0 。当时，由查得，而调速系统开环机械特0.0174 n Ts 5h% 2 . 81/ max b CC 性的额定稳态速降 m nN b b b n T T n n Z C C n n C C * )(2 * maxmax 式中 电机中总电阻； 51 . 1 05 . 1 46 . 0 RRR a 调速系统开环机械特性的额定稳态速降 图 5.5.1 电容阻值 15 ；min/ 5 . 356 305 . 0 51 . 1 72 r C RI n e N N 为基准值，对应为额定转速。 * n1500 /min N nr 根据式（6-24）计算得 %10%81 . 3 37 . 0 0174 . 0 1500 5 . 356 1 . 2% 2 . 812 n 满足设计要求。 5.7 晶闸管驱动电路的设计晶闸管驱动电路的设计 晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在学 要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路往往包括触发时刻进行控制相位控 制电路、触发脉冲的放大和输出环节。触发脉冲的放大和输出环节中，晶闸管 触发电路应满足下列要求： （1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，三相全控桥式电路应采用宽 于 60或采用相隔 60的双窄脉冲。 （2）触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大 为器件最大触发电流 35 倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达 12Aus。 （3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且 在门极的伏安特性的可靠触发区域之内。 （4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。 在本设计中最主要的是第 1、2 条。理想的触发脉冲电流波形如图 5.7.1。 图 5.7.1 理想的晶闸管触发脉冲电流波形 -脉冲前沿上升时间（） 12 tt1 s -强脉冲宽度 -强脉冲幅值（） 13 tt M I3 5 GTGT II 16 -脉冲宽度 -脉冲平顶幅值（） 14 ttI1.5 2 GTGT II 常用的晶闸管触发电路如图 5.7.2。它由 V1、V2构成的脉冲放大环节和脉 冲变压器 TM 及附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成。当 V1、V2导通时，通 过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出出发脉冲。VD1和 R3是为了 V1、V2由导通变为直截时脉冲变压器 TM 释放其储存的能量而设的。为了获得触 发脉冲波形中的强脉冲部分，还需适当附加其它的电路环节。 123456 A B C D 654321 D C B A Title Num berRevisionSize B Date:17-M ay-2008Sheet of File:F:protel99yllM yDesign1.ddbDrawn By: R2 R4 R3 R1 TM VD1 VD2 VD3 V1 V2 E1 E2 图 5.7.2 触发电路 晶闸管触发电路类型很多，有分立式、集成式和数字式，分立式相控同步 模拟电路相对来说电路比较复杂；数字式触发器可以在单片机上来实现，需要 通过编程来实现，本设计不采用。由于集成电路可靠性高，技术性能好，体积 小，功耗低，调试方便，所以本设计采用的是集成触发器，选择目前国内常用 的 KJ、KC 系例，本设计采用 KJ004 集成块和 KJ041 集成块。 对于三相全控整流或调压电路，要求顺