V-M不可逆双闭环直流调速系统课程设计

电力拖动自动控制系统课程设计电力拖动自动控制系统课程设计 设计题目：设计题目：V-MV-M 不可逆双闭环直流调速系统不可逆双闭环直流调速系统 系系 别：电子信息与控制工程系别：电子信息与控制工程系 内容摘要内容摘要 电力拖动自动控制系统是把电能转换成机械能的装置， 它被广泛地应用于一般生产机械 需要动力的场合， 也被广泛应用于精密机械等需要高性能电气传动的设备中， 用以控制位置、 速度、加速度、压力、张力和转矩等。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围 内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到应用。 晶闸管问世后，生 产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管电动机调速系统（简称V-M系统） ，和旋转变流 机组及离子拖动变流装置相比， 晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高， 而 且在技术性能上也显示出较大的优越性。 而转速、 电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、 应用最广的直流调速系统。 双闭环直流调速系统即速度和电流双环直流调速系统， 是由单闭环直流调速系统发展起 来的，调速系统使用比例积分调节器， 可以实现转速的无静差调速。 又采用电流截止负载环 节，限制了起（制）动时的最大电流。这对一般的要求不太高的调速系统，基本上已经能满 足要求。 但是由于电流截止负反馈限制了最大电流， 加上电动机反电势随着转速的上升而增 加， 使电流到达最大值后迅速降下来， 这样， 电动机的转矩也减小了， 使起动加速过程变慢， 起动的时间久比较长。 在这些系统中为了尽快缩短过渡时间， 所以就希望能够充分利用晶闸 管元件和电动机所允许的过载能力， 使起动的电流保护在最大允许值上， 电动机输出最大转 矩，从而转速可直线迅速上升， 使过渡过程的时间大大的缩短。另一方面， 在一个调节器的 输出端综合几个信号，各个参数互相调节比较困难。 为了克服这一缺点就应用转速， 电流双 环直流调速系统。 关键词：双闭环关键词：双闭环直流调速系统直流调速系统MATLABMATLAB 1 目目录录 第第1 1章章电电力力拖拖动动自自动动控控制制系系统统设设计计任任务务 书书 3 第第2 2章章 第第3 3章章 3.1 3.2 3.3 3.4 设计方案的选择设计方案的选择 4 主电路选型和闭环系统的组成主电路选型和闭环系统的组成 5 整体设计5 主电路5 双闭环直流调速系统的静态特性6 闭环调速系统7 3.5电机形式的确定10 3.6 晶闸管结构型式的确定11 3.7 闭环调速系统的组成11 第第4 4章章 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算调速系统主电路元部件的确定及其参数计算 12 4.1整流变压器容量计算12 4.2 晶闸管的电流、电压定额计算13 4.3 平波电抗器电感量计算13 4.4 保护电路的设计计算14 第第5 5章章 驱动控制电路的选型设计驱动控制电路的选型设计 17 5.1 集成触发电路 17 5.2 三相桥式全控整流电路分析18 第第 6 6 章章双闭环系统调节器的动态设计双闭环系统调节器的动态设计 19 6.1 电流调节器的设计19 6.2 转速调节器的设计21 6.3 检测电路参数设置23 电气原理总图及其波形图电气原理总图及其波形图24 第第 7 7 章章MATLAB/SIMULINKMATLAB/SIMULINK仿真软件仿真软件 25 7.1 仿真软件介绍25 7.2 仿真软件操作过程26 第第 8 8 章章仿真设计仿真设计 27 8.1 仿真波形图29 第第 9 9 章章 仿真结果分析仿真结果分析 32 设计总结设计总结 32 参考文献参考文献 33 2 第一章电力拖动自动控制系统设计任务书第一章电力拖动自动控制系统设计任务书 一设计题目：一设计题目：V-MV-M 不可逆双闭环直流调速系统设计不可逆双闭环直流调速系统设计 二技术数据二技术数据 直流他励电动机：额定功率P n 1.1KW ，额定电压U n 220V，额定电流 I n 136A，额定转速n n 1460r /min，磁极对数P 2，励磁电压U f 220V， 励磁电流I f 1.5A，电枢电阻R a 0.21，电枢电感L a 210mH，磁场与电枢 互感Laf840mH，整流 器内 阻R rec 0.5，GD 22.5Nm ，平 波电 抗器 22 L d 20mH。K s 3540,电流反馈滤波时间常数T oi 0.002s，转速反馈滤波时 间常数T on 0.01s，过载倍数1.5，转速调节器和电流调节器的饱和值为12V， * 输出限幅为 10V，额定转速时转速给定U n 10V。10V，电流给定最大值U im 系统主电路：R 0.71，T 0.012s。 三设计要求三设计要求 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 D10，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s5%） 3动态性能指标：电流超调量 i 5%，空载启动到额定转速时的转速超调量 n 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，并且有制动措施。 6.主电路采用三相全控桥整流电路。 四设计内容四设计内容 1根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成， 画出系统组成的原理框图。 2调速系统主电路元部件的确定及其参数计算。 3驱动控制电路的选型设计。 3 4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。 5 绘制 V-M 双闭环直流不可逆调速系统电器原理图， 并研究参数变化时对直流电动机 动态性能的影响。 6对所设计的系统进行计算机仿真实验，即可面向传递函数的MATLAB 仿真方法，也 可用面向电气系统原理结构图的MATLAB 仿真方法。 第二章第二章 设计方案的选择设计方案的选择 速度和电流双环直流调速系统 （双环） ，是由单闭环直流调速系统发展起来的，调速系统 使用比例积分调节器， 可以实现转速的无静差调速。 又采用电流截止负载环节， 限制了起 （制） 动时的最大电流。这对一般的要求不太高的调速系统，基本上已能满足要求。但是由于电流 截止负反馈限制了最大电流，加上电动机反电势随着转速的上升而增加 ，使电流到达最大值 后迅速降下来，这样，电动机的转距也减小了，使起动加速过程变慢，起动（调整时间ts） 的时间就比较长。在这些系统中为了尽快缩短过渡时间， 所以希望能够充分利用晶闸管元件 和电动机所允许的过载能力，使起动的电流保护在最大允许值上，电动机输出最大转矩，从 而转速可直线迅速上升，使过渡过程的时间大大缩短。另一方面，在一个调节器输出端综合 几个信号，各个参数互相调节比较困难。为了克服这一缺点就应用转速，电流双环直流调速 系统。 转速.电流双闭环直流调速系统原理图1-1 如下:. 图 1-1双闭环直流调速系统原理框图 4 本设计采用三相全控桥整流电路，在直流侧串有平波电抗器，该电路能为电动机负载提 供稳定可靠的电源， 利用控制角的大小可有效的调节转速， 并在直流交流侧安置了保护装置， 保证各元器件能安全的工作， 同时由于使用了闭环控制， 使得整个调速系统具有很好的动态 性能和稳态性能。 第三章第三章主电路选型和闭环系统的组成主电路选型和闭环系统的组成 3.13.1 整体设计整体设计 直流电机的供电需要三相直流电， 在生活中直接提供的三相交流380V 电源， 因此要进 行整流， 则本设计采用三相桥式整流电路变成三相直流电源， 最后达到要求把电源提供给直 流电动机。如图 2.1 设计的总框架。 三相交流电源 整流 三相桥式整流电路 供电 直流电动机 保护电路驱动电路 双闭环直流调速机 图 2.1双闭环直流调速系统设计总框架 本设计中直流电动机由单独的可调整流装置供电， 采用三相桥式全控整流电路作为直流 电动机的可调直流电源。 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 的电源电压。由改变电源电压调速系统的机械特性方程式: n (U d /Ce)R 0 R a T /CeCT2 注解：U d 整流电压 , R 0 为整流装置内阻，由此可知，改变U d ，可改变转速n。 3.23.2 主电路主电路 直流调速系统常用的直流电源有三种旋转变流机组； 静止式可控整流器； 直流斩 波器或脉宽调制变换器。 1957 年晶闸管问世，已生产成套的晶闸管整流装置，即右图2.2 晶闸管-电动机调速系 统(简称 V-M 系统)的原理图。通过调节阀装置 GT 的控制 电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压 U d ，从而实现平滑调速。和旋转变流机组及离子拖动变 流装置相比， 晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都 5 图 2.2VM 系统原理 很大提高，而且在技术性能上也现实出较大的优越性。 虽然三相半波可控整流电路使用的晶闸管个数只是三相全控桥整流电路的一半， 但它的 性能不及三相全控桥整流电路。 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。主电路图如下： 图 2.3主电路原理图 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。 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 。 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。 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。为此，晶闸管必须严格按编号轮流导通。 晶闸管与按 A 相，晶闸管与按B 相，晶闸管与按 C 相，晶闸管接成共阳极组，晶闸管接成共 阴极组。 在电路控制下， 只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管， 以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管， 同时导通时， 才构成完整 的整流电路。如图 2.3 所示。 由于电网电压与工作电压（U2）常常不一致，故在主电路前端需配置一个整流变压器， 以得到与负载匹配的电压， 同时把晶闸管装置和电网隔离， 可起到降低或减少晶闸管变流装 置对电网和其他用电设备的干扰。 考虑到控制角 增大，会使负载电流断续，并且负载为直流电动机时，由于电流断续 和直流的脉动，会使晶闸管导通角 减少，整流器等效内阻增大， 电动机的机械特性变软， 换向条件恶化，并且增加电动机的损耗， 故在直流侧串接一个平波电抗器， 以限制电流的波 动分量，维持电流连续。 为了使元件免受在突发情况下超过其所承受的电压电流的侵害，电路中加入了过电压、 过电流保护装置。 3.33.3 双闭环直流调速系统的静特性双闭环直流调速系统的静特性 在单闭环系统中， 只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。 但它只是在超过临 界电流I dcr 值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击， 并不能很理想的控制电流的动态 波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图2.4-（a）所示。 当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。 6 在实际工作中,我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许 过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值， 使电力拖动系统尽可 能用最大的加速度起动， 到达稳定转速后， 又让电流立即降下来， 使转矩马上与负载相平衡， 从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形如图 1-（b）所示，这时，启动电流成方波形， 而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起 动过程。 Idn Idm Idcrn Idn Idm n Id L Id L O (a) t O (b) t (a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 (b)理想快速起动过程 图 2.4调速系统起动过程的电流和转速波形 实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳， 为了实现在允许条件下最快启动，关 键是要获得一段使电流保持为最大值I dm 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就能得到近似的恒流过程。 问题是 希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入 端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采 用双闭环调速系统。 这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同 的阶段。 3.43.4 闭环调速系统闭环调速系统 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用， 在系统中设置了两个调节器， 分别调节转 速和电流，二者之间实行串级连接，如图2所示，即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晶闸管整流器的触发装置。 该双闭环调速系统的两个调 节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精 度，使系统在稳态运行时得到无静差调速， 又能提高系统的稳定性； 作为控制器时又能兼顾 快速响应和消除静差两方面的要求。 一般的调速系统要求以稳和准为主， 采用PI调节器便能 保证系统获得良好的静态和动态性能。 采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以保证系 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， 单环系统就难以 满足需要。这是就要考虑采用转速、 电流双环控制的直流调速系统。 为了实现转速和电流两 7 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。 二者之间实行嵌 套（串联） 联接。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。 图2.5转速、电流双闭环直流调速系统结构框图 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图2所示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实 际极性，他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。 开环直流调速系统调节控制电压 Uc 就可改变电动机的转速。如果负载的生产工艺对运 行时的静差率要求不高， 这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速， 但是，对静 差率有较高要求时，开环调速系统往往不能满足要求。这时就要采用闭环调速系统。 3.4.13.4.1 双闭环调速系统电路原理图双闭环调速系统电路原理图 + Ui U*R0 RnC R0 ASR LM R0 - + + U*i TA RiCi ACR - + + Uc LM TG V L Id Ud RP1 - R0 U M M + Un n + - RP2 TG - 图2.6 双闭环调速系统电路原理图 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 8 3.4.23.4.2 双闭环直流调速系统的稳态结构图双闭环直流调速系统的稳态结构图 首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图2.7 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U在稳太时总是为零。 Id R U*n + ASRU*i Ui - + ACR Uct UPE Ud0 + Ks -IdR E 1/Ce n -Un 图2.7 双闭环直流调速系统的稳态结构图 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。 3.4.33.4.3 双闭环直流调速系统数学模型双闭环直流调速系统数学模型 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2.8 所示。 图中W ASR(s) 和W ACR(s) 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I d 显露出来，如图 2.8 所示。 U n + - * U*i WASR(s) Un - Ks WACR(s) T s+1 U - d0 Uct s Ui 1/R Tls+1 Id -IdL R Tms + E 1/Ce n 图 2.8 双闭环直流调速系统的动态结构框图 9 3.53.5 电动机型式的确定电动机型式的确定 3.5.13.5.1 电动机电压等级的选用电动机电压等级的选用 电动机电压等级要与工厂企业或车间的供电电压一致。 一般中、 小型交流电动机额 定电压为 220/380V 或 380/660V。当电动机由晶闸管整流装置直接供电时，为配合不 同的整流电路联结，新改型直流电动机还增设了 160V（配合单相全波整流）及 440V （配合三相桥式整流）等新的电压等级。 3.5.2 3.5.2 电动机额定转速的选用电动机额定转速的选用 一般可分为下列三种情况： （1） 电动机连续工作， 很少起动、 制动或反转。 对几个不同的额定转速进行全面比较， 最后确定电动机的额定转速。 （2）电动机经常起动、制动及反转，此时除考虑初期投资外，主要根据过渡过程能量 损耗为最小的条件来选择电动机的额定转速。 （3）电动机经常起动、制动及反转，主要根据过渡过程持续时间为最短的条件来选择 电动机的额定转速。 3.5.3 3.5.3 电动机额定功率的选用电动机额定功率的选用 额定功率的选用考虑电动机的发热、过载能力及起动能力三个方面。电动机额定 功率的选择一般可分为三步： （1）计算负载功率 PL。这是决定电动机额定功率的依据。 （2）根据负载功率，预选电动机的额定功率 PN PL ，尽量接近 PL。 （3）校核预选电动机。 3.5.43.5.4 电动机的额定功率电动机的额定功率 决定电动机功率的主要因素有三个： （1）电动机的发热与温升，这是决定电动机功率的最主要因素。 （2）允许短时过载能力。 （3）对于笼型交流电动机还要考虑起动能力。 在生产实际中， 还需要考虑具体生产机械的特殊情况， 进行补充和灵活运用。 3.5.5 3.5.5 电动机的选型电动机的选型 型号：Z4-180-42额定转速：3000r/min额定功率：90KW 电压：电枢 220V 激磁：220V电枢电流：221A 惯量矩：2.2 Kg.m.m重量：410Kg 10 3.63.6 晶闸管结构型式的确定晶闸管结构型式的确定 晶闸管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。 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。 根据电动机的额定电压的不同， 确定整流变压器的输出电压和可控整流电路的结构 形式，一般情况，当控制角为 0 时，整流输出电压的有效值U d0 应约等于 1.1 倍的 电动机额定电压U n ,运算关系参照下表 1。 表 1 运算关系 整流电路 Um m Ud0 单相全波三相半波三相全波六相半波 2U 2 * 2 0.9U 2 cos 2U 2 6U 2 2U 2 366 1.17U 2 cos2.34U 2 cos1.35U 2 cos 电路结构确定后既要进行晶闸管的型号选择：一般取晶闸管的额定电压为 1.5-2 倍的U m 、额定电流大于 2 倍的电动机额定电流I n 确定。 3.73.7 闭环调速系统的组成闭环调速系统的组成 开环直流调速系统调节控制电压Uc就可改变电动机的转速。 采用 PI 调节的单个转 速闭环直流调速系统可以保证系统稳定的前提实现转速无静差。但是，如果对系统的 动态性能要求较高，单环系统就难以满足需要。这是就要考虑采用转速、电流双环控 制的直流调速系统。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。二者之间实行嵌套（串联）联接。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。 11 第四章第四章调速系统主电路元部件的确定及其参数计算调速系统主电路元部件的确定及其参数计算 4.14.1 整流变压器容量计算整流变压器容量计算 4.1.14.1.1 次级电压次级电压 U2U2 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）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 （4）电枢电阻的压降 综合以上因素得到的 U2 精确表达式为： A= Ud0/U2，表示当控制角 =0 时，整流电压平均值与变压器次级相电压有效值之比。 B=Ud/Ud0，表示控制角为 时和 =00时整流电压平均值之比。 UK%变压器的短路电压百分比，100 千伏安以下的变压器取 UK%=5，1001000 千 伏安的变压器取 UK%=58 为电网电压波动系数。根据规定，允许波动+5%-10%，即 =1.050.9 C 是与整流主电路形式有关的系数 r a I N R ，表示电动机电枢电路总电阻R的标么值，对容量为15150KW 的 U N 电动机，通常ra=0.080.04 nUT表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降 对于本设计：为了保证电动机负载能在额定转速下运转,计算所得的 U2应有 一定的裕量,根据经验所知,公式中的控制角应取 300为宜。 =0.9,A=2.34,B=cos cos300= 3 ，C=0.5，UK%=5 2 r a 2200.71 0.71 220 12 = 220 0.711.511 21 35 2.340.90.51.5 2100 =366V取 U2=370V 4.1.24.1.2 次级电流次级电流 I I 2 2 和变压器容量和变压器容量 I2=KI2Id , 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 ： I 2 0.816136 110.98A S 1/ 2(S 1 S 2 ) mU 11I1 m 2U2I2 3370110.98123.19KVA 4.24.2 晶闸管的电流、电压定额计算晶闸管的电流、电压定额计算 题目中要求晶闸管整流装置R rec =0.5, K s 3540 ,I n =136A ，U n 220V 晶闸管参数计算如下： U d0 =1.1U n =1.1220=242V U rm =1.5U n =1.5220=330V I vt =2In=2136=272A 从电气工程师手册中查得满足晶闸管型号选择的晶闸管型号为：KP500 表 2 KP500 型号通态平均电正向电 流有 流 IT（AV）效值 AIF(AV)A 重复峰值电 压 VRRM V 触发电流 IGT mA 500 推荐散热器 KP5005005502002000SZ13 4.34.3 平波电抗器电感量计算平波电抗器电感量计算 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所需电感量中，扣除上述两种电感量。 4.3.14.3.1 电枢电感量电枢电感量 L L M M 按下式计算按下式计算 KDUN103 LM(mH) 2Pn N IN P电动机磁极对数，KD计算系数，对一般无补偿电机：KD=812 对于本设计，P=2，KD=10 13 KDUN10310220103 LM 2.77(mH) 2Pn IN221460136 N则 4.3.2 4.3.2 整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感 L L B B 按下式计算按下式计算 LB KB U2变压器次级相电压有效值 Id晶闸管装置直流侧的额定负载电流 KB与整流主电路形式有关的系数 对于本设计，KB=3.9，UK%=5 则LB KB UK%U 2 (mH) 100Id UK%U 2 5370 3.9 0.33(mH) 100Id100220 4.3.34.3.3 变流器在最小输出电流变流器在最小输出电流 IdminIdmin 时仍能维持电流连续时电抗器电感量时仍能维持电流连续时电抗器电感量 L L 下式计算下式计算 L K U 2 Id min K 是与整流主电路形式有关的系数，三相全控桥K 取 0.693 则：L K U 2 0.693370 23.31(mH) Id min2205% 4.3.44.3.4 使输出电流连续的临界电感量使输出电流连续的临界电感量 L L 平平 L 平 =L-LM-2LB=23.31-2.77-20.33=19.22(mH) 电抗器电感量应大于 15 mH 4.44.4 保护电路的设计计算保护电路的设计计算 4.4.14.4.1 过电压保护过电压保护 交流侧过电压的保护如图3-1 图 4-1 交流侧过电压保护电路 采用 RC 过电压抑制电路如图一所示，在变压器次级并联RC 电路，以吸收变压器铁心 的磁场释放的能量， 并把它转换为电容器的电场能而存储起来， 串联电阻是为了在能量转换 过程中可以消耗一部分能量并且抑制LC 回路可能产生的震荡。 本设计采用三相全控桥整流 电路，变压器的绕组为Y 联结，阻容保护装置采用三角形接法， 故可按下式计算阻容保 14 护元件的参数 C 1ST 6i0% 2 (F) 3U 2 电容 C 的耐压 ：UC1.5 32U 2(V) U 22 R 32.3 ST 电阻 R 的功率： UK% () i0% PR (3 4)IC2R(W) IC 2fCUC106(A) 式中ST变压器每相平均计算容量（VA） U2变压器次级相电压有效值（V） i0%励磁电流百分比，当 ST几百伏安时i0%=10，当 ST1000 伏安时 i0%=35 UK%变压器的短路电压百分比 IC,UC当 R 正常工作时电流电压的有效值（A，V） 对于本设计，UK%=5， i0%=5，ST=145.41/3=48.47KVA （1）电容器的计算 1ST48.47103 C 6i0% 2 25 3.5(F),取 4 F 23U 2 370 UC1.5 3 2U 2 1.5 63701359(V),取 1200V 选择C=4F，耐压 1200V 的金属化纸介电容 (2) 电阻值的计算 U 22 UK%3702 R 32.3 6.9 STi0%48.47103 RC 支路电流 IC近似为 5 19.49()取 R=20 5 IC 2fCUC106 230.46(A) 电阻 R 的功率为PR (3 4)ICR (3 4)0.46 20 12.69616.928(W)2 2 15 直流侧的过电压保护如图： 图 3-2 直流侧过电压保护电路 图 4-2 直流侧过电压保护 整流器直流侧开断时，如直流侧快速开关断开或桥臂快熔熔断等情况， 也在 A、B 之间产生 过电压，如图 3-2 所示本设计用非线性元气件抑制过电压，在A、B 之间接 入的是压敏电阻。压敏电阻的额定电压U1mA的选取可按下式计算 U 1mA 1.8 2.2U d0 (V) Ud0为晶闸管控制角=00时直流输出电压 对于本设计：U1mA1.8 2.2U d0 1.8 2.2242 435.6 532.4(V) 用于中小功率整流器操作过电压保护，压敏电阻通流容量可选择（35）KA 晶闸管换相过电压保护 如图： 图 4-3 换相过电压保护电路 如上图，在晶闸管元件两端并联 RC 电路，起到晶闸管换相过电压的保护。串联 电阻 R 的作用一是阻尼 LTC回路的震荡， 二是限制晶闸管开通瞬间的损耗且可减小电 流上升率 di/dt。R、C 值可按经验数据选取，对于本设计晶闸管额定电流为220A，故 C 可取 0.3 F ,R 可取 20. 4.4.24.4.2 过电流保护过电流保护 如图： 图 4-4 过电流保护电路 16 第五章第五章 驱动控制电路的选型设计驱动控制电路的选型设计 5.15.1 集成触发电路集成触发电路 集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。随着集成电路制作 技术的提高。晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及。目前国内常用KJ 和 KC 系列，两者生 产厂家不同，但很相似。采用 KJ004 集成触发电路的同步电压应滞后于主电路电压180 度 的触发触发脉冲。其工作原理可参照锯齿波同步的触发电路进行分析， 或查阅有关的产品 手册。 集成电路只需用 3 个 KJ004 集成块和隔离电路组成， 再由六个晶体管进行脉冲放大， 即构成完整的三相全控桥触发电路，如图5-1 所示： 图 5-1 采用集成化六脉冲触发电路的三相全控桥整流电路 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，y-11，5 联结。同步 变压器如图 5-3。 图 5-3 同步变压器和整流变压器接法 17 这时，同步电压选取的结果见表3。 表 3 各晶闸管的同步电压 晶闸管 主电路电压 同步电压 VT1 +Ua -Usa VT2 -Uc +Usc VT3 +Ub -Usb VT4 -Ua +Usa VT5 +Uc -Usc VT6 -Ub +Usb 5.25.2 三相桥式全控整流电路分析三相桥式全控整流电路分析 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。其电路如图 5-4 所示： 图 5-4三相桥式电阻性负载全控整流电路 要求共阴极的一组晶闸管要在自然换相点 1、3、5 点换相，而共阳极的一组晶闸 管则会在自然换相点 2、4、6 点换相。因此，对于可控整流电路，就要求触发电路在 三相电源相电压正半周的1、3、5 点的位置给晶闸管 VT1、VT3 和 VT5 送出触发脉冲， 而在三相电源相电压负半周的2、4、6 点的位置给晶闸管 VT2、VT4 和 VT6 送出触发脉 冲，且在任意时刻共阴极组和共阳极组的晶闸管中都各有一只晶闸管导通，这样在负 载中才能有电流通过，负载上得到的电压是某一线电压。其波形如图5-5 所示。 图 5-5三相桥式电阻性负载 a=0时波形 触发电路与驱动电路是电力电子装置的重要组成部分。为了充分发挥电力电子器件的潜 力、保证装置的正常运行，必须正确设计与选择触发电路与驱动电路，如图5-6 。 18 晶闸管的触发信号可以用交流正半周的一部分， 也可用直流， 还可用短暂的正脉冲。 为了减少门极损耗，确保触发时刻的准确性， 触发信号常采用脉冲形式。 晶闸管对触发电路 的基本要求有如下几条： （1）触发信号要有足够的功率 （2）触发脉冲必须与主回路电源电压保持同步 （3）触发脉冲要有一定的宽度，前沿要陡 （4）触发脉冲的移相范围应能满足主电路的要求 图 5-6三相桥式全控整流电路触发脉冲 第六章第六章 双闭环系统调节器的动态设计双闭环系统调节器的动态设计 6.16.1 电流调节器的设计电流调节器的设计 6.1.16.1.1 时间常数的确定时间常数的确定 表 4各种整流电路的失控时间（f=50Hz） 整流电路形式 单相半波 单相桥式 三相半波 最大失控时间 Tsmax/ms平均失控时间 Ts/ms 三相桥式 20 10 6.67 3.33 10 5 3.33 1.67 系统电磁时间常数T 1 ：由上可知L=35.98mH，R=0.5， L 17.01103 0.142S 按表 4 得：T l R 0.12 整流装置滞后时间常数Ts：三相桥式电路的平均失控时间为Ts=0.0017s。 电流滤波时间T oi =0.002s，电流环小时间常数之和T i ：按小时间常数近似处 理， 电流环小时间常数之和T i ：按小时间常数近似处理，取T i T s T oi =0.0037s 19 6.1.26.1.2 电流调节器结构的选择电流调节器结构的选择 根据设计要求 i 5%， 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 K i i s1 ，K i 电流调节器的比例系数， i 电流调节器的超前时间常W ACR S i s 数。 检查对电源电压的抗扰性能： T l =0.142/0.0037=38.39，对照典型型系统动态 T i 抗扰性能，各项指标都是可以接受的。 电流调节器结构图如图 6-1： 图 6-1 电流调节器结构图 6.1.36.1.3 电流调节器的参数计算电流调节器的参数计算 电流调节器超前时间常数 i=T1=0.07s。 电流开环增益：要求i5%时，按表 5 应取KIT i =0.5， 因此K I =0.5/ T i =0.5/0.0037=135.1s。 取Ks=40，而电流反馈系数 =10V/1.5 I N =10/（1.5136）=0.05V/A， 于是 ACR 的比例系数为Ki 1 K Ii R135.10.070.71 3.36 K s 400.05 表 5典型型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系 参数关系 KT 阻尼比 超调量 上升时间 tr 峰值时间 tp 相对稳定裕度 截止频率 c 0.25 1.0 0% 76.3 0.243/T 0.390.50 0.80.707 1.5%4.3% 6.6T4.7T 8.3T 6.2T 69.965.5 0.367/T0.455/T 0.69 0.6 9.5% 3.3T 4.7T 59.2 0.596/T 1.0 0.5 16.3% 2.4T 3.6T 51.8 0.786/T 20 6.1.46.1.4 近似条件校验近似条件校验 电流环截止频率： ci K I 135.1s1。 晶闸管整流装置传递函数的近似条件: 1/ （3T s ） 1/ （30.0017） 196.1s1 ci ，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: 3 11 3 72.68 ci ，满足近似条件。 T mTl 0.012s0.142s 电流环小时间常数近似处理条件: 1111 180.8S1 ci ，满足近似条件。 3T sToi 30.0017s0.002s 6.1.56.1.5 电流调节器的实现电流调节器的实现 按所用运算放大器取R0=40K ，各电阻和电容值为 Ri=KiR0=1.64240=65.68k ，取 65 k ； Ci= i/Ri=0.07/（6510 ）1.0810 F=1.08 F，取 1.1 F； Coi=4Toi/R0=40.002/40000=0.210 F，取 0.2 F。 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为 i =4.3%5% （见表 5） ，满足设计要求。 -6 3-6 6.26.2 转速调节器的设计转速调节器的设计 6.2.16.2.1 时间常数的确定时间常数的确定 电流环等效时间常数 1/KI：已取KIT i =0.5， 则 1/KI=2Ti=20.0037=0.0074s。 转速滤波时间常数 Ton：根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.01s。 转速环小时间常数 Tn：按小时间近似处理, Tn=1/KI+Ton=0.0074+0.01=0.0174s 6.2.26.2.2 转速调节器结构的选择转速调节器结构的选择 按照设计要求，选用典型型系统的PI 调节器，其传递函数为 W ASR S K n ns1。 ns 21 转速调节器结构图如图 6-2： 图 6-2 转速调节器结构图 6.2.36.2.3 转速调节器的参数计算转速调节器的参数计算 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=hTn=50.0174=0.087s， 可求得转速环开环增益K N h1 2h2T n 2 6 22，s 396.4s 2225 0.0174 因为 Ce=（UN-INRa）/nN=（440-2200.088）/1000=0.234Vmin/r， =10V/ nN =10/1800=0.006 Vr/min，于是 可得 ASR 的比例系数：K n (h1)C eTm 60.030.2340.01 3.36 2hRT n 250.0060.120.0174 6.2.46.2.4 近似条件校验近似条件校验 由式 K= 1c 得转速环截止频率为： w cn K N K Nn 396.40.087s1 34.5s1。 w 1 电流环传递函数简化条件： 1K I 1135.1 1s 63.7s1 w cn ，满足简化条件。 3T i 30.0037 转速环小时间常数近似处理条件： 1K I 1135.1 1s 38.7s1 w cn ，满足近似条件。 3T on 30.01 6.2.56.2.5 转速调节器的实现转速调节器的实现 取 R0=40k ，则 Rn=KnR0=3.3640=134.48k ，取 1400k ； Cn= n/Rn=0.087/（14010 ）0.62110 F=0.621 F，取 0.7 F； Con=4Ton/R0=40.01/（4010 ）=110 =1 F，取 1 F。 3-6 3-6 22 6.2.66.2.6 校核转速超调量校核转速超调量 当 h=5 时，由表6 查得， n=37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于表四是按 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。 表 6典型型系统阶跃输入跟随性能指标（按Mmin 准则确定参数关系） h t r/T t s/T k % 3 52.6 2.40 3 % 4 43.6 2.65 2 % 5 37.6 2.85 2 % 6 33.2 3.00 1 % 7 29.8 3.10 1 % 8 27.2 3.20 1 % 9 25.0 3.30 1 10 23.3 % 3.35 1 12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20 设理想空载起动时，负载系数z=0，已知 =1.5，IN=220A，nN=1800r/min， Ce=0.234Vmin/r，Tm=0.1s，Tn=0.0174s。当 h=5 时，由表 7 查得， Cmax/Cb=81.2%，而调速系统开环机械特性的额定稳态速 降 nN=INR/ C e=220 0.12/0.234=94.01 r/min，代入式 maxbmaxNn ， n 2( Z) C n* C n* T bbm C n Cn T 计算得： n= 281.2%1.5 94.010.0174 2.21% 8% 能满足设计要求。 18000.1 表 7典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系 h % t m/T t v/T 3 % 4 77.5 2.70 % 5 81.2 2.85 % 6 84.0 3.00 % 7 86.3 3.15 8910 C max/Cb 72.2 2.45 88.1%89.6%