晶闸管双闭环直流调速系统设计

1、电力拖动自动控制系统课程设计报告班级：自动1102姓名：张晨学号:111401217指导老师：谢勇扬州大学信息工程学院自动化专业部2014年12月29日至2015年1月4日目录-课程设计目得与意义()二技术指标与耐要求()2、lo技术数据2。2.设计要求三系统方案选择0四电路得设计()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000五 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.断开速度环后系统得仿真波形七心得体会参 考 书课程设计目得与意义1。熟悉自动控制系统设计得一般原则、设计内容以及设计程序得要求

2、,掌握工程设计得方法、2。掌握自动控制系统得计算机仿真技术3。学会收集、分析、运用自动控制系统设计得有关资料与数据4。通过对系统得设计、仿真调试，培养独立工作能力、分析问题解决问题得能 力。5.培养编制技术总结报告得能力。二技术指标与设计要求2.1.技术数据直流电动机额定参数为：Unom=22 0V,Inom“0 0A, Nnom = 147 0r/m in,Ra = 0o 26Q, =16NO m2,入二 1.5,励磁电压 Uf=220V,励磁电流If=l . 5A。给定电压最大值为10V。晶闸管整流装置:Ks二30。系统主电路。2. 2.技术要求10该调速系统能进行平滑得速度调节,负载电机

3、不可逆运行，具有较克得调速范围（410）,系 统在工作范围内能稳走工作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缶10%,电流超调呈& 5%,动态 速降 An 8-10%4.系统在5%负载以上变化得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.设计内容1. 根据题目得技术要求，确定调速系统方案,画出系统组成得原理框图、2. 调速系统主电路元部件得确走及其参数计算（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,对系统逬行动态校正，确走ASR调节器与

4、ACR调节器得结 构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳走,并满足动态性能指标得要求4 .分析当速度坏断开后系统工作情况5对閔十得系统进命算机仿真6。 整理设计数据资料,撰写课程设计报告、三系统方案选择在直流电机调速中主要有单闭环、双闭环得两种方案，单闭环结构简单，它采 用转速负反馈与PI调节器可以在保证系统稳定得前提下实现转速无静差、但就 是，如果对系统得动态性能要求较高，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。就是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控 制电流与转矩得动态过程。在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节就是 专门用来控制电流得，但它只能在超过临

5、界电流值以后,靠强烈得负反馈作用限制 电流得冲击，并不能很理想地控制电流得动态波形。根据带电流截止负反馈得单 闭环直流调速系统起动过程，起动电流达到最大值后,受电流负反馈得作用降低下 来，电机得电磁转矩也随之减小,加速过程延长。理根起动过程得起动电流呈方形 波，转速按线性增长。这就是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得得最快 得起动过程。为了实现在允许条件下得最快起动，关键就是要获得一段使电流保 持为最大值得恒流过程、按照反馈控制规律,采用某个物理量得负反馈就可以保 持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似得恒流过程。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

6、反馈，这就就是转速、电流双 闭环系统。为了实现转速与电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调 节器,分别调节转速与电流，即分别引入转速负反馈与电流负反馈。二者之间实行 嵌套（或称串级）联接，这样构成得双闭环直流调速系统比单闭环系统有更好得动 静态性能、由于本课题既要求系统稳态无静态，又有较高得动态性能指标，因而选用双闭 环调速系统。转速、电流双闭环直流调速系统得方框图如图1所示、测速发电机A S R转速调节器UPE电力电子变换器 Un *一转速给定电压Un转速反馈电压u i*电流给定TA -电流互感器ACR电流调节器TG-电压Ui电流反馈电压四电路得设计双闭环调速系统得动态结构框图如图2

7、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 瞧作就是转速调节器中得一个环节，再设计转速调节器、在设计得过程中需对电 流环与转速环进行近似处理与结构化简，从而确定调节器得结构，以利于后续得模 拟电路设计与参数计算。图2双闭环调速系统得动态结构框图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得可调整流装置供电，三相全控桥整流电路就是目前应用最广泛得整流电路，其输出电压波动小，适合直流电动机得负载,并且该 电路组成得调速装置调节范围广(将近5 0)。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

8、、电动机不可逆运行等技术要求、通过 调节触发延迟角a得大小来控制输出电压U d得大小，从而改变电动机M得供电 电氐由改变电枢电压调速系统得机械特性方程式n= ( S/G外(Ro+ RJT/CeCTa)2(D式中:Ud 整流电压,R。整流装置内阻，由式可知，改变U*即可改变转速no图3三相全控桥整流电路4.1.2.流变压器容量计算1. 变压器次级电压为了保证负载能正常工作,当主电路得接线形式与负载要求得额定电压确定 之后,晶闸管交流侧得电压U2只能在一个较小得范围内变化力此必须精确计算 整流变压器次级电压U 2。影响U2值得因素有：(1)U2值得大小首先要保证满足 负载所需求得最大直流值Ud；(

9、 2)晶闸管并非就是理想得可控开关元件，导通时有 定得管压降，用U T表示;(3)变压器漏抗得存在会产生换相压降； (4 )平波电抗器有一定得直流电阻，当电流流经该电阻时就要产生一定得电压降;电枢电阻得压降、综合以上因素得到得U2精确表达式为：上式为变压器二次侧相电压U2得较精确表达式，在要求不太精确得情况下，变压 器二次侧相电压U2可由简化式确定。式中Ud就是电动机得额定电压;系数可由参考资料1 中得表6 -1查得A二2.34、计算得:U2在 112、8141 之间，取 U2二 12 0V、2、次级电流12与变压器容量I2 = KI2Id , KI2为各种接线形式时变压器次级电流有效值与负载

10、电流 平均值之比。对于本设计KI2取0. 8 16,且忽略变压器一二次侧之间得能量损 耗，故12= 0。816x150二 122.4A变压器变比K二5/匕二3 8 0/120二3、2;取1二3、同样，由参1 表6 -1查得变压器二次与一次绕组得相数口2二3,口尸3 所以二次容量次容量Si= mi* Ui* Ii=3*3 80*40o 8二44KWS = (Si+S2)/2=44KW4。1、3 晶闸管参数计算三相全控桥整流电路实际上就是组成三相半波晶闸管整流电路中得共阴极 组与共阳极组串联电路，如图3所示、三相全控桥整流电路可实现对共阴极组与 共阳极组同时进行控制,控制角都就是60度。在一个周期

11、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。为了构成一个完整得电流回路，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得最大电压Ug考虑到电 电网电压得波动与操作过电压等因素，还要放宽23倍得安全系数，即按下式选 取Utn二（23）UM,式中系数23得取值应视运行条件，元件质量与对可靠性得要 求程度而定、对于本设计,Um二V6 U2,故计算得晶闸管额定电压为Utn = （2 3）V6U2=（23） x294 二 5 888 8 2V,取 10

12、00V为使晶闸管元件不因过热而损坏，需要按电流得有效值来计算其电流额定 值。即必须使元件得额定电流有效值大于流过元件实际电流得最大有效值。可按 下式计算:It（av）二（1、52）KfbI“Ax,式中计算系数Ke二Kf/1。57心由整流 电路型式而定K为波形系数,心为共阴极或共阳极电路得支路数、当a二0。时, 三相全控桥电路Kfb二0.3 68,故计算得晶闸管额定电流为It（av）二（1。52）KfblM ax 二（1.52） x0、3 68x（100x1, 5） = 82。8110o 4A,取 100A、4O lo 4电抗器电感量计算由于电动机电枢与变压器存在漏感，因而计算直流回路附加电抗器

13、得电感量 时，要从根据等效电路折算后求得得所需电感量中，扣除上述两种电感量、使输出 电流连续得临界电感量得计算公式：（3）式中U 2为晶闸管装置交流侧得电流相电压有效值，Id min为要求连续得最小负 载电流平均值,K 1为与整流主电流形式有关得系数，查参考资料1 中得表6 6中得序号2。（4）但在电机回路中包括电机电感与变压器每相得漏感实际外加电感比式 要求得小、电机电感公式如下:式中u D与Id为电动机得额定电压与额定电流，n与p为电动机得额定转速与磁极对数,Kd为计算系数,对于一般无补偿电机Kd = 8212,L d -为单位为mH 很明显 N nom=1470r/min 时,p 二 2

14、(6)折合到变压器二次每相得漏感Lb计算公式(7)式U2晶闸管装置交流侧得电流相电压有效值Id晶闸管装置直流侧得额定负载电流u k%变压器得短路比按参1 中得E6 1计算Kb与整流主电路形式有关得系数，查参1 表66中得序号3Lb单位为mH(8)与负载串联得限制电流脉动得实际临界电感量(9)最后算得使输出电流连续得临界电感量:L二15。8mH4。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,它就是三相全空桥式电路得触发器，它具有双脉 冲形成与电子开关封锁等功能。KJ04 1实用电路如图4

15、所示移相触发器输出脉 冲加到该器件得1 6端，器件内得输入二极管完成或功能形成|卜脉冲j亥脉冲经放大后分6路输出。当控制端7接逻辑0电平时，器件内得电子开关断开，各路输出触发脉冲。采用KJ041集成触发电路得同步电压应滞后于主电路电压18 0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,y511联结、这时，同 步电压选取得结果见表一。孑?-15V o,叙fc3-lnJ1欠 nT快lfc3-lsBnEl+ l5Vo图4触发电路表一各晶闸管得同步电压晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电+ Ua-Uc+ UUa+ Uc-Ub路电压b同步-Usa+ UseUs+Us

16、a-Use+ Usb电压b4. 3。调节器参数设计4、3、1电流调节器得设计根据设计要求 贾5%,而且，可按典型I型系统设计,电流调节器选择PI型具 传递函数如下：1、电流调节器参数计算三相桥式电路每个波头得时间就是3。3ms,为了基本滤平波头应有(l2)Tox =3、33ms,因此取T i二0.0 0 2 s，查参2 中表1 - 2得三相桥式电路得平均失控时间Ts二0.0017s,T沪Ts+ Toi = 0.0037s,其她参数如下:“=0.154sGD2Rz _ GD2Rl16*0.637500? 一375*9.55*0.132 375*9.55*0.132电流调节器超前时间常数：电流环开

17、环增益要求&5%时，按参2 表2-2,应取KiT习二0。52. 校核验近似条件：电流环截止频率：(1)晶闸管整流装置传递函数得近似条件满足近似条件(2)忽略反电动势变化对电流环动态影响得条件满足近似条件 电流环小时间常数近似处理条件满足近似条件按照以上参数/电流环可以达到得动态指标为:&%二4、3 % 5%。满足要求。4.3、2速度调节器得设计按跟随与抗扰性能都较好得原则，取h二5；根据所测测速发电机纹波情况，取Ton =0.0 1 s;电流环等效时间常数为;由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积 分环节;又根据动态要求，应按典型11型系统设计转速环。故ASR选用PI调节器, 其传递函数为1、速度调节器参数计算% =力 * 鸟“=力 *(2 * 7 + 巧”)=5 * (2 * 0.0037 + 0.01) = 0.087s2、校核验近似条件:转速环截止频率为力+ 1心佥二心仔心2x5x0.0174-087 = 34-5(b)冊两冊第西 一