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报告题目：晶闸管双闭环直流调速系统1摘要双闭环直流调速系统即速度和电流双闭环直流调速系统，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。又采用电流截止负反馈环节，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有综合几个信号，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，电流双闭环直流调速系统。关键词：双闭环直流调速系统ASRACR1.设计要求直流电动机设计双闭环直流晶闸管调速系统，技术要求如下：1.1直流电动机的额定参数PN=1.1KW、UN=110V、IN=1.2A、nN=1500r/min，电枢电阻Ra=1Ω，电枢绕组电感La=28mH，系统飞轮矩GD2=0.1375Kg·m2，电流过载倍数λ=1.5。1.2电压参数电网电压：线电压U=380V采用三相晶闸管桥式整流电路供电21.3设计要求稳态无静差，电流超调量i≤5%；转速超调量n≤10％。2.双闭环直流调速系统系统总设计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，如下图所示，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。双闭环调速系统的结构框图和原理图如下：3双闭环调速系统电路原理图3.主电路设计及相关计算3.1主电路的设计整流变压器输出的三相电压加到由晶闸管VT1~VT6组成的三相全控整流电路上，在触发电路的控制下得到可调的电压，从而调节电机的转速。主电路图43.2整流变压器的设计3.2.1变压器二次侧电压的计算U2是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成延迟角加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。一般可按下式计算，即：BAUUd)2.1~1(2（3-1）A—理想情况下，整流电压Udo与二次电压U2之比，即UUdoA2B—延迟角为时输出电压Ud与Udo之比，即UUdodB—电网波动系数，通常取ε=0.91～1.2——考虑各种因数的安全系数对于三相全控整流电路，由表1，得A=2.34；α角考虑10°裕量：985.0cosB所以由式（3-1）得VU64~53985.09.034.2110)2.1~1(2取V63U2变压器变比03.663380K21UU计算系数单相半波单相全波三相半波三相全波A0.450.91.172.34KI210.5870.816KI110.4720.816UM0.450.4503670.367表153.2.2一次侧，二次侧相电流的计算整流变压器一次、二次相电流与负载电流Id之比分别为：IIKdI11（3-2）IIKdI22（3-3）考虑变压器的励磁电流时，I1应乘以1.05左右的系数，即：KIKIdI1105.1（3-4）对于三相全控整流电路，由表1，得816.0,816.021KKII，由（3-3），（3-4）式可得：78.103.65.12816.005.105.111KIKIdIA2.105.12816.022IKIdIA3.2.3变压器容量的计算原边视在功率：S1=m1U1I1副边视在功率：S2=m2U2I2平均视在功率：S=（S1+S2）/2令m1，m2为原副边绕组的系数，由于采用三相电源m1=m2=303.278.138033111IUSKVA93.12.106333222IUSKVA98.1)93.103.2(21)(2121SSSKVA3.2.4变压器的联接组别变压器的一次侧绕组采用△接法，二次侧绕组采用Y接法，即△/Y接法。63.3晶闸管原件的选择3.3.1晶闸管的额定电压晶闸管实际承受的最大峰值电压Um，并考虑（2～3）倍的安全裕量，参照标准晶闸管电压等级，即可确定晶闸管的额定电压UTN，即UUmTN)3~2(在三相全控桥式整流电路，每个晶闸管所承受的最大峰值电压为UUm2695.426~63.308636)3~2(6)3~2()3~2(2UUUmTN取VUTN5003.3.2晶闸管的额定电流A75.185.125.1maxIINAIIAVVT90.657.13max)(考虑到）（2~5.1倍的裕量，则AIIAVVTTN80.13~35.1090.6)2~5.1()2~5.1()(取AITN15，故选晶闸管的型号为KP15-5晶闸管原件3.4熔断器原件的选择快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。3.4.1整流变压器二次侧熔断器选择整流变压器二次侧相电压为63V，熔断器的额定电压可选为100V，熔断器的额定电流：AII32.162.106.16.12可取为20A，选用RT18-32低压熔断器，额定电压220V,额定电流32A。73.4.2晶闸管保护熔断器的选择由于晶闸管的过载能力差，必须在每只晶闸管上串接一只快速熔断器加以保护，熔断器的烧断电流可按以下经验公式选择：AIITNT19153.13.1选用RLS-20熔断器，额定电流为20A。3.4.3直流侧熔断器元件的选择为了在回路出现环流时很快的断开环流通路，需要在直流侧串接快速熔断器，其熔断电流按下式计算：AIIINdRs63.195.1257.157.157.1可选用RO15gG低压熔断器，额定电流为A32~1）（，耐压为500V。3.5变压器二次侧阻容过电压保护电路中原件选择3.5.1电容原件的选择阻容吸收保护电路的电容计算如下：)(0202FfCUIKc式中：I02是主变压器副边的空载电流，因为副边空载电流大约等于副边电流I2的5%，AAII51.0%52.10%5202U02是副边的线电压VUU12.1096333202f是电源频率（50HZ）Kc是系数，对于三相桥式整流电路，10000Kc8将上面数值带入上式。则F93.012.1095051.01040202UIKfCc电容的耐压，按下式计算：VUU64.30812.109222202实际选电容值为F1，耐压值为500V的电容。3.5.2电阻元件的选择IUKRR0202式中：KR是系数，对于三相桥式3.0KR，因此19.6451.012.1093.00202IUKRR实际取9.64的电阻。电阻的功率可按下式估计：)(0222WRpPIK式中：KP是系数，对于三相桥式，25.0Kp，因此W11.29.64202251.025.022RpPIK实际取2W。3.6平波电抗器选择为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗器Ld，称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知的，因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。（1）算出电流连续的临界电感量L1可用下式计算，单位mH。9IUKLdmin211式中：K1－与整流电路形式有关的系数，可由表查：693.01KIdmin-最小负载电流，常取电动机额定电流的5％～10％计算mHL85.6955.1263693.0001（2）限制输出电流脉动的临界电感量L2由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。该脉动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。通常负载需要的只是直流分量，对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加，引起过热。因此，应在直流侧串入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量L2（单位为mH）可用下式计算：ISUKLdi222式中：Ksi系数，与整流电路形式有关，由表查045.12KSi-电流最大允许脉动系数，通常三相电路Si≤（5～10）％mHL7.52105.1263045.1002（3）变压器漏电感量LT变压器漏电感量LT（单位为mH）可按下式计算：IUUKLDshTT1002式中：10KT-计算系数，查表可得:9.3KTUsh-变压器的短路比，mHLT8.95.121006305.09.3(4)实际串入平波电抗器的电感量LD已知电枢电感mHLd28mHLLLLLTdD5.22)8.9228(1.70)2(,max21(5)电枢回路总电感LmHLLLLTdD1.708.92285.222取为mH703.7晶闸管的阻容保护抑制晶闸管的关断过电压一般采用在在晶闸管的两端并联阻容保护方法，其计算如下：)(4~2103FICTNb)(4~2IURTNTNb式中：ITN是晶闸管的额定正向平均电流。UTN是晶闸管的额定工作电压因此FICTNb04.0155.24~210103333.83155005.24~2IURTNTNb电容的耐压按下式计算：UUmcb022式中：Um02是副边线电压的峰值，VUUm32.15412.109220202，因此11V64.30832.1542202UUmcb电阻的功率按下式计算：UCPmfbRb022式中：f是电源频率，为50HZ，代入数值得：WmfUCPbRb04.004.0500232.15410262实际选用电容为F47.0，耐压值为500V；电阻为84.5，功率为W41。4．检测环节设计4.1转速反馈环节设计转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信号。转速检测电路主要由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统。其原理图如图4.1所示。ZCF系列直流测速发电机系封闭自冷具有换向器的他激直流发电机，在恒定的激磁电流下，电枢电压与电枢转速成正比。本系列电机为连续工作制。具有线性误差小，运行可靠、尺寸小、重量轻等特点。本设计选用永磁式直流测速发电机，型号为ZYS-3A,参数如下：min/2000,22,2.0,110rWAVnPIUCNCNCNCN因此，可计算：055.02000110nUCCNCNctg分压器的阻值为