晶闸管双闭环不可逆直流调速系统

1晶闸管双闭环不可逆直流调速系统摘要：晶闸管双闭环不可逆直流调速系统具有优良的静态和动态特性，它被广泛地应用于一般生产机械需要动力的场合，是应用最广的调速系统之一。本文所论述的晶闸管双闭环不可逆直流调速系统。主电路设计是依据晶闸管-电动机系统组成，其系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器和电动机等组成。通过三相可控整流电流调整直流电机电枢电压,以达到调速的目的,同时拥有电流和转速反馈,通过电流返馈可使电机以最大的电流启动或提速,而转速反馈使转速稳定。系统采用双闭环控制具有优良的静态和动态特性。关键字：直流调速双闭环PI调节前言直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一。广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中。在工业生产中，需要高性能速度控制的电力拖动场合，直流调速系统发挥着极为重要的作用，高精度金属切削机床，大型起重设备、轧钢机、矿井卷扬、城市电车等领域都广泛采用直流电动机拖动。特别是晶闸管一直流电动机拖动系统、具有自动化程度高、控制性能好、起动转矩大，易于实现无级调速等优点而被广泛应用。本文主要是根据三相全波全控整流电路的原理，选择合适的变压器、晶闸管、平波电抗器以及晶闸管保护、触发电路，组成整流电路。控制电路则采用转速负反馈和PI调节的单闭环调速系统可以实现转速的无静差。此外，我们希望系统在启动时，一直能有电机过载能力允许条件下的最大电流，电机有最大的启动转矩和最短的启动时间，这需要采用电流负反馈来实现。为了实现转速电流双闭环控制，应采用两个调节器分别对转速和电流进行调节。为了获得良好的静态和动态性能，转速和电流两个调节器都采用PI调节器。21、晶闸管双闭环不可逆直流调速系统的构成1.1转速、电流双闭环系统结构ASR—速度调节器ACR—电流调节器TA—交流变换器TG—测速发电机U*n—给定速度信号Un—速度反馈信号U*i—给定电流信号Ui—电流反馈信号图1-1转速、电流双闭环调速系统结构图该系统有两个PI调节器,一个是用于转速调节的转速调节器,另一个是用于电流调节的电流调节器,两个调节器串级连接,其输出均有限幅,输出限幅值分别为Usm和Umi。由于调速系统的主要被调量是转速,故把转速负反馈组成的环作为外环(主环),以保证电动机的转速准确地跟随给定值,并抵抗外来的干扰;把由电流负反馈组成的环作内环(副环),以保证动态电流为最大值并保持不变,使电动机快速地起动、制动,同时还能起限流作用,并可以对电网电压波动起及时抗扰作用。电动机转速由给定电压Ug来确定,转速调节器ST的输入M偏差电压为ΔUis=Ug-Unf,转速调节器ST的输出电压Us作为电流调节器LT的给定信号(ST输出电压的限幅值Usm决定了LT给定信号的最大值);电流调节器LT的输入偏差电压为ΔUci=-Us+Ufi,电流调节器LT的输出电压Uc作为触发电路的控制电压(LT输出电压的限幅值Umi决定了晶闸管整流电压的最大值Udm);Uc控制着触发延迟角,使电动机在期望转速下运转。系统中电流内环的作用是使电机电枢电流Id服从它的给定值U*i,当U*i不变时,它表现为恒流调节,否则表现为随动调节。速度外环的输出为U*i,不直接推动后面的放大器,而是作为电流环的给定值,3二者共同构成串级控制系统,不仅能控制转速,而且能控制电流,可充分利用电机的过载能力,获得较快的动态响应。1.2转速、电流双闭环系统电路原理图图1-2转速、电流双闭环系统电路原理图两个调节器输出都带有限幅，转速ASR的输出限幅U*im，决定了电流(给定电压)的最大值；电流ACR的输出限幅Ucm，决定最大输出电压Udm。1.3转速、电流双闭环系统动态结构图由于电流检测信号中常含有交流分量，须加低通滤波，其滤波时间常数Toi4按需要选定。滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来了延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其作用是：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用Ton表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道中也配上时间常数为Ton的给定滤波环节。2、调速系统主电路元部件的确定及其参数计算2.1晶闸管的电流、电压定额计算2.1.1晶闸管额定电压UN晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压Um，考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽2～3倍的安全系数，即按下式选取UN＝（2～3）Um，式中系数2～3的取值应视运行条件，元件质量和对可靠性的要求程度而定。2.1.2晶闸管额定电流IN为使晶闸管元件不因过热而损坏，需要按电流的有效值来计算其电流额定值。即必须使元件的额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。可按下式计算：IN=(1.5~2)KfbIMAX。式中计算系数Kfb=Kf/1.57Kb由整流电路型式而定，Kf为波形系数，Kb为共阴极或共阳极电路的支路数。当α=0时，三相全控桥电路Kfb=0.368,故计算的晶闸管额定电流为IN=(1.5~2)KfbIMAX=(1.5~2)×0.368×(220×1.5)=182.16～242.88A，取200A。2.2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得的所需电感量中，扣除上述两种电感量。2.2.1电枢电感量LM按下式计算)(2103mHIPnUKLNNNDMP—电动机磁极对数，KD—计算系数，对一般无补偿电机：KD=8~12。2.2.2整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感LB按下式计算)(100%2mHIUUKLdKBB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。52.2.3变流器在最小输出电流Idmin时仍能维持电流连续时电抗器电感量L按下式计算min2dIUKL，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＝17.01(mH).2.3整流变压器容量计算6脉动整流单元，变压器容量为变频器的1.3～1.4倍左右。3、单元电路设计3.1同步信号电源、正负15V电源设计63.2主回路设计3.3晶闸管触发电路于驱动电路设计3.3.2用集成器件构成触发电路usa1234567111091413128161512345671110914131281615KJ004KJ004-15V+15V12345671110914131281615KJ004RP6RP3(1~6脚为6路单脉冲输入)12345671110914131281615KJ041(15~10脚为6路双脉冲输出)至VT1usbuscupucoR19R13R20R14R21R15R9R3R6R18R8R2R5R17R7R1R4R16R10R11R12C7C4C1C8C5C2C9C6C3RP4RP1RP5RP2至VT2至VT3至VT4至VT5至VT673.3.2晶闸管驱动电路3.4限幅电路设计3.5晶闸管保护电路设计3.5.1晶闸管的过压保护由于整流电路内部原因,如整流晶闸管损坏,触发电路或控制系统有故障等；其中整流桥晶闸管损坏类较为严重,一般是由于晶闸管因过电压而击穿,造成无正反向阻断能力它相当于整流桥臂发生永久性短路使在另外两桥臂晶闸管导通时无法正常换流因而产生线间短路引起过电流。整流桥内部原因引起的过流以及逆变器负载回路接地时可以采用第一种保护措施最常见的就是接入快速熔短器的方式。83.5.2晶闸管的过压保护晶闸管设备在运行过程中会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭同时设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现过电压保护的方法是并接RC阻容吸收回路93.5.3电压上升率dv/dt的抑制如果晶闸管上的正向电压上升率dv/dt过大，由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流该电流可以实际上起到触发电流的作用使晶闸管正向阻断能力下降严重时引起晶闸管误导通，为抑制dv/dt的作用可以在晶闸管两端并联RC阻容吸收回路，如下图并联RC阻容吸收回路4、双闭环系统调节器的动态设计设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐步向外扩展。在这里是：先从电流环入手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。4.1电流调节器的设计（1）确定时间常数整流滤波时间常数Ts，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s；电流滤波时间常数Toi，三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本虑平波头，应有（1～2）Toi=3.33ms，因此取Toi=2ms=0.002s；电流环小时间常数T∑i，按小时间常数近似处理，取T∑i=Ts+Toi=0.0037s。（2）选择电流调节器结构由设计要求：σi%≤5%，而且:1011.80037.003.0iTTl因此可按典型I型系统设计，电流调节器选用PI型，其传递函数为:10WACR(s)=isisKi1（3）选择电流调节器参数ACR超前时间常数:sTli03.0；电流环开环增益：要求σi%≤5%时，应取0.5IKTi，因此：11.1350037.05.05.0siTKI于是，ACR的比例系数为：0.030.5135.11.0130.0540IsiRKiKk（4）校验近似条件电流环截止频率11.135sKIci；晶闸管装置传递函数近似条件为：13ciswT现在，cisTs11.1960017.03131，满足近似条件；忽略反电动势对电流环影响的条件为：13cimlwTT现在，cilmwsTT182.4013，满足近似条件；小时间常数近似条件处理条件为：113cisoiwTT现在cioissTT18.180131，满足近似条件。（5）计算调节器电阻和电容电流调节器原理如图3－1所示，按所用运算放大器取R0=40kΩ，各电阻和电容值计算如下：01.0134040.52iiRKRk，取40k；0.03401000iCiRi108=0.75F,取0.75F；04RToiCoi=0.2F，取0.2F。11Rbal+_+UiRiUcId20R20R20R20RCoiCoiCi图3－1含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为：σi%=4.5%5%，满足设计要求。4.2转速调节器的设计（1）确定时间常数电流环等效时间常数为20.0074iTs；转速滤波时间常数Ton，根据所用测速发电机波纹情况，取Ton=0.01s；转速环小时间常数nT按小时间常数近似处理，取nT=20.0174iTTons。（2）选择转速调节器结构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Ⅱ型系统设计速度环，故ASR选用PI调节器，其传递函数为：1()nASRnnsWsKs（3）选择速度调节器参数按跟随和抗干扰性能较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为：50.01740.087nnhTs，转速环开环增益：2224.39621sThhKnN于是，ASR的比例系数7.112)1(nmenRThTChK12（4）校验近似条件由转速截止频率：15.341snKNKNcn，电流环传递函数简化条件：iTcn51现在cnsiT11.5451，满足简化条件。现在111138.7532320.00370.01cnionwTT小时间常数近似条件为1132cniomwTT满足近似条件。（5）计算调节器电阻和电容转速调节原理图如图3－2所示，取040Rk，则011.740468nnRKRk，取470