雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計1

1、直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計第一章主電路設(shè)計與參數(shù)計算調(diào)速系統(tǒng)方案的選擇：由于電機上網(wǎng)容量較大,又要求電流的脈動小,應(yīng)選用三相全控橋式整流電路供 電方案.電動機額定電壓為220V,為保證供電質(zhì)量,應(yīng)采用三相減壓變壓器將電源電壓降低.為防止三次諧波電動勢的不良影響,三次諧波電流對電源的干擾.主變壓器采用 A/D聯(lián)結(jié).因調(diào)速精度要求較高,應(yīng)選用轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)調(diào)速系統(tǒng).采用電流截止負(fù)反應(yīng)進行限 流保護.出現(xiàn)故障電流時過電流繼電器切斷主電路電源.為使線路簡單,工作可靠,裝置體積小,宜采用KJ004組成的六脈沖集成觸發(fā)電路.該系統(tǒng)采用減壓調(diào)速方案,故勵磁應(yīng)保持恒定,勵磁繞組采用三相不控橋式整流 電路供電,電源可從主變壓

2、器二次側(cè)引入.為保證先加勵磁后加電樞電壓,主接觸器 主觸點應(yīng)在勵磁繞組通電前方可閉合,同時設(shè)有弱磁保護環(huán)節(jié)電動機的額定電壓為220V,為保證供電質(zhì)量,應(yīng)采用三相減壓變壓器將電源電壓降低；為防止三次諧波電動勢的不良影響,三次諧波電流對電源的干擾,主變壓器采用D/Y聯(lián)結(jié).1.1 整流變壓器的設(shè)計1.1.1 變壓器二次側(cè)電壓U2的計算U2是一個重要的參數(shù),選擇過低就會無法保證輸出額定電壓.選擇過大又會造成延遲角a加大,功率因數(shù)變壞,整流元件的耐壓升高,增加了裝置的本錢.一般可按下式計算,即：U2 =1 1.21-1 A；B式中A-理想情況下, a=0°時整流電壓 Ud0與二次電壓 U之比,

3、即 A=U0/u2； B-延遲角為 a時輸出電壓 Ud與Ud0之比,即 B=Ud/Ud0；S電網(wǎng)波動系數(shù)；11.2 考慮各種因數(shù)的平安系數(shù);根據(jù)設(shè)計要求,采用公式:U2 =11.2Ud(1-3)由表查得 A=2.34 ;取£ =0.9 ; &角考慮10°裕量,那么B=cos = =0.985220234090.985=106 127 V,取 U2=120V.電壓比 K=Ui/U 2=380/120=3.2.1.1.2 一次、二次相電流Ii、I2的計算由表查得 Kii =0.816,K12 =0.816考慮變壓器勵磁電流得:11 =1.05Ki30.816553.2=

4、14 A ,取 14AI2 = K121d = 0.81655 = 44.9 A1.1.3 變壓器容量的計算S1=mUI 1;(1-4 )S2=m>U2l2；(1-5)S=1/2(S1+S2)；(1-6)式中m、m2 - 一次側(cè)與二次側(cè)繞組的相數(shù)；由表查得 m=3, m?=3SmUI 1=3X 380 X 14=15.6KVAS2=m2UI 2=3X 110 X 44.9=14.85 KVAS=1/2(S i+S2)=1/2 ( 15.6+14.85 ) =15.3KVA考慮勵磁功率PL =220 X 1.6=0.352kW ,取 S=15.6kvA1.2 晶閘管元件的選擇Utn ,乘以

5、23倍的平安裕量,參照標(biāo)準(zhǔn)電壓Utn ,即 Utn = (23)Um1.2.1 晶閘管的額定電壓晶閘管實際承受的最大峰值電壓等級,即可確定晶閘管的額定電壓整流電路形式為三相全控橋,查表得UTN =(23Um =(23)疽2 =(23?褥m110 = 539808V (3-7 )取 UTN =700V1.2.2 晶閘管的額定電流選擇晶閘管額定電流的原那么是必須使管子允許通過的額定電流有效值ITN大于實際流過管子電流最大有效值1T 8,即1 TN =1.57 1T( AV ) > 1 T 或 1 T (AV) > = =K 1 d( 1-8 )1.57 1.57 Id考慮(1.52)倍

6、的裕量It(av)= (1.5 2) KId(1-9 )式中K="/ (1.57 Id)-電流計算系數(shù).此外,還需注意以下幾點：當(dāng)周圍環(huán)境溫度超過 +40C時,應(yīng)降低元件的額定電流值.當(dāng)元件的冷卻條件低于標(biāo)準(zhǔn)要求時,也應(yīng)降低元件的額定電流值.關(guān)鍵、重大設(shè)備,電流裕量可適中選大些.由表查得 K=0.368 ,考慮1.52倍的裕量It(av)=(1.5 2 KI d(1-10 )=1.5 - 20.3681.2 55= 36.4 - 48A取1T(AV)=50A.應(yīng)選晶閘管的型號為KP50-7晶閘管元件.(可用3CT107替換).1.3直流調(diào)速系統(tǒng)的保護晶閘管有換相方便,無噪音的優(yōu)點.設(shè)

7、計晶閘管電路除了正確的選擇晶閘管的額 定電壓、額定電流等參數(shù)外,還必須采取必要的過電壓、過電流保護舉措.正確的保 護是晶閘管裝置能否可靠地正常運行的關(guān)鍵.1.3.1 過電壓保護以過電壓保護的部位來分,有交流側(cè)過壓保護、直流側(cè)過電壓保護和器件兩端的 過電壓保護三種.1) 交流側(cè)過電壓保護阻容保護C> S/U22=6X 10 X 5200/110 2=25 口耐壓1.5U m =1.5 X 110 X 2 =233V由公式計算出電容量一般偏大,實際選用時還可參照過去已使用裝置情況來確定保護電壓的容量,這里選CZJD-2型金屬化紙介電容器,電容量 20uF,耐壓250V.取 U sh =5,2

8、2/SUsh2上=2.3 X 110 /5200 XIem=2.2 ,取 2.2 QI c=2 兀 fCUoX 10-6=2 兀 X 50 X 20 X 10-6 X 110=0.69APr> (3 4)I c2R=(3 4) X ( 0.69 ) 2X 2.2=3.1 4.2W選取2.2 Q , 5W的金屬氧化膜電阻.壓敏電阻的計算Uima=1.3 貶 5=1.3 X 22 X 110=202V流通量取 5KA.選MY31-220/5型壓敏電阻.允許偏差+10% ( 242V).2) 直流側(cè)過電壓保護直流側(cè)保護可采用與交流側(cè)保護相同保護相同的方法,可采用阻容保護和壓敏電阻保護.但采用阻

9、容保護易影響系統(tǒng)的快速性,并且會造成di/dt加大.因此,一般不采用阻容保護,而只用壓敏電阻作過電壓保護.Uima= ( 1.8-2.2) Udc=(1.8 2.2) X 220=396 440V選MY31-430/5 型壓敏電阻.允許偏差+10% ( 484V).3) 閘管及整流二極管兩端的過電壓保護查下表：可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值U m 的 1.1 1.15 倍.表1-1阻容保護的數(shù)值一般根據(jù)經(jīng)驗選定晶閘管額定電流/A1020501002005001000電容/科F0.10.150.20.250.512電阻/ Q1008040201052抑制晶閘管關(guān)斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻

10、容保護電路方法.電容耐壓由上表得 C=0.5F, R=10Q ,電容耐壓1.5 Um=1.5 x V6 U2=1.5 x J6 x 110=566V選C為0.5 F的CZJD-2型金屬化紙介質(zhì)電容器,電容量0.22 pF,耐壓為400V.PR=fCUm2X 106=50 X 0.5 X 10-6 X 曲 X 110 2=0.8W選R為10 普通金屬膜電阻器,RJ-0.5 .1.3.2 過電流保護快速熔斷器的斷流時間短,保護性能較好,是目前應(yīng)用最普遍的保護舉措.快速熔斷器可以安裝在直流側(cè)、交流側(cè)和直接與晶閘管串聯(lián).(1)晶閘管串連的快速熔斷器的選擇接有電抗器的三相全控橋電路,通過晶閘管的有效值J

11、_d= 55,3 、. 3=31.75A選取RLS-35快速熔斷器,熔體額定電流35A.(2)過電流繼電器的選擇由于負(fù)載電流為 55A,所以可選用吸引線圈電流為100A的JL14-11ZS型手動復(fù)位直流過電流繼電器,整定電流取1.25 X 55=68.75A = 100A1.3.3 平波電抗器的計算為了使直流負(fù)載得到平滑的直流電流,通常在整流輸出電路中串入帶有氣隙的鐵心電抗器 Ld ,稱平波電抗器.其主要參數(shù)有流過電抗器的電流一般是的,因此電抗器參數(shù)計算主要是電感量的計算.1)算出電流連續(xù)的臨界電感量L1可用下式計算,單位mHU2,、L1 = K1 (3-11 )1 d m in式中 Ki 與

12、整流電路形式有關(guān)的系數(shù),可由表查得；Idmin 最小負(fù)載電流,常取電動機額定電流的5%10%計算.根據(jù)本電路形式查得K 1=0.695,120所以L1 = 0.695 =30.3mH55 5%2)限制輸出電流脈動的臨界電感量L2由于晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動的,因此輸出電流波形也是脈動的.該脈動電流可以看成一個恒定直流分量和一個交流分量組成.通常負(fù)載需要的只是直流分 量,對電動機負(fù)載來說,過大的交流分量會使電動機換向惡化和鐵耗增加,引起過熱. 因此,應(yīng)在直流側(cè)串入平波電抗器,用來限制輸出電流的脈動量.平波電抗器的臨界電感量L2 單位為 mH可用下式計算1-2 = KU2Sild(3-12

13、)式中K2系數(shù),與整流電路形式有關(guān),5 -電流最大允許脈動系數(shù),通常三相電路 Sj w ( 510) %.根據(jù)本電路形式查得K 2=1.045,所以 L2 = K2" =1.045 120=22.8mHSL10% 553電動機電感量 LD和變壓器漏電感量Lt電動機電感量 Ld 單位為 mH可按下式計算U d3Ld = Kd父10 3-13 2pnl d式中 Ud、Id、n直流電動機電壓、電流和轉(zhuǎn)速,常用額定值代入；p 電動機的磁極對數(shù)；Kd計算系數(shù).一般無補償電動機取812,快速無補償電動機取68,有補償電動機取56.本設(shè)計中取Kd=8、Ud=220V、l d =55A、 n=100

14、0r/min 、p=1U32203LD = Kd - 10 =8 10 =16mH2pnID2 1 1000 55變壓器漏電感量Lt 單位為 mH可按下式計算Lt(3-14 )UshU2100Id式中Kt 計算系數(shù),查表可得Ush變壓器的短路比,一般取5%10%.本設(shè)計中取Kt =3.2、U sh =0.05所以 Lt =3.2 X 0.05 X 120/ ( 100 X 55) =3.5mH4)實際串入平波電抗器的電感量考慮輸出電流連續(xù)時的實際電感量：Ld1 =max(L2,L1 )(Ld +2Lt) =4.56mH( 3-15 )5)電樞回路總電感：L*=Ld1 +Ld +2Lt=4.56

15、+6.91+2 X 6.9=19.51mH1.4 勵磁電路元件的選擇整流二極管耐壓與主電路晶閘管相同,故取800V.額定電流可查得K=0.367 ,I d(av)=(1.52)K I L=(1.5 2) X 0.367 X 3.77A=2.08 2.77A可選用ZP型3A、800V的二極管.RPl為與電動機配套的磁場變阻器,用來調(diào)節(jié)勵磁電流.為實現(xiàn)弱磁保護,在磁場回路中串入了欠電流繼電器KA ,動作電流通過RP調(diào)整.根據(jù)額定勵磁電流Iex =1.2A,可選用吸引線圈電流為2.5A的JL14-11ZQ 直流欠電流繼電器.1.5 繼電器-接觸器限制電路設(shè)計DZ5為使電路工作更可靠,總電路由自動開關(guān)

16、引入,由于變壓器一次側(cè)I1=12A,應(yīng)選-50型三極自動斷路器,脫扣器的額定電流為30A的三極自動斷路器即可滿足要求.220V用交流接觸器來限制主電路通斷,由于 I 2 =39A,故可選應(yīng)選 CJ1060、線電壓為的交流接觸器.在勵磁回路中,串聯(lián)吸引線圈電流為2.5A的JL14-11ZQ直流欠電流繼器,吸引電流可在 3/1065/100 范圍內(nèi)調(diào)節(jié),釋放電流在1/102/10范圍內(nèi)調(diào)節(jié).選用AL18-22Y型按扭,啟動按扭用綠色,并帶有工作指示燈,停止按扭色.選用XDX2型紅色指示燈.圖1-2 主電路圖電路第2章雙閉環(huán)的動態(tài)設(shè)計和校驗2.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計和校驗1確定時間常數(shù)Ts=0.0017

17、s, Toi = 0.002s,所以電流環(huán)小時間常數(shù)Ty =Ts +Toi =0.0017+0.002=0.0037S.2 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)由于電流超調(diào)量5<5%,并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差,可按典型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器K 1電流環(huán)限制對象是雙慣性型的,故可用 PI型電流調(diào)節(jié)器 WACR s =2- O ACRis3電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計算：電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)Ti=Tl =0.0133s,又由于設(shè)計要求電流超調(diào)量仃i<5%,0.50.5查得有K1T丁=0.5 ,所以K1= 135.1S ,所以 ACR的比例系數(shù)一Tq 0.0037Ki =K| R i 135.1 0.0133 0.6Ks

18、40 0.05定 1.078.4) 校驗近似條件電流環(huán)截止頻率Wci = KI =135.1 S,.晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：3Ts - 3 0.0017= 196.1SWci ,滿足條件.忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響條件:3HL1.84 0.013319.18SWci,滿足條件.電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件:Ts T 3 0.0017 父 0.002= 180.8SWci,滿足條件.5) 計算調(diào)節(jié)器的電阻和電容取運算放大器的R0 =40 kQ ,有 Ri = Ki R0 =1.078 x 40=43.12 kC ,取Ri0 013300133 為 0.296 件,取 0.3 葉,

19、Coi45kJoi4ToiR04 0.00240k1.1=0.2F故 WACR s =Ki i 11.0780.0133s 1=is0.0133s其結(jié)構(gòu)圖如下所示:Ri Ci卜圖2-1電流調(diào)節(jié)器2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計和校驗1) 確定時間常數(shù):1有KI Tv =0.5,那么 一=2T =2父0.0037s = 0.0074s,轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時間常數(shù) -KI -_ _1_ T0n =0.01s ,故轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)T =+T0n =0.0074 +0.01 = 0.0174s.一 Ki2) 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)：Kn ns 1按設(shè)計要求,選用PI調(diào)節(jié)器 Wasr(s)=n s3) 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)：按

20、跟隨和抗干擾性能較好原那么,取h=4,那么 ASR的超前時間常數(shù)為卻=hT 更=4M0.0174 =0.0696s,轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益K N 2-2 =22= 516.1s.2h Tq 2 40.0174ASR的比例系數(shù)為:h 1 C Tm2h： RT5 0.05 0.115 1.842 4 0.007 0.6 0.0174= 90.483.4) 檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為Wcn =KN = KN =516.1x0.0696 = 35.92.Wi電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為1 色 :1/口351 = 63.7s,Wn ,滿足條件.3Tq3 0.0037轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為：1 必 =1 M

21、35 = 38.7s,Wcn,滿足近似條3Ton3 0.01件.5) 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容：取 R0=40kC,那么 Rn =Kn R0 =90.483M40 =3619.32kC ,取 3700 kQ 0CnRn0.06963700 k1 1=0.0188年,取 0.02 'on4 0.01 40kAe=1 葉,取 1 NF.故 WAsr s =Kn nS 190.483 0.0696s 1 十屆用心?=.其結(jié)構(gòu)圖如下:0.0696s- n s圖2-2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器6) 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量：計算仃n.設(shè)理想空載z=0 , h=4時,查得Cmax =77.5% ,所以 0 n =2 ( &q

22、uot;Cmax )(九z)CbCb由h=4,查得0n =43.6% >10% ,不滿足設(shè)計要求,應(yīng)使ASR退飽和重209 0.6nNnT曳二2m 77.5% 父1.5M 0.115 = 0.0239= 2.39% <10%,滿足設(shè)計要求Tm1000第3章觸發(fā)電路選擇與校驗3.1觸發(fā)電路的選擇與校驗選用集成六脈沖觸發(fā)器電路模塊,其電路如電氣原理總圖所示.從產(chǎn)品目錄中查得晶閘管的觸發(fā)電流為Igt v 250mA,觸發(fā)電壓Vgt<3V.由條件可以計算出_ _ * _ _ _ _ _ _ _ _ _U nm =anmax= 0.007 M 1000 = 7V ,Uim =?1dm

23、=0.05 209 = 10.45V ,Cen IdR0.115 1000 209 0.6Ks40=7.304V .由于Uc = 7.304V , Vgt <3V ,所以觸發(fā)變壓器的匝數(shù)比為Kg =幺 =7堊*2.43 ,Vgt3取3:1.設(shè)觸發(fā)電路的觸發(fā)電流為250mA,那么脈沖變壓器的一次側(cè)電流只需大于250/3=83.3mA 即可.這里選用 3DG12B作為脈沖功率放大管,其極限參數(shù)BVceo = 45V, 1cm = 300mA.觸發(fā)電路需要三個互差120.,且與主電路三個電壓U、V、W同相的同步電壓,故要設(shè)計一個三相同步變壓器.這里用三個單相變壓器接成三相變壓器組來代替,并聯(lián)成

24、DY型.同步電壓二次側(cè)取30V, 一次側(cè)直接與電網(wǎng)連接,電壓為380V,變壓比為380/30=12.7 .觸發(fā)器的電路圖如下列圖31所示：LJ UU U1-I第四章 系統(tǒng)MATLAB©真本次系統(tǒng)仿真采用目前比擬流行的限制系統(tǒng)仿真軟件MATLAB ,使用 MATLAB對限制系統(tǒng)進行計算機仿真的主要方法有兩種,一是以限制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為根底,使用MATLAB 的Simulink工具箱對其進行計算機仿真研究.另外一種是面向限制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖,使用 Power System 工具箱進行調(diào)速系統(tǒng)仿真的新方法.本次系統(tǒng)仿真采用后一種方法.4.1 系統(tǒng)的建模與參數(shù)設(shè)置同步脈沖觸發(fā)器、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速