雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)課程設計報告

1、1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)課程設計報告第一章主電路設計與參數(shù)計算調速系統(tǒng)方案的選擇由于電機上網容量較大又要求電流的脈動小故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 為保證供電質量應采用三相減壓變壓器將電源電壓降低。為避免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。 因調速精度要求較高故選用轉速負反饋調速系統(tǒng)。采用電流截止負反饋進行限流保護。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)采用減壓調速方案故勵磁應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器二

2、次側引入。為保證先加勵磁后加電樞電壓主接觸器主觸點應在勵磁繞組通電后方可閉合同時設有弱磁保護環(huán)節(jié)電動機的額定電壓為 220V 為保證供電質量應采用三相減2 壓變壓器將電源電壓降低為避免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。 1.1 整流變壓器的設計 1.1.1 變壓器二次側電壓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 加大功率因數(shù)變壞整流元件的耐壓升高增加了裝置的成本。一般可按下式計算即BAUUd2.112 1-1 式中 A- 理想情況下 0°時整流電壓 Ud0 與二次電壓U2 之比即AUd0/U2

3、B- 延遲角為 時輸出電壓Ud 與 Ud0 之比即BUd/Ud0 電網波動系數(shù)系數(shù) 根據(jù)設計要求采用公式11.2 考慮各種因數(shù)的安全BAUUd2.112 1-3由表查得A2.34 取 0.9 角考慮 10°裕量則Bcos 0.985222011.21061272.340.90.985UV 取 U2120V 。 電壓比 KU1/U2380/1203.2 。 1.1.2 一次、二次相電流 I1 、I2 的計算由表查得 KI10.816 KI20.816 考慮變壓器勵磁電流得110.816551.05143.2IdKIIAK取 14A 3 220.8165544.9IdIKIA1.1.3

4、變壓器容量的計算S1m1U1I1 1-4 S2m2U2I2 1-5S1/2S1S2 1-6 式中 m1、m2 - 一次側與二次側繞組的相數(shù)表查得 m13m23 S1m1U1I13× 380×1415.6KVA由S2m2U2I23×110×44.914.85 KVAS1/2S1S21/215.614.8515.3KVA考慮勵磁功率LP220×1.60.352kW 取 S15.6kvA 1.2 晶閘管元件的選擇1.2.1晶閘管的額定電壓晶閘管實際承受的最大峰值電壓TNU乘以 23 倍的安全裕量參照標準電壓等級即可確定晶閘管的額定電壓 TNU 即 T

5、NU 23mU 整流電路形式為三相全控橋查表得26UUm則223236236110539808TNmUUUV 3-7取700TNUV 1.2.2晶閘管的額定電流選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值TNI大于實際流過管子電流最大有效值TI8即4 TNI 1.57AVTITI或AVTI57.1TI57.1TIddIIKdI 1-8考慮1.52 倍的裕量AVTI1.52KdI 1-9式中KTI/1.57dI-電流計算系數(shù)。此外還需注意以下幾點當周圍環(huán)境溫度超過40時應降低元件的額定電流值。當元件的冷卻條件低于標準要求時也應降低元件的額定電流值。關鍵、重大設備電流裕量可適當選大

6、些。由表查得K0.368 考慮 1.52 倍的裕量dAVTKII25.1 1-10 1.520.3681.25536.448.4A取AIAVT50。故選晶閘管的型號為KP50-7晶閘管元件。可用3CT107替換。1.3 直流調速系統(tǒng)的保護晶閘管有換相方便無噪音的優(yōu)點。設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、過電流保護措施。正確的保護是晶閘管裝置能否可靠地正常運行的關鍵。1.3.1過電壓保護5 以過電壓保護的部位來分有交流側過壓保護、直流側過電壓保護和器件兩端的過電壓保護三種。1 交流側過電壓保護錯誤未指定書簽。阻容保護C S/U226 ×

7、 10× 5200/110225? 8F 耐壓 1.5Um1.5 ×110×2233V 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shU5 R 2.3 U22/SemshIU2.3× 1102/5200 × 1052取.2 IC2 fCUC× 10-62× 50× 20-×6×101100.69A PR 34IC2R34×0.692 ×2.23.14.2W 選

8、取 2.2 5W的金屬氧化膜電阻。 壓敏電阻的計算U1MA1.32U21.3× 2×110202V 流通量取5KA 。選 MY31-220/5 型壓敏電阻。 允許偏差 10242V 。 2 直流側過電壓保護 直流側保護可采用與交流側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。但采用阻容保護易影響系統(tǒng)的快速性并且會造成 dtdi/ 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。 U1MA1.8-2.2UDC1.82.2 ×220396440V 選 MY31-430/5 型壓敏電阻。允許偏差 10484V 。 3 閘管及整流二極管兩端的過電壓保護 6

9、 查下表 表 1-1 阻容保護的數(shù)值一般根據(jù)經驗選定 晶閘管額定電流 / A 10 20 50 100 200 500 1000 電容/ F 0.1 0.15 0.2 0.25 0.5 1 2電阻 / 100 80 40 20 10 5 2 抑制晶閘管關斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護電路方法。電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值mU 的1.11.15 倍。 由上表得C0.5? 0? 8FR10 電容耐壓 1.5mU1.5 × 62U1.5 × 6× 110566V選C 為 0.5? 0? 8F 的 CZJD-2型金屬化紙介質電容器電容量0.22? 0?

10、 8F 耐壓為 400V 。RPfCUm2× 10-650 ×0.5 ×10-6 ×3×11020.8W 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用最普遍的保護措施?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側、 交流側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TI3dI55331.75A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因為負載電流為 55A 所以可選用吸引線圈電流為100A 的 7JL14-1

11、1ZS 型手動復位直流過電流繼電器整定電流取1.25 × 5568.75A 100A 1.平3.波3電抗器的計算為了使直流負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dL 稱平波電抗器。其主要參數(shù)有流過電抗器的電流一般是已知的因此電抗器參數(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1L 可用下式計算單位 mH。 min211dIUKL 3-11 式中 1K 與整流電路形式有關的系數(shù)可由表查得 mindI 最小負載電流常取電動機額定電流的 510 計算。根據(jù)本電路形式查得1K0.695 所以1L1200.69555530.3mH 2 限制輸出電流脈動的臨

12、界電感量2L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。通常負載需要的只是直流分量對電動機負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。因此應在直流側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2L 單位為 m 可用下式計算diISUKL222 3-12式中 2K 系數(shù)與整流電路形式有關iS電流最大允許脈動系數(shù)通常三相電路iS 510。 8 根據(jù)本電路形式查得2K1.045 所以diISUKL2221201.045105522.8mH3 電動機電感量 DL 和變壓器漏電感量 TL 電動機電

13、感量 DL 單位為 mH 可按下式計算 3102DDdDpnIUKL 3-13 式中DU 、DI 、n直流電動機電壓、電流和轉速常用額定值代入p電動機的磁極對數(shù)DK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。本設計中取DK8 、DU220V 、 DI55A 、 n1000r/min 、 p1 3102DDdDpnIUKL32208102110005516mH 變壓器漏電感量 TL 單位為 mH 可按下式計算 DshTTIUUKL1002 3-14 式中TK 計算系數(shù)查表可得shU 變壓器的短路比一般取510。 本設計中取 TK3.2 、shU0.05 所以 T

14、L3.2 ×0.05 ×120/100 ×553.5mH 4 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mHLLLLLTDd56.42max121 3-15 5電樞回路總電感: 9TDdLLLL214.566.912×6.919.51mH 1.4 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 K0.367 IDAV1.52KLI1.52 ×0.367 ×3.77A2.082.77A 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節(jié)勵磁電流。為實

15、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RPI調整。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-接觸器控制電路設計為使電路工作更可靠總電路由自動開關引入由于變壓器一次側 AI121 故選 DZ550 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。用交流接觸器來控制主電路通斷由于2I39A故可選故選CJ1060、線電壓為 220V 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 范圍內調節(jié)釋放電流在1/1

16、02/10 范圍內調節(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。10 圖1-2主電路圖電路 第2 章 雙閉環(huán)的動態(tài)設計和校驗2.1 電流調節(jié)器的設計和校驗 1 確定時間常數(shù) 已知 sTs0017.0sToi002.0 所以電流環(huán)小時間常數(shù) oisiTTT0.00170.0020.0037S 。 2 選擇電流調節(jié)器的結構因為電流超調量5i 并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差可按典型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器電流環(huán)控制對象是雙慣性型的故可用 PI 型電流調節(jié)器sKsWiiiACR1 。 11 3 電流調節(jié)器參數(shù)計算電流調節(jié)器超前時間常數(shù)iTlT0.0133s 又

17、因為設計要求電流超調量5i 查得有 iITK0.5 所以IKiT5.011.1350037.05.0S 所以 ACR 的比例系數(shù) siIiKRKK078.105.0406.00133.01.135 。 4 校驗近似條件 電流環(huán)截止頻率 ciWIK135.11S 。 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 11.1960017.03131STsciW 滿足條件。 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響條件cilmWSTT118.190133.084.11313滿足條件。電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 isTT131ciWS18.180002.00017.0131 滿足條件。 5 計算調節(jié)器的電阻和電容 取運算

18、放大器的 0R40k有 0RKRii1.0784043.12k 取 45k FkRCiii296.0450133.0 取0.3FFkRTCoioi2.040002.0440取 12 0.2F。故sKsWiiiACR1ss0133.010133.0078.1 其結構圖如下所示 圖 2-1 電流調節(jié)器 2.2 轉速調節(jié)器的設計和校驗 1 確定時間常數(shù)有 5.0iITK 則 ssTKiI0074.00037.0221 已知轉速環(huán)濾波時間常數(shù) onT0.01s 故轉速環(huán)小時間常數(shù)sTKTonIn0174.001.00074.01 。 2 選擇轉速調節(jié)器結構按設計要求選用PI 調節(jié)器 ssKsWnnnA

19、SR1 3計算轉速調節(jié)器參數(shù) 按跟隨和抗干擾性能較好原則取h4 則 ASR 的超前時間常數(shù)為 shTnn0696.00174.04 13 轉速環(huán)開環(huán)增益122221.5160174.042521sThhKnN 。 ASR 的比例系數(shù)為483.900174.06.0007.04284.1115.005.0521nmenRThTChK 。 4檢驗近似條件轉速環(huán)截止頻率為92.350696.01.5161nNNcnKWKW 。 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 cniIWsTK17.630037.01.1353131滿足條件。轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為cnonIWsTK17.3801.01.135313

20、1滿足近似條件。5 計算調節(jié)器電阻和電容取0R40k則kRKRnn32.361940483.900取 3700k 。FkRCnnn01 88.037000696.0 取 0.02F FkCon14001.04 取 1F。故 ssssKsWnnnASR0696.010696.0483.901 。其結構圖如下 14 圖 2-2 轉速調節(jié)器 6 校核轉速超調量 由 h4 查得 106.43n 不滿足設計要求應使 ASR 退飽和重 計算 n。設理想空載z0h4 時查得 bCCmax77.5 所以n2bCCmaxzmnNTTnn2090.60.115277.51.50.02392.39101000滿足設

21、計要求 . 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。從產品目錄中查得晶閘管的觸發(fā)電流為GTI250mA 觸發(fā)電壓 VVGT3 。由已知條件可以計算出max0.00710007nmUnV VIUdmim45.1020905.0 150.11510002090.67.30440edcsCnIRUVK 。 因為VUc304.7VVGT3所以觸發(fā)變壓器的匝數(shù)比為43.23304.7GTcGVUK取 3:1。設觸發(fā)電路的觸發(fā)電流為250mA 則脈沖變壓器的一次側電流只需大于250/383.3mA 即可。這里選用3DG12B 作為脈沖

22、功率放大管其極限參數(shù)mAIVcm30045BVCEO.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 DY 型。同步電壓二次側取30V 一次側直接與電網連接電壓為380V 變壓比為 380/3012.7。 觸發(fā)器的電路圖如下圖 3 1 所示16 第四章系統(tǒng) MATLAB仿真本次系統(tǒng)仿真采用目前比較流行的控制系統(tǒng)仿真軟件MATLAB使用MATLAB對控制系統(tǒng)進行計算機仿真的主要方法有兩種一是以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎使用MATLAB的 17Simulink 工具箱對其進行計算機仿真研究。另外一種是面向控制系統(tǒng)電氣原理結構圖使用Power System 工具箱進行調速系統(tǒng)仿真的新方法。本次系統(tǒng)仿