晶閘管雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設計

1、.電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設計報告班級： 自動1102： 晨學號： 111401217指導教師： 勇XX大學信息工程學院自動化專業(yè)部2021年12月29日至2021 年1月4日目 錄一 課程設計目的和意義 二 技術指標和設計要求 2.1. 技術數(shù)據(jù)2.2. 設計要求三 系統(tǒng)方案選擇 四 電路的設計 4.1. 主電路設計 4.2. 觸發(fā)電路設計4.3. 調(diào)節(jié)器參數(shù)設計4.4. 保護電路設計 五 系統(tǒng)電路圖及電路工作原理 六 系統(tǒng)仿真模型 6.1.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真電路圖 6.2. 斷開速度環(huán)后系統(tǒng)的仿真波形 七 心得體會 八 參考書目 一 課程設計目的和意義1. 熟悉自動控制系統(tǒng)設計的一般原

2、那么、設計內(nèi)容以及設計程序的要求，掌握工程設計的方法。2. 掌握自動控制系統(tǒng)的計算機仿真技術3學會收集、分析、運用自動控制系統(tǒng)設計的有關資料和數(shù)據(jù)4通過對系統(tǒng)的設計、仿真調(diào)試, 培養(yǎng)獨立工作能力、分析問題解決問題的能力。5. 培養(yǎng)編制技術總結報告的能力。二 技術指標和設計要求2.1. 技術數(shù)據(jù)直流電動機額定參數(shù)為：Unom=220V, Inom=100A, Nnom=1470r/min,Ra=0.26， =16N.m2, =1.5，勵磁電壓Uf=220V，勵磁電流If=1.5A。給定電壓最大值為10V。晶閘管整流裝置：Ks=30。系統(tǒng)主電路。2.2. 技術要求1該調(diào)速系統(tǒng)能進展平滑的速度調(diào)節(jié)，

3、負載電機不可逆運行，具有較寬的調(diào)速X圍D10，系統(tǒng)在工作X圍內(nèi)能穩(wěn)定工作 2系統(tǒng)靜特性良好，無靜差靜差率s0.03 3動態(tài)性能指標：空載起動到額定轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10%，電流超調(diào)量i5%，動態(tài)速降n8-10% 4系統(tǒng)在5%負載以上變化的運行X圍內(nèi)電流連續(xù) 5調(diào)速系統(tǒng)中設置有過電壓、過電流等保護6. 分析當速度環(huán)斷開后系統(tǒng)工作情況2.3. 設計內(nèi)容1根據(jù)題目的技術要求，確定調(diào)速系統(tǒng)方案，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖。2調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件確實定及其參數(shù)計算包括有變壓器、電力電子器件、平波電抗器與保護電路等 3動態(tài)設計計算：根據(jù)技術要求，對系統(tǒng)進展動態(tài)校正，確定ASR調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的構造型式及進

4、展參數(shù)計算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標的要求 4分析當速度環(huán)斷開后系統(tǒng)工作情況5對設計的系統(tǒng)進展計算機仿真6. 整理設計數(shù)據(jù)資料，撰寫課程設計報告。三 系統(tǒng)方案選擇在直流電機調(diào)速中主要有單閉環(huán)、雙閉環(huán)的兩種方案，單閉環(huán)構造簡單，它采用轉(zhuǎn)速負反應和PI調(diào)節(jié)器可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負反應環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反應作用限制電流的

5、沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。根據(jù)帶電流截止負反應的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程，起動電流到達最大值后，受電流負反應的作用降低下來，電機的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速過程延長。理想起動過程的起動電流呈方形波，轉(zhuǎn)速按線性增長。這是在最大電流轉(zhuǎn)矩受限制時調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動過程。為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程。按照反應控制規(guī)律，采用某個物理量的負反應就可以保持該量根本不變，那么，采用電流負反應應該能夠得到近似的恒流過程。所以起動過程，采用電流負反應，而在穩(wěn)態(tài)運行時只采用轉(zhuǎn)速負反應，這就是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反應分別

6、起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反應和電流負反應。二者之間實行嵌套或稱串級聯(lián)接，這樣構成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)比單閉環(huán)系統(tǒng)有更好的動靜態(tài)性能。由于本課題既要求系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)無靜態(tài)，又有較高的動態(tài)性能指標，因而選用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的方框圖如圖1所示。圖1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)TA-電流互感器 ACR-電流調(diào)節(jié)器 TG-測速發(fā)電機ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 UPE-電力電子變換器 Un* -轉(zhuǎn)速給定電壓 Un -轉(zhuǎn)速反應電壓 Ui* -電流給定電壓Ui -電流反應電壓四 電路的設計雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)構造框圖如圖2所示。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，按照

7、設計多環(huán)控制系統(tǒng)原那么先內(nèi)環(huán)后外環(huán)，應該首先設計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流內(nèi)環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中的一個環(huán)節(jié)，再設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。在設計的過程中需對電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)進展近似處理和構造化簡，從而確定調(diào)節(jié)器的構造，以利于后續(xù)的模擬電路設計和參數(shù)計算。圖2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)構造框圖4.1、主電路設計4.1.1設計思路本設計中直流電動機由單獨的可調(diào)整流裝置供電，三相全控橋整流電路是目前應用最廣泛的整流電路，其輸出電壓波動小，適合直流電動機的負載，并且該電路組成的調(diào)速裝置調(diào)節(jié)X圍廣將近50。把該電路如圖3所示應用于本設計，能實現(xiàn)電動機連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電動機不可逆運行等技術要求。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)延遲角的大

8、小來控制輸出電壓Ud的大小，從而改變電動機M的供電電壓。由改變電樞電壓調(diào)速系統(tǒng)的機械特性方程式n=( Ud/Ce)-(RO+Ra)T/ CeCT2 1式中：Ud 整流電壓，RO 整流裝置內(nèi)阻，由式1可知，改變Ud，即可改變轉(zhuǎn)速n。圖3三相全控橋整流電路4.1.2、整流變壓器容量計算1、變壓器次級電壓為了保證負載能正常工作，當主電路的接線形式和負載要求的額定電壓確定之后，晶閘管交流側的電壓U2只能在一個較小的X圍內(nèi)變化，為此必須準確計算整流變壓器次級電壓U2。影響U2值的因素有：1U2值的大小首先要保證滿足負載所需求的最大直流值Ud；2晶閘管并非是理想的可控開關元件，導通時有一定的管壓降，用UT

9、表示；3變壓器漏抗的存在會產(chǎn)生換相壓降；4平波電抗器有一定的直流電阻，當電流流經(jīng)該電阻時就要產(chǎn)生一定的電壓降；5電樞電阻的壓降。綜合以上因素得到的U2準確表達式為：上式為變壓器二次側相電壓U2的較準確表達式，在要求不太準確的情況下，變壓器二次側相電壓U2可由簡化式確定。 2式中UD是電動機的額定電壓；系數(shù)可由參考資料1中的表6-1查得A=2.34。計算得：U2在112.8141之間，取U2=120V。2、次級電流I2和變壓器容量I2=KI2Id , KI2為各種接線形式時變壓器次級電流有效值和負載電流平均值之比。對于本設計KI2取0.816,且忽略變壓器一二次側之間的能量損耗，故I2=0.81

10、6150=122.4A 變壓器變比K=U1/U2=380/120=3.2；取K=3。同樣，由參1表6-1查得變壓器二次和一次繞組的相數(shù)m2=3，m1=3所以二次容量一次容量S1= m1* U1* I1=3*380*40.8=44KW S=S1+S2/2=44KW4.1.3 晶閘管參數(shù)計算三相全控橋整流電路實際上是組成三相半波晶閘管整流電路中的共陰極組和共陽極組串聯(lián)電路，如圖3所示。三相全控橋整流電路可實現(xiàn)對共陰極組和共陽極組同時進展控制，控制角都是60度。在一個周期內(nèi)6個晶閘管都要被觸發(fā)一次，觸發(fā)順序依次為：VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，6個觸發(fā)脈沖相位依次相差60度。為了構

11、成一個完整的電流回路，要求有兩個晶閘管同時導通，其中一個在共陽極組，另外一個在共陰極組。晶閘管額定電壓必須大于元件在電路中實際承受的最大電壓Um，考慮到電電網(wǎng)電壓的波動和操作過電壓等因素，還要放寬23倍的平安系數(shù)，即按下式選取UTN=23UM，式中系數(shù)23的取值應視運行條件，元件質(zhì)量和對可靠性的要求程度而定。對于本設計，UM=6 U2，故計算的晶閘管額定電壓為UTN=236 U2=23 294=588882V, 取1000V為使晶閘管元件不因過熱而損壞，需要按電流的有效值來計算其電流額定值。即必須使元件的額定電流有效值大于流過元件實際電流的最大有效值?？砂聪率接嬎悖篒TAV=(1.52)Kfb

12、IMAX，式中計算系數(shù)Kfb=Kf/1.57Kb由整流電路型式而定，Kf為波形系數(shù)，Kb為共陰極或共陽極電路的支路數(shù)。當=00時，三相全控橋電路Kfb=0.368，故計算的晶閘管額定電流為ITAV=(1.52)KfbIMAX =(1.52) 0.368(1001.5)=82.8110.4A，取100A.4.1.4 電抗器電感量計算由于電動機電樞和變壓器存在漏感，因而計算直流回路附加電抗器的電感量時，要從根據(jù)等效電路折算后求得的所需電感量中，扣除上述兩種電感量。使輸出電流連續(xù)的臨界電感量的計算公式： 3式中 u2為晶閘管裝置交流側的電流相電壓有效值， Id min 為要求連續(xù)的最小負載電流平均值

13、，K l 為與整流主電流形式有關的系數(shù)，查參考資料1中的表6-6中的序號2。 4但在電機回路中包括電機電感和變壓器每相的漏感，實際外加電感比(4)式要求的小。電機電感公式如下： 5式中UD和ID為電動機的額定電壓和額定電流， n和p為電動機的額定轉(zhuǎn)速和磁極對數(shù)，KD為計算系數(shù)，對于一般無補償電機KD=8212，LD-為單位為mH很明顯 N nom=1470r/min時，p=2 6折合到變壓器二次每相的漏感LB計算公式 7式u2-晶閘管裝置交流側的電流相電壓有效值Id-晶閘管裝置直流側的額定負載電流uk%-變壓器的短路比，按參1中的6-1計算KB-與整流主電路形式有關的系數(shù)，查參1表6-6中的序

14、號3LB-單位為mH 8與負載串聯(lián)的限制電流脈動的實際臨界電感量 9最后算得使輸出電流連續(xù)的臨界電感量 ：L = 15.8mH4.2、觸發(fā)電路設計由于集成觸發(fā)電路不僅本錢低、體積小，而且還有調(diào)式容易、使用方便等優(yōu)點，故本設計采用KJ041集成觸發(fā)電路。KJ041為6路雙脈沖形成器，它是三相全空橋式電路的觸發(fā)器，它具有雙脈沖形成和電子開關封鎖等功能。KJ041實用電路如圖4所示，移相觸發(fā)器輸出脈沖加到該器件的16端，器件內(nèi)的輸入二極管完成“或功能，形成補脈沖，該脈沖經(jīng)放大后分6路輸出。當控制端7接邏輯“0電平時，器件內(nèi)的電子開關斷開，各路輸出觸發(fā)脈沖。采用KJ041集成觸發(fā)電路的同步電壓應滯后于

15、主電路電壓180度。本設計主電路整流變壓器采用D，y-11聯(lián)結，同步變壓器采用D，y5-11聯(lián)結。這時，同步電壓選取的結果見表一。圖4觸發(fā)電路表一 各晶閘管的同步電壓晶閘管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主電路電壓+Ua-Uc+Ub-Ua+Uc-Ub同步電壓-Usa+Usc-Usb+Usa-Usc+Usb4.3. 調(diào)節(jié)器參數(shù)設計4.3.1電流調(diào)節(jié)器的設計根據(jù)設計要求i5%，而且，可按典型I型系統(tǒng)設計，電流調(diào)節(jié)器選擇PI型，其傳遞函數(shù)如下：1、 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計算三相橋式電路每個波頭的時間是3.3ms，為了根本濾平波頭應有12Toi=3.33ms,因此取Toi=0.002s，查參2中表1-2

16、得，三相橋式電路的平均失控時間TS=0.0017s，Ti=Ts+ Toi=0.0037s，其他參數(shù)如下：，電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：電流環(huán)開環(huán)增益：要求i5%時，按參2表2-2，應取KITi=0.52. 校核驗近似條件：電流環(huán)截止頻率：(1) 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件(2) 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件滿足近似條件 (3) 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件滿足近似條件按照以上參數(shù)，電流環(huán)可以到達的動態(tài)指標為：i%=4.3%1.5*1.414*120=254.52V， 取500V。電阻的功率可選用2.5歐姆50瓦功率電阻。圖6 過壓保護2晶閘管換相過電壓保護這種保護可用R

17、C與晶閘管并聯(lián)如圖6中所示，由參考資料1中 表6-4查得： R=10，C=0.5。五 系統(tǒng)電路圖及電路工作原理為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓Uim*決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子電換器的最大輸出電壓Udm。系統(tǒng)組成的原理框圖如下：圖7 系統(tǒng)電路原理圖ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，ACR電流調(diào)節(jié)器， TG測速發(fā)電機，TA電流互感器，UPE電力電子變換器，Un*轉(zhuǎn)速給定電壓，Un轉(zhuǎn)速反應電壓，Ui*電流給定電壓，Ui電流反應電壓電路工作原理：雙閉環(huán)控制直流調(diào)速

18、系統(tǒng)的特點是電動機的轉(zhuǎn)速和電流分別是由兩個獨立的調(diào)節(jié)器來控制，且轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出就是電流調(diào)節(jié)器的給定，因此電流環(huán)能夠隨轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)電動機電樞的電流。當轉(zhuǎn)速低于給定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分作用是輸出增加，即電流給定上升，并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電動機電流增加，從而使電動機獲得加速轉(zhuǎn)矩，電動機轉(zhuǎn)速上升。當實際轉(zhuǎn)速高于給定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出減小，即電流給定減小，并通過電流調(diào)節(jié)是電流下降，電動機將會因為電磁轉(zhuǎn)矩下降而減速，在當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和輸出到達限幅值時，電流環(huán)即以最大電流I dm實現(xiàn)電動機的加速，是電動機的啟動時間最短，在可逆調(diào)速系統(tǒng)中實現(xiàn)電動機的快速制動。在不可逆調(diào)速系統(tǒng)中，由于晶閘管整流器不

19、能通過反向電流，因此不能產(chǎn)生反向制動轉(zhuǎn)矩而使電動機快速制動。六 系統(tǒng)仿真6.1.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真電路圖在MATLAB的simulink中搭建雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型如圖8所示，模型由晶閘管-直流電動機組成的主回路和轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)器組成的控制回路兩局部組成。其中的主電路局部、交流電源、晶閘管整流器、觸發(fā)器、移相控制環(huán)節(jié)和電動機等環(huán)節(jié)使用POWER SYSTEM模型庫中的模塊；控制回路主體是轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器以及反應濾波環(huán)節(jié)。模型中轉(zhuǎn)速反應和電流反應均取自電動機測量單元的轉(zhuǎn)速和電流輸出端，電流調(diào)節(jié)器的輸出端接移相特性模塊shifter的輸入端，而電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅就決定了控制角的X圍。圖9至

20、圖12分別為圖8的仿真結果，其中圖9為電動機轉(zhuǎn)速曲線，圖10 為電動機電樞電流波形，圖11的上圖為速度環(huán)調(diào)節(jié)器限幅輸出，圖11的下列圖為速度環(huán)誤差信號波形，圖12的上圖為電流環(huán)調(diào)節(jié)器限幅輸出，圖12的下列圖為電流環(huán)誤差信號。從轉(zhuǎn)速和電流波形可以看到，在啟動階段電動機以恒流啟動，大約在1.4秒時啟動完畢，電樞電流下降到零，轉(zhuǎn)速上升到1500r/min。盡管轉(zhuǎn)速已經(jīng)超調(diào)，電流給定已經(jīng)變負，但是本系統(tǒng)為不可逆調(diào)速系統(tǒng)晶閘管整流裝置不能產(chǎn)生反向電流，這時電樞電流為零，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩也為零如圖13所示，沒有反向制動轉(zhuǎn)矩，又因為是在理想空載啟動狀態(tài)，所以電動機保持在最高轉(zhuǎn)速狀態(tài)。在2.5秒時加上負載圖8

21、中Ramp框圖，斜率為100/s，限幅在140，電動機轉(zhuǎn)速下降，ASR開場退飽和，電流環(huán)發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，經(jīng)過1.4秒電動機開場穩(wěn)定在給定轉(zhuǎn)速上。6.2. 斷開速度環(huán)后的調(diào)速系統(tǒng)仿真在圖8的仿真模型圖中，用一個開關串在速度反應通道中，當開關閉合時系統(tǒng)為速度、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，當開關斷開時系統(tǒng)處于速度開環(huán)而電流閉環(huán)的情況，這可以研究速度開環(huán)時系統(tǒng)運行狀態(tài)，圖14為速度環(huán)斷開后的系統(tǒng)仿真圖。圖15、圖16表示仿真停頓時間為12秒時的速度環(huán)斷環(huán)后的波形，速度環(huán)在4.5秒斷環(huán)后，電流環(huán)給定為最大，由于電流環(huán)仍然是閉環(huán)的，使定子電流跟蹤最大值上升到1安培，轉(zhuǎn)速也上升。與此同時，電流環(huán)積分器輸出不斷上升，大約在5.