转速电流双闭环直流调速系统设计.docx
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转速电流双闭环直流调速系统设计
电力拖动自控系统课程设计报告
题目转速电流双闭环直流调速系统设计
学院:
电子与电气工程学院
年级专业:
2012级电气工程及其自动化(电力传动方向)
姓名:
学号:
指导教师:
成绩:
指导老师评语:
指导教师签名:
年月日
电力拖动自动控制系统综合课程设计
设计任务书
某晶闸管供电的双闭环直流调速系统,整流装置采用三相桥式电路,基本数据为:
直流电动机:
,,,,,电枢回路总电阻,电枢电路总电感,电流允许过载倍数,折算到电动机轴的飞轮惯量。
励磁电流为1.77A。
晶闸管整流装置放大倍数,滞后时间常数
电流反馈系数
电压反馈系数
滤波时间常数,
;调节器输入电阻。
设计要求:
稳态指标:
无静差;
动态指标:
电流超调量;采用转速微分负反馈使转速超调量等于0。
1概述
1.1问题的提出
采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在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,例如:
要求快速起制动,突加负载动态速降小等等,单闭环系统就难以满足需要。
1.2解决的问题
为了实现在允许条件下的最快起动,关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。
按照反馈控制规律,采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变,那么,采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。
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,即分别引入转速负反馈(ASR)和电流负反馈(ACR)。
1.3实现目标要求设计
设计一个双闭环直流调速系统满足系统要求的性能指标。
2主电路计算
2.1整流变压器的计算
1、二次侧相电压:
(2-1)
变压器采用D,y11接线,表知,三相全控桥时
A=/=2.34(取ε=0.9为电网波动系数)
查表知B=cos,角考虑100裕量
故B=0.985
所以
(2-2)
取U2=220V,变比K=U1/U2=380/220=1.73
2、一次、二次侧电流的计算
查表知KI1=0.816,KI2=0.816
=KI2Id=0.816×21.8=18A
=KI1Id/K=1.05×0.816×21.8/1.73=11A
3、变压器容量的计算
一次侧,二次侧绕组的相数,
所以
2.2晶闸管及其元件保护选择
1.管额定电压
(2-3)
取
2.闸管的额定电流
查表知K=0.367
IT(VA)=(1.5~2)KId=(1.5~2)×0.367×21.8=12~16A
取IT(VA)=20A
故选KP20-17型元件
型号
Type
KP5
5
100-1600
8
125
60
2.5
2
200
3
KP10
10
100-1600
10
125
100
3
2
200
1.6
KP20
20
100-1600
10
125
100
3
2.2
200
1
KP50
50
100-2000
20
125
200
3
2.4
300
0.4
KP100
100
100-2000
30
125
200
3
2.4
300
0.2
KP150
150
100-2000
30
125
200
3
2.4
300
0.2
KP200
200
100-2000
40
125
200
3
2.4
300
0.11
3.晶闸管保护环节的计算
1)交流侧过电压保护措施
(1)阻容保护
①电容选值
操作过电压,其实质是开关开端时产生的电磁能量震荡过程。
在回路中没有保护器存在时,总电容值很小,导致震荡频率f很高。
电容的引入,可以大大提高回路总电容值,降低震荡频率。
最佳的效果应是降低频率正好到工频(50Hz),基本计算公式如下:
f=ω/2π (2-4)
ω=(1/LC-(R/2L)2)1/2 (2-5)
由于每个电路的初始L和C都不同,最佳值是不可能得到的。
只能依据真空断路器大致的情况进行经验比较。
根据多年运行经验,取电容0.1μF时,一般可以将f限制在150Hz以下,因此0.1就成为一个比较通用的值。
理论上讲,若对具体电路可以做到精确测算,容量再大些对保护效果会更好(这就是有些地方用0.2或0.15的原因),但若没有精确测算,导致f太小将造成副作用。
②电阻选值
R是一个阻尼元件,一方面对震荡频率有影响,一方面对电容器保护有利。
对震荡频率的影响可以参考上面的公式(2-5),R不应小于其临界值2(L/C)1/2,否则对降低频率不利。
所以存在电阻值不应小于100Ω的说法。
R值高同样有利于保护电容本身安全,防止电容过载烧毁。
故一般高安全性的阻容吸收装置,都适当的增大了R的值(一般最高做到400Ω)。
但是R值如果太大,将大大提高时间常数,导致暂态时间延长,不利于保护的高效性。
所以我们希望R能够是一个压敏元件,在低压下电阻尽可能大,以保护电容;在高压下达到百欧姆级,以利于工作。
自控式阻容吸收器的最主要改革就在于此。
而且这样改革后,额外的起到了限制正常电压下阻容吸收器接地电流的作用,不会造成以往出现的阻容吸收器,接地电流引发系统误判断的问题,简化了整体设计
在实际晶闸管电路中,常在其两端并联RC串联网络,该网络常称为RC阻容吸收电路。
我们知道,晶闸管有一个重要特性参数-断态电压临界上升率dlv/dlt。
它表明晶闸管在额定结温和门极断路条件下,使晶闸管从断态转入通态的最低电压上升率。
若电压上升率过大,超过了晶闸管的电压上升率的值,则会在无门极信号的情况下开通。
即使此时加于晶闸管的正向电压低于其阳极峰值电压,也可能发生这种情况。
因为晶闸管可以看作是由三个PN结组成。
在晶闸管处于阻断状态下,因各层相距很近,其J2结结面相当于一个电容C0。
当晶闸管阳极电压变化时,便会有充电电流流过电容C0,并通过J3结,这个电流起了门极触发电流作用。
如果晶闸管在关断时,阳极电压上升速度太快,则C0的充电电流越大,就有可能造成门极在没有触发信号的情况下,晶闸管误导通现象,即常说的硬开通,这是不允许的。
因此,对加到晶闸管上的阳极电压上升率应有一定的限制。
为了限制电路电压上升率过大,确保晶闸管安全运行,常在晶闸管两端并联RC阻容吸收网络,利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。
因为电路总是存在电感的(变压器漏感或负载电感),所以与电容C串联电阻R可起阻尼作用,它可以防止R、L、C电路在过渡过程中,因振荡在电容器两端出现的过电压损坏晶闸管。
同时,避免电容器通过晶闸管放电电流过大,造成过电流而损坏晶闸管。
由于晶闸管过流过压能力很差,如果不采取可靠的保护措施是不能正常工作的。
RC阻容吸收网络就是常用的保护方法之一。
电容的选择
取
式中K查表知,三相全控桥的K=0.367
取耐压≧1.5=1.5××220=467V
故选电容量,耐压500V的标准电容器。
电阻的选择
取R=70
电容电流,亦即流过电阻R1的电流
R1的功率
取
可选70Ω,7W金属膜标准电阻。
(2)压敏电阻RV1的选择
标准电压:
=(1.3~1.5)×=1.3××220=404.5~467V
取500V,通流量取5kA,故选MY-500/5的压敏电阻作交流侧流通过电压
保护。
4、直流侧过电压保护措施
≧(1.8~2)=(1.8~2)×400V=720~800V
选普通压敏电阻,型号MY-800/3作直流侧过压保护。
标称电压800V,通流容量为
5、晶闸管及整流二极管两端的过电压保护
晶闸管:
C2=0.2uF,R2=40Ω
电容耐压≧1.5Um=1.5××U2=1.5××220=808V
选C2JD-2型金属化介电容器,电容量0.22uF,耐压800V
电阻功率:
取,1W金属膜电阻
整流二极管两端的过电压保护是通过可调电阻来实现的。
6.过电流保护
(1)快速熔断器的选择
接有电抗器的三相全控桥电路,通过晶闸管电流有效
故选用RL1-15熔断器,熔断电流为15A
(2)电流继电器的选择
根据负载电流为21.8A,可选用吸引线圈电流为25A的J214-25S型手动复位直流过电流继电器。
(3)电压和电流上升率的限制
电压上升率du/dt,正向电压上升率较大时,使晶闸管误导通。
限制du/dt过大可在电源输入端串联电感和在晶闸管每个桥臂上串联电感,利用电感的滤波特性,使du/dt降低。
电流上升率di/dt,导通时电流上升率过大则可能引起门极附近过热造成晶闸管损坏限制di/dt,除在阻容保护中选择合适的电阻外,也可采用与限制du/dt相同的措施,其中电感可采用空心电抗器,其中L≧30uH。
7、平波电抗器的计算
(1)使电流连续的临界电感量L1
查表得
则,取140mH
(2)限制电流脉动的电感量L2
查表得取
则取106mH
(3)电动机电感量LD和变压器漏电感量LT
取则
查得取则
(4)实际串入电抗器电感量
8、励磁电路元件的选择
整流二极管,耐压与主电路晶闸管相同,故取800V。
额定电流可查表知,α=0时,K=0.367
则可选IP型1A、800V的二极管。
电动机配套的磁场变阻器,用来调节励磁电流,一般为0~20量控,为实现弱磁保护,在磁场回路中串入了欠电流继电器,动作电流通过调整。
根据额定励磁电流=1.77A,可选用吸引线圈电流为1A的JL14-112Q直流欠电流继电器。
3直流双闭环调速系统设计
采用转速负反馈和PI调节器单闭环调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。
但对于要求较高的动态性能的场合,由于单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩,因而难以满足控制需求。
为了实现在最大电流受限制的条件下调速系统最快起动过程,要求在充分利用电机的允许过载能力,在过渡过程中始终保持电流为允许的最大值,使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动,达到稳态转速后,又让电流立即降低下来,使转速和负载相平衡,从而转入稳定运行状态。
理想的起动过程波形如图1-1所示。
采用双闭环调速系统完全可以达到上述要求,在起动过程中只有电流负反馈,而不让他和朱安度负反馈图施加到一个调节器的输入端,到达稳态转速后,又靠转速的负反馈作用,不再依靠电流负反馈起主要作用。
图3-1调速系统理想快速起动过程
3.1转速和电流双闭环调速系统的组成
为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,如图3-1所示。
这就是说,把转速调节器的输出当做电流调节器的输入,再利用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。
从闭环结构上看,电流调节器在里面,叫做环;转速还在外变,叫做外环。
这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。
图3-2转速、电流双闭环调速系统原理图
为了获得良好的静、动态性能,双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器,其原理图示与图3-2。
在图上标出了两个调节器输入输出点电压的实际极性,它们是按照触犯装置GT的控制电压为正电压的情况标出的,并考虑到运算放大器的倒相作用。
图中还表示出,两个调节器的输出都是带限幅的,转速调节器ASR的输出限幅(饱和)电压是,它决定了电流调节器给定电压的最大值;电流调节器的输出限幅电压是,它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。
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- 转速 电流 闭环 直流 调速 系统 设计