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因调速精度要求较高,故采用转速负反馈调速系统。
采用电流截止负反馈进行限流保护,当出现故障电流时,因过流使断电器切断主电路电源。
电动机额定电压为230V,为了保证供电质量,应采用三相降变压器,将电源电压降低。
故采用了转速电流双闭环系统结构。
(4)直流调速系统的总体结构框图
由分析计算可得直流调速系统的总体结构框图如下:
2.主电路的计算
(1)整流变压器的计算
①二次侧相电压:
查表知,三相全控桥时
A=Ud0/U2=2.34(取ε=0.9为电网波动系数)
B=Ud/Udv查表知B=COS,角考虑100裕量
故B=0.985
所以
取U2=120V,所以变比K=U1/U2=380/120=3.17
②一次、二次侧电流的计算
查表知KI1=0.816,KI2=0.816
I1=KI1Id/K=1.05*0.816*37/3.17=9.5A*1.05=10A
I2=KI2Id=0.816*37=30.2A
③变压器容量的计算
一次侧,二次侧绕组的相数m1=3,m2=3
所以S1=m1U1I1=3*380*10=11400VA
S2=m2U2I2=3*120*30.2=10872VA
S=(S1+S2)/2=(11400+10872)/2=11136VA
又因为励磁功率P2=230*1.14=262.2w
所以取S1=11.7KVA,S2=11.2KVA,S=11.4KVA,I1=10.3A,I2=31.7A
(2)晶闸管元件的选择
①晶闸管额定电压
取UTN=800V
②晶闸管的额定电流
查表知K=0.367
IT(VA)=(1.5~2)KId=(1.5~2)*0.367*37=20.4~27.2A
取IT(VA)=50A
故选Kp50-7晶闸管元件
(3)晶闸管保护环节的计算
①交流侧过电压保护措施
10阻容保护
Iem为变压器励磁电流百分数
C1≧6Iem(1/3S)/U22=6*10*11.4*103/(3*1202)uF=15.8uF
耐压≧1.5Vm=1.5*√
(2)*120V=254.6V
由公式计算出电容量一般偏大,实际选用时还可参照过去的使用情况来确定保护电容的电容量,这里选电容量15uF,耐压250V的电容器
Ic=2*3.14fcuc*10-6=2*3.14*50*15*120*10-6A=0.57A
PR≧(3~4)Ic2R1=(3~4)*0.572*6.2w=6~8w
可选6.2Ω,10W金属膜电阻
20压敏电阻RV1的选择
标准电压:
VimA=1.3*√2V=1.3*√2*120V=110.3V
取120V,通流量取5KA,故选MY-120/5的压敏电阻作交流侧流通过电压保护。
②直流侧过电压保护措施
VimA≧(1.8~2)VDC=(1.8~2)*230V=414~460V
选MY-430/3作直流侧过压保护。
③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≧1.5Vm=1.5*√6*U2=1.5*√6*120V=441V
选C2JD-2型金属化介电容器,电容量0.22uF,耐压400V
电阻功率:
PR2=fcum2*10-6=0.95W
取R2=43Ω,1W金属膜电阻
整流二极管两端的过电压保护是用可调电阻来实现的。
④过电流保护
本系统采用电流截止负反馈环节作限流保护外,还没有与元件串联的快速熔断器作过载与短路保护,用过流继电器切断故障电流。
10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值IT=Id/√3=37A/√3=21A
故选用RLS-50的熔断器,熔断电流为50A
20过电流继电器的选择
根据负载电流为37A,可选用吸引线圈电流为40A的J214-112S型手动复位直流过电流继电器。
⑤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。
(4)平波电抗器的计算
①使电流连续的临界电感量L1
查表得K1=0.695,Idmin=0.05Id=0.05*37A=1.85A
则L1=K1*U2/Idmin=0.695*120/1.85mH
②限制电流脉动的电感量L2
查表得K2=1.045,取Si=0.1
则L2=K2*U2/(Si*Id)=1.045*120/(0.1*37)mH=33.9mH
③电动机电感量LD和变压器漏电感量LT
取KD=7,则LD=KD*VD/(2*Pn*Ia)*103=7*230/(2*1450*37)*103=15mH
查得KT=3.9,取Ush=5,则LT=KT*Ush/100*U2/Ia=3.9*5/100*120/37=0.63mH
④实际串入电抗器电感量
Ld=L1-(LD+2LT)=45-(7+2*0.63)=36.7mH
⑤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ID(AV)=(1.5~2)KIex=(1.5~2)*0.367*1.14A=0.63~0.84A
可选IP型3A、800V的二极管。
RPex为与电动机配套的磁场变阻器,用来调节励磁电流,一般为0~20KΩ量控,为实现弱磁保护,在磁场回路中串入了欠电流继电器KA2,动作电流通过RP1调整。
根据额定励磁电流Iex=1.14A,可选用吸引线圈电流为2.5A的JL14-112Q直流欠电流继电器。
3触发电路的选择与校验
选用集成六脉冲触发器实用电路。
由产品目录中查得KP50晶闸管的触发电流为8~10mA,触发电压UG≤3.5V。
在触发电路直流电源电压为15V时脉冲变压器匝数比为2:
1,Ug可获得约6V左右的电压,脉冲变压器一次侧电流只需大于75mA,即可满足晶闸管要求,这里选用3DG12B作为脉冲功率放大管,其极限参数BVCEO=45V,ICM=300mA,完全满足要求。
该电路需要三个互差1200,且与主电路三个相电压Uu,Uv,Uw,同相的三个同步电压,因此需要设计一个三相同步变压器。
可用三个单相变压器接成三相变压器组来代替,并接成D,YO,即可获得与主电路二次侧相电压同相的三个电压Uu,Uv,Uw。
按电路要求,同步电压取30V,因一次侧电压直接与电网相接,每相绕组电压为380V,考虑制造方便,功率的裕量留大一点,最后确定单相变压器参数为:
容量为3VA,电压为380V/30V,数量为3只
4控制电路设计计算
(1)给定电源和给定环节的设计计算
由于放大器输入电压和输出电压极性相反,而触发器的移相控制电压Vc又为正电压,故给定电压Ugd就得取负电压,而一切反馈均取正电压。
为此给定电压与触发器共用一个-15V电源,用一个2.2KΩ,1W电位器引出给定电压。
(2)转速检测环节和电流检测环节的设计与计算、调速系统的静态参数计算
10测速发电机的选择
由电机产品样本查得选用55CY61型永磁直流测速发电机。
额定参数为ETG=40V,nTG=2000r/min负载电阻RTG是2KΩ,2N的电位器。
由于主电动机的额定转速为1450r/min,因此,测速发电机发出最高电压为29V。
若给定电源15V,只要适当取反馈系数α,即可满足系统要求。
20电流截止反馈环节
选用LEM模块LA100-NP电流传感器作为电流检测元件,参数为:
额定电流为100A,匝数比为1:
1000,额定输出电流为100mA,测量电阻Rm=30~50Ω,取Rm为47Ω1W的饶线电位器。
当负载电流为1.2IN时,让电流截止反馈环节起作用,此时LA的输出电流为1.2IN/1000=1.2*37/1000mA=44mA,输出电压为3.1V,考虑调节裕量,可选2CW9稳压管作为比较电压,UVC=2V。
30调速系统静态参数计算
电动机电动势常数为
测速发电机电动势常数:
CeTG=ETG/NWTG=40/2000=0.02
整流装置的内阻Ri,k取1.2
Ri=(Kω0-UN)/IN=(1.2*2.34*120-230)/37Ω=2.9Ω
要求调速系统的静态速降
△nN=nNS/D(1-S)=1450*0.05/(10*(1-0.05))=7.63r/min
闭环系数的开环放大倍数
K=INRΣ/KP△nN=72
触发器与整流装置的放大倍数的计算
Ks=Udmax/Ucmax=230/15=15.3
转速反馈系数由于Ugd取15V,Ufn约12V左右,而ETG=29V,故取αTG=0.6
α=αTG*CeTGΦTG=0.6*0.02=0.012
放大器的放大倍数,由于K=αKpKs/CeΦ
所以Kp=KCeΦ/αKs=72*0.133/(0.012*15.3)=52.2
由于Kp较大,故采用放大倍数可调的放大器
采用F007运算放大器,其输入电阻ri〉0.5MΩ;
为了不影响ri,应取R0小于1/10ri,故取R0=20KΩ,ρ取0.136,
所以R1=KpρR0=52.2*0.136*20*103Ω=142KΩ,R0,R1均取1/4W
5双闭环直流调速系统的动态设计
(一)电流环的设计
(1)确定时间常数
10整流装置滞后时间常数,查表得知三相桥电路的平均失控电压TS=0.0017s
20电流滤波时间常数,三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms,为了基本滤平波头,应有(1~2)Toi=3.33ms,因此取Toi=0.002s
30电流环小时间常数,TΣi=Ts+Toi=0.0037s
(2)选择电流调节器结构
根据设计要求σi%≤5%,而且Ti/TΣi=0.03/0.0037=8.1小于10,因此可按典Ⅰ型系统设计,电流调节器选用PI型,其传函为
(3)选择电流调节器参数
ACR超前时间常数τi=Ti=0.03S。
电流环开环增益要求σ%≤5%,应取KITΣi=0.5
所以KI=0.5/TΣi=0.5/0.0037=135.1l/s
所以ACR比例系数Ki=KI*τiR/(βKs)=135.1*0.03*2/(0.05*15.3)=10.56
(4)效验近似条件
电流截止频率Wci=KI=135.1l/s
10晶闸管装置传递函数近似条件:
Wci≦1/3Ts
而1/3Ts=1/(3*0.0017s)=196.1l/s大于Wci,所以满足近似条件。
20忽略反电动势对电流环影响的条件:
Wci≧3√(1/(TmTl))
而3√(1/(TmTl))=3*√1/(0.18*0.03)=40.82l/s小于Wci,满足近似条件。
30小时间常数近似处理条件:
Wci≦1/3*√1/(TsToi)
而1/3*√1/(TsToi)=1/3*√1/(0.0017*0.002)=180.8l/s大于Wci,满足近似条件。
R0=40KΩ,Ri=KiR0=10.569*40=422.96KΩ取422KΩ
Ci=τi/Ri=0.03/422*103=0.07uF
Coi=4Toi/R0=4*0.002/40*103=0.2uF
10电流环等效时间常数为2TΣi=0.0074s
20转速滤波时间常数Ton取Ton=0.01s
30转速环小时间常数TΣn=2TΣi+Ton=0.0174s
(2)选择转速调节器结构
由于设计要求无静差,转速调节器必须含积分环节,又按典型Ⅱ型系统设计转速环,故ASR选PI调节器
。
(3)选择转速调节器参数
按跟随性和抗扰性能都较好的原则,取h=5,则ASR的超前时间常数为
τn=hTΣn=5*0.0174s=0.087s
转速开环增益KN=(h+1)/(2TiTΣn2)=6/(2*25*0.01742)=396.4l/s2
于是ASR比例系数
(5)校验近似条件
转速环截止频率ωcn=KN/ω1=Knτn=396.4*0.087=34.51/s
10电流环传函条件ωcn≦1/5TΣi
而1/5TΣi=1/5*0.0017=5404l/s大于ωci满足条件
20小时间常数近似处理条件ωcn≦1/3*√1/(2TΣiTon)
而1/3*√1/(2TΣiTon)=38.75大于ωcn满足近似条件。
(6)计算调节器电阻和电容
取R0=40KΩ,则
Rn=KnR0=1.72*40KΩ=68.8KΩ取70KΩ
Cn=τn/Rn=0.087/70*103=1.24uF取1.5uF
6继电器-接触器控制电路设计
选用CM7815和CM7915三端集成稳压器作为控制电路电源
由于变压器一次侧电流I1=10A故选D25-50型,三极自动断路器
图:
晶闸管整流电路
电器系统原理结构图的MATLAB仿真
面向传递函数的MATLAB的仿真
传递函数系统图
原理图
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