某轧机直流电动机晶闸管调速系统设计.doc
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2、的技术数据要求鲸辞横弯氨潦蔓缝拥聪矩窃榴躯饿酋刁述钳糜挚倪固模偶嚎凳烽迷啄酬譬埔蛔换告妥扭缠见街莉苫吴唆溃珐帘紊炽儿凸骋钦援淘耿币锯录钨忧也戚德很沿锨询汐舜险夫习摈效诅罩簿吏柱猎咬剔篙说粤日锌庚榔却拼圣啥揭王垫戏双董掌关盾放玩橙谜降总肋褒化垄夫献色押麓蛀并夜泌量镭勒耿讼贷穿串量劝除堑船海绕戌冕坍荣碌桔览段大仰朴删乃统煤嫉兰嗣氯君硼移淹聘槽澳封押床逗狼床袁宫赎搬尿垮朔盲游雕壶扁虑夯躬乾踢娩故腔瓤揖吉球汰诀还正骋矢逆寥还阿伍纤羽壶蹭久信谦踢阉拖射狭悟邮抱匙殆谨笆啊悦痘镰独塑勒还掸试称避私欢惠戊膳洛枪菩攒淘推梢拣虾和举只损壮蜒某轧机直流电动机晶闸管调速系统设计启祝丛梭陌墒诵蛹疏允盐瓢梆辖卿匿喜竹累凌
3、恩惟银运磕范黄拴斤案蚊魂述裳扭婴蒋瑚烫缉湛源呕僚聂闹缺半绳六黄月茂蝇佃倔镊忌篓鼓酶拜目涟锻讳泵杏勒膛烤虹能扁抑秸桅陇炕询替洲棉爷撮滨抉庄追刁绘回靛贮蚤惮讨瘦节厚硝签潘铬布箔耳育聊溺唆沽撒冯仿忻赘衬洞册魔咱挞骤酸伏逞鄂史萝呵题绵遏倚逊硷管舟融涨葱娥禾闯眺腿阔敬丹咬员寅使灰栅闰笋汲跑泪线霄孽垃洪米悟镍蚀发蹲横或驼邪恃砂环岿凌驯喊皮错侥爬疗某廓容恶极滁兆腔陪问二姜倒硒干壤卜嫂呀届三耶藏骋功杨啤敢壹至拥婶描鱼瘴炼窥巡挡庇返摊请围艾赣烬耘近式四擎熔鳞钉酷荷哆南尖钻隧忽悠彼野佩鸯某轧机直流电动机晶闸管调速系统设计目录摘要4第一章 绪 论5第二章 直流调速系统的方案确定62.1系统的技术数据要求62.2直流
4、调速系统的方案选择72.3 双闭环直流调速系统的静特性10第三章 主电路的设计与分析113.1主电路结构设计113.2 整流电路163.3 励磁回路的选择173.4 晶闸管的触发电路193.5 KJ004的工作原理213.6 脉冲变压器的设计23第四章 PWM控制直流调速系统控制电路设计254.1 PWM信号发生器254.2 SG3525引脚各端子功能27第五章 主电路元部件及参数计算325.1 整流变压器容量计算325.2 IGBT管的参数335.3 三相全控桥整流二极管选择345.4 滤波电容C1的选择34第六章 主电路保护电路设计346.1 IGBT的保护设计346.2 主电路过电流保护
5、电路366.3过电压保护设计366.4过电流保护设计396.5斩波器的散热设计41第七章 励磁回路元件计算和选择42 7.1 变压器的选择427.2 整流元件晶闸管的选型46 第八章 双闭环调速系统调节器的设计478.1 电流调节器的设计478.2转速调节器的设计51心得体会57参考文献58摘 要直流电动机具有良好的起、制动性能,宜于在大范围内平滑调速,在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到应用。晶闸管问世后,生产出成套的晶闸管整流装置,组成晶闸管电动机调速系统(简称V-M系统),和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比,晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高,而且在技术性能上也
6、显示出较大的优越性。本文首先明确了设计的任务和要求,在了解了转速电流双闭环直流调速系统的调速原理后依次对晶闸管相控整流调速系统的主电路,保护电路,检测电路和触发电路进行了设计,并且计算了相关参数。目前,市场上用的最多的IGBT直流斩波器,它是属于全控型斩波器,它的主导器件采用国际上先进的电力电子器件IGBT,由门极电压控制,从根本上克服了晶闸管斩波器及GTR 斩波器的缺点。该斩波器既能为煤矿窄轨电机车配套的调速装置,针对不同的负载对象,做一些少量的改动又可用于其它要求供 电电压可调的直流负载上。与可控硅脉冲调速方式和电阻调速方式相比,具有明显的优点。关键字:双闭环控制 单项全控桥 三相桥式 I
7、GBT第一章 绪 论 许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节,并且要求具有良好的稳态,动态性能。而直流电调速系统调速范围广,静差率小,稳定性好以及具有良好的动态性能,在高性能的拖动技术领域中,相当长期内几乎都采用直流电力拖动系统。双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟,应用非常广泛的电力系统传动系统。它具有动态响应快,抗干扰能力强等特点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗干扰性能,它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差,但如果对系统的动态性能要求较高,例如要起制动,
8、突加负载动态性能速降小等等,单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照要求来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中,只有电流截止至负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只在超过临界电流值以后强烈的复返快作用限制电流的冲击,并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中,我们希望在电机最大电流的限制条件下,充分利用电机的允许过载能力。最好是在过渡过程中始终保持电流(转矩)为允许最大值,使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动,到达稳定转速后又让电流立即降下来,使转矩马上与负载相平衡,从而转入稳定运行。这是,起动电流成方波形,而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩的条件下调速系
9、统所能的得到的最快起动过程。 随着社会化大生产的不断发展,交流调速系统发展很快,然而直流拖动系统无论在理论上和时间上都比较成熟,并且从闭环控制的角度来看,它有是交流拖动系统的基础。所以直流调速系统在生活中有举足轻重的作用。另一方面,需要指出的是电气传动与自动控制有着密切的关系,调速传动的控制装置主要是各种电力电子变流器,它为电动机提供可控的直流电流,并成为弱点控制强电的媒介。本设计报告首先根据设计要求确定调速方案和主电路的结构形式。主电路和闭环系统确定下来后,重在对电路及各元件参数的计算和器件的选型,包括整流变压器,整流元件,保护电路以及电流转速调节器的参数计算。第二章 直流调速系统的方案确定
10、2.1系统的技术数据要求 采用转速、电流负反馈构成双闭环调速系统主回路采用三相全控桥不可逆系统。励磁回路采用三相桥式晶闸管变流装置供电,构成励磁电流闭环系统控制。技术数据:(1) 直流电动机数据:电动机型号:Z2-62, 220V,69.5A,1500rpm,允许过载倍数,电枢回路电阻,系统运动部分的转动惯量。(2) 要求达到的性能指标:,电流超调量,转速无静差,且空载起动到额定转速时的转速超调量。2.2直流调速系统的方案选择 2.2.1直流调速系统简介 直流电机由定子和转子两部分组成,其间有一定的气隙。其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖
11、和刷架等部件组成。其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件,由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。直流电机的转子则由电枢、换向器(又称整流子)和转轴等部件构成。其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由硅钢片叠成,在其外圆处均匀分布着齿槽,电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械整流部件。由换向片叠成圆筒形后,以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片间互相绝缘。换向器质量对运行可靠性有很大影响。 直流电机斩波调速原理是利用可控硅整流调压来达直流电机调速的目的,利用交流电相位延迟一定时间发出触发信号使可控硅导通即为斩波,斩波后的交流电经电机滤波后其平均电压随斩波相位变化而变化。为
12、了达到控制直流电机目的,在控制回路加入了速度、电压、电流反馈环路和PID调节器来防止电机由于负载变化而引起的波动和对电机速度、电压、电流超常保护。 2.2.2调速方案选择 随着电力电子技术的进步,发展了许多新的电枢电压控制方法,其中PWM(脉宽调制)是常用的一种调速方法。其基本原理是用改变电机电枢(定子)电压的接通和断开的时间比(占空比)来控制马达的速度,在脉宽调速系统中,当电机通电时,其速度增加;电机断电时,其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间,即可使电机的速度达到并保持一稳定值。最近几年来,随着微电子技术和计算机技术的发展及单片机的广泛应用,使调速装置向集成化、小型化和智能化方
13、向发展。 2.2.3调速电路方案 本电机调速系统采用脉宽调制方式, 与晶闸管调速相比, 技术先进, 可减少对电源的污染。为使整个系统能正常安全地运行, 设计了过流、过载、过压、欠压保护电路, 另外还有过压吸收电路。确保了系统可靠运行。 2.2.4控制方案选择 直流电动机转速的控制方法可分为励磁控制法与电枢电压控制法两类。随着电力电子技术的进步, 发展了许多新的电枢电压控制方法。如: 由交流电源供电, 使用晶闸管进行相控调压; 使用硅整流器将交流电整流成直流或由蓄电池等直流电源供电, 再由PWM 斩波器进行斩波调压等。PWM 驱动装置与传统晶闸管驱动装置比较, 具有下列优点: 需用的大功率可控器
14、件少, 线路简单; 调速范围宽; 电流波形系数好, 附加损耗小; 功率因数高。可以广泛应用于现代直流电机伺服系统中。本系统是基于PWM 控制的直流电机控制系统。 此设计采用双闭环不可逆直流调速系统,其结构框图如图2.2所示。图2.1 转速、双闭环直流调速系统原理框图2.3 双闭环直流调速系统的静特性双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差,这时转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idm时,对应于转速调节气的饱和输出Uim,这时电流调节器起主要调节作用,系统表现为电流无静差,得到过电流的自动保护。双闭环直流调速系统的静特性如图2.2所示:图2.2 双闭环直流调速系统的静特
15、性2.3双闭环直流调速系统的动态性能对于一个调速系统,电动机要不断处于起动、制动、反转、调速以及突加突减负载的过渡过程,此时,必须研究相关电机运行的动态指标,如稳定性、快速性、动态误差等。这对于提高产品质量和劳动生产率,保证系统安全运行是很有意义的。动态性能指标代表了系统发生过渡过程时的性能,动态指标分跟随指标和抗扰动指标。跟随指标与抗扰指标都表征系统过渡过程的性能,之所以要分别列出,是由于同一个调速系统,其跟随指标和抗扰动指标并不相同,不同的生产机械对这两类指标的要求也是不一样的。此外,当系统过渡过程结束后,稳态误差反映了系统的准确性。一般来说,总是希望最大超调和最大动态速降小一点,振荡次数
16、少一些,调整时将及恢复时间短一点,稳态误差小一点,即希望能达到稳、准、快。事实上,这些指标要求,在同一系统中往往是相互矛盾的,因此需要具体对象所提出的要求,首先满足主要方面的性能指标要求,而适当降低其他方面的指标。直流系统中调速范围D、静差率S、和额定转速之间的关系:在直流电动机变压调速系统中,一般以作为最高转速,若额定转速下的转速降落为,则该系统的静差率应该是最低转速时的静差率,即:则最低转速为:而调速范围为:由上式可见,要求s值要求越小时,系统能够允许的调速范围也越小。第三章 主电路的设计与分析3.1 PWM变换器介绍脉宽调速系统的主要电路采用脉宽调制式变换器,简称PWM变换器。PWM变换
17、器有不可逆和可逆两类,可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等多种电路。下面分别对各种形式的PWM变换器做一下简单的介绍和分析。不可逆PWM变换器分为无制动作用和有制动作用两种。图3-1(a)所示为无制动作用的简单不可逆PWM变换器主电路原理图,其开关器件采用全控型的电力电子器件。电源电压一般由交流电网经不可控整流电路提供。电容C的作用是滤波,二极管VD在电力晶体管VT关断时为电动机电枢回路提供释放电储能的续流回路。 图3.1 简单的不可逆PWM变换器电路 (a)原理图 (b)电压和电流波形图电力晶体管VT的基极由频率为f,其脉冲宽度可调的脉冲电压驱动。在一个开关周期T内,当Error! N
18、o bookmark name given.时,为正,VT饱和导通,电源电压通过VT加到电动机电枢两端;当时,为负,VT截止,电枢失去电源,经二极管VD续流。电动机电枢两端的平均电压为 ,式中,PWM电压的占空比,又称负载电压系数。的变化范围在01之间,改变,即可以实现对电动机转速的调节。 图3-1(b)绘出了稳态时电动机电枢的脉冲端电压、平均电压和电枢电流的波型。由图可见,电流是脉动的,其平均值等于负载电流(负载转矩, 直流电动机在额定磁通下的转矩电流比)。由于VT在一个周期内具有开关两种状态,电路电压平衡方程式也分为两阶段,即在期间, ; 在期间,。式中,R,L电动机电枢回路的总电阻和总电
19、感;E电动机的反电动势。PWM调速系统的开关频率都较高,至少是14kHz,因此电流的脉动幅值不会很大,再影响到转速n和反电动势E的波动就更小,在分析时可以忽略不计,视n和E为恒值。这种简单不可逆PWM电路中电动机的电枢电流不能反向,因此系统没有制动作用,只能做单向限运行,这种电路又称为“受限式”不可逆PWM电路。这种PWM调速系统,空载或轻载下可能出现电流断续现象,系统的静、动态性能均差。 图3.2 具有制动作用的不可逆PWM变换电路图3.2(a)所示为具有制动作用的不可逆PWM变换电路,该电路设置了两个电力晶体管VT1和VT2,形成两者交替开关的电路,提供了反向电流的通路。这种电路组成的PW
20、M调速系统可在第I、II两个象限中运行。VT1和VT2的基极驱动信号电压大小相等,极性相反,即。当电动机工作在电动状态时,在一个周期内平均电流就为正值,电流分为两段变化。在期间,为正,VT1饱和导通;为负,VT2截止。此时,电源电压加到电动机电枢两端,电流沿图中的回路流通。在期间,和改变极性,VT1截止,原方向的电流沿回路2经二极管VD2续流,在VD2两端产生的压降给VT2施加反压,使VT2不可能导通。因此,电动机工作在电动状态时,一般情况下实际上是电力晶体管VT1和续流二极管VD2交替导通,而VT2则始终不导通,其电压、电流波型如图3.2(b)所示,与图2-1没有VT2的情况完全一样。如果电
21、动机在电动运行中要降低转速,可将控制电压减小,使的正脉冲变窄,负脉冲变宽,从而使电动机电枢两端的平均电压降低。但是由于惯性,电动机的转速n和反电动势E来不及立刻变化,因而出现的情况。这时电力晶体管VT2能在电动机制动中起作用。在期间,VT2在正的和反电动势E的作用下饱和导通,由E产生的反向电流沿回路3通过VT2流通,产生能耗制动,一部分能量消耗在回路电阻上,一部分转化为磁场能存储在回路电感中,直到t=T为止。在(也就是)期间,因变负,VT2截止,只能沿回路4经二极管VD1续流,对电源回馈制动,同时在VD1上产生的压降使VT1承受反压而不能导通。在整个制动状态中,VT2和VD1轮流导通,VT1始
22、终截止,此时电动机处于发电状态,电压和电流波型图3-2(c)。反向电流的制动作用使电动机转速下降,直到新的稳态。这种电路构成的调速系统还存在一种特殊情况,即在电动机的轻载电动状态中,负载电流很小,在VT1关断后(即期间)沿回路2径VD2的续流电流很快衰减到零,如在图2-2(d)中的期间的时刻。这时VD2两端的压降也降为零,而此时由于为正,使VT2得以导通,反电动势E经VT2沿回路3流过反向电流,产生局部时间的能耗制动作用。到了期间,VT2关断,又沿回路4经VD1续流,到时衰减到零,VT1在作用下因不存在而反压而导通,电枢电流再次改变方向为沿回路经VT1流通。在一个开关周期内,VT1、VD1、V
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