电气传动的课程设计-直流调速系统.doc
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1、黄石理工学院直流调速系统引言早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础,采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成,控制系统的硬件部分非常复杂,功能单一,而且系统非常不灵活、调试困难,阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异,使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成,为直流电动机的控制提供了更大的灵活性,并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统,可以节约人力资源和降低系统成本,从而有效的提高工作效率。直流电动机具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;能满足生产过程自
2、动化系统各种不同的特殊运行要求,在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。本文通过对转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性分析,对双闭环直流调速系统进行数学建模并进行动态性能的分析,设计出了电流调节器和转速调节器,最终形成了转速、电流双闭环直流调速系统。本次设计的直流调速体统主要包括:直流电机的确定,电动机供电方案的选择,系统的结构选择及直流调速系统的总体机构的结构确定。总体结构主要包括主电路和控制回路。主电路由晶闸管构成,控制回路主要由检测电路,驱动电路构成,检测电路又包括转速检测和电流检测等部分。如果对系统的动态性能要求较高,例如要求起制动、突加负载动态速降小等
3、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需要来控制动态过程的电流或转矩。第一章 转速、电流双闭环直流调速系统方案选择本次设计选用的电动机型号Z2-91型,其具体参数如下表1-1所示表1-1 Z2-91型电动机具体参数电动机型号PN(KW)UN(V)IN(A)NN(r/min)Ra()GDa2(Nm2)P极对数Z2-914823020914500.358.021(一) 电动机供电方案的选择直流调速系统用的主要方法是变压器调速,调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有旋转电流机组,静止可控整流器,直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变流机组简称G-M系统,适用于调速要求不高,
4、要求可逆运行的系统,但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。静止可控整流器又称V-M系统,通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位,即可改变Ud,从而实现平滑调速,且控制作用快速性能好,提高系统动态性能。直流斩波器和脉宽调制交换器采用PWM受器件各量限制,适用于中、小功率的系统。根据本此设计的技术要求和特点选V-M系统。在V-M系统中,调节器给定电压,即可移动触发装置GT输出脉冲的相位,从而方便的改变整流器的输出,瞬时电压Ud。由于要求直流电压脉动较小,故采用三相整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求,选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比
5、三相半波高,因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半,这是三相桥式整流电路的一大优点。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省。而且工作可靠,能耗小,效率高。同时,由于电机的容量较大,又要求电流的脉动小。综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。(二)系统的结构选择 计算电动机电动势系数:由式=0.146,当电流连续时,系统额定速降为=858.9。开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率:,不满足S5%.若D=10,S5%.,则由此可见开环调速系统的额定速降太大,无法满足D=10,S5%的要求,采用转速反馈控制的直流调速系统将是解决此类问题的一种方法,故需采用反
6、馈控制的闭环调速系统。因调速要求较高,故选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,出现故障电流时由过流继电器切断主电路电源。为使线路简单,工作可靠,装载体积小,宜用KJ004组成的六脉冲集成触发器。(三)系统的总体结构选择采用双闭环调速系统,可以近似在电机最大电流(转矩)受限的条件下,充分利用电机的允许过载能力,使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动,到达稳态转速后,又可以让电流迅速降低下来,使转矩马上与负载相平衡,从而转入稳态运行,此时起动电流近似呈方形波,而转速近似是线性增长的,这是在最大电流(转矩)受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。采用转速电流双闭环调速系统
7、,为了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,即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再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,电流调节环在里面,叫做内环;转速环在外面,叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统二者之间实行串级联接,这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈,而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端,到达稳态转速后,只靠转速负反馈,不靠电流负反馈发挥主要的作用,这样就能够获得良好的静、动态性能。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装
8、置既可以保证系统的稳态精度,使系统在稳态运行时得到无静差调速,又能提高系统的稳定性;作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主,采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差,这时,转速负反馈起主调作用,系统表现为电流无静差。得到过电流的自动保护。显然静特性优于单闭环系统。在动态性能方面,双闭环系统在起动和升速过程中表现出很快的动态跟随性,在动态抗扰性能上,表现在具有较强的抗负载扰动,抗电网电压扰动。直流调速系统的框图如图1-1所示: 图1-1 直流双闭环调速系统原理图第二章 转速、电流双闭环直
9、流调速系统主电路设计(一) 转速、电流双闭环直流调速系统的系统组成在本系统中,为了使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,分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流,二者之间实行嵌套(或称串级)连接,如图3.1所示,把转速调节器的输出当做电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE.从闭环结构上看,电流环在里面称作内环;转速换在外边,称作外环。这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统。为了获得良好的静、动态性能,转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。两个调节器输出都带有限幅,转速调节器ASR的输出限幅电压Uim决定了电流调节器ACR的给定电压最大
10、值Uim;电流调节器ACR输出限幅电压Ucm限制了整流器输出最大电压值,限最小触发角。图2.1 转速、电流反馈控制系统原理图图2.2主电路图(二) 器件的选择及参数的计算 2.2.1可控整流变压器的选择与计算(1)变压器二次侧电压U2的计算是一个重要的参数,选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成延迟角加大,功率因数变坏,整流元件的耐压升高,增加了装置的成本。一般可按下式计算,即: (2-1) 式中 -整流电路输出电压最大值; -主电路电流回路n个晶闸管正向压降;C - 线路接线方式系数;-变压器的短路比,对10100KVA, =0.050.1;/-变压器二次实际工作电流与额定之比,
11、应取最大值。在要求不高场合或近似估算时,可用下式计算,即: (2-2)式中A-理想情况下,=0时整流电压与二次电压之比即A=/;B-延迟角为时输出电压Ud与之比,即B=/;电网波动系数;11.2考虑各种因数的安全系数;根据设计要求,采用公式: (2-3)由表查得 A=2.34;取=0.9;角考虑10裕量,则 B=cos=0.985取=125V。电压比K=/=380/125=3.04。(2)一次、二次相电流I1、I2的计算由表查得 =0.816, =0.816考虑变压器励磁电流得:(3)变压器容量的计算 (2-4) ; (2-5) ; (2-6)式中m1、m2 一次侧与二次侧绕组的相数;由表查得
12、m1=3,m2=3=338058.9=67.146 KVA=3120170.54=61.394 KVA =1/2(67.146+61.394)=64.27 KVA 取S=64.3 KVA 2.2.2晶闸管的选择与计算(1)晶闸管的额定电流的计算选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值大于实际流过管子电流最大有效值8,即 或 =K (2-7)考虑(1.52)倍的裕量 (2-8)式中K=/(1.57)-电流计算系数。此外,还需注意以下几点:当周围环境温度超过+40时,应降低元件的额定电流值。当元件的冷却条件低于标准要求时,也应降低元件的额定电流值。关键、重大设备,电流裕量可适当
13、选大些。由表查得 K=0.367,考虑1.52倍的裕量 取=150A。故选晶闸管的型号为KP100-7。(2) 晶闸管的额定电压的计算晶闸管实际承受的最大峰值电压,乘以(23)倍的安全裕量,参照标准电压等级,即可确定晶闸管的额定电压,即整流电路形式为三相全控桥,查表得,则=V=V 取=800V。(3)晶闸管保护环节的计算晶闸管有换相方便,无噪音的优点。设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额定电压、额定电流等参数外,还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。正确的保护是晶闸管装置能否可靠地正常运行的关键。过电流保护本系统采用电流截止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
14、,用过电流继电器切断故障电流。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值IT=Id/1.732=82.55A/1.732=47.66A,故选用RC1A-60的熔断器,熔体电流为60A。2)过电流继电器的选择 根据负载电流为82.55A,可选用吸引线圈电流为200A的JL14-11ZS型手动复位直流过电流继电器,整流电流可取1.2582.55A110A 过电压保护以过电压保护的部位来分,有交流侧过压保护、直流侧过电压保护。1)交流侧过电压保护a.阻容保护 即在变压器二次侧并联电阻R和电容C进行保护。本系统采用D-Y连接。S=25kvA, U2=120VIem取值:当
15、S10KVA时,取Iem=10。=F=104.2F耐压1.5Um =1.5120=254.52V选取100F,耐压300V的CZJD-2型金属化纸介电容器。取=5V,=0.94,取1 =3.76A =W=W选取1、60W的金属膜电阻。b.压敏电阻的计算 =V=220.58V取V,流通量取5KA。选MY31-220/5型压敏电阻。允许偏差+10。2)直流侧过电压保护直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法,可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性,并且会造成加大。因此,一般不采用阻容保护,而只用压敏电阻作过电压保护。 =(1.82.2) 230V=414460V 选M
16、Y31-430/3型压敏电阻。允许偏差+10。3)闸管及整流二极管两端的过电压保护 查下表:表2.1 阻容保护的数值一般根据经验选定晶闸管额定电流/A1020501002005001000电容/F0.10.150.20.250.512电阻/1008040201052抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值的1.11.15倍。由上表得0.25F,20,电容耐压1.5=1.5120=441V选为0.3F,耐压为400V的CZJD-2型金属化纸介质电容器,。=W=0.65W 取为23,1W普通金属膜电阻器。2.2.3平波电抗器的选择与计算为
17、了使直流负载得到平滑的直流电流,通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗器,称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知的,因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。1)算出电流连续的临界电感量可用下式计算,单位mH。 (2-10)式中为与整流电路形式有关的系数,可由表查得;为最小负载电流,常取电动机额定电流的510计算。根据本电路形式查得=0.695所以=0.05=0.05209A=10.45A,则=8.31mH 2)限制输出电流脉动的临界电感量由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的,因此输出电流波形也是脉动的。该脉动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。通常负载需要的只是直流
18、分量,对电动机负载来说,过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加,引起过热。因此,应在直流侧串入平波电抗器,用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量(单位为m)可用下式计算 (2-11)式中系数,与整流电路形式有关,电流最大允许脉动系数,通常三相电路(510)。根据本电路形式查得=1.045,=0.1, 所以=6.25mH 3)电动机电感量和变压器漏电感量电动机电感量(单位为mH)可按下式计算 (2-12)式中 、n直流电动机电压、电流和转速,常用额定值代入;p电动机的磁极对数;计算系数。一般无补偿电动机取812,快速无补偿电动机取68,有补偿电动机取56。本设计中取=8、=230V
19、、=47.8A、n=1450r/min、p=1=3.036mH 变压器漏电感量(单位为mH)可按下式计算 (2-13)式中计算系数,查表可得变压器的短路比,一般取5%10%。本设计中取=3.9、=5所以=3.92125/(100209)=0.047mH4)实际串入平波电抗器的电感量考虑输出电流连续时的实际电感量:mH 5)电枢回路总电感:=5.373.03620.047 mH =8.5mH 电气总图请查看附录一第三章 转速、电流双闭环直流调速系统调节器设计(一)触发器电路选择选用集成六脉冲触发器电路模块,其电路如附录二所示。从产品目录中查得晶闸管的触发电流为8mA到150mA之间时,触发电压。
20、在触发电路直流电源电压为15V时,脉冲变压器的匝数比为2:1,可获得约6V左右的电压,脉冲变压器一次电流只要大于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.另外有,完全可以满足要求。脉冲变压器实际上不用计算,一般市场上一只50A晶闸管的脉冲变压器即可。触发电路需要三个互差120,且与主电路三个电压U、V、W同相的同步电压,故要设计一个三相同步变压器。但是考虑到同步变压器功率很小,一般每相不超过1W,这样在市场上很难买到,故可以用三个单相变压器接成三相变压器组来代替,联成DY。同步电压取30V,一次侧直接与电网连接,每相绕组电压为380V,最后确定单相变压器
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