双闭环直流晶闸管调速系统设计

双闭环直流晶闸管调速系统 西华大学课程设计说明书 目 录 1 前言 .............................................................. 1 2总体设计 ...................................................... 2 2.1 方案比较 ............................................................ 2 2.2 方案论证 ............................................................ 2 2.3 方案选择 ............................................................ 3 2.4 设计要求 ............................................................ 3 3单元模块设计 ...................................................... 4 3.1 转速给定电路设计 .................................................... 4 3.2 转速检测电路设计 .................................................... 4 3.3 电流检测电路设计 .................................................... 5 3.4 整流及晶闸管保护电路设计 ............................................ 6 3.4.1 过电压保护和du/dt限制 ........................................... 6 3.4.2 过电流保护和di/dt限制 ............................................ 6 3.4.3 整流电路参数计算 ................................................ 7 3.5电源设计 ............................................................ 9 3.6 控制电路设计 ........................................................ 9 4系统调试 ......................................................... 15 5 结论 ............................................................. 17 6总结与体会 ....................................................... 18 7参考文献 ......................................................... 20 西华大学课程设计说明书 1 前言 自70年代以来，国外在电气传动领域内，大量地采用了“晶闸管直流电动机调速”技术(简称KZ—D调速系统)，尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中KZ—D系统的应用还是占有相当的比重。在设计与理论学习过程中，会接触到大量关于调速控制系统的分析、综合与设计问题。传统的研究主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。双闭环(电流环、转速环)调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，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。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的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。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。但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈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限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度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启动，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，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，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统所能得到的最快的启动过程。 第1 页 西华大学课程设计说明书 2总体方案设计 2.1 方案比较 方案一:单闭环直流调速系统 单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。在电动机轴上装一台测速发电机SF ,引出与转速成正比的电压Uf 与给定电压Ud 比较后,得偏差电压ΔU ,经放大器FD ,产生触发装置CF 的控制电压Uk ,用以控制电动机的转速,如图2.1所示。 整流触发装置 电压 放大器 电动机 负载 速度检测 图2.1 方案一原理框图 方案二:双闭环直流调速系统 该方案主要由给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环;转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭环调速系统。因转速换包围电流环，故称电流环为内环，转速环为外环。在电路中，ASR和ACR串联，即把ASR的输出当做ACR的输入，再由ACR得输出去控制晶闸管整流器的触发器。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具有输入输出限幅功能的PI调节器，且转速和电流都采用负反馈闭环。该方案的原理框图如图2.2所示。 电流检测 电压 ASR ACR 整流触发装置 电动机 负载 速度检测 图2.2 方案二原理框图 2.2 方案论证 方案一采用单闭环的速度反馈调节时整流电路的脉波数m = 2 ,3 ,6 ,12 , 其数目总是有限的,比直流电机每对极下换向片的数目要少得多。因此,除非主电路电感L = ?,否则晶闸管电动机系统的电流脉动总会带来各种影响,主要有:(1) 脉动电 第2 页 西华大学课程设计说明书 流产生脉动转矩,对生产机械不利; (2)脉动电流(斜波电流) 流入电源,对电网不利,同时也增加电机的发热。并且晶闸管整流电路的输出电压中除了直流分量外,还含有交流分量。把交流分量引到运算放大器输入端,不仅不起正常的调节作用,反而会产生干扰,严重时会造成放大器局部饱和,从而破坏系统的正常工 作。 方案二采用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求。 2.3 方案选择 1.在单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，系统的动态性能不够好。 2.系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应，即最佳过渡过程。 为了获得近似理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。所以本文选择方案二作为设计的最终方案。 2.4 设计要求 直流电动机设计双闭环直流晶闸管调速系统，技术要求如下: 1. 直流电动机的额定参数P=264W、U=220V、I=1.2A、n=1600 r/min，电NNNN22枢电阻R=5.2Ω，电枢绕组电感L=6.6mH，电机飞轮矩GD=6.39N?m，电流aad2过载倍数λ=1.5，电枢回路总电阻可取为R=2R10.4Ω，系统总飞轮矩GD=2.5 a=。 2GDd 2. 设计要求:稳态无静差，电流超调量σ,?5%;空载起动到额定转速时的转i 速超调量 σ,?10,。 n 第3 页 西华大学课程设计说明书 3单元模块设计 根据设计要求，本文所设计的双闭环直流晶闸管调速系统主要包含转速给定电路、转速检测电路、电流检测电路、控制电路、触发脉冲输出电路、整流及晶闸管保护电路、电源等几个部分。 3.1 转速给定电路设计 转速给定电路主要由滑动变阻器构成，调节滑动变阻器即可获得相应大小的给定信号。转速给定电路可以产生幅值可调和极性可变的阶跃给定电压或可平滑调节的给定电压。其电路原理图如图3.1所示。 图3.1 转速给定电路原理图 3.2 转速检测电路设计 转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信号。转速检测电路主要由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统。其原理图如图3.2所示。 第4 页 西华大学课程设计说明书 图3.2 转速检测电路原理图 3.3 电流检测电路设计 电流检测电路的主要作用是获得与主电路电流成正比的电流信号，经过滤波整流后，用于控制系统中。该电路主要由电流互感器构成，将电流互感器接于主电路中，在输出端即可获得与主电路电流成正比的电流信号，起到电气隔离的作用。其电路原理图如图3.3所示。 图3.3 电流检测电路原理图 第5 页 西华大学课程设计说明书 3.4 整流及晶闸管保护电路设计 整流电路如图3.4所示，在整流电路中主要是晶闸管的保护问题。晶闸管具有许多优点，但它属于半导体器件，因此具有半导体器件共有的弱点，承受过电压和过电流的能力差，很短时间的过电压和过电流就会造成元件的损坏。为了使晶闸管装置能长期可靠运行，除了合理选择元件外，还须针对元件工作的条件设置恰当的保护。晶闸管主要需要四种保护:过电压保护和du/dt限制，过电流保护和di/dt限制。 图3.4 整流电路及晶闸管保护电路 3.4.1 过电压保护和du/dt限制 凡是超过晶闸管正常工作是承受的最大峰值电压的都算过电压。产生过压的原因是电路中电感元件聚集的能量骤然释放或是外界侵入电路的大量电荷累积。按过压保护的部位来分，有交流侧保护，直流侧保护和元件保护。元件保护主要是通过阻容吸收电路，连线如图4.4所示。阻容吸收电路的参数计算式根据变压器铁芯磁场释放出来的能量转化为电容器电场的能量存储起来为依据的。由于电容两端的电压不能突变，所以可以有效的抑制尖峰过电压。串阻的目的是为了在能量转化过程中能消耗一部分能量，并且抑制LC回路的振荡。 3.4.2 过电流保护和di/dt限制 由于晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度就会急剧上升可能烧坏PN结，造成元件内部短路或开路。晶闸管发生过电流的原因主要有:负载端过载或短路;某个晶闸管被击穿短路，造成其他元件的过电流;触发电路工作不正常或受干扰，使晶闸管误触发，引起过电流。晶闸管允许在短时间内承受一定的过电流，所以过电流保护作用就在于当过电流发生时，在允许的时间内将过电流切断，以防止元件损坏。晶闸管过电流的保护措施有下列几种: 1.快速熔断器 普通熔断丝由于熔断时间长，用来保护晶闸管很可能在晶闸管 第6 页 西华大学课程设计说明书 烧坏之后熔断器还没有熔断，这样就起不了保护作用。因此必须采用专用于保护晶闸管的快速熔断器。快速熔断器用的是银质熔丝，在同样的过电流倍数下，它可以在晶闸管损坏之前熔断，这是晶闸管过电流保护的主要措施。 2.硒堆保护 硒堆是一种非线性电阻元件，具有较陡的反向特性。当硒堆上电压超过某一数值后，它的电阻迅速减小，而且可以通过较大的电流，把过电压的能量消耗在非线性电阻上，而硒堆并不损坏。硒堆可以单独使用，也可以和阻容元件并联使用。 本系统采用快速熔断器对可控硅进行过流保护。 3.4.3 整流电路参数计算 U2(1)的计算 UnU，dTmaxU,2,,I2,,cosACU,minsh,,I 2N,, Udmax—负载要求的整流电路输出的最大值; UV,1UTT—晶闸管正向压降，其数值为0.4—1.2V，通常取; n—主电路中电流回路晶闸管的个数; ,,0A—理想情况下时，整流输出电压与变压器二次侧相电压之比; UUddC—线路接线方式系数; ,,0.9,—电网电压波动系数，通常取; oo,,,1020,minmin—最小控制角，通常不可逆取; U,0.05Ushsh—变压器短路电压比，100Kv以下的取; I2 I2N—变压器二次侧实际工作电流额定电流之比; UV,1T已知，取、，查表得，取n,2A,2.34 oIU,0.05,,102shmin,,0.9,,,,查表得代入上式得: 1,C,0.5IN2 第7 页 西华大学课程设计说明书 Ud,(1~1.2)U2,AB，应用式，查表得 ,,0.9，取，，A,2.34B,,cos0.985, U380K,0.816UV,1101I12取，电压比 K,,,3.45U1102 II12(2)一次和二次向电流和的计算 IKI,IKI,K,0.816K,0.81611Id22IdI1I2由式得 ，由表得 ，，考虑励磁电流和变压器的变比K，根据以上两式得: (3)变压器的容量计算 (4)晶闸管参数选择 由整流输出电压，进线线电压为110V，晶闸管承受的最大反向 UUV,，,23269.5电压是变压器二次线电压的电压峰值，即:，晶闸管RM2 UUV,，，,1223134.7承受的最大正向电压是线电压的一半，即:。考FM2虑安全裕量，选择电压裕量为2倍关系，电流裕量为1.5倍关系，所以晶闸管的额定容量参数选择为: 第8 页 西华大学课程设计说明书 UVV,，,2269.5539VTN IAA,，,1.526.439.6VTN 3.5电源设计 该模块的主要功能是为转速给定电路提供电源，众所周知，电源是一切电路的心脏，其性能在很大程度上影响着整个电路的性能。为使系统很好的工作，本文特设计一款?15V的直流稳压电源供电，其电路图如图3.5所示。直流稳压电源主要由两部分组成:整流电路和滤波电路。整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导通作用，因此二极管是组成整流电路的关键元件。在小功率(1KW)整流电路中，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。本设计采用桥式整流电路，其主要特点如下:输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压较低，电源变压器充分利用，效率高。 图3.5 ?15V电源电路原理图 滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两侧并联电容器;或在整流电路输出端与负载间串联电感L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。 3.6 控制电路设计 本控制系统采用转速、电流双闭环结构，其原理图如图3.6所示。 第9 页 西华大学课程设计说明书 图3.6 双环调速系统原理图 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。图4.7中标出了两个调节器的输入输出的实际极性，他们是按照电力电子变换器的控制电压Uc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3.7为双闭环调速系统的稳态结构图。图3.8为双闭环调速系统的稳态结构图。ACR和ASR的输入、输出信号的极性，主要视触发电路对控制电压的要求而定。若触发器要求ACR的输出Uct为正极性，由于调节器一般为反向输入，则要求ACR的输入Ui*为负极性，所以，要求ASR输入的给定电压Un*为正极性。本文基于这种思想进行ASR和ACR设计。 图3.7 双闭环调速系统稳态结构图 图3.8 双闭环调速系统动态结构图 基本数据 第10 页 西华大学课程设计说明书 直流电动机:264W、220V、1.2A、1600r/min、Ra=5.2Ω，La=6.6mH 晶闸管装置放大系数:Ks=40 电枢回路总电阻:R=9+1.2+0.2=10.4Ω 电流反馈系数:β=0.05V/A(?10V/1.5I) N 转速反馈系数:α=0.00625Vmin/v(?10V/n) N 设计要求 静态指标:无静差 动态指标:电流超调量σi%?5%，空载启动到而定转速时的转速超调量σn%?10% 参数计算 UU,2.34cos,1.因为U=230V，α的整定范围在30?~150?之间，由公式知ND2当α=30?时U取得最大值，由此计算得U2=113.50V。 D EUIRCn,,,aNaae2.由有Ce=0.1290。 2RGD,,Tm2,375CCeT3.由 有Tm=0.4825s。 LU24.由有L=16.46mH。由有Tl=0.0091s。 T,0.693L,lRIdmin 系统设计 1.电流环的设计 (1)确定时间常数。错误～未找到引用源。?整流装置滞后时间常数Ts,三相桥式整流电路的平均失控时间Ts=0.0017s。错误～未找到引用源。?电流滤波时间常数Toi,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=2ms=0.002s。错误～未找到引用源。?电流环小时间常数TΣi,按小时间常数近似处理，取TΣi=Ts+ Toi=0.0037s。 (2)确定电流环设计成何种典型系统。 根据设计要求σi%?5%，而且Tl/TΣi=0.0091/0.0037=2.46<10.因此，电流环可按典型?型系统设计。 (3)电流调节器的结构选择。电流调节器选择PI型，其传递函数为 ,s，1iWsK(),ACRis,i (4)选择电流调节器参数。 ,,5%,TiilACR超前时间常数==0.0091s;电流开环增益:因要求，故应取 0.5KT,0.5,1Ii,，因此Ks,,。于是，ACR的比例系数为 135.1ITi, 第11 页 西华大学课程设计说明书 ,R0.00911.8，iKK,,，,135.10.3966iIK0.139540，,s )计算电流调节器的电路参数 (5 电流调节器的原理图如图3.9所示。按所用运算放大器，取R0=40KΩ，各电阻和电容值计算如下: RKRKKK,,，,0.39664015.86,16取ii0 6CRKuFuF,,，,,/(0.0091/16)100.57iii CTRuF,,4/0.2oioi0 图3.9 电流调节器原理图 ,1,,,Ks135.1ciI(6)校验近似条件。电流环截止频率 1 1)校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足:， ,,ciT3s 11,1,,s196.1T，330.0017s因为> ，所以满足近似条件。 ,ci 1 2)校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足:， ,,3ciTTml 11,1,,,,s3345.27ciTT，0.48250.0091ml现在<，满足近似条件。 ,ci 11 3)校验小时间常数的近似处理是否满足条件:， ,,ciTT3soi 第12 页 西华大学课程设计说明书 1111,1,,s180.78TT，soi330.00170.002现在>,满足近似条件。 ,ci 按照上述参数，电流环满足动态设计指标要求和近似条件。 2.转速环的设计 (1)确定时间常数。错误～未找到引用源。?电流环等效时间常数为20.0074Ts,T,ion;错误～未找到引用源。?转速滤波时间常数，根据所用测 TT,onon速发动机纹波情况，取=0.01s;错误～未找到引用源。?转速环小时间常数 TTTs,，,20.0174,,onion按小时间常数近似处理，取。 (2)确定将转速环设计成何种典型系统。由于设计要求转速环无静差，转速调节器必须含有积分环节;又根据动态设计要求，应按典型?型系统设计转速环。 3)转速调节器的结构选择。转速调节器选用PI型，其传递函数为 ( ,s，1nWsK(),ASRns,n (4)选择转速调节器参数。按跟随和抗干扰性能都能较好的原则取h=5，则 ,,，,hTs50.01740.087,nn,ASR超前时间常数 (1)6h，,2Ks,,,396.4N22222250.0174hT，，n转速环开环增益为 , (1)hCT，,60.13950.12900.4825，，，emK,,,24.11n2250.00691.80.0174hRT,，，，，,n于是，ASR的比例系数为 (5)计算转速调节器的电路参数。转速调节器原理图如图3.10所示，按所用运算放大器，取R0=40KΩ，各电阻和电容值计算如下: RKRKKM,,，,24.1140964.4,1取nn0 6,CRMuF,,，,/(0.087/1)100.087nonn CTRuF,,4/1onon0 第13 页 西华大学课程设计说明书 图3.10 转速调节器原理图 K,1N,,,,,/34.5Kscnnn,1(6)校验近似条件。转速环截止频率 1,,cnT5,i 1)校验电流环传递函数简化条件是否满足: 11,1,,s54.1T，550.0037i,现在>,满足简化条件。 ,cn 11,,cnTT,32oni2)校验小时间常数近似处理是否满足， 1111,1,,,,s38.75cnTT，，32320.010.0037oni,现在>,满足近似条件。 ,cn ,Cmax81.2%,Ckb3)校验转速超调量。当h=5时， ,,,，,nIRCr/47.81.8/0.1290667.0/minNNe而，因此 T,,Cn667.00.0174,nmaxN,,%()2()81.2%21.54.04%10%,，,,，，，，,,Zn*14500.4825CnTkbm ， 能满足设计要求。设计完成的控制系统如图3.11所示。 第14 页 西华大学课程设计说明书 图3.11 设计完成的双闭环控制系统 4系统调试 由于本文只进行了理论性设计，故在系统安装与调试阶段只对控制电路部分进行了MATLAB仿真，以分析直流电机的启动特性。采用MATLAB中的simulink工具箱对系统在阶跃输入和负载扰动情况下的动态响应(主要为转速和电枢电流)进行仿真。仿真可采用面向传递函数的仿真方法或面向电气系统原理结构图的仿真方法，本文采用面向传递函数的仿真方法。系统仿真结构如图4.1所示。 图4.1 系统仿真结构图 第15 页 西华大学课程设计说明书 在仿真过程中，Matlab设置很多不同的算法，而不同的算法，对仿真出来波形影响很大。对于用数值方法求解常系数微分方程(Ordinary Differential Equation, 简写为ODE)或微分方程组，MATLAB提供了七种解函数，最常用的是ODE45。ode45可用于求解一般的微分方程，他采用四阶、五阶龙格-库塔法。仿真结果如图4.2-4.3所示。 图4.2 双闭环调速系统仿真结果 图上部为电机转速曲线，中部为扰动电流曲线，下部为电机电流曲线。加电流启动时电流环将电机速度提高，并且保持为最大电流，而此时速度环则不起作用，使转速随时间线性变化，上升到饱和状态。进入稳态运行后，转速换起主要作用，保持转速的稳定。在第二秒时，外加一扰动信号，此时转速受扰动信号影响有所下降，但因为转速环的作用重新将转速拉入稳定值。 第16 页 西华大学课程设计说明书 图4.3转速开环调速系统仿真结果 图上部为转速曲线，下部为电流曲线。因为开环系统中没有反馈信号，而电机在带载的一瞬间要有一个做功的过程，也就是建立系统带载状态下的稳定状态的过程，这部分功需要增大电机的电流来补偿，同时也会牺牲一部分动能，也就是电机的转速，所以产生了静态速降。 5 结论 双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态启动时，转速和电流的动态过程如仿真图4.2所示。由于在启动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从启动时间上看，第二阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速启动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。 第17 页 西华大学课程设计说明书 带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态是无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。ACR的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压的波动。通过仿真可知:启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大，使转速线性变化，迅速达到给定值;稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随电流外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。 6总结与体会 经过这段时间的课程设计，我们小组的同学都学到了很多平时在书本上无法学到知识，当我们在做这个课程设计的时候时候，我们发现仅仅是书本上的知识并不能很好的完成这个课程设计，因此我们查阅了很多课外资料，在这个过程中，提高了自己的自学能力。这次的课程设计经历了，从查找资料，到确定方案，最后再到用软件仿真，我们组都团结协作，互相帮助。我们以前学习的知识都渐渐离我们远去，甚至不知道、不清楚哪些知识该用到哪些地方，什么时候用。学校安排了这次课程设计，通过自己查找资料，了解情况，让我们清楚我们学的知识与现实工业生产之间的联系，使得我们对知识深刻的了解和巩固。与此同时，在团队的协作中使我们在与人共事之中学会交流学会合作。因为在今后的工作中一个人独立完成不与别人合作，是基本不可能的，所以在这次课程设计中也锻炼了我们的团队的协作精神，为今后的学习和工作积累了经 第18 页 西华大学课程设计说明书 验，是一笔难得的财富。通过本次课程设计，首先对直流双闭环调速系统有了更深的认识，加深了理解，是对课堂所学知识的一次很好的应用。学会了转速、电流双闭环直流调速系统的设计，并能熟练地掌握转速和电流调节器参数的选择和计算，在设计的基础上更加认识到直流双闭环调速系统的应用之广泛。 第19 页 西华大学课程设计说明书 7参考文献 [1]张广溢.电机学[M].重庆:重庆大学出版社，2002. 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