畢業(yè)設(shè)計(jì) 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一章 主電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算調(diào)速系統(tǒng)方案的選擇：由于電機(jī)上網(wǎng)容量較大，又要求電流的脈動(dòng)小，故選用三相全控橋式整流電路供電方案。電動(dòng)機(jī)額定電壓為220V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相減壓變壓器將電源電壓降低。為避免三次諧波電動(dòng)勢(shì)的不良影響，三次諧波電流對(duì)電源的干擾。主變壓器采用A/D聯(lián)結(jié)。因調(diào)速精度要求較高，故選用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)。采用電流截止負(fù)反饋進(jìn)行限流保護(hù)。出現(xiàn)故障電流時(shí)過電流繼電器切斷主電路電源。為使線路簡(jiǎn)單，工作可靠，裝置體積小，宜采用KJ004組成的六脈沖集成觸發(fā)電路。該系統(tǒng)采用減壓調(diào)速方案，故勵(lì)磁應(yīng)保持恒定，勵(lì)磁繞組采用三相不控橋式整流電路供電，電源可從主變壓器二次

2、側(cè)引入。為保證先加勵(lì)磁后加電樞電壓，主接觸器主觸點(diǎn)應(yīng)在勵(lì)磁繞組通電后方可閉合，同時(shí)設(shè)有弱磁保護(hù)環(huán)節(jié)電動(dòng)機(jī)的額定電壓為220V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相減壓變壓器將電源電壓降低；為避免三次諧波電動(dòng)勢(shì)的不良影響，三次諧波電流對(duì)電源的干擾，主變壓器采用D/Y聯(lián)結(jié)。1.1整流變壓器的設(shè)計(jì)1.1.1變壓器二次側(cè)電壓U2的計(jì)算U2是一個(gè)重要的參數(shù)，選擇過低就會(huì)無法保證輸出額定電壓。選擇過大又會(huì)造成延遲角加大，功率因數(shù)變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。一般可按下式計(jì)算，即： （1-1）式中A-理想情況下，=0°時(shí)整流電壓Ud0與二次電壓U2之比，即A=Ud0/U2；B-延遲角為時(shí)輸出電

3、壓Ud與Ud0之比，即B=Ud/Ud0；電網(wǎng)波動(dòng)系數(shù)；11.2考慮各種因數(shù)的安全系數(shù)；根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用公式： (1-3)由表查得 A=2.34；取=0.9；角考慮10°裕量，則 B=cos=0.985，取U2=120V。電壓比 K=U1/U2=380/120=3.2。1.1.2 一次、二次相電流I1、I2的計(jì)算由表查得 KI1=0.816, KI2=0.816考慮變壓器勵(lì)磁電流得：,取14A1.1.3變壓器容量的計(jì)算 S1=m1U1I1； （1-4） S2=m2U2I2； （1-5） S=1/2(S1+S2)； （1-6）式中m1、m2 -一次側(cè)與二次側(cè)繞組的相數(shù)；由表查得m1=3

4、，m2=3S1=m1U1I1=3×380×14=15.6KVAS2=m2U2I2=3×110×44.9=14.85 KVA S=1/2(S1+S2)=1/2（15.6+14.85）=15.3KVA 考慮勵(lì)磁功率=220×1.6=0.352kW，取S=15.6kvA 1.2晶閘管元件的選擇1.2.1晶閘管的額定電壓晶閘管實(shí)際承受的最大峰值電壓，乘以（23）倍的安全裕量，參照標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)，即可確定晶閘管的額定電壓，即 =（23）整流電路形式為三相全控橋，查表得，則 （3-7）取1.2.2晶閘管的額定電流選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的

5、額定電流有效值大于實(shí)際流過管子電流最大有效值8，即 =1.57> 或 >=K （1-8）考慮（1.52）倍的裕量 =（1.52）K （1-9）式中K=/（1.57）-電流計(jì)算系數(shù)。此外，還需注意以下幾點(diǎn)：當(dāng)周圍環(huán)境溫度超過+40時(shí)，應(yīng)降低元件的額定電流值。當(dāng)元件的冷卻條件低于標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，也應(yīng)降低元件的額定電流值。關(guān)鍵、重大設(shè)備，電流裕量可適當(dāng)選大些。由表查得 K=0.368，考慮1.52倍的裕量 （1-10）取。故選晶閘管的型號(hào)為KP50-7晶閘管元件。(可用3CT107替換)。1.3直流調(diào)速系統(tǒng)的保護(hù)晶閘管有換相方便，無噪音的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)晶閘管電路除了正確的選擇晶閘管的額定電壓、額

6、定電流等參數(shù)外，還必須采取必要的過電壓、過電流保護(hù)措施。正確的保護(hù)是晶閘管裝置能否可靠地正常運(yùn)行的關(guān)鍵。1.3.1過電壓保護(hù)以過電壓保護(hù)的部位來分，有交流側(cè)過壓保護(hù)、直流側(cè)過電壓保護(hù)和器件兩端的過電壓保護(hù)三種。1） 交流側(cè)過電壓保護(hù) 阻容保護(hù)CS/U22=6×10×5200/1102=25µF耐壓1.5Um =1.5×110×=233V由公式計(jì)算出電容量一般偏大，實(shí)際選用時(shí)還可參照過去已使用裝置情況來確定保護(hù)電壓的容量，這里選CZJD-2型金屬化紙介電容器，電容量20uF，耐壓250V。取=5，R2.3 U22/S=2.3×1102/

7、5200×=2.2，取2.2IC=2fCUC×10-6=2×50×20×10-6×110=0.69APR(34)IC2R=(34) ×（0.69）2×2.2=3.14.2W選取2.2，5W的金屬氧化膜電阻。 壓敏電阻的計(jì)算U1MA=1.3U2=1.3××110=202V流通量取5KA。選MY31-220/5型壓敏電阻。允許偏差+10（242V）。2） 直流側(cè)過電壓保護(hù)直流側(cè)保護(hù)可采用與交流側(cè)保護(hù)相同保護(hù)相同的方法，可采用阻容保護(hù)和壓敏電阻保護(hù)。但采用阻容保護(hù)易影響系統(tǒng)的快速性，并且會(huì)造成加大。因

8、此，一般不采用阻容保護(hù)，而只用壓敏電阻作過電壓保護(hù)。U1MA=（1.8-2.2）UDC=(1.82.2) ×220=396440V 選MY31-430/5型壓敏電阻。允許偏差+10（484V）。3） 閘管及整流二極管兩端的過電壓保護(hù) 查下表：表1-1 阻容保護(hù)的數(shù)值一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定晶閘管額定電流/A1020501002005001000電容/F0.10.150.20.250.512電阻/1008040201052抑制晶閘管關(guān)斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護(hù)電路方法。電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值的1.11.15倍。由上表得C=0.5µF，R=10，電容耐壓1

9、.5=1.5×=1.5××110=566V選C為0.5µF的CZJD-2型金屬化紙介質(zhì)電容器,電容量0.22µF，耐壓為400V。=fCUm2×10-6=50×0.5×10-6×(×110)2=0.8W 選R為10普通金屬膜電阻器，RJ-0.5。1.3.2 過電流保護(hù)快速熔斷器的斷流時(shí)間短，保護(hù)性能較好，是目前應(yīng)用最普遍的保護(hù)措施?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側(cè)、交流側(cè)和直接與晶閘管串聯(lián)。 （1）晶閘管串連的快速熔斷器的選擇接有電抗器的三相全控橋電路，通過晶閘管的有效值=31.75A選取RLS-35

10、快速熔斷器，熔體額定電流35A。（2）過電流繼電器的選擇因?yàn)樨?fù)載電流為55A，所以可選用吸引線圈電流為100A的JL14-11ZS型手動(dòng)復(fù)位直流過電流繼電器，整定電流取1.25×55=68.75A100A1.3.3平波電抗器的計(jì)算為了使直流負(fù)載得到平滑的直流電流，通常在整流輸出電路中串入帶有氣隙的鐵心電抗器，稱平波電抗器。其主要參數(shù)有流過電抗器的電流一般是已知的，因此電抗器參數(shù)計(jì)算主要是電感量的計(jì)算。1）算出電流連續(xù)的臨界電感量可用下式計(jì)算，單位mH。 （3-11）式中 與整流電路形式有關(guān)的系數(shù)，可由表查得；最小負(fù)載電流，常取電動(dòng)機(jī)額定電流的510計(jì)算。根據(jù)本電路形式查得=0.695

11、所以 =30.3mH 2）限制輸出電流脈動(dòng)的臨界電感量由于晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動(dòng)的，因此輸出電流波形也是脈動(dòng)的。該脈動(dòng)電流可以看成一個(gè)恒定直流分量和一個(gè)交流分量組成。通常負(fù)載需要的只是直流分量，對(duì)電動(dòng)機(jī)負(fù)載來說，過大的交流分量會(huì)使電動(dòng)機(jī)換向惡化和鐵耗增加，引起過熱。因此，應(yīng)在直流側(cè)串入平波電抗器，用來限制輸出電流的脈動(dòng)量。平波電抗器的臨界電感量（單位為m）可用下式計(jì)算 （3-12）式中系數(shù)，與整流電路形式有關(guān)，電流最大允許脈動(dòng)系數(shù)，通常三相電路（510）。根據(jù)本電路形式查得=1.045,所以 =22.8mH 3） 電動(dòng)機(jī)電感量和變壓器漏電感量電動(dòng)機(jī)電感量（單位為mH）可按下式計(jì)算 （3

12、-13）式中 、n直流電動(dòng)機(jī)電壓、電流和轉(zhuǎn)速，常用額定值代入；p電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)；計(jì)算系數(shù)。一般無補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取812，快速無補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取68，有補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)取56。本設(shè)計(jì)中取=8、=220V、=55A、n=1000r/min、p=1=16mH 變壓器漏電感量（單位為mH）可按下式計(jì)算 （3-14）式中 計(jì)算系數(shù)，查表可得變壓器的短路比，一般取5%10%。本設(shè)計(jì)中取=3.2、=0.05所以 =3.2×0.05×120/（100×55）=3.5mH 4）實(shí)際串入平波電抗器的電感量考慮輸出電流連續(xù)時(shí)的實(shí)際電感量： （3-15）5) 電樞回路總電感:=4.56+6.91+2

13、×6.9=19.51mH1.4勵(lì)磁電路元件的選擇整流二極管耐壓與主電路晶閘管相同，故取800V。額定電流可查得K=0.367，ID(AV)=(1.52)K=(1.52)×0.367×3.77A=2.082.77A 可選用ZP型3A、800V的二極管。RPL 為與電動(dòng)機(jī)配套的磁場(chǎng)變阻器，用來調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。為實(shí)現(xiàn)弱磁保護(hù)，在磁場(chǎng)回路中串入了欠電流繼電器KA ，動(dòng)作電流通過RPI 調(diào)整。根據(jù)額定勵(lì)磁電流Iex =1.2A，可選用吸引線圈電流為2.5A的JL14-11ZQ直流欠電流繼電器。1.5 繼電器-接觸器控制電路設(shè)計(jì)為使電路工作更可靠，總電路由自動(dòng)開關(guān)引入，由于變壓

14、器一次側(cè)，故選DZ550型三極自動(dòng)斷路器，脫扣器的額定電流為30A的三極自動(dòng)斷路器即可滿足要求。用交流接觸器來控制主電路通斷，由于=39A ,故可選故選CJ1060、線電壓為220V的交流接觸器。在勵(lì)磁回路中，串聯(lián)吸引線圈電流為2.5A的JL14-11ZQ直流欠電流繼器，吸引電流可在3/1065/100范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，釋放電流在1/102/10范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。選用AL18-22Y型按扭，啟動(dòng)按扭用綠色，并帶有工作指示燈，停止按扭色。選用XDX2型紅色指示燈。圖1-2 主電路圖電路第2章 雙閉環(huán)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和校驗(yàn)2.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和校驗(yàn)1）確定時(shí)間常數(shù)已知，所以電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)=0.0017+0.0

15、02=0.0037S。2） 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)因?yàn)殡娏鞒{(diào)量，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，故可用PI型電流調(diào)節(jié)器。3） 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算： 電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)=0.0133s，又因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求電流超調(diào)量，查得有=0.5，所以=，所以ACR的比例系數(shù) =。4） 校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率=135.1。晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：>，滿足條件。忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響條件： ，滿足條件。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：，滿足條件。5） 計(jì)算調(diào)節(jié)器的電阻和電容取運(yùn)算放大器的=40，有=1.07840=43.12，取45，取0.3

16、，取0.2。故=，其結(jié)構(gòu)圖如下所示： 圖2-1 電流調(diào)節(jié)器2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和校驗(yàn)1） 確定時(shí)間常數(shù)：有則，已知轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)=0.01s，故轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。2） 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)：按設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器3） 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)：按跟隨和抗干擾性能較好原則，取h=4,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為：，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 。ASR的比例系數(shù)為：。4） 檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為。電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為，滿足條件。轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為：，滿足近似條件。5） 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容：取=40，則，取3700。，取0.02，取1。故。其結(jié)構(gòu)圖如下： 圖2-2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器6） 校核轉(zhuǎn)速

17、超調(diào)量：由h=4，查得，不滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)使ASR 退飽和重計(jì)算。設(shè)理想空載z=0，h=4時(shí)，查得=77.5%，所以=2（）（）=，滿足設(shè)計(jì)要求.第3章 觸發(fā)電路選擇與校驗(yàn)3.1 觸發(fā)電路的選擇與校驗(yàn)選用集成六脈沖觸發(fā)器電路模塊，其電路如電氣原理總圖所示。從產(chǎn)品目錄中查得晶閘管的觸發(fā)電流為250mA,觸發(fā)電壓。由已知條件可以計(jì)算出 ，。因?yàn)椋杂|發(fā)變壓器的匝數(shù)比為，取3:1。設(shè)觸發(fā)電路的觸發(fā)電流為250mA，則脈沖變壓器的一次側(cè)電流只需大于250/3=83.3mA即可。這里選用3DG12B作為脈沖功率放大管，其極限參數(shù).觸發(fā)電路需要三個(gè)互差120°，且與主電路三個(gè)電壓U、V、W同相

18、的同步電壓，故要設(shè)計(jì)一個(gè)三相同步變壓器。這里用三個(gè)單相變壓器接成三相變壓器組來代替，并聯(lián)成DY型。同步電壓二次側(cè)取30V，一次側(cè)直接與電網(wǎng)連接，電壓為380V,變壓比為380/30=12.7。觸發(fā)器的電路圖如下圖31所示：第四章 系統(tǒng)MATLAB仿真本次系統(tǒng)仿真采用目前比較流行的控制系統(tǒng)仿真軟件MATLAB，使用MATLAB對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的主要方法有兩種，一是以控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，使用MATLAB的Simulink工具箱對(duì)其進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究。另外一種是面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖，使用Power System工具箱進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)仿真的新方法。本次系統(tǒng)仿真采用后一種方法。4.1 系統(tǒng)的建模與參數(shù)設(shè)置轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路模型主要由交流電源、同步脈沖觸發(fā)器、晶閘管直流橋、平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)等部分組成。采用面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖方法構(gòu)成的雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型如圖7-1所示。 圖4-1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型轉(zhuǎn)速、