双闭环晶闸管直流调速系统课程设计

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1、课 程 设 计课程名称： 交直流调速系统与MATLAB仿真 设计题目 双闭环直流晶闸管调速系统课程设计 学 院： 电气与信息工程学院 专 业： 自动化 年 级： 13级03班 学生姓名： 胡盛斌 指导教师： 李建军 日 期： 2016年5月份 教 务 处 制 目 录第一章 绪论2第二章 总体方案设计32.1 方案比较32.2 方案论证32.3 方案选择42.4 设计要求4第三章 单元模块设计53.1 转速给定电路设计53.2 转速检测电路设计53.3 电流检测电路设计63.4 整流及晶闸管保护电路设计73.4.1 过电压保护和du/dt限制73.4.2 过电流保护和di/dt限制73.4.3

2、整流电路参数计算83.5电源设计103.6 控制电路设计10第四章 系统调试17第五章 设计总结20第六章 总结与体会207参考文献21第一章 绪论 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KZD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KZD系统的应用还是占有相当的比重。在工程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。传统的研究方法主要有解析法，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

3、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

4、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。第二章 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U ,经放大器FD ,产生触发装置CF 的控制电压Uk ,用以控

5、制电动机的转速,如图2.1所示。放大器整流触发装置负载电压电动机 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

6、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。电流检测整流触发装置ASRACR负载电压电动机速度检测 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

7、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

8、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 设计题目和设计要求1. 题目名称：双闭环晶闸管直流调速系统的设计。2. Z4系列直流电动机技术参数。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：直流电动机的额定参数PN

9、=67KW、UN=400V、nN=2710 r/min，电枢电流185A，电枢回路电阻Ra=0.0555，电枢绕组电感La=1.16mH，磁场电感6.9H，电流过载倍数=1.5，励磁功率1400W，电枢回路总电阻可取为R=2Ra，效率89.5%，系统总飞轮矩GD2=2.5 GDd2,3. 设计要求：要求调速范围D=10，静差率s5%；稳态无静差，电流超调量i5%，电流脉动系数Si10%；空载起动到额定转速时的转速超调量 n10。4. 要求系统具有过流过压过载和缺相保护。5. 要求出发脉冲有故障封锁能力。6. 要求对拖动系统设置给定积分器。2.5 设计内容1. 调速的方案选择（1） 直流电动机的

10、选择（根据上表按学号书序选择电动机型号，每个人一个电动机参数，因为我的学号为31，故选择Z4-180-31，具体额定参数及所需部分参数已根据书本或上网查出。）（2） 电动机供电方案的选择（要求通过方案比较后，采用晶闸管三相全控桥式变流器供电方案）。（3） 系统的结构选择（要求通过方案比较后，采用转速电流双闭环系统结构）。（4） 确定直流调速系统的总体结构框图。2. 主电路的计算（1）整流变压器计算。二次测电压计算，一、二次侧电流的计算，容量的计算。（2）晶闸管元件的选择。晶闸管的额定电压，电流计算。（3）晶闸管保护环节的计算。 1）交流侧过流电压保护 2）阻容保护、压敏电阻保护计算。 3）直流

11、侧过电压保护。 4）晶闸管及整流二极管两端的过电压保护。 5）过电流保护。 交流侧快速熔断器的选择，与元件串联的快速熔断的选择，直流侧快速熔断器的选择。 (4)平波电抗器的计算 3.触发电路的选择与校验（可参考“电力电子技术”中有关触发电路的内容） 触发电路的种类很多，可直接选用；触发电路中元器件参数可参照有关电路进行选用，一般不用重新计算。最后只需要根据主电路选用的晶闸管对脉冲输出级进行校验，只要输出脉冲功率能满足要求即可。 4.控制电路设计计算 主要包括：给定电源参数和给定环节的设计计算、转速检测环节和电流检测环节的设计与计算、调速系统的稳定参数计算等。 5.双闭环直流调速系统的动态设计主

12、要设计转速调节器和电流调节器，可参考教材第二章中“双闭环调速系统调节器的工作设计举例”的有关内容。三、系统的计算的仿真 用面向电气系统原理结构图的MATLAB仿真法对所设计的系统进行计算机仿真实验。四、设计提交的成果材料 （1）设计说明书。 （2）直流调速系统电气原理总图一份。 （3）仿真模型和仿真结果。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

13、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。 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措施。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。