晶闸管双闭环直流调速系统设计..doc

电力拖动自动控制系统
课程设计报告

班级： 自动1102
姓名： 张 晨
学号： 111401217
指导老师： 谢 勇

扬州大学信息工程学院自动化专业部
2014年12月29日至2015年1月4日
目 录
一 课程设计目的和意义 （）
二 技术指标和设计要求 （）
2.1. 技术数据
2.2. 设计要求
三 系统方案选择 （）
四 电路的设计 （）
4.1. 主电路设计 （）
4.2. 触发电路设计 （）
4.3. 调节器参数设计 （）
4.4. 保护电路设计 （）
五 系统电路图及电路工作原理 （）
六 系统仿真模型
6.1.双闭环直流调速系统仿真电路图 （）
6.2. 断开速度环后系统的仿真波形 （）
七 心得体会 （）
八 参考书目 （）
一 课程设计目的和意义
1. 熟悉自动控制系统设计的一般原则、设计内容以及设计程序的要求，掌握工程设计的方法。
2. 掌握自动控制系统的计算机仿真技术
3．学会收集、分析、运用自动控制系统设计的有关资料和数据
4．通过对系统的设计、仿真调试, 培养独立工作能力、分析问题解决问题的能力。
5. 培养编制技术总结报告的能力。
二 技术指标和设计要求
2.1. 技术数据
直流电动机额定参数为：Unom=220V, Inom=100A, Nnom=1470r/min,Ra=0.26Ω， =16N.m2, λ=1.5，励磁电压Uf=220V，励磁电流If=1.5A。给定电压最大值为10V。晶闸管整流装置：Ks=30。系统主电路。
2.2. 技术要求
1．该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作
2．系统静特性良好，无静差（静差率s≤0.03）
3．动态性能指标：空载起动到额定转速时转速超调量δn＜10%，电流超调量δi＜5%，动态速降Δn≤8-10%
4．系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续
5．调速系统中设置有过电压、过电流等保护
6. 分析当速度环断开后系统工作情况
2.3. 设计内容
1．根据题目的技术要求，确定调速系统方案，画出系统组成的原理框图。
2．调速系统主电路元部件的确定及其参数计算（包括有变压器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等）
3．动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求
4．分析当速度环断开后系统工作情况
5．对设计的系统进行计算机仿真
6. 整理设计数据资料，撰写课程设计报告。

三 系统方案选择
在直流电机调速中主要有单闭环、双闭环的两种方案，单闭环结构简单，它采用转速负反馈和PI调节器可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。根据带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程，起动电流达到最大值后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。理想起动过程的起动电流呈方形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。所以起动过程，采用电流负反馈，而在稳态运行时只采用转速负反馈，这就是转速、电流双闭环系统。为了实现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，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接，这样构成的双闭环直流调速系统比单闭环系统有更好的动静态性能。
由于本课题既要求系统稳态无静态，又有较高的动态性能指标，因而选用双闭环调速系统。转速、电流双闭环直流调速系统的方框图如图1所示。
图1 转速、电流双闭环直流调速系统
TA---电流互感器 ACR---电流调节器 TG---测速发电机
ASR---转速调节器 UPE---电力电子变换器 Un* ---转速给定电压 Un ---转速反馈电压 Ui* ---电流给定电压
Ui 电流反馈电压

四 电路的设计
双闭环调速系统的动态结构框图如图2所示。在双闭环系统中，按照设计多环控制系统原则（先内环后外环），应该首先设计电流调节器，然后把整个电流内环看作是转速调节器中的一个环节，再设计转速调节器。在设计的过程中需对电流环和转速环进行近似处理和结构化简，从而确定调节器的结构，以利于后续的模拟电路设计和参数计算。

图2 双闭环调速系统的动态结构框图
4.1、主电路设计
4.1.1设计思路
本设计中直流电动机由单独的可调整流装置供电，三相全控桥整流电路是目前应用最广泛的整流电路，其输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广（将近50）。把该电路（如图3所示）应用于本设计，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。通过调节触发延迟角а的大小来控制输出电压Ud的大小，从而改变电动机M的供电电压。由改变电枢电压调速系统的机械特性方程式 
 n=( Ud/CeФ)-(RO+Ra)T/ CeCTФ2 （1）
式中：Ud  整流电压，RO 整流装置内阻，由式（1）可知，改变Ud，即可改变转速n。

图3 三相全控桥整流电路
4.1.2、整流变压器容量计算
1、变压器次级电压
 为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后，晶闸管交流侧的电压U2只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器次级电压U2。影响U2值的因素有：（1）U2值的大小首先要保证满足负载所需求的最大直流值Ud；（2）晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降，用UT表示；（3）变压器漏抗的存在会产生换相压降；
（4）平波电抗器有一定的直流电阻，当电流流经该电阻时就要产生一定的电压降；（5）电枢电阻的压降。综合以上因素得到的U2精确表达式为：

上式为变压器二次侧相电压U2的较精确表达式，在要求不太精确的情况下，变压器二次侧相电压U2可由简化式确定。
（2）
式中UD是电动机的额定电压；系数可由参考资料[1]中的表6-1查得A=2.34。计算得：U2在112.8—141之间，取U2=120V。
2、次级电流I2和变压器容量
I2=KI2·Id , KI2为各种接线形式时变压器次级电流有效值和负载电流平均值之比。对于本设计KI2取0.816,且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗，故
I2=0.816×150=122.4A
变压器变比K=U1/U2=380/120=3.2；取K=3。
同样，由参[1]表6-1查得变压器二次和一次绕组的相数m2=3，m1=3
所以 二次容量
一次容量 S1= m1* U1* I1=3*380*40.8=44KW
S=（S1+S2）/2=44KW
4.1.3 晶闸管参数计算
三相全控桥整流电路实际上是组成三相半波晶闸管整流电路中的共阴极组和共阳极组串联电路，如图3所示。三相全控桥整流电路可实现对共阴极组和共阳极组同时进行控制，控制角都是60度。在一个周期内6个晶闸管都要被触发一次，触发顺序依次为：VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，6个触发脉冲相位依次相差60度。为了构成一个完整的电流回路，要求有两个晶闸管同时导通，其中一个在共阳极组，另外一个在共阴极组。
晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压Um，考虑到电电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽2~3倍的安全系数，即按下式选取UTN=（2~3）UM，式中系数2~3的取值应视运行条件，元件质量和对可靠性的要求程度而定。对于本设计，UM=√6 U2，故计算的晶闸管额定电压为UTN=（2~3）√6 U2=（2~3） ×294=588～882V, 取1000V
为使晶闸管元件不因过热而损坏，需要按电流的有效值来计算其电流额定值。即必须使元件的额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。可按下式计算：IT（AV）=(1.5~2)KfbIMAX，式中计算系数Kfb=Kf/1.57Kb由整流电路型式而定，Kf为波形系数，Kb为共阴极或共阳极电路的支路数。当α=00时，三相全控桥电路Kfb=0.368，故计算的晶闸管额定电流为IT（AV）=(1.5~2)KfbIMAX =(1.5~2) ×0.368×(100×1.5)=82.8～110.4A，取100A.
4.1.4 电抗器电感量计算
由于电动机电枢和变压器存在漏感，因而计算直流回路附加电抗器的电感量时，要从根据等效电路折算后求得的所需电感量中，扣除上述两种电感量。使输出电流连续的临界电感量的计算公式：
（3）
式中 u2为晶闸管装置交流侧的电流相电压有效值， Id min 为要求连续的最小负载电流平均值，K l 为与整流主电流形式有关的系数，查参考资料[1]中的表6-6中的序号2。
（4）
但在电机回路中包括电机电感和变压器每相的漏感，实际外加电感比(4)式要求的小。电机电感公式如下：
（5）
式中UD和ID为电动机的额定电压和额定电流， n和p为电动机的额定转速和磁极对数，KD为计算系数，对于一般无补偿电机KD=8212，LD-为单位为mH
很明显 N nom=1470r/min时，p=2
（6）
折合到变压器二次每相的漏感LB计算公式
（7）
式u2--------晶闸管装置交流侧的电流相电压有效值
Id-------晶闸管装置直流侧的额定负载电流
uk%------变压器的短路比，按参[1]中的ξ6-1计算
KB-------与整流主电路形式有关的系数，查参[1]表6-6中的序号3
LB-------单位为mH
（8）
与负载串联的限制电流脉动的实际临界电感量
（9）
最后算得使输出电流连续的临界电感量 ：L = 15.8mH
4.2、触发电路设计
  由于集成触发电路不仅成本低、体积小，而且还有调式容易、使用方便等优点，故本设计采用KJ041集成触发电路。
KJ041为6路双脉冲形成器，它是三相全空桥式电路的触发器，它具有双脉冲形成和电子开关封锁等功能。KJ041实用电路如图4所示，移相触发器输出脉冲加到该器件的1~6端，器件内的输入二极管完成“或”功能，形成补脉冲，该脉冲经放大后分6路输出。当控制端7接逻辑“0”电平时，器件内的电子开关断开，各路输出触发脉冲。
采用KJ041集成触发电路的同步电压应滞后于主电路电压180度。本设计主电路整流变压器采用D，y-11联结，同步变压器采用D，y5-11联结。这时，同步电压选取的结果见表一。

图4 触发电路

表一  各晶闸管的同步电压
晶闸管
VT1
VT2
VT3
VT4
VT5
VT6
主电路电压
+Ua
-Uc
+Ub
-Ua
+Uc
-Ub
同步电压
-Usa
+Usc
-Usb
+Usa
-Usc
+Usb

4.3. 调节器参数设计
4.3.1电流调节器的设计
根据设计要求δi≤5%，而且，可按典型I型系统设计，电流调节器选择PI型，其传递函数如下：
1、 电流调节器参数计算
三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头应有（1~2）Toi=3.33ms,因此取Toi=0.002s，查参[2]中表1-2得，三相桥式电路的平均失控时间TS=0.0017s，T∑i=Ts+ Toi=0.0037s，其他参数如下：，，，，

，
电流调节器超前时间常数：
电流环开环增益：要求δi≤5%时，按参[2]表2-2，应取KIT∑i=0.5

2. 校核验近似条件：
电流环截止频率：
(1) 晶闸管整流装置传递函数的近似条件

满足近似条件
(2) 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

满足近似条件
(3) 电流环小时间常数近似处理条件

满足近似条件
按照以上参数，电流环可以达到的动态指标为：δi%=4.3%<5%。满足要求。
4.3.2 速度调节器的设计

按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5；根据所测测速发电机纹波情况，取Ton=0.01s；电流环等效时间常数为；由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型ӀӀ型系统设计转速环。故ASR选用PI调节器，其传递函数为

1、 速度调节器参数计算

2、 校核验近似条件：
转速环截止频率为

（1）电流环传递函数简化条件为

满足简化条件
（2）转速环小时间常数近似处理条件为

满足简化条件
3、 校核转速超调量

当h=5时，，而，因此

满足设计要求
4.4、保护电路设计
1、过电流保
 在电路中串接的器件是快速熔断器，这是一种最简单有效而应用最普遍的过电流保护元件，其断流时间一般小于10ms，熔断器与每一相串联，可靠的保护晶闸管元件。

图5 过流保护
熔体额定电流Ikr的选取,可以取=170A, 额定电压选500伏。
2、过压保护
（1）交流侧过压保护
如图6所示，用三组阻容（R1C1）串联构成的Y链接，电阻电容计算如下：
，耐压为
，电阻功率：,其中
上面公式中，STM为变压器每相平均计算容量（VA），U2为变压器二次相电压有效值（V），i0%为励磁电流百分数，当STM小于几百伏安时i0%为10，当STM大于一千伏安时i0%为3到5。Uk%为变压器的短路比，当变压器容量在10至1000KVA时，Uk%在5到10。
STM=44/3=14.7KVA
， C1取25微法。
电容器的耐压UC1>1.5*1.414*120=254.52（V）， 取500V。

电阻的功率
可选用2.5欧姆50瓦功率电阻。

图6 过压保护
（2）晶闸管换相过电压保护
这种保护可用RC与晶闸管并联如图6中所示，由参考资料[1]中 表6-4查得： R=10，C=0.5。五 系统电路图及电路工作原理
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。两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子电换器的最大输出电压Udm。系统组成的原理框图如下：

图7 系统电路原理图
ASR—转速调节器，ACR—电流调节器， TG—测速发电机，TA—电流互感器，UPE—电力电子变换器，Un*—转速给定电压，Un—转速反馈电压，
Ui*—电流给定电压，Ui—电流反馈电压
电路工作原理：
双闭环控制直流调速系统的特点是电动机的转速和电流分别是由两个独立的调节器来控制，且转速调节器的输出就是电流调节器的给定，因此电流环能够随转速的偏差调节电动机电枢的电流。当转速低于给定转速时，转速调节器的积分作用是输出增加，即电流给定上升，并通过电流环调节使电动机电流增加，从而使电动机获得加速转矩，电动机转速上升。当实际转速高于给定转速时，转速调节器的输出减小，即电流给定减小，并通过电流调节是电流下降，电动机将会因为电磁转矩下降而减速，在当转速调节器饱和输出达到限幅值时，电流环即以最大电流I dm实现电动机的加速，是电动机的启动时间最短，在可逆调速系统中实现电动机的快速制动。在不可逆调速系统中，由于晶闸管整流器不能通过反向电流，因此不能产生反向制动转矩而使电动机快速制动。
六 系统仿真
6.1. 双闭环直流调速系统仿真电路图
在MATLAB的simulink中搭建双闭环调速系统仿真模型如图8所示，模型由晶闸管-直流电动机组成的主回路和转速电流调节器组成的控制回路两部分组成。其中的主电路部分、交流电源、晶闸管整流器、触发器、移相控制环节和电动机等环节使用POWER SYSTEM模型库中的模块；控制回路主体是转速和电流两个调节器以及反馈滤波环节。
模型中转速反馈和电流反馈均取自电动机测量单元的转速和电流输出端，电流调节器的输出端接移相特性模块shifter的输入端，而电流调节器的输出限幅就决定了控制角的范围。
图9至图12分别为图8的仿真结果，其中图9为电动机转速曲线，图10 为电动机电枢电流波形，图11的上图为速度环调节器限幅输出，图11的下图为速度环误差信号波形，图12的上图为电流环调节器限幅输出，图12的下图为电流环误差信号。从转速和电流波形可以看到，在启动阶段电动机以恒流启动，大约在1.4秒时启动结束，电枢电流下降到零，转速上升到1500r/min。尽管转速已经超调，电流给定已经变负，但是本系统为不可逆调速系统晶闸管整流装置不能产生反向电流，这时电枢电流为零，电动机的电磁转矩也为零（如图13所示），没有反向制动转矩，又因为是在理想空载启动状态，所以电动机保持在最高转速状态。在2.5秒时加上负载（图8中Ramp框图，斜率为100/s，限幅在140），电动机转速下降，ASR开始退饱和，电流环发挥调节作用，经过1.4秒电动机开始稳定在给定转速上。
6.2. 断开速度环后的调速系统仿真
在图8的仿真模型图中，用一个开关串在速度反馈通道中，当开关闭合时系统为速度、电流双闭环系统，当开关断开时系统处于速度开环而电流闭环的情况，这可以研究速度开环时系统运行状态，图14为速度环断开后的系统仿真图。
图15、图16表示仿真停止时间为12秒时的速度环断环后的波形，速度环在4.5秒断环后，电流环给定为最大，由于电流环仍然是闭环的，使定子电流跟踪最大值上升到1５０安培，转速也上升。与此同时，电流环积分器输出不断上升，大约在5.2秒时电流环调节器输出较大，经限幅后送到shifter的输入端，控制移相角，欲使三相整流电路输出电压减小，由于小于电动机反电势，三相整流电路晶闸管不导通，三相整流电路停止向电机供电，所以定子回路电流为零。电流误差及电流环输出都最大。电机在惯性作用下带动负载，电机转速下降，反电势也下降。当反电势下降到一定程度时，反电势小于整流电路的输出电压，三相整流电路再次向电机供电，定子电流快速上升，电流误差及电流环积分器输出下降，控制移相角，使转速上升。随着转速上升反电势跟着上升，与此同时，电流环积分器输出不断上升，当电流环调节器输出较大时，将再次控制移相角，欲使三相整流电路输出电压再次减小，这样不断重复以上过程。

图8 仿真模型

图9 电动机转速

图10 电动机电枢电流波形

图11 上图为速度环调节器限幅输出，下图为速度环误差信号（Ud1波形）

图12 上图为电流环调节器限幅输出，下图为电流环误差信号（Ud2波形）

图13 电磁转矩

图14 速度环断开后的仿真系统图

（a）转速

（b）电枢电流
图15速度环断开后的速度及电枢电流波形

（a）shift输入（上）与电流误差（下）（Ud2波形）

（b）速度环输出（上）与速度误差（下）（Ud1波形）
图16 控制回路波形

七 心得体会
写出各自的心得体会，着重在设计与调试的体会

八 参考书目

1. 半导体变流技术（第2版）黄俊 机械工业出版社 1986.1
2. 电力拖动自动控制系统 陈伯时 机械工业出版社 2006.5
3. 电机原理与设计的MATLAB分析 JIMINE 电子工业出版社 2006.7
4. 电力电子应用技术，莫正康，第三版，机械工业出版社，2000
5. 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真 洪乃刚主编 机械工业出版社 2006.1

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