华南理工大学广州学院电信工程系自动化专业
自动控制系统课程设计任务书(题目号)
一.课程设计题目:
晶闸管转速、电流双闭环调速系统设计
二.课程设计内容:
设计一转速、电流双闭环直流调速系统,采用他励直流电动机、
晶闸管三相全控桥式整流电路,其数据如下:
直流电动机min,/1430,375,220,74r n A I V U Kw P N N N N ====电流过载系数取1.5,电枢电阻计算系数取0.5,电机轴上总转动惯量86;
晶闸管触发与整流装置的放大系数=30 ;三相供电线电压380V ,相电压220V ,电网波动系数b=0.95;
额定转速时的给定电压=10 V ;
调节器饱和输出电压 10 V ;
调速范围 D=10;
系统的静、动态性能指标:无静差,电流超调量,空载起动到额定转速时的转速超调量。
三.课程设计要求:
1. 进行晶闸管整流器主电路形式选择、整流变压器的选择(二次电压、电流、变压器视在功率)、整流器件的选择、平波电抗器的选择、触发电路的选择;
2.系统各主要参数的估计与计算(整流器内阻、平均失控时间、电枢回路总阻、电枢回路总电感、电机电势常数、转矩常数、电磁时间常数、机电时间常数、电流反馈滤波时间常数、转速反馈滤波时间常数、
转速反馈系数、电流反馈系数)
3.设计电流调节器并作性能指标校验;
4.设计转速调节器并作性能指标校验;
5.计算空载起动到最低转速时的转速超调量;
6. 对设计的系统进行MATLAB仿真;
7.绘制系统线路图(主电路、触发电路、控制电路)。
四设计完成后应缴交设计说明书一分,包括上述设计基本内容、计算过程、线路图、结论及心得体会。
五设计完成期限:本设计任务书于2012年2月20日发出,2012年3月9日上交设计说明书。
设计者:专业教研组主任:彭康拥批准;指导教师:方昌始彭康拥
签发
一.晶闸管整流器设计 (6)
1.进行主电路形式选择: (6)
2整流变压器的选择: (6)
3.整流器件的选择: (10)
二.系统各主要参数的估计与计算 (16)
三电流调节器和转速调节器的工程设计思路 (19)
(一)电流调节器的设计 (22)
(二)转速调节器的设计 (25)
(三) 校验 (29)
2.性能指标校验: (30)
四MATLAB结构图仿真 (31)
五系统线路图(主电路、触发电路、控制电路)。 (32)
主电路 (32)
触发电路 (33)
控制电路 (34)
六结论及心得体会 (35)
一.晶闸管整流器设计
1.进行主电路形式选择:
整流器主电路联结形式的确定:整流器主电路联结形式多种多样,选择时应考虑以下情况:
(1).可供使用的电网电源相数及容量;(2).传动装置的功率;
(3).允许电压和电流脉动率;(4). 传动装置是否要求可逆运行,是否要求回馈制动;
本设计任务已规定采用晶闸管三相全控桥式整流电路,具有以下特点:
三相全控桥式计算系数
2整流变压器的选择:
整流变压器一次侧接交流电网,二次侧连接整流装置。整流变压器的选择主要内容有连接方式、额定电压、额定电流、容量等。
(1)整流变压器的作用和特点
1)整流变压器的作用:变换整流器的输入电压等级。由于要求整流器输出直流电压一定,若整流桥路的交流输入电压太高,则晶闸管运行时的触发延迟角需要较大;若整流器输入电压太低,则可能在触发延迟角最小时仍不能达到负载要求的电压额定值。所以,通常采用整流变压器变换整流器的输入电压等级,以得到合适的二次电压。实现电网与整流装置的电气隔离,改善电源电压波形,减少整流装置的谐波对电网的干扰。
2)整流变压器的特点:由于整流器的各桥臂在一周期内轮流导通,整流变压器二次绕组电流并非正弦波(近似方
波),电流含有直流分量,而一次电流不含直流分量,使整流变压器视在功率比直流输出功率大。当整流器短路或晶闸管击穿时,变压器中可能流过很大的短路电流。为此要求变压器阻抗要大些,以限制短路电流。整流变压器由于通过非正弦电流引起较大的漏抗压降,因此它的直流输出电压外特性较软。整流变压器二次侧可能产生异常的过电压,因此要有很好的绝缘。
3)整流变压器的联结方式
(2).整流变压器二次相电压的计算
1)整流变压器的参数计算应考虑的因素。由于整流器负载回路的电感足够大,故变压器内阻及晶闸管的通态压降可忽略不计,但在整流变压器的参数计算时,还应考虑如下因素:a)最小触发延迟角:对于要求直流输出电压保持恒定的整
流装置,应能自动调节补偿。一般可逆系统的取30°~35°,不可逆系统的取10°~15°。
b)电网电压波动:根据规定,电网电压允许波动范围为+5%~-10%,考虑在电网电压最低时,仍能保证最大整流输出电压的要求,通常取电压波动系数b=0.9~1.05。
c)漏抗产生的换相压降。
d)晶闸管或整流二极管的正向导通压降。
2)二次相电压的计算
a)用于转速反馈的调速系统的整流变压器
()
V
I I U K b K R I I I U R I I I U N T dl X UV a N N T N a N N d 06.1165.105.05.098.095.034.2.0375********.122003021.0375*******.1cos 1max min max max 2=??-??????? ??-?++????? ?
??=???
? ??-???? ??-++???
? ??=α
式中——变压器二次相电压(V );
——电动机的额定电压(V );
——整流电压计算系数;
b ——电压波动系数,一般取b=0.90~1.05;
——晶闸管的最小触发延迟角;
——换相电感压降计算系数;
——变压器阻抗电压比,100KV A 以下取0.05,容
量越大,越大(最大为0.1);
——变压器的最大工作电流,它与电动机的最大工
作电流相等(A );
——电动机的额定电流(A )。
——电动机的电枢电阻()。
b)要求不高的场合,还可以采用简便计算,即
c)当调速系统采用三相桥式整流电路并带转速负反馈
时,一般情况下变压器二次侧采用Y 联结,也可按下式估算: 对于不可逆系统:3/)0.1~95.0(2
N U U = 对于可逆系统:3/)1.1~05.1(2N U U =
(3)二次相电流的计算
A I K I dN IV 306375816.02=?==
式中 ——二次相电流计算系数;
——整流器额定直流电流(A )。
当整流器用于电枢供电时,一般取。在有环流系统中,变压器通常设有两个独立的二次绕组,其二次相电流为
)21
(2R N IV I I K I +=
式中——平均环流,通常N R I I )1
.0~05.0(=。 (4)一次相电流计算
式中 ——一次相电流计算系数;
——变压器的电压比。
考虑变压器自身的励磁电流时,应乘以1.05左右的系数。
(5)变压器的容量计算
KVA I U K K m S dN d UV L 543.10637506.11634.234.2816.030111=????==容量
一次
KVA I U K K m S dN d UV V 543.10637506.11634.234.2816.030122=????==容量
二次平均总容量:
K V A S S S 543.1062/)(21=+=视在功率
式中 、——变压器一次、二次绕组相数,对于三相全控桥
321==m m ;
——一次相电流计算系数;
——整流器空载电压(V );
——二次相电流计算系数;
——整流电压计算系数。
3.整流器件的选择:
晶闸管选择:晶闸管的选择主要是根据整流的运行条件,计算晶闸管电压、电流值,选出晶闸管的型号规格。在工频整流装置中一般选择KP 型普通晶闸管,其主要参数为额定电压、额定电流值。
(1) 额定电压选择应考虑下列因素:
1) 分析电路运行时晶闸管可能承受的最大电压值。
2) 考虑实际情况,系统应留有足够的裕量。通常可考
虑2~3倍的安全裕量。即
T M T n U U )3~2(=
式中 ——晶闸管可能承受的最大电压值(V ).
当整流器的输入电压和整流器的连接方式已确定后,整流器的输入电压和晶闸管可能承受的最大电压有固定关系,常采用查计算系数表来选择计算,即
V U K U U T T n 87.71006.11645.25.2)3~2(2=??== 式中安全裕量取2.5。
式中 ——晶闸管的电压计算系数;
——整流变压器二次相电压(V )。
3)按计算值换算出晶闸管的标准电压等级值。
(2)额定电流选择:晶闸管是一种过载能力较小的元件,
选择额定电流时,应留有足够的裕量,通常考虑选择1.5~2倍的安全裕量。
1)通用计算式:57
.1)2~5.1()(T AV T I I ≥ 式中 ——流过晶闸管的最大电流有效值(A )。
2)实际计算中,常常是负载的平均电流已知,整流器
连接及运行方式已经确定,即流过晶闸管的最大电流有效值和负载平均电流有固定系数关系。这样通过查对应系数使计算过程简化。当整流电路电抗足够大且整流电流连续时,可用下述经验公式近似地估算晶闸管额定通态平均电流。
A I K I d IT AV T 66.3093755.1367.05.1)2~5.1(max )(=???=≥ 式中 ——晶闸管电流计算系数;
——整流器输出最大平均电流(A );当采用晶闸管作为电枢供电时,取为电动机工作电流的最大值。
整流二极管计算与选择和晶闸管方法相同。
4.平波电抗器的选择:
平波和均衡电抗器在主回路中的作用及布置
晶闸管整流器的输出直流电压是脉动的,为了限制整流电流的脉动、保持电流连续,常在整流器的直流输出侧接入带有气隙的电抗器,称作平波电抗器。
在有环流可逆系统中,环流不通过负载,仅在正反向两组变流器之间流通,可能造成晶闸管过流损坏。为此,通常在环流通路中串入环流电抗器(称均衡电抗器),将环流电流限制在一定的数值内。
电抗器在回路中位置不同,其作用不同。对于不可逆系统,在电动机电枢端串联一个平波电抗器,使得电动机负载得到平滑的直流电流,取合适的电感量,能使电动机在正常工作范围内不出现电流断续,还能抑制短路电流上升率。
(1)平波电抗器选择
电抗器的主要参数有额定电抗、额定电流、额定电压降及结构形式等。
计算各种整流电路中平波电抗器和均衡电抗器电感值时,应根据电抗器在电路中的作用进行选择计算。
a)从减少电流脉动出发选择电抗器。
b)从电流连续出发选择电抗器。
c)从限制环流出发选择电抗器。
此外,还应考虑限制短路电流上升率等。
由于一个整流电路中,通常包含有电动机电枢电抗、变压器漏抗和外接电抗器的电抗三个部分,因此,首先应求出电动机电枢(或励磁绕组)电感及整流变压器漏感,再求出需要外接电抗器的电感值。
1) 直流电动机电枢电感:
m H I pn U K L N N N D D 8205.037514302210220810233=?????=?=式中 ——直流电动机的额定电压(V );
——直流电动机的额定电流(A );
——直流电动机的额定转速(rpmmin );
P ——直流电动机的磁极对数;
——计算系数。一般无补偿电动机取8~12,快速无补偿电动机取6~8,有补偿电动机取5~6。
2)整流变压器的漏感。整流变压器折合二次侧的每相漏感:
mH I U U K L N dl T T 0604.0375/06.11605.09.32=??==
式中 ——计算系数,三相全桥取3.9,三相半波取6.75; ——整流变压器短路电压百分比,一般取0.05~0.1;
——整流变压器二次相电压(V );
——直流电动机额定电流(A )。
3)保证电流连续所需电抗器的电感值。当电动机负载
电流 小到一定程度时,会出现电流断续的现象,将使
直流电动机的机械特性变软。为了使输出电流在最小
负载电流时仍能连续,所需的临界电感值可用下式计
算:
mH I U K L d 2896.4)37505.0/(06.116693.0/min 211=??==式中 ——临界计算系数,单相全控桥取 2.87,三相
半波1.46,三相全控桥0.693;
——整流变压器二次相电压(V );
——电动机最小工作电流(A ),一般取电动机额定电流
的5%~10%。
实际串联的电抗器的电感值
m H L L I U K L L L L T D d T D p 35.3)0604.0282.0(375
05.006.116693.0)2()2(min 21
1=?+-??=+-=+-=
式中 N ——系数,三相桥取2,其余取1。
4)限制电流脉动所需电抗器的电感值。由于晶闸管整流装置
的输出电压是脉动的,该脉动电流可以看成是一个恒定直流分量和一个交流分量组成的。通常负载需要的是直流分量,而过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加。因此,应在直流侧串联平波电抗器以限制输出电流的脉动量。将输出电流的脉动量限制在要求的范围内所需要的最小电感量:
mH I S U K L N i 4684.6)37505.0/(06.116045.1)/(222=??== 式中 ——临界计算系数,单相全控桥4.5,三相半波2.25,三
相全控桥1.045;
——电流最大允许脉动系数,通常单相电路取20%,三
相电路取5%~10%;
——整流变压器二次侧相电压(V );
——电动机最小工作电流(A ),取电动机 额定电流的
5%~10%。
实际串接的电抗器的电感值:
m H L L I S U K L L L L T D N i T D p 528.5)0604.0282.0(375
05.006.116045.1)2()2(22
2=?+-??=+-=+-=
式中 N ——系数,三相桥取2,其余取1。
取两者中较大的,故时,电流连续和脉动要求能同时满足。此时,电动机电枢回路总电感
H L L L 0064684.010),max(321=?=-。
(2) 均衡电抗器选择:
限制环流所需的电抗器的电感值:
(mH )
式中 ——计算系数,单相全控桥2.87,三相半波1.46,三相
全控桥0.693;
——环流平均值(A );
——整流变压器二次侧相电压(V )。
实际串接的均衡电抗器的电感值:
(mH )
5.触发电路的选择;
二 .系统各主要参数的估计与计算
系统的许多参数,要靠现场实验测定。具备测试条件,当然很好。这里介绍的则是不具备测试条件时,如何进行估算的方法。
1. 最低限度须掌握的原始数据:实际上大体为电动机铭牌数据:
22222225.1)
86),
8.68(min,/1430(,
375(,
220,
74(d
d N N N N GD GD m N GD m N GD r n A I V U KW P =??有惯量(—系统运动部分的飞轮—或—电动机飞轮惯量—)
—额定转速—)—额定电流—)—额定电(—)—额定功率—
2 .派生参数:
H
L L L m H I S U K L m H I U K L m H I U U K L m H I pn U K L R R R I U U m R R I U P N i d N dl T T N N N D D s a dl s a N N N 0064684.010),max(4684.6)37505.0/(06.116045.1)/(2896.4)37505.0/(06.116693.0/0604.0375/06.11605.09.3/8205.0375
14302210220810205739.002718.003021.002718.0306
206.11605.065.125.103021.08970.0375
2201074321222min 211233223
=?==??===??===??===?????=?=Ω
=+≈+=Ω≈?????==Ω
=≈??==-取ππη
式中:——每周期换流次数;
——整流变压器短路电压比,在铭牌数据标
有,也可由电工手册查,一般约为
0.05;
——整流变压器二次绕组相电压(116.06V ); ——整流变压器二次绕组相电流(306A )。 )
064672.0,86)000752.039414
.114592.037505739.0375)
11271.0)05739.0/0064684.0/)
/)/39414.1/14592.030/30min/r)
)min/14592.01430
03021.0375********s s
T m N GD s GD GD C C R GD T s s
s R L T A m N A m N C C V r V n R I U C m m e m l e m N a N N e 间常数(—电力拖动系统机电时—则(数(—电枢回路电磁时间常—(—电动机转矩系数(—(—电动机电势常数(—(=?==???=====??=?==??=?-=-=ππ
式中:——电枢回路总电感量(H );
——电枢回路总电阻值()。
3.系统参数
——晶闸管整流器放大系数;
=30
——晶闸管整流器失控时间(s ),可查表2-2; =0.00167s
——转速滤波时间常数(s );
=0.01s
——电流滤波时间常数(s );
=0.002s
——系统最大运行速度(rmin );
==1430rmin
——电动机允许最大电流(A );
A I I N d 5.5623755.1max =?==λ;
——电动机允许最大过载系数;
=1.5;
——转速给定信号最大值(V );
=10V
——电流给定信号最大值(V );
=10V ;
速度反馈系数(Vsmin );
=101430=0.006993Vminr;
电流反馈系数(V A );
=10562.5=0.01778V A;
三电流调节器和转速调节器的工程设计思路转速、电流负反馈双闭环调速系统的组成
图3-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构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P I 调节器,这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下图。