双闭环不可逆直流调速系统文档格式.docx
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为了获得良好的静,动态性能,两个调节器一般采用PI调节器
由于积分饱和的特性还要对两个调节器进行限幅,限幅的作用:
转速调节器ASR的输出限幅电压U*im,电流给定电压的最大值,即限制了最大电流;
电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm,Uc的最大值,即限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。
启动时,加入给定电压,“速度调节器”和“电流调节器”即以饱和限幅值输出,式电动机以限定的最大启动电流加速启动,直到电机转速达到给定转速(),并在出现超调后,“速度调节器”和“电流调节器”退出饱和,最后稳定在略低于给定转速值下运行。
系统工作时,要先給电动机加励磁,改变给定电压的大小即可方便的改动电动机的转速。
“速度调节器”和“电流调节器”均设有限幅环节,“速度调节器”的输出作为“电流调节器”的给定,利用“速度调节器”的输出限幅可达到限制启动电流的目的。
“电流调节器”的输出作为“触发电路”的控制电压,利用“电流调节器”的输出限幅可达到限制的目的。
第2章主电路各器件的选择和计算
2.1给定器G的参数设计
其原理图如图2-1所示:
电压给定器由一个电位器RP及一个开关S组成。
其中RP用来调节电压的大小,最大输出电压为10V,S用来控制运行、停止。
输出电压面板上有表指示。
其中电位器RP1、RP2的电阻取10,又因为,则其功率,则取用功率为0.02的电阻。
2.2变压器参数计算
由于整流输出电压的波形在一周期内脉动6次的波形相同,因此在计算时只需要对一个脉冲进行计算。
由此得出整流输出平均电压:
(由于为不可逆系统,则导通角取=0°
)
由电路原理可知:
,,则
=0.015(取=15V)
(取=10V)
2.3晶闸管参数计算:
对于三相桥式整流电路,晶闸管电流有效值为:
则晶闸管的额定电流为:
取1.5~2倍的安全裕量,500
由于电流连续,因此晶闸管最大正反向峰值电压均为变压器二次线电压峰值,即:
取2~3倍的安全裕量,
由公式:
得
又由公式得,取为24。
则应取额定电压为690V、额定电流为500A、的晶闸管。
2.4平波电抗器参数设计
在V-M系统中,脉动电流会增加电机的发热,同时也产生脉动转矩,对生产机械不利,为了避免或减轻这种影响,须设置平波电抗器。
平波电抗器的电感量一般按低俗轻载时保证电流连续的条件来选择。
通常首先给定最小电流(以A为单位通常取电动机额定电流的5%-10%),再利用它计算所需的总电感量(以mH为单位),减去电枢电感,即得平波电抗器应有的电感值。
对于三相桥式整流电路总电感量为:
由于=(5%-10%),这里取10%,则=70A
电枢电感的计算公式为
(取P=2,=10)
(P:
电动机磁极对数,:
计算系数,对一般无补偿机=8~12)
由于变压器的漏电感很小,可以忽略不计,那么平波电抗器电感值的取值为:
L=0.93-0.79=0.14mH,取其电感值为0.2Mh。
第3章双闭环调速系统调节器的设计
本章主要设计转速调节器、电流调节器的结构选择和参数设计。
通过软件来实现模拟电路的功能。
先设计电流调节器,然后设计转速调节器。
在设计的时候要注意设计完要校验。
再设计转速调节器的时候,校核转速调节量,如果不满足设计要求的时候,重新按照ASR退饱和的情况设计超调量。
首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图3-1所示,分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳太特征。
一般存在两种状况:
饱和——输出达到限幅值;
不饱和——输出未达到限幅值。
当调节器饱和时,输出为恒值,输入量的变化不再影响输出,相当与使该调节环开环。
当调节器不饱和时,PI作用使输入偏差电压在稳太时总是为零。
如图3-1双闭环直流系统稳态结构图
实际上,在正常运行时,电流调节器是不会达到饱和状态的。
因此,对静特性来说,只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。
其次为双闭环控制系统数学模型。
双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。
双闭环直流调速系统的动态结构框图如图3-2所示。
图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。
为了引出电流反馈,在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流显露出来。
如图3-2双闭环控制系统数学模型
3.1电流调节器的设计
电流调节器的作用:
1)在转速调节过程中,使电流跟随其给定电压变化;
2)对电网电压波动起及时抗扰作用;
3)起动时保证获得允许的最大电流,使系统获得最大加速度起动;
4)当电机过载甚至于堵转时,限制电枢电流的最大值,从而起大快速的安全保护作用。
当故障消失时,系统能够自动恢复正常。
3.1.1确定时间常数
(1)、整流装置滞后时间常数Ts:
三相桥式电路平均失控时间Ts=0.0017s
(2)、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=3.33s。
则Toi=0.002s
(3)、电流小时间常数:
按小时间常数近似处理:
(4)电磁时间常数:
S
3.1.2电流调节器设计
采用含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器,其原理图如图3-3所示。
图中为电流给定电压,为电流负反馈电压,调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。
如图3-3含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器
根据设计要求,并保证稳态电流无差,可按典型Ⅰ型系统设计电流调节器。
电流环控制对象是双惯性型的,因此可用PI型电流调节器,其传递函数为:
检查对电源电压的抗扰性能:
电流调节器超前时间常数:
电流环开环增益:
取,因此
于是,ACR的比例系数为:
3.1.3检验近似条件
电流环截止频率:
晶闸管整流装置传递函数的近似条件:
,满足近似条件。
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。
电流环小时间常数近似处理条件:
3.1.4计算调节器电阻和电容
由图3-3,按所用运算放大器取,各电阻和电容值为
取27
取0.1
,取0.2
按照上述参数,电流环可以达到的动态跟随性能指标为,满足设计要求。
3.2转速调节器的设计
转速调节器的作用:
1)使转速n跟随给定电压变化,当偏差电压为零时,实现稳态无静差;
2)对负载变化起抗扰作用;
3)其输出限幅值决定允许的最大电流。
3.2.1电流环的等效闭环传递函数
电流环经简化后可视作转速环的一个环节,为此其闭环传递函数为:
忽略高次项,可降阶近似为:
接入转速环内,电流环等效环节的输入量应为,因此电流环在转速环中应等效为:
这样,原来是双惯性环节的电流环控制对象,经闭环控制后,可以近似的等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。
这就表明,电流的闭环控制改造了控制对象,加快了电流的跟随作用,这是局部闭环控制的一个重要功能。
3.2.2转速调节时间常数的确定
电流环等效时间常数:
转速滤波时间常数:
根据所用测速发电机纹波情况,取
转速环小时间常数:
按小时间常数近似处理,取
电压反馈系数:
3.2.3选择转速调节器结构
按照设计要求,选用PI调节器,采用含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型转速调节器,其原理图如图3-4所示。
图中为转速给定电压,为转速负反馈电压,调节器的输出是电流调节器的给定电压。
图3-4含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器
按设计要求,选用PI调节器,其传递函数为:
按跟随和抗扰性能都较好的原则,取h=3,则ASR的超前时间常数为:
转速开环增益为:
于是,ASR的比例系数为:
3.2.4检验近似条件
可得
转速环截止频率为:
电流环传递函数简化条件为:
,满足简化条件。
转速环小时间常数近似处理条件为:
,满足近似条件。
3.2.5计算调节器电阻和电容
根据图2-4,取,则
,取280;
,取0.2;
取0.5。
3.2.6校核转速超调量
当h=3时,,不能满足设计要求。
实际上这个值是按线性系统计算的,而突加阶跃给定时,ASR饱和,不符合线性系统的前提,应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。
设理想空在启动时,又已知:
IN=700A,nN=1000r/min,λ=1.5,R=0.8Ω,
,,。
当h=3时,查表可得,可得
能满足设计要求。
第4章驱动及触发电路设计
前面3章已经介绍了速度调节器和电流调节器以及各元件的的参数设计,本章介绍一下电路中其他组成部分的构成及原理。
4.1驱动电路设计
4.1.1触发装置GT和I组脉冲放大器AP1
设计中采用主控制屏DK01的触发装置为集成触发电路,在由KC04,KC41,KC42集成触发电路芯片基础上,增加了由CD4066,CD4069等芯片构成的模拟开关,以控制输出触发脉冲的形式。
KC04是移相集成触发器,KC41是六路双脉冲形成器,KC41与三块KC04可组成三相全控桥双脉冲触发电路。
KC42为脉冲列调制形成器,以减小触发电源功率及脉冲变压器体积,提高脉冲前沿陡度。
4.1.2零速封锁器DZS
零速封锁器的作用是当转速给定电压和转速反馈电压均为零时(即在停车状态下),封锁各调节器,保证电机不会爬行。
4.1.3速度变换器FBS
速度变换器为速度检测变换环节,将直流测速发电机的输出电压变换成适用于控制单元并与转速成正比的直流电压,作为速度反馈,其原理图如图4-1所示:
图4-1速度变换器原理图
4.2保护电路设计
4.2.1电流反馈与过流保护
交流侧经电流互感器接入过电流继电器或直流侧接入过电流继电器,可以在发生过电流时动作,断开主电路。
也可以在每个桥臂串快速熔断器对晶闸管进行过电流保护。
快速熔断器的要求:
熔断器的额定电压
因此,按本课题的设计要求,用于晶闸管过电流保护的快速熔断器的额定电压可选择240V。
电流检测为交流测的电流互感器反映电流大小的信号经三相桥式整流电路整流后加至RP1、RP2及R1、R2、VD7上,RP1的可动触点输出作为电流反馈信号,反馈强度由RP1调节。
RP2可动触点与过流保护电路
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- 闭环 可逆 直流 调速 系统