晶闸管双闭环不可逆直流调速系统设计

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1、目录第一章绪论2第二章主电路结构选择3变压器参数计算4第三章双闭环直流调速系统设计53.1 电流调节器的设计73.2转速调节器的设计10第四章触发电路的选择与原理图14第五章直流调速系统MATLAB真16第六章总结18第七章参考文献18第一章绪论转速负反馈控制直流调速系统（简称单闭环调速系统）PI调节器的单闭环转速系统可以实现转速调节无静差，消除负载转矩扰动对稳态转速的影响，并用电流截止负反馈限制电枢电流的冲击，避免出现过电流现象。但转速单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流（或电磁转矩）的动态过程。对丁经常正、反转运行的调速系统，缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。在起动（或制动

2、）过渡过程中，希望始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。这类理想启动过程示意下图1所示。图1单闭环调速系统理想启动过程启动电流呈矩形波，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(制动)过程。下面我们引入了一种双闭环系统来对控制系统进行优化。第二章主电路结构选择目前具有多种整流电路，但从有效降低脉动电流保证电流连续和电动机额定参数的情况出发本设计选用三相桥式全控整流电路，其原理如图2-1所示，习惯将其中阴极连接在一起到3个晶闸管(VT,

3、VT3,VT5)称为共阴极；阳极连接在一起的3个晶闸管(VT2,VT4,VT6)称为共阳极，另外通常习惯晶闸管从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a,b,c三相电源相接的3个晶体管分别是VT1,VT3,VT5，共阳极组中与a,b,c三相电源相接的3个晶闸管分别是VT2,VT4,VT6。图2-1三相桥式全控整流电路原理图其工作特点为：1)每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中1个晶闸管是共阴极组的，1个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。2)6个晶闸管的触发脉冲按VT,tVT2TVT3TVT4TVT5TVT6的顺序相为、位依次相差60共阴极组的脉

4、冲依次差120共阳极组也依次差120同一相的上下两个桥臂即VT与VT4,VT3与VT6,VT5与VT2脉冲相差180=03)整流输出电压成一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样。4)在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为保证电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。2.1变压器参数计算由丁整流输出电压&的波形在一周期内脉动6次的波形相同，因此在计算时只需对一个脉冲进行计算。由此得整流输出平均电压Ud=2.34J2cos(a0.36820X.5）=182.16242.88A，取200A。第三章双闭环直流调速系统设计双闭环直流调速系统控制原理图如图3.1所示速度调节器根据转速给定电压

5、u：和速度反馈电压Un的偏差进行调节，其输出是电流的给定电压U（对丁直流电动机来说，控制电枢电流就是控制电磁转矩，相应的可以调速）。电流调节器根据电流给定电压U和电流反馈电压Ui的偏差进行调节，其输出是功率变换器件（三相整流装置）的的控制信号Uc。通过Uc电压进而调节镇流装置的输出，即电机的电枢电压，由丁转速不能突变，电枢电压改变后，电枢电流跟着发生变化，相应的电磁转矩也跟着变化，由Te-Tl=J四,只要Te与Tl不相等那么转速n会相应的变化。整个过程到dt电枢电流产生的转矩与负载转矩达到平衡，n不变后，达到稳定。图3白甥环直流调速系统电路原理图在双闭环直流调速系统中，转速和电流调节器的结构选

6、择与参数设计须从动态校正的需要来解决。如果采用单闭环中的伯德图设计申联校正装置的方法设计双闭环调速系统这样每次都需要先求出该闭环的原始系统开环对数频率特性，在根据性能指标确定校正后系统的预期特性，经过反复调试才能确定调节器的特性，从而选定其结构并计算参数但是这样计算会比较麻烦。所以本设计采用工程设计方法：先确定调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳定精度。再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。这样做，就把稳，准，快和抗干扰之间相互交义的矛盾问题分成两步来解决，第一步先解决主要矛盾，即动态稳定性和稳定精度，然后再进一步满足其他动态性能指标。按照“先内环后外环”的一般系统设计原则，

7、从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器如图3.2所示为双闭环直流调速系统动态结构框图。图3.2双闭环直流调速系统动态结构框图在双闭环调速系统在稳态工作中，当转速和电流两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系:*UU二：n=二n0-*UiUi.一.一*UcUd0_Cen1dR_CPn/-IRKK在稳态工作点上，转速n是由给定电压Un*决定的，ASR勺输出量U*是有负载电流IdL决定的，而控制电压UC的大小则同时取决丁n和Id。这些关系反映了PI调节器不同丁P调节器的特点。P调节器的输出量总是正比丁其输入量，而PI调

8、节器则不然，其输出量在动态过程中决定丁输入量的积分，达到稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。双闭环调速系统的稳态参数计算和无静差系统的稳态计算相似，根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数*转速反馈系数：.ngXnmax*,、一一-U3电流反馈系数-=Idm本设计中电流调节器输出负限幅值为0V,正限幅值为10V;转速调节器输出负限幅值为10V,正限幅值为0V。根据已知参数可求得转速反馈系数a为：*=工=0.0055/min/rnmax1800r/min电流反馈系数E为：*=3=0.03V

9、/AId2201.5A另外由。业二凡根据电机参数得Ce=440二20；瞒88=0.2337Vmin/r3.1电流调节器的设计在图3.2画线结构框图中，钙警与电流反馈的作用相互交义，这将给设计工作带来麻烦。实际反电动势与转速成正比，系统的电磁时间常数远小丁机电时间常数，因此转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即AE崩.这样在按动态性能设计电流环时，可以不考虑反电动势变化的影响。也就是说可以去掉反电动势的作用这样得到电流环的近似结构框图如图3.3所示电流环动态结构图可简化为:图3.3电流环动态结构框图1）确定时间

10、常数根据已知数据得电磁时间常数TlL1810I=一=0.04sR0.42三相桥式晶闸管整流电路的平均后时间Ts=0.0017s,取电流反馈滤波时间常数Toi=0.002s,可得电流环的小时间常数为Ta=Ts+L=0.0017s+0.002s=0.0037s2）选择电流调节器结构根据设计要求电流超调量5%并且保证稳态电流无静差，可以按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此电流调节器选用PI调节器，其传递函数为-,s1Wacr(S)=Ki另检查电源电压的抗扰动性能：工=0.04=10.8参照附表3-1的典型I型系TV0.0037统动态抗扰性能可采用PI调节器。表3-1典型I型

11、系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系KT0.250.390.500.691.0阻尼比E1.00.80.7070.60.5超调里a0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间trOO6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间tpOO8.3T6.2T4.7T3.6T相对稳定裕度Y76.3069.9065.5059.2051.80截止频率3C0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T3）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：i=0.04s为满足ai%ci3Ts30.0017故该近似条件满足。忽略反电动势影响的近似条件为仁点芝3画瓦玉)，现31/(TmT)

12、=31/(0.10.04)s=47.4s：wci故该近似条件满足。电流环小时间常数近似处理条件为临弓收)，现1,1/(TsToi)=11/(0.00170.002)s=180.8sci3，3，故该近似条件满足。5)取调节器的输入电阻R=40kQ,则电流调节器的各参数为r=K尺=1.134cn5Ti50.0037故满足该简化条件。1一一小时间常数近似处理条件为斜n%3，-3故满足该简化条件第四章触发电路的选择与原理图三相整流电路中必须对两组中应导通的一对晶闸管同时给触发脉冲为此可以采用两种办法：一种是使每个触发脉冲宽度大丁60。，称宽脉冲触发；另一种是在触发某一号晶闸管的同时给前一号晶闸管补发一

13、个脉冲，相当丁用两个窄脉冲等效代替一个宽脉冲，称为双脉冲触发。随着工业自动化，集成化的不断把发展；现在市场中已有多种型号的六脉冲触发集成电路广泛应用丁各种控制中，从本设计的简单和稳定性出发，本设计直接采用KJ系列的三相全控桥式整流电路的集成触发器KJ041作为三相整流电路的触发电路。KJ041的内部是由12个二极管构成的6个或门，其作用是将6路单脉冲输入转换为6路双脉冲输出。以上触发电路均为模拟量，这样使集成片内部结构、可靠，但是却是其容易受电网电压影响，导致触发脉冲的不对称度较高，可达30:40。在对精度要求大的大容量变流装置中，采用了数字触发电路，可获得很好触发脉冲对称度。KJ041的主要

14、参数和限制(1) 工作电源电压：15V(2) 同步输入允许最大电流值：6mA(3) 输出脉宽：400us：2ms最大负载能力：100mA由KJ041外部接线组成的三相桥式整流电路触发原理图如下图4.1所示图4.1三相全控桥整流电路的集成触发电路原理图该集成片的主要设计特点为：(1) 端口1和端口4,端口2和端口5,端口3和端口6分别输出两路相位互差180的移向脉冲，可以方便地构成全控桥式晶闸管触发器线路。(2) 输出负载的能力大，移相性能好，脉冲输出稳定，正、负半周脉冲相位均衡性好。(3) 移相范围宽，对同步电压要求不高，并且具有脉冲列调制输出端等功能。触发电路输出脉冲波形如下图4.2触发电路

15、输出脉冲波形图第五章直流调速系统MATLA朋真利用matlab仿真工具组成转速，电流双闭环调速系统仿真图如图5.1所示，转速和电流闭环通过一个滞后环控制接入脉冲发生器的输入端，来实现对他励直流电动机的转速控制，使转速最终趋丁稳定值。同时通过转速输出显示器可以很直观活晰的观察仿真结果。通过仿真得到电机镣速岫如图5.2所示。FlherZ图5.1双闭环直流调速系统仿真图图5.3双闭环直流调速系统电枢电流仿真结果第六章总结本设计为V-M双闭环直流调速系统设计，通过三相变压整流装置将三相交流电压整流为直流电压。其中对主电路的结构及元件包括变压器，晶闸管以及电抗器的参数进行了计算和选取。确定了电流调节器和

16、转速调节器的结构并按照设计参数要求对调节器的参数进行了计算和确定。并在确定所有参数的基础上对系统进行了Matlab仿真。通过本次设计使我对电力拖动自动控制系统有了进一步的认识和了解，掌握了用工业设计法对双闭环调节器的设计方法。对电力电子器件在工业发展中所起的巨大作用也有了认识。另外在设计过程中遇到了一些难题，在自己查找多方资料并和同学相互讨论的情况下终丁找到了解决的方法。这使我明白理论和实际是存在一定偏差的，计算结果并不能代表实际数据。总的来说这次设计让我受益匪浅，对我来说是一次很好的经历。第七章参考文献陈伯时电力拖动自动控制系统一一运动控制系统，第三版，机械工业出版社，20031 杨威张金栋

17、主编电力电子技术，重庆大学出版社，20022 王兆安，黄俊电力电子技术，第四版，机械工业出版社，20083 黄俊王兆安电力电子变流技术第三版，机械工业出版社，20054 莫正康电力电子应用技术，第三版，机械工业出版社，20005 张东力陈丽兰仲伟峰直流拖动控制系统机械工业出版社，19996 朱仁初万伯任电力拖动控制系统设计手册机械工业出版社，19947 张广溢郭前岗电机学重庆大学出版社，2002机械工程手册、电机工程手册编辑委员会，电机工程手册第九卷自动控制系统,机械工业出版社，1982第18页机械工程手册、电机工程手册编辑委员会，电机工程手册，第二版，基础卷（二），机械工业出版社，1996附录1V-M双闭环直流调速系统电气原理图CiS-10.关霸FE程it用日闭开直源不可话眉壬系北电气SS总圈7BDZTdH5VJ-L1KJMLT，7$Ui32ia-eNz:eA*ft?FttAiifl怒SB我