3954.晶闸管串级调速双闭环系统

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1、晶闸管串级调速双闭环系统 理工大学应用科学学院电力拖动综合课程设计专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 学 号： 姓 名： 设计题目： 晶闸管串级调速双闭环系统设计报告格式25分设计内容45分答辩考勤总计得分封面3页面布局5目录格式3图表质量4间行距、字体5页眉页脚5设计题目分析5系统控制方案8设备计算、选型7电气原理图调节器参数整定或程序设计101020主电路5控制电路5总图5 2010年11月 目录前言1第一章 串级调速系统21.1串级调速原理及基本类型21.2电机选择3第二章 逆变变压器的参数计算62.1概述2.2逆变变压器二次侧参数的初步计算2.3逆变变压器计算第三章 整流电路和逆变

2、电路器件的选型3.1整流电路结构3.2硅整流元件及晶闸管的选择.第四章 平波电抗器电感量的计算4.1转子直流回路平波电抗器的作用.4.2电感的计算第五章 双闭环控制系统的参数计算5.1 双闭环系统静态参数计算5.2 双闭环系统的动态参数计算5.3系统总设计图.设计心得.参考文献.前言现代工业的电力拖动一般都要求局部或全部的自动化，因此必然要与各种控制元件组成的自动控制系统联系起来，而电力拖动则可视为自动化电力拖动系统的简称。在这一系统中可对生产机械进行自动控制。随着近代电力电了技术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用，自动化电力拖动正向着计算机控制的生产过程自动化的方向迈进。以达到高速、优

3、质、高效率地生产。在大多数综合自动化系统中，自动化的电力拖动系统仍然是不可缺少的组成部分。另外，低成本自动化技术与设备的开发，越来越引起国内外的注意。特别对于小型企业，应用适用技术的设备，不仅有益于获得经济效益，而且能提高生产率、可靠性与柔性，还有易于应用的优点。自动化的电力拖动系统更是低成本自动化系统的重要组成部分。通常把电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术两个分支。变流技术也称为电力电子器件的应用技术，它包括用电力电子器件构成各种电力变换电路和对这些电路进行控制的技术，以及由这些电路构成电力电子装置和电力电子系统的技术。控制理论广泛用于电力电子技术中，它使用电力电子装置和系统的性

4、能不断满足人们日益增长的各种需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电与强电这两者的结合。自动控制理论则是实现这种结合的一条强有力的纽带。另外，控制理论和自动化技术密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。本设计报告首先根据设计要求确定调速方案和主电路的结构型式，主电路和闭环系统确定下来后，重在对电路各元件参数的计算和器件的选型，包括整流变压器、整流元件、平波电抗器、保护电路以及电流和转速调节器的参数计算，从而达到设计要求。第一章 串级调速系统1.1串级调速原理及基本类型假定异步电动机的外加电源电压及负载转矩都不变则电动机在调速前后转子电流近似保持不变。若在转

5、子回路中引入一个频率与转子电势相同，而相位相同或相反的附电势则转子电流为 式中： ：转子回路电阻； ：转子旋转时转子绕组每相漏抗；：转子开路相电势 ；电动机在正常运行时，转差率s很小，故。忽略有,上式中，为取决于电动机的一个常数，所以，改变附加电势可以改变转差率S，从而实现调速。设当= 0时电动机运行于额定转速，即,由（式1-2）可见，当附加电动势与转子相电势相位相反时（前取负号），改变的大小，可在额定转速以下调速，这种调度方式称为低同步串级调速，且附加电势与转子相电势相位相同时（前取正号），改变的大小，可在额定转速以上调速，这种调度方式称为超同步串级调速（即s 0）。串级调速四种基本状态方式

6、下能量传递方式如图1-1所示，图中不计电动机内部各种损耗，即认定定子输入功率P即为转子输出功率。图1-1 串级调速系统的基本状态方式晶闸管低同步串级调速系统是在绕线转子异步电动机转子侧用大功率的晶闸管或二极管，将转子的转差频率交流电变为直流电，再用晶闸管逆变器将转子电流返回电源以改变电机转速的一种调速方式。电气串级调速系统原理图，见图1-2图1-2 电气串级调速系统原理图1.2电机选择变电压调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变流机组简称G-M系统，用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调

7、的直流电压。适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。用静止的可控整流器，例如，晶闸管可控整流器，以获得可调直流静止可控整流器又称V-M系电压。通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变Ud，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。直流斩波器和脉宽调制交换器采用PWM，用恒定直流或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压。受器件各量限制，适用于中、小功率的系统。根据本此设计的技术要求和特点选V-M系统。在V-M系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流

8、器的输出，瞬时电压Ud。 由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉 动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、 体积小、重量轻、投资省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。在一般情况下，晶闸管变流装置所需的交流电供电压与电网往往不一致。另外为了减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求能够隔离，所以通常要配用整流变压器

9、。为了抑制谐波干扰，一般采用接法的整流变压器。考虑到异步电动机输出的最大转矩的降低，功率因数的降低和转子损耗增大等因素，不论对于新设计的或是改造的都应对异步电动机的容量进行重新选择的计算，串级调速异步电动机的容量计算如下：式中，串级调速系数，一般取1.2左右。对于在长期低速运行的串级调速系统，该取大一点；按照常规运算方式计算的电动机容量。从产品手册中选择的电动机容量本设计采用内反馈串级调速电机及其控制装置技术手册提供的有关数据设计而成。该电机定额为连续定额S1，基本防护等级为IP23，基本冷却方法为ICO1，基本结构和安装方式为IBM3。控制电机型号JRNT1512-4最高/最低转速1480/

10、690r/min额定功率45kW效率95%定子电压/电流380V/85.9A功率因数0.87转子电压/电流340V/81A控制装置型号JC4-800A/800V表1-1 绕线式异步电动机由于调速范围小，且对动、静态性能有一定性能要求，选用晶闸管串级调速双闭环调速系统比较合适。整流器采用三相桥式全控整流电路。第二章 逆变变压器的参数计算2.1概述对于不同的异步电动机转子额定电压和不同的调速范围、要求有不同的逆变变压器二次侧电压与其匹配；同时也希逐转子电路与交流电网之间实行电隔离，因此一般串级调速系统中均需配置逆变变压器。 2.2逆变变压器二次侧参数的初步计算 （一）逆变压器二次侧电压根据最低转速

11、时转子最大整流电压与逆变器最大电压相等的原则确定： 式中： U：逆变变压器二次侧线电压 ； U：转子整流器最大输出直流电压； K ：整流电压计算系数，见表2-1； ：最小逆变角，一般取30； 即， （二）逆变变压器折算至直流侧电抗，则，折算到直流侧等效电阻（三）平波电抗器直流电阻（四）在串级调速状态运行时的额定转速当S=1时，电动机定子折算到直流侧的等效电阻为1.73，故电动机额定转矩考虑到换相重叠角的影响，并经线性化处理，上式中为则转矩降低系数为（五）串级调速状态运行时最高转速的确定直流回路总等效电阻为式中，电动机折算到直流侧的等效电阻，可按功率相等的原则进行折算，即得 （六）最大电流时的电

12、动势系数为：（七）最大转速：则 （八）转速降低系数（九）电动机校验或即，所选电动机符合要求。所以，时，换相重叠角为系统工作在第一工作区。2.3逆变变压器计算逆变变压器二次侧线电压又因为 逆变变压器计算容量为逆变变压器一次侧电流因此修正为 符合前面所取的值第三章 整流电路和逆变电路器件的选型3.1整流电路结构三相桥式全控整流电路大多用于向阻感负载和反电动势阻感负载供电（即用于直流电机传动），下面主要分析阻感负载时的情况，对于带反电动势阻感负载的情况，只需在阻感负载的基础上掌握其特点，即可把握其工作情况。 当60o时，Ud波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流

13、电压Ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。区别在于负载不同时，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流Id波形不同，电阻负载时Id波形与Ud的波形形状一样。而阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。图6和图7分别给出了三相桥式全控整流电路带阻感负载=0o和=30o的波形。 图6中除给出Ud波形和Id波形外，还给出了晶闸管VT1电流IVT1的波形，可与图2带电阻负载时的情况进行比较。由波形图可见，在晶闸管VT1导通段，IVT1波形由负载电流Id波形决定，和Ud波形不同。 图7中除给出Ud波形和Id波形外，还给出了变压器二次

14、侧a相电流Ia的波形，可与图3带电阻负载时的情况进行比较。 当60o时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时Ud波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感L的作用，Ud波形会出现负的部分。图8给出了=90o时的波形。若电感L值足够大，Ud中正负面积将基本相等，Ud平均值近似为零。这表明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的角移相范围为90o。 图3-1 三相桥式整流电路原理图及波形图3.2硅整流元件及晶闸管的选择（一）参数计算式中 （三相桥式电路、电感性负载）取 因为 取 选择硅整流元件ZP150-12六只，晶闸管KP150-12六只。第四章 平波电抗器电感量的计算4.1转子直流

15、回路平波电抗器的作用一，使串级挑速在最小工作电流下仍能维持电流的连续；二，减小电流脉动，把直流回路中的脉动分量在电动机转子中造成的附加损耗控制在允许的范围内。4.2电感的计算一、电动机等效电感二、逆变变压器等效电感三、按电流连续要求的电感量式中 ， （三相桥式全控电路）即， 四、按限制电流脉动要求的电感量式中， 最低次谐波电压幅值；逆变变压器二次侧相电压有效值；最低次谐波频率，对于三相桥式电路；电流脉动系数，要求=0.05；（三相桥式全控电路）；则，选取平波电抗器，当I=106.7A时电感量为8mH，I=5.35A时电感量不小于20mH。第五章 双闭环控制系统的参数计算5.1 双闭环系统静态参

16、数计算（1）取速度给定电压 速度反馈系数（2）取电流给定电压 电流反馈系数 （3）取电流调节器输出电压最大值；晶闸管电压放大倍数（4）晶闸管逆变器的滞后时间常数低速时静差率要求的速度降由于采用了抑止零点漂移的PI调节器，故稳态时的速度降必须满足：则因为， 取 若取 电流环 故 静差率 5.2 双闭环系统的动态参数计算由前述分析可知，与均为转差率S的函数，故电流环为非定常系统，但当时的与值可按定常系统设计，保证系统具有良好的性能。（1）电流环参数计算由公式知，将代入可以推得由于要求电流环超调量小，故电流环按典型I型系统设计。取 则令 故， （2）速度环参数计算由于系统要求抗扰性能及跟随性能好，转

17、速环按典型型系统设计，且取h=5。取 转速环截止频率又因为满足及的条件，故电流环可等效为惯性环节。则 若按 两种计算结果基本一致，取。统飞轮矩按电动飞轮矩的1.5倍考虑，即GD2=1.50.1=0.15Nm5.3系统总设计图图5-1双闭环控制系统结构图设计心得三个星期的课程设计，过程曲折，可谓是一言难尽。在此期间我失落过，沮丧过，热情高涨过。从刚开始的激情盛盈到最后的辛酸苦辣加感慨万千，无不另令我回味无穷。 汗水预示着艰辛也见证着结果。通过这次课程设计我学到了很多。这是一个团队任务，一起工作中大家相互帮助，互相配合，有说有笑，有吵有闹，多少欢乐苦闷都在这里撒下。 团队需要个人，个人也离不开团队

18、，必须发扬团队协作精神。某个人的离群都可能导致整个工作的失败。课程设计中只有一个人知道是远远不够的，必须每个人都知道，团结协作是我们课程设计成功的重要保证。不说学会了什么很多的专业知识，但至少我在抱怨中学会了相信，在沉默中学会了坚强。虽说学了一个学期，但我对交流调速的了解还不如这几天对它的认识，做课程设计对我们来说果然如老师说的那样，会很大程度地提高我们的专业水平。一次次地修改，一次次地调试，随着最后单击保存按钮，我们终于是做完了。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上的一个美好的回忆。 参考文献1陈伯石.电力拖动自动控制系统M.北京：机械工业出版社，20032顾绳谷.电机及拖动基础上册M.北京:机械工业出版社 20003陈治明.电力电子器件M.北京：机械工业出版社 19924王兆安.电力电子变流技术M.北京：机械工业出版社 20035顾绳谷.电机及拖动基础下册M.北京:机械工业出版社 20006王划一.自动控制原理M.北京:国防工业出版社 2001