绪
科学技术发展日新月异科技产品涵盖着生活方方面面电动机作种便利带动工具生活工业生产中重缺少部分类生产生活已离开说高效精确控制电机运转低成实现值深入研究课题
直流电动机具良起制动性方便控制易实现宜范围滑调速直流调速系统理实践较成熟研究调速系统基础直流电动机中带电流截止负反馈直流调速系统应较广泛广泛应轧钢机冶金印刷金属切割机床等领域动控制中然调速高效性方面存着局限性综合方面然独特运前景
11设计目意义
(1)应学直流调速系统基知识工程设计方法结合生产实际确定系统性指标实现方案进行运动系统初步设计
(2)学会应MATLAB软件建立数学模型控制系统进行仿真研究掌握系统参数系统性影响
(3)理设计仿真研究基础应Protel进行控制系统设计毕业设计基础
12设计求
课程设计象: 直流电机:22kW220V125A1500 转分电枢电阻12 整流装置阻15触发整流环节放倍数35堵转电流
界截止电流 求设计带直流截止负反馈转速
单闭环调速系统
容:
(1)测定综合实验中控制象参数(实验完成)
(2)根定指标设计带电流截止负反馈转速调节器选择调节器参数具体实现电路
(3)设计结果组成系统满足定指标
(4)研究参数变化系统性影响
(5)时间允许情况进行调试
13设计象关数
(1)完成理分析:
a调速范围 D=20静差率 S≤10%
b转速超调σn≤10(额定转速时)
c动态速降 10% d振荡次数 2 次
①进行系统参数计算完成转速调节器电流截止负反馈结构参数设计
②整调速系统动态性进行分析
(2)完成系统电气原理图设计
①晶闸-电动机系统电路设计
②晶闸整流电路方案讨选择
③整流变压器额定容量次侧二次测电压电流选择
④晶闸选择晶闸保护电路选择
⑤波电抗器计算选择
⑥触发电路选择
⑦ 测速发电机选择关元件选择计算
⑧完成系统电气原理图设计
二带电流截止负反馈闭环直流调速系设计方案选择
21 普通闭环直流调速系统存问题
(1)起动击电流直流电动机全电压起动时果没限流措施会产生击电流仅电机换利载力低电力电子器件说更允许
(2)闭环调速系统突加定起动击电流采转速负反馈闭环调速系统突然加定电压时惯性转速立建立起反馈电压零相偏差电压差稳态工作值 1+k 倍时放器变换器惯性电枢电压子达高值电动机说相全压起动然允许
(3)堵转电流生产机械电动机会遇堵转情况例障机械轴卡住挖土机运行时碰坚硬石块等等闭环系统静特性硬限流环节硬干电流远远超允许值果流继电器熔断器保护载跳闸会正常工作带便
22限流保护—电流截止负反馈提出
解决反馈闭环调速系统起动堵转时电流问题系统中必须动限制电枢电流环节根反馈控制原理维持物理量基变应该引入物理量负反馈引入电流负反馈应该够保持电流基变超允许值通电流负反馈转速负反馈分析考虑限流作需起动堵转时起作正常运行时应电流着负载增减采电流截止负反馈方法电流定程度时接入电流负反馈限制电流电流正常时仅转速负反馈起作控制转速
23 直流调速系统调速方案分析较选择
调节电动机转速三种方法:
(1)调节电枢供电电压U
(2)减弱励磁磁通Φ
(3)改变电枢回路电阻R
求定范围级滑调速系统说调节电枢供电电压方式改变电阻实现级调速减弱磁通然够滑调速调速范围配合调压方案基速(额定转速)作范围弱磁升速动控制直流调速系统变压调速
变压调速直流调速系统方法调节电枢供电电压需专门控直流电源常控直流电源三种:
(1)旋转变流机组(简称GM系统)交流电动机直流发电机组成机组获调直流电压
(2)静止式控整流器(简称VM系统)静止式控整流器获调直流电压
(3) 直流斩波器脉宽调制变换器(简称PWM系统)恒定直流电源控整流电源供电利电力电子开关器件斩波进行脉宽调制产生变均电压
GM系统需设备体积费高效率低安装须基运行噪声维护方便现已基PWM系统VM系统相然较优越性仅中容量系统高动态应广泛功率容量电机中调速精度求高场合VM系统然适发挥着代作
24 VM系统工作原理分析
晶闸—电动机调速系统(简称V—M系统)原理图图11示图中VT晶闸控整流器通调节触发装置GT控制电压Uc移动触发脉相位改变均整流电压Ud实现滑调速提高系统动态性反联两组全控整流电路实现电机四象限运行
晶闸单导电性允许电流反系统逆运行造成困难
元件电压电流高dudtdidt十分敏感中指标超允许值短时间损坏元件
必须保护装置符合求散热条件选择元件时应足够余量
图11 V—M系统原理图
25设计参数选择
(1)电机参数选择
直流励电动机:功率PN=22KW额定电压UN220V额定电流IN125A nN1500rmin电枢电阻12 整流装置阻15触发整流环节放倍数35堵转电流界截止电流
(2)测速发电机
永磁式额定数231W110V021A1900rmin
(3)调速指标
①调速范围D20转差率S≤10
②转速超调σn≤10(额定转速时)
③动态速降 10%
④振荡次数 2 次
三带电流截止负反馈闭环直流调速系统回路选择
31 变压器参数计算选型
变压器副边电压采公式进行计算:
变压器变似:
次侧二次侧电流I1I2计算
I1105×287×086134575A
I20861×287247A
变压器容量计算
S1m1U1I13×380×75855kVA
S2m2U2I23×110×247815kVA
S05×(S1+S2)05×(855+815)835kVA
整流变压器参数:变K345容量S835KVA联结方式:⊿Y
32 电路元器件参数计算选型
321 电路结构选择
设计采桥式整流电路特点:输出电压高纹波电压子承受反电压较低电源变压器充分利效率高晶闸导通序次VT1VT2VT3VT4VT5VT6
图31三相桥式全控整流电路
322晶闸额定参数计算
晶闸额定电压通常选取断态重复峰值电压UDRM反重复峰值电压URRM中较标值作该器件额定电压考虑留定裕量般取额定电压正常工作时晶闸承受峰值电压2~3倍效值相等原晶闸额定电流般选取通态均电流15~2倍三相桥式全控整流电路中带纯阻性负载时晶闸两端承受峰值带反电动势负载时晶闸两端承受正反峰值晶闸通态均电流IVTId
(2~3)(2~3)I2IIVTI
IVT(AV) IVT157(15~2)
设计中晶闸额定电流IVT(AV)167~334A
晶闸额定电压UN539~1617V
323 波电抗器参数计算
VM系统中脉动电流会增加电机发热时产生脉动转矩机械产生利避免减轻种影响须采抑制电流脉动措施设计中采设置波电抗器方法
Ud234U2cos
UdUN220V 取0°
般取I dmin 电动机额定电流510里取10
U2
L0693
324 整流装置保护
类型电气设相晶闸元件优点晶闸伏安特性知元件反击穿电压较接运行电压热时间常数电压电流力差短时间电压电流造成元件发热损坏晶闸工作必须设置保护装置
(1)电压保护
图32示图常见三相RC电压抑制电路连接方式
①交流侧RC电压保护参数整定
公式C1≥3×6×Io×S1 (般取Io65)
3×6×65×((8553)×)
69μF
R1×23× S1×(般取5)
×23×( (8553) ×)×
11Ω(取1Ω)
图32三相RC电压抑制电路
②直流侧RC电压保护参数整定
C2≥6×Io×S2 (般取Io65)
6×65×((8153×)
88μF
R223× S2×(般取5)
23×((8153×))×
09Ω(取1Ω)
(2)电流保护
①保护变压器熔断器选择
式INFE(152)I1NF (式中I1NF变压器额定次电流75A)
熔体额定电流INFE(152)×75A(1125150)A
应选熔断器型号RM20200
②整流元件快速熔断器选择
式IN IVT(AV) 157(式中IVT(AV)取240A)
熔体额定电流IN2401571528A
快速熔断器型号RLS160
325晶闸触发电路选择
图33出常见三相桥式全控整流电路晶闸触发电路
三相全控整流调压电路求序输出触发脉次间隔60°设计采三相步绝式触发方式根单相步信号升降形成两步点分发出两相位互差180°触发脉然分属三相种电路组成脉形成单元输出6路脉补脉形成分配单元形成补脉序输出6路脉设计课题三相全桥控桥整流电路中六晶闸触发序次:VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6晶闸必须严格编号轮流导通6触发脉相位次相差60O选3KJ004集成块KJ041集成块形成六路双脉六晶体进行脉放构成三相全控桥整流电路集成触发电路图33
图33三相桥式全控整流电路集成触发控制电路
四带电流截止负反馈闭环直流调速系统控制电路设计
41控制电路结构选择
图41示带电流截止负反馈静差直流调速系统采例积分调节器实现静差采电流截止负反馈限制动态程击电流TA检测电流交流互感器整流电流反馈信号Ui电流超截止电流Idcr时Ui高稳压VS击穿电压晶体三极VBT导通PI调节器输出电压Uc接零电力电子变换器输出电压Ud急剧降达限流目改变调节电动机转速
图41静差直流调速系统原理图
图42示述静差调速系统理想静特性图实线示
图32 带电流截止静差直流调速系统静特性
<时系统静差静特性转速族水线
≥时电流截止负反馈起作静特性急剧垂基条垂直线
图33静差直流调速系统稳态结构图(<)
图44静差直流调速系统稳态结构图(≥)
42 转速环参数计算设计
(1)额定负载时稳态速降应
(2)求闭环系统应开环放系数
①计算电动机电动势系数
②开环系统额定速降
③闭环系统开环放系数
(3)计算转速负反馈环节反馈系数参数
①测速发电机电动势
②转速反馈电压(αα2Cetg α2取02)
×1500 02 ×00579×15001737V
③转速反馈系数
02×00579Vminr001158Vminr
(4) 计算运算放器放系数参数
①运算放器放系数
②运算放器型号
取R040KΩR1R0 411×40KΩ16437KΩ
43电流截止负反馈环节参数计算设计
431 电流检测反馈
直流调速系统中电流截止负反馈电流检测环节图45示电流反馈信号取串入电动机电枢回路中阻值电阻RsIdRs正电流设Idcr界截止电流电流Idcr时电流负反馈信号加放器输入端电流Idcr时电流反馈切断实现作须引入较电压图45a中独立直流电源作较电压电位器调节相调节截止电流IdRsUcom间串联二极VDIdRs>Ucom时二极导通电流负反馈信号Ui加放器IdRs≤Ucom时二极截止Ui消失截止电流IdcrUcom Rs
图45b中利稳压VS击穿电压Ubr作较电压线路简单滑调节截止电流
(a)利独立直流电源作较电压 (b)利稳压产生较电压
图45电流截止负反馈电流检测环节
选择利独立电源作较电压环节 见图45a
432电流检测环节参数计算
①堵转电流
应电机允许电流般Idbl ≤2IN取
Idbl 2 IN2×12525A(已知IN 125A)
②截止电流IdcrUcom Rs
调速系统稳态性希稳态范围足够截止电流应电机额定电流般取Idcr ≥12IN 取
Idcr12 IN12×12515A(已知IN 125A)
式①式②求出
Rs105Ω1575V
44 系统动态分析设计
图43反馈控制闭环直流调速系统动态结构框图环节传递函数系统中相互关系组合起
图43反馈控制闭环直流调速系统动态结构框图
开环传递函数
系统闭环传递函数劳斯判系统稳定条件
计算系统中环节时间常数:(已知L3723mH)
电磁时间常数
机电时间常数
三相桥式整流电路晶闸装置滞时间常数
保证系统稳定开环放系数应满足稳定条件
K1241≤59482闭环系统稳定
系统开环传递函数:
45 调节器参数计算设计
作调速系统动态校正装置该直流调速系统静差调速系统常采PI调节器实现线路图46示
图 46 PI调节器线路图
PI调节器传递函数
PI调节器例放系数 PI调节器积分时间常数
PI调节器阻容具体参数计算:
已知411R040KΩ取005
×411×401644 KΩ
00540×125μF
五带电流截止负反馈闭环直流调速系统总电气原理图
六课程设计总结
通次课程设计带电流截止负反馈闭环直流调速系统分析设计更加深刻认识理解学工作坚实基础更步掌握基工程设计步骤方法明白:学课堂学里老师重点难点专业知识梳理遍指出学正确方学中少走弯路基基础知识学查阅相关书籍手册外充分利身边网络资源更帮助学巩固牢专业知识然学中养成勤学问惯必日工作学中定严格求事实求脚踏实想作名学生必备素质扎实牢固专业知识结合实际应具体实践检验真理发现真理
七参考文献:
[1] 电力拖动动控制系统:运动控制系统陈伯时编机械工业出版社2003
[2] 电力电子技术王兆安刘进军编机械工业出版社2009
[3] 电力拖动动控制系统设计手册朱仁初机械工业出版社
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