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直流電動機調(diào)速控制器設計-文庫吧資料

2024-12-14 00:53本頁面
  

【正文】 Nd a x ???? ? ( 39) AII dVT ?? ( 310) 由此可求出晶閘管的額定電流,其公式為: ~)2~()( ?? VTAVT II ( 311) 可以取額定電流為 50A。 再確定晶閘管額定電流 IT(AV),額 定電流有效值大于流過元件實際電流的最大有效值。選擇晶閘管元件主要是選擇它的額定電壓 UTM 和額定電流 IT(AV)。 對于本設計 KI2取 ,且忽略變壓器一二次側(cè)之間的能量損耗,故 AIKI NI ?????? ? ( 34) 根據(jù)整流變壓器的特性,即 m1U1I1=m2U2I2 , m取 3,所以 U1I1=U2I2,所以整流變壓器的容量為: 1 2 1 1 1 2 2 2 2 2 211( ) ( )22S S S m U I m U I m U I? ? ? ? ? ( 35) K V AIUmS ????? ( 36) 設計時留取一定的裕量,可以取容量為 30KVA 整流變壓器。所以變流變壓器的平均容量為 )(2121 SSS ??。而一次相電流有效值 )//( 2121 UUII ? ,所以一次側(cè)容量 2222 IUmS ? 。實際選取為標準變壓器時可以通過改變線圈匝數(shù)來實現(xiàn)。 對于本設計:為了保證電動機負載能在額定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn) ,計算所得 U2應有一定的裕量 ,根據(jù)經(jīng)驗所知 ,公式中的控制角 α應取 300為宜。 nUT表示主電路中電流經(jīng)過幾個串聯(lián)晶閘管的管壓降。 綜合以上因素得到的 U2精確表達式為: m a x2m a x[1 ( 1 ) ]%[]100dN a TddKdIU r n UIUICUABI?? ? ???? ( 31) 式中 20UUA d? 表示當控制角 ??0? 時,整流電壓平均值與變壓器次級相電壓有效值之比; 0ddUUB ?? 表示控制角為 ? 時和 ??0? 時整流電壓平均值之比; 武漢理工大學 畢業(yè)設計(論文) 15 C 是與整流主電路形式有關的系數(shù); UK%為變壓器的短路電壓百分比, 100 千伏安以下的變壓器取 UK%=5, 100~ 1000千伏安的變壓器取 UK%=5~10; ? 為電網(wǎng)電壓波動系數(shù)。 (4)平波電抗器有一定的直流電阻,當電流流經(jīng)該電阻時就要產(chǎn)生一定的電壓降。 (2)晶閘管并非是理想的可控開關元件,導通時有一定的管壓降,用 VT表示。 為了保證負載能正常工作,當主電路的接線形式和負載要求的額定電壓確定之后,晶閘管交流 側(cè)的電壓 U2 只能在一個較小的范圍內(nèi)變化,為此必須精確計算整流變壓器次級電壓 U2。 武漢理工大學 畢業(yè)設計(論文) 14 3 主電路各器件的選擇和計算 交 流變壓器容量的計 算和選擇 在一般情況下,晶閘管裝置所要求的交流供電電壓與電網(wǎng)電壓往往不一致;此外,為了盡量減小電網(wǎng)與晶閘管裝置的相互干擾,要求它們相互隔離,故通常要配用整流變壓器,這里選項用的變壓器的一次側(cè)繞組采用△聯(lián)接,二次側(cè)繞組采用 Y聯(lián)接。 由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波,因此也需要濾波,濾波時間常數(shù)用表 onT 示。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示,其濾波時間常數(shù)按需 oiT 要選定,以濾平電流檢測信號為準然而,在抑制交流分量的同時,濾波環(huán)節(jié)也 延遲了反饋信號的作用,為了平衡這個延遲作用,在給定信號通道上加入一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié),稱作給定濾波環(huán)節(jié)。 To nS + 11To iS + 11TsS + 1Ks+ 1TlS + 11 / RTmSRCe1To iS + 1βTo nS + 1αA S R A C RUn*UnnUiUd 0Id L 圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 oiT — 電流反饋濾波時間常數(shù) onT — 轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù) 在實際動態(tài)系統(tǒng)中,常增加濾波環(huán)節(jié),包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。按照 PI 調(diào)節(jié)器的特性,只有使轉(zhuǎn)速超調(diào), ASR 的輸入偏差電壓為負值,才能使 ASR 退出飽和。②準時間最優(yōu)控制即武漢理工大學 畢業(yè)設計(論文) 13 恒流升速階段,電流保持恒定,一般選擇為允許的最大值,以便充分發(fā)揮電機的過載能力,是起動過程盡可能的最快。當 ASR 飽和時,轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán),系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng);當 ASR 不飽和時,轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán),整個系統(tǒng)是一個無靜差調(diào)速系統(tǒng),而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動系統(tǒng)。在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況,抗擾動性能包括抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。 Id NId m0n0nCABId 圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 dmd II ? ASR主導,表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差 dmd II ? ACR主導,表現(xiàn)為電流無靜差(過電流保護) 動態(tài)數(shù)學模型 如下圖 表示雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)框圖,圖中 )(sWASR 和分別 )(sWACR表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。 這樣的靜特性顯然比帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的點電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。因此,對于靜特性來說,只有調(diào)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種狀況: ( 1)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和:穩(wěn)態(tài)時,他們的輸入偏差電壓都是零,因此 0* nUn n ?? ? 而得到下圖 靜特性的 CA 段。即 PI 的作用使輸入偏差電壓 U? 在穩(wěn)態(tài)時總為零。即飽和調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系,相當于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。 A S R A C RβKsα1 / CeRU n * U i *U iU cU d 0 E nId+ + + 圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 α — 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 。當輸出未達到飽和時,穩(wěn)態(tài)的輸入偏差電壓總是為零。 武漢理工大學 畢業(yè)設計(論文) 11 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和動態(tài)數(shù)學模型 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性,必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖,如下圖 所示。當負載電流達到 Idmax 后,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和,電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用,系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差,得到過電流的自動保護。后面需要調(diào)節(jié)器提 PI 供多么大的輸出值,它就能提供多少,直到飽和為止。 為了獲得良好的靜、動態(tài)性能,雙 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器都采用 PI 調(diào)節(jié)器。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看,電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面,叫內(nèi)環(huán);轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外邊,叫做外環(huán)。如下圖 武漢理工大學 畢業(yè)設計(論文) 10 圖 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 (注 : ASR—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR—電流調(diào)節(jié)器 TG—直流測速發(fā)電機 TA—電流互感器 UPE—電力電子裝置 Un*—轉(zhuǎn)速給定電壓 Un—轉(zhuǎn)速反饋電壓 Ui*—電流給定電壓 Ui —電流反饋電壓) 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用,在系統(tǒng)中設置了兩個調(diào)節(jié)器,分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,二者之間實行串級聯(lián)接,如圖 所示。這就要求一個電流調(diào)節(jié)器來完成這個任務。上述設想提出一個理想的啟動過程曲線 , 其特點是在電機啟動時 , 啟動電流很快加大到允許過載能力值 Idm, 并且保持不變 , 在這個條件下 , 轉(zhuǎn)速 n 得到線性增長 , 當開到需要的大小時 , 電機的電流急劇下降到克服負載所需的電流 Ifz值 ,對應這種要求可控硅整流器的電壓在啟動一開始時應為 ?RIdm , 隨著轉(zhuǎn)速 n 的上升 , nCRIU edm ?? ? 也上升 , 達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時 , nCRIU efz ?? ? 。從圖 啟動電流變化的波形可以看到 , 電流只在很短的時間內(nèi)就達到了最大允許值 Idm, 而其他時間的電流均小于此值 , 可 見在啟動過程中 ,電機的過載能力并沒有充分利用。波形的峰值正好達到直流電動機所允許的最大沖擊電流 Idm, 其啟動時間為 t1。但是 , 任何調(diào)速系統(tǒng)總是需要啟動與停車的 , 從電機能承受的過載電流有一定限制來看 , 要求啟動電流的峰值不要超過允許數(shù)值。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)使用了一個比例積分調(diào)節(jié)器組成速度調(diào)節(jié)器可以得到轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)節(jié)。 70 年代以來 , 在我國的冶金、機械、制造以及印染工業(yè)等領域得到日益廣泛的應用。 為了使元件免受在突發(fā)情況下超過其所承受的電壓電流的侵害,電路中加入了過電壓、過電流等保護裝置。主電 路原理圖如圖 所示 武漢理工大學 畢業(yè)設計(論文) 8 三相全控制整流電路由晶閘管 VT VT VT5 接成共陰極組,晶閘管 VTVT VT2 接成共陽極組,在電路控制下,只有接在電路共陰極組中電位為最高又同時輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管,以及接在電路共陽 極組中電位最低而同時輸入觸發(fā)脈沖的晶閘管,同時導通時,才構(gòu)成完整的整流電路。當整流負載容量較大或直流電壓脈動較小時應采用三相整流電路,其交流側(cè)由三相電源供電。 圖 直流斬波器 電動機系統(tǒng)原理圖 圖 波形圖 因此,根據(jù)本設計的要求應選擇第二個可控直流電源。如此反復,得到電樞端電壓波形 )(tfu? ,如圖 所示 ,好像是 電源電壓 US 在 ton時間內(nèi)被接上 ,又在 (Tton)時間內(nèi)被斬斷 ,故稱“斬波”。 直流斬波器 電動機系統(tǒng)的原理圖示于圖 ,其中 VT 用開關符號表示任何一種電力電子開關器件, VD 表示續(xù)流二極管。通過調(diào)節(jié) 觸發(fā) 裝置 GT 的控制電壓 Uc來移動觸 發(fā)脈沖的相位,即可改變平均整流電壓 Ud,從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。 機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在 20 世紀 60 年代以前曾廣泛地使用著,但該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機組,至少包含兩臺與調(diào)速電動機容量相當?shù)男D(zhuǎn)電機還要儀態(tài)勵磁發(fā)電機,因此設備多,體積大,費用高,效率低。最后是用 MATLAB/SIMULINK 對整個調(diào)速系統(tǒng)進行了仿真分析。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在突加給定下的跟隨性能、動態(tài)限流性能和抗擾動性能等,都比單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)好。轉(zhuǎn)速負反饋環(huán)為外環(huán),其作用是保證系統(tǒng) 的穩(wěn)速精度。所以對晶閘三相交流電源 三相橋式整流電路 直流電動機 整流 供電 雙閉環(huán)直流調(diào)速機 驅(qū)動電路 保護電路 武漢理工大學 畢業(yè)設計(論文) 5 管的觸發(fā)電路也是重點設計。驅(qū)動電路對半控型只需要提供開通控制信號。驅(qū)動電路的基本任務,就是就將信息電子電路穿來的信號按照其控制目標的要求,轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間,可以使其開通或關斷的信號。 驅(qū)動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口,是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié),對整個裝置的性能有很大的影響。根據(jù)不同的器件和保護的不同要求采用不同的方法。 圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設計總框架 三相交流電路的交、直流側(cè)及三相橋式整流電路中晶閘管中電路保護有電壓、電流保護。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設計框圖 直流電機的供電需要三相直流電,在生活中直接提供的三相交流 380V電源,因此要進行整流,則本設計采用三相橋式整流電路變成三相直流電源,最后達到 要求把電源提供給直流電動機。 2. 負載電機額定數(shù)據(jù): KWPN 10? , VUN 220? , AIN ? , min/1500 rnN ? ,?? , ?? 。(建立傳遞函數(shù)方框圖),并研究參數(shù)變化時對直流電動機動態(tài)性能的影響。 4.動態(tài)設計計算:根據(jù)技術(shù)要求,對系統(tǒng)進行動態(tài)校正,確定 ASR 調(diào)節(jié)器與 ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)形式及進行參數(shù)計算,使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定,并滿足動態(tài)性能指標的要求。 2. 調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計算(包括有變壓器、電力電子器件、平波電抗器與保護電路等)。 6. 主電路采用三項全控橋。 4. 系統(tǒng)在 5%負載以上變化的運行范圍內(nèi)電流連續(xù)。 3. 動態(tài)性能指標: 空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的 轉(zhuǎn)速超調(diào)量 %10?n? ,電流超調(diào)量%5?i? , 過載倍數(shù) ? =,取電流反饋濾波時間常數(shù) ? ,轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù) ? 。 設計內(nèi)容和要求 設計要求 1. 該調(diào)速系統(tǒng)能進行平滑地速度調(diào)節(jié),負載電機不可逆運行,具有較寬地轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍( 10?D ),系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能 穩(wěn)定工作。若事先深入研究低階典型系統(tǒng)的特性并制成圖表,那么將實際系統(tǒng)校正或簡化武漢理工大學 畢業(yè)設計(論文) 3 成 典型系統(tǒng) 的形式再與圖表對照,設計過
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