VM双闭环不可逆直流调速系统设计

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1、武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：自动化学院题目: V-M双闭环不可逆直流调速系统设计初始条件：1技术数据及技术指标：直流电动机：P=60KW,U=220V,I=308A ,n=1000r/min,NNNN 最大允许电流I=1.5I ,Ndbl三相全控整流装置：K=35 ,s 电枢回路总电阻R=0.18 ，电动势系数：C=0.196V . min/re 系统主电路：T=0.17s， T=0.012slm 滤波时间常数：T=0.0025s, T=0.015s,onoi* =8V,UU 其他参数： U=8V =8V,cmnmim 5%

2、 , 10%ni要求完成的主要任务 :1技术要求：(1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（ D10 ），系统在工作范围内能稳定工作(2) 系统在 5% 负载以上变化的运行范围内电流连续2设计内容：(1) 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图(2) 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算 （包括有变压器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等）(3) 动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定 ASR 调节器与 ACR 调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的

3、要求(4) 绘制 V-M 双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图）(5) 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书时间安排：武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书课程设计时间为一周半，共分为三个阶段：（ 1） 复习有关知识，查阅有关资料，确定设计方案。约占总时间的20%（ 2） 根据技术指标及技术要求，完成设计计算。约占总时间的40%（ 3） 完成设计和文档整理。约占总时间的 40%指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：日月年武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书摘要转速，电流双闭环控制直流调速系统是性能很好，应用最广泛的直流调速系统。根据晶闸管特

4、性， 通过调节控制角大小来调节电压。 基于设计题目， 本文中直流电动机调速 控制器选择了转速、电流双闭环调速控制电路。在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。 重点设计了直流电动机调速控制电路，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用， 在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流， 即分别引入转速负反馈和电流负反馈， 二者之间实行嵌套连接。这就形成了转速、电流的双闭环调节系统。依次确定电流调节器，转速调节器，主电路及控制电路等的参数及元件选择，最后完成设计。关键词：双闭环转速调节器电流调节器武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书目录V-M双闭环不可逆直流调速系统设计 .1

5、1 概述 .12 理论设计 .22.1 方案论证 .22.2.1电流调节器设计 .32.2.2速度调节器设计 .53 系统主电路设计 .83.1 主电路原理图及说明 .83.2 主电路参数计算及选型 .93.2.1变压器参数的计算 .93.2.2平波电抗器的参数计算 .103.2.3 晶闸管整流元件参数的计算 .113.2.4保护电路的选择 .114 总结与体会 .13参考文献.14附录.15.武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书V-M双闭环不可逆直流调速系统设计1 概述直流电动机因具有良好的起、 制动性能， 宜用于在大范围内平滑调速， 在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了

6、广泛的应用。 晶闸管问世后， 生产数成套的晶闸管整流装置， 组成晶闸管 - 电动机调速系统 （简称 V-M 系统）。采用速度、电流双闭环直流调速系统， 可以充分利用电动机的裹在能力获得最快的动态过程，调速范围广，精度高，和选择变流机及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大的提供， 而且在技术性能上也显示出较大的优越性， 动态和静态性能均好， 且系统易于控制。 双闭环系统的转速环用来控制电动机的转速， 电流环控制输出电流； 该系统可以自动限制最大电流， 能有效抑制电网电压波动的影响； 而且采用双闭环控制提高了系统的阻尼比， 因而较之单闭环控制具有更好的控制特性。尽管当

7、今功率半导体变流技术已经有了突飞猛进的发展，但在工业生产中 V-M 系统的应用还是有相当的比重。1武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书2 理论设计2.1方案论证直流电动机因具有良好的起、 制动性能， 宜于在大范围内平滑调速， 在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛应用。 晶闸管问世后， 生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管电动机调速系统（简称 V -M 系统）。采用速度、电流双闭环直流调速系统 ,可以充分利用电动机的过载能力获得最快的动态过程，调速范围广，精度高，和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高， 而且在技术性能上也

8、显示出较大的优越性， 动态和静态性能均好， 且系统易于控制。 双闭环系统的转速环用来控制电动机的转速， 电流环控制输出电流； 该系统可以自动限制最大电流， 能有效抑制电网电压波动的影响； 且采用双闭环控制提高了系统的阻尼比， 因而较之单闭环控制具有更好的控制特性。转速，电流双闭环直流调速系统原理如图2.1 所示。2.1转速电流双闭环直流调速系统原理图图该电路能为电动机负载提供稳定可靠在直流侧串有平波电抗器， 本设计采用三相全控桥整流电路，并在直流电路侧安置了保护装置保证各元件能安全的工的电源，利用控制角的大小可有效的调节转速，个调速系统具有很好的动态性能和稳态性能。作，同时由于使用了闭环控制，

9、使得整2武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书2.2系统设计按照“先内环后外环”的设计原则，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环节中的一个环节， 再设计转速调节器。双闭环调速系统的实际动态结构图如图 2.2 所示。双闭环调速系统的动态结构图图2.2电流调节器设计所示为点画线框内是电流环的动态结构框图，其中，反电动势与电流反馈的作 3 如图用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对 TT，因此，转速电流环的影响。在一般情况下，同的电磁时间常数远小于机电时间常数 lm 的变化往往比电流变化慢得多。 对电流

10、环来说， 反电动势是一个变化较慢的扰动， 在电流。这样，在按动态性能设计电流环的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变， 即 0E 可以暂时把反电动势的作用去掉， 可以暂不考虑反电动势变化的动态影响。也就是说，时， 所示。得到忽略电动势影响的电流环近似结构图，如图 2.32.3 图忽略反电动势的电流环动态结构图3武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书如果把给定滤波和反馈滤波同时等效的移到环内前向通道上，再把给定信号改成* (sU)i，则电流环变等效成单位负反馈系统。由于和一般都比小得多，可以当作小 TTTlois惯性群而近似的看作是一个惯性环节，其时间常数为，则电流环结构图最终化T T T

11、oi is 简图如图 2.4 所示。小惯性环节近似处理后电流环简化动态结构图图2.4）确定时间常数（ 1 。根据已知数据得电磁时间常数s0.012T l ，三相桥式晶闸管整流电路的平均滞后时间s0.0017T ss 0.0025T 和数之小时间常，可得电间电流反馈滤波时常数流和oi s0.0042T TT。 ois i ）选择电流调节器结构（ 2 5% 型系统设计电流调节器。 I 根据设计要求，并且保证稳态电流无差，可按典型 i 电流环控制对象是双惯性型的，因此可以用比例积分型电流调节器，其传递函数为 1) sK(ii。 s)(WACR si 型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以，参看典型 I

12、检查对电源电压的抗扰性能：接受的。 3 ）计算电流调节器参数（ s0.012T 。电流调节器超前时间常数： li0.5T K 5% 可知，应取电流环开环增益： 要求，因此又有时，按下表 iiI 0.50.5 1sK119.05I T0.0042i 4武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书的比例系数为于是， ACR RK 0.18iI 0.425Ki35 K 0.0173s* U8 im 其中，电流反馈系数A0.0173VN（4）校验近似条件1电流环截止频率： s K 119.05Ici 1) 校验晶闸管整流装置传递函数的条件11 1满足近似条件196.1sci3T 30.0017s2)

13、校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件11 1满足近似条件379.06s 3ciTT0.120.012lm3) 校验电流环小时间常数近似处理条件11111满足近似条件161.69sci3TT30.0017 0.0025ois（5）计算调节器电阻和电容R 40k ，各电阻和电容值计算如下： 按所用运算放大器取0 RKR 0.34 40 13.6k取k13.50ii 0.012 i 取F0.9F 0.889 Ci313.5R 10i 4T4 0.0025oi取F0.25FC 0.25oi310 R4004.3% 5%，满足设计要求。电流环可以达到的动态跟随性能指标为按照上述参数，i速度调节器设

14、计（1）确定时间常数1KT 0.5，则。由电流调节器设计参数可知）电流环等效时间常数1iI K I 5武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书1 s0.0084 0.00422T 2i K I。由技术数据及技术指标，2）转速滤波时间常数Ton s 0.015Ton 。按小时间常数近似处理，取3）转速环小时间常数Ton1Tonn K I 2 ）选择转速调节器结构（PI 调节器，其传递函数为按照设计要求，选用1)sK( nn )(SWASRsn 所示。整个转速控制系统的动态结构图如图2.5图 2.5 转速环的动态结构图（ 3）计算转速调节器的参数 ASR的超前时间常数为按跟随和抗扰性能都较好的

15、原则，取 , 则 5hs0.1175 0.0234hT nn转速环开环增益115 h 2 sK 219.15N22220.02345T2h2n 又由于* U8nm0.0081000nmax6武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书ASR的比例系数为C1)T(h 6 0.0173 0.196 0.17me 10.26Kn RT2 5 0.0082h 0.18 0.0234n （ 4）检验近似条件转速环截止频率为K 1N s25.64 219.15 0.117KnNcn11） 电流环传递函数简化条件bmax308 0.18 C nT0.0234K1119.051 I满足简化条件56.12cn3

16、T30.0042i 2） 转速环小时间常数近似处理条件K11119.05 I满足近似条件29.70cn3T30.015on（5）计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如图2.6 所示，取，则R40k0型转速调节器 2.6 含给定滤波与反馈滤波的PI 图 k 410.57R 10.26 40KR 400k取0nn 0.117nF C 0.266 F0.25取n310440R nT40.015 4 on1.5C F1.5 取on3R40 1007武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书）校核转速超调量 （6 是按线查得， 2，不能满足设计要求。实际上，由于表当 h=5 时，由表 237.6% n

17、 退 ASR 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 饱和的情况重新计算超调量。 查得，则 3 当时，由表 81.2%CC5h0.196nNmax9.48%10% 2 81.2%2()(z)1.5n* CnT10000.17mb能满足设计要求。3 系统主电路设计3.1 主电路原理图及说明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 3.1 所示，习惯将其中阴极连接在一起到 3 个晶闸管（， , ）称为共阴极；阳极连接在一起的 3 个晶闸管 VTVTVT 531VTVTVT

18、）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 642VTVTVT , 个晶体管分别是按图示的顺序编号， 即共阴极组中与 a,b,c 三相电源相接的 3, 531VTVTVT 。, , 三相电源相接的共阳极组中与 a,b,c3 个晶闸管分别是 624图 3.1 主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 8武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书共阴极组的， 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的顺序相为位依次相差；共阴极组的脉冲依次差，60 120 共

19、阳极组也依次差 ;同一相的上下两个桥臂即与，与，与脉冲相VTVTVTVTVTVT 120516342 差。 1803）整流输出电压一周期脉动 6 次，每次脉动的波形都一样。 Ud 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。为了使元件免受在突发情况下超过其所承受的电压电流的侵害， 在三相交流电路的交、直流侧及三相桥式整流电路中晶闸管中电路保护有电压、 电流保护。一般保护有快速熔断器，压敏电阻，阻容式。3.2 主电路参数计算及选型变压器参数的计算在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致。 此外，为了尽量减小电

20、网与晶闸管装置的相互干扰， 要求它们相互隔离， 故通常要配用整流变压器，这里选用的变压器的一次侧绕组采用 连接，二次侧绕组采用 Y 连接。SUI 为一次侧为整流变压器的总容量，为一次侧电压，为变压器一次侧的容量， S111mmUIS 为相数，为二次侧电压， 、电流，为变压器二次侧的容量，为二次侧电流， 12222 以下就是各量的推导计算过程。为了保证负载能正常工作， 当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后，晶 U 只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器次级电闸管交流侧的电压 2 U。 压 2 变压器副边电压的计算公式为：1)nU1U r(TaNU2CU%k)BA (10

21、00.9,U 1V,n%Ccos300.866, 0.5,U 5, 2 2.34,ABcos,式中， Tk IR308 0.18N0.252 raU220N9武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书则由以上参数可以求出2201 0.252(1.5 1) 2 V 143.84U22.34(0.9 0.866 0.5 0.05 1.5)这里取。V150U 2 一次侧和二次侧电流的计算：3U3 220 12.54k U1502I377.222148.51I A1k2.5422A377.22308 II 1.5 N233 变压器容量的计算：KVA169.77148.51 220 3 SmUI 3

22、1111KVA 169.75 150 377.22S mUI32222U U169.77 169.7521169.76KV ASn223.2.2平波电抗器的参数计算整流输出的平均电压值cos2.34U U2d，。 取V UU2200Nd 则U220d94.02VU22.342.34cos 最小的电枢电流值：I 0.1I0.1 308 30.8A Nd 平波电抗器的电感值为：U94.022 0.693 2.12 L 0.693mHI30.8d 10武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书晶闸管整流元件参数的计算晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压，考虑到电网电压的波 Um 动

23、和操作过电压等因素，还要放宽23 倍的安全系数，即按下式选取V1102.276 734.85150 (23) 63)U (2U (23) U2mTN 为使晶闸管元件不因过热而损坏，需要按电流的有效值来计算其电流额定值。 即必须使元件的额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。可按下式计算IK2)I(A (1.5maxTVfb 时，三相全控桥电路，故计算的晶闸管额定电流为当0 0.368 K fb K (IA )(1.52)I(1.52)0.368maxfbTV 保护电路的选择（1）过电压保护通常分为交流侧和直流侧电压保护。 前者常采用的保护措施有阻容吸收装置、 硒堆吸收装置、金属氧化物压

24、敏电阻。这里采用金属氧化物压敏电阻的过电压保护。压敏电阻是有氧化锌， 氧化铋等烧结制成的非线性电阻元件， 它具有正反相同很陡的伏安特性，正常工作是漏电流小，损耗小，而泄放冲击电流能力强，抑制过电压能力强，此外，它对冲击电压反映快，体积又比较小，故应用广泛。在三相的电路中，压敏电阻的接法是接成星形或三角形如图3.2 所示。图 3.2二次侧过电压压敏电阻保护压敏电阻额定电压的选择可按下式计算：11武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书U 压敏电阻承受的额定电压峰值mA190.80、200V 压敏电阻的额定电压，VYJ 型压敏电阻的额定电压有：100V- 式中 UmA1 。压敏电阻承受的额定电

25、为电网电压升高系数， 可取、 760V、1000V 等；440 压峰值就是晶闸管控制角）转化成时输出电压。由此可将式（ 1-6U 30 d 05.1 s6UcoU21mA9.00.831.05可得 V417.63150U371.23 6mA 1 440V 型压敏电阻。所以压敏电阻额定电压取）过电流保护（ 2在本设计中，选用快速熔断器与电流互感器配合进行三相交流电路的一次侧过电流保 如下：护，保护原理图3.3一次侧过电流保护电路3.3 图）熔断器额定电压选择： 其额定电压应大于或等于线路的工作电压。 本课题设计中 1 。380V，熔断器额定电压可选择 400V 变压器的一次侧的线电压为）熔断器额

26、定电流选择：其额定电流应大于或等于电路的工作电流。 本课题设计中变 2 压器的一次侧的电流 A148.51 I 1熔断器额定电流 1FU 在三相交流电路变压器的一次侧的每一相上串上一个熔断器， 按本课 3-4 因此，如图 。 240A400V 题的设计要求熔断器的额定电压可选，额定电流选12武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书4 总结与体会本次设计是针对双闭环直流电机调速系统的设计， 主要工作是设计直流调速控制器的电路，设计的电路都是模拟电路， 同时相应地介绍了器件的保护、 电流调调节器、转速调节器以及晶闸管的触发电路的设计过程， 通过借用图书馆的书籍以及通过网络上的搜索， 查阅了许多

27、关于本设计的书籍和资料对该电路的设计有了较为深入的研究， 也进一步熟悉了双闭环直流调速系统的结构形式、 工作原理及各个器件的作用和设计。本设计在有限的条件下和本人有限的学识， 做出的设计还是存在着一些不足。 本设计采用 PI 调节器，输出的转速存在这超调量比较大，而且快速性也相对受到影响。则今后可以采用 PID调节器可以全面的提高系统的控制性能， 但是具体实现与调试要复杂， 做的工作比现在就更多。 设计研究是一个漫长的过程， 要想让它真正的使用到现实中，还需要不断的改善。13武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书参考文献1 陈伯时 .电力拖动自动控制系统运动控制系统（第三版） .北京：机

28、械工业出版社， 20032 王兆安，黄俊 .电力电子技术 .北京：机械工业出版社， 20063 高学民 .电力电子与变流技术 .山东：山东科学技术出版社， 20054 杨耕 ,罗应力 .电机与运动控制系统 .北京 :清华大学出版社 ,2006.35 李华德 , 李擎 ,白晶 .电力拖动自动控制系统 .北京 :机械工业出版 ,2009.214武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书附录表 1典型 I 型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关阻尼0% 1.5% 4.3% 9.5% 16.3%超调量 t 上升时间6.6T 4.7T 3.3T 2.4Trt峰值时间3.6T8.3T4.7T

29、6.2Tp相角稳定裕度截止频率0.786/T0.455/T0.596/T0.243/T0.367/TcM 型系统阶跃输入跟随性能指标（按准则确定参数关系）典型表2 IIminrh34567891052.60%43.60%37.60%33.20%29.80%27.20%25.00%23.30%t/Tt/Tkrs2.42.652.8533.13.23.33.3512.1511.659.5510.4511.312.2513.2514.232211111表 3典型 II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系h345678910C/Cbmax72.20%77.50%81.20%84.00%86.30%88.10%89.60%90.80%t/T m2.452.702.853.003.153.253.303.40t/T v13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.8515武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书V -M 双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图16