电力拖动与控制系统课程设计-V-M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学 号： 0121111350606课 程 设 计题 目V-M双闭环不可逆直流调速系统设计1学 院自动化专 业电气工程及其自动化班 级电气1106班姓 名指导教师2014年6月9日摘要V-M双闭环不可逆直流调速系统的性能比较稳定，是现在应用比较广泛的调速系统，根据晶闸管特性，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

2、，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： 直流调速系统 双闭环不可逆 电流调节器 转速调节器课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 电气1106班 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1 初始条件：1技术数据及技术指标： 直流电动机：PN=60KW , UN=220V , IN=308A , nN=1500r/min ,最大允许电流 Idbl=1.5IN , 三相全控整流装置：Ks=35 ,电枢回路总电阻 R

3、=0.18 ，电动势系数：Ce=0.196V.min/r系统主电路：Tm=0.12s ，Tl=0.012s滤波时间常数：Toi=0.0025s , Ton=0.015s,其他参数：Unm*=8V , Uim*=8V , Ucm=8V i5% , n10%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

4、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：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

5、教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录1 理论设计11.1 方案论证11.2 系统设计21.2.1 电流调节器设计21.2.2 速度调节器设计52 系统主电路设计92.1主电路原理图及说明92.2主电路参数计算及选型92.2.1 平波电抗器的参数计算92.2.2 变压器参数的计算102.2.3晶闸管整流元件参数的计算112.2.4 保护电路的选择123 总结与体会13参考文献14附录151 理论设计1.1 方案论证速度和电路双环直流调速系统是由单闭环直流调速系统发展起来的，调速系统使用比例积分调节器，可以实现转速的无静差调速。又采用电流截止负载环节，限制了起制动时的最

6、大电流。这时一般的要求不太高的调速系统基本上已经可以满足要求。但是由于电流截止负反馈限制了最大电流，加上电动机反电势随着转速的上升而增加，使电流达到最大值后迅速下来，这样，电动机的转矩也减小了，使启动加速过程变慢，启动时间就比较长。在这些系统中为了尽快最短过度时间，所以希望能够充分利用晶闸管元件和电动机所允许的过载能力，使启动的电流保护在最大允许值上，电动机输出最大转矩，从而转速可直线迅速上升，使过度过程的时间大大缩短。另一方面，在一个调节器输出端综合几个信号，各个参数互相调节比较困难。为了克服这一缺点，选择应用转速，电流双闭环直流调速系统。转速，电流双闭环直流调速系统原理如图1-1所示。图1

7、-1 转速电流双闭环直流调速系统原理图本设计采用三相全控桥整流电路，在直流侧串有平波电抗器，该电路能为电动机负载提供稳定可靠的电源，利用控制角的大小可有效的调节转速，并在直流电路侧安置了保护装置保证各元件能安全的工作，同时由于使用了闭环控制，使得整个调速系统具有很好的动态性能和稳态性能。1.2 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1-2所示。图1-2 双闭环调速系统的动态结构图1.2.1 电流调节器设计1.2.1.1电流环结构框图的化如图

8、3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，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，同的电磁时间常数Tl远小于机电时间常数Tm，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E0。这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响。也就是说，可以暂时把反电动势的作用去掉，得到忽略电动势影响的电流环近似结构图，如图1-3所示。图1-3 忽略反电动势的电流环动态结构图如果把给定滤波和反馈滤波同时等效的移到环内

9、前向通道上，再把给定信号改成Ui*(s)/，则电流环变等效成单位负反馈系统。由于Ta和Toi一般都比Tl小得多，可以当作小惯性群而近似的看作是一个惯性环节，其时间常速为Ti=Ts+Toi，则电流环结构图最终化简图如图1-4所示。图1-4 小惯性环节近似处理后电流环简化动态结构图1.2.1.2确定时间常数根据已知数据得电磁时间常数Tl=0.012s。三相桥式晶闸管整流电路的平均滞后时间Ts=0.0017s，电流反馈滤波时间常数Toi=0.0025s，可得电流时间常数之和Ti=Ts+Toi=0.0042s。1.2.1.3选择电流调节器结构根据设计要求i5%，并且保证稳态电流无差，可按典型I型系统设

10、计电流调节器。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WACRs=Ki(i+1)is。检查对电源电压的抗扰性能：TlTi0.0120.00422.86，参看典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。1.2.1.4 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：i=Tl=0.012s。电流环开环增益：要求i5%时，按下表 可知，应取KITi=0.5，因此KI=0.5Ti119.0s-1又有=Uim*Idm=81.5308=0.017于是，ACR的比例系数为Ki=KIiRKs=1190.0120.183081.5358=0.4241.2.1.5 校验近似条件电流

11、环截止频率：ci=KI=119.s-11) 校验晶闸管整流装置传递函数的条件13Ts=1(30.0017)=196.1s-1ci 满足近似条件2) 校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件31TmTl=31(0.120.012)=79.1s-1ci 满足近似条件1.2.1.6 计算调节器电阻和电容电流调节器原理图如图 所示，按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值计算如下：Ri=KiR0=0.42440= 16.96k 取17kCi=iRi=0.01240000=0.30F 取0.30 FCoi=4ToiR0=40.002540000=0.25F 取0.25 F按照上述参数，电流环可以

12、达到的动态跟随性能指标为i=4.3%cn满足简化条件2） 转速环小时间常数近似处理条件13KITon=131190.015s-129.69s-1cn满足近似条件1.2.2.5计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如图1-6所示，取R0=40k，则图1-6 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器Rn=KnR0=10.7540= 430k 430kCn=nRn=0.117430000=0.272F 取0.3 FCon=4TonR0=40.0140000=1.5F 取1.5 F1.2.2.6校核转速超调量当h=5时，由表1-1查得，n=37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于表 是按线性系统计算的，

13、而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。表1-1 典型II型系统阶跃输入跟随性能指标设理想空载启动时，负载系数Z=0，已知=1.5，IN=308A，nN=1500r/min，Ce=0.196Vmin/r，Tm=0.12s，Tn=0.0234s。当h=5时，由表1-2查得CmaxCb=81.2%，而调速系统开环机械特性的额定稳态速降nN=INRCe=282.86r/min，则可得n=2CmaxCb-Znbn*TnTm=281.2%1.5282.8615000.02340.12=7.6%8%能满足设计要求。表1-2 典型II型系统动态抗扰性能指标

14、与参数的关系2 系统主电路设计2.1主电路原理图及说明 主电路采用转速、电流双闭环调速系统，转速闭环为外环而电流闭环为控制系统的内环，以此来提高系统的动静态特性。两个调节器串级连接，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，电流调节器的输出给定了电力电子变化器的最大值。从而改变电机的转速。在平稳运行时通过转速的负反馈进行转速的无静差调节。图2-1为系统主电路的原理图。图2-1 主电路原理图三相全控整流电路由晶闸管VT1、VT3、VT5接成共阴极组，晶闸管VT4、VT6、VT2接成共阳极组，在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管，以及接在电路共阳极中电位最低而同时输

15、入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电路。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。2.2主电路参数计算及选型2.2.1 平波电抗器的参数计算整流输出的平均电压值Ud=2.34U2cos取=0o，Ud=Un=220V。则U2=Ud2.34cos=2202.34=94.02V最小的电枢电流值Id=0.1In=0.1*308=30.8A平波电抗器的电感值为L=0.693U2Id=0.69398.23.7=2.12mH2.2.2 变压器参数的计算在一般情况

16、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。S为整流变压器的总容量，S1为变压器一次侧的容量，U1为一次侧电压，I1为一次侧电流，S2为变压器二次侧的容量，U2为二次侧电压，I2为二次侧电流，m1、m2为相数，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，晶闸管交流侧的电压U2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压U2。变压器副边电压的计算公式为：U2=UN1

17、+ra-1+nUTA(B-CUk%100)式中，A=2.34，B=cos=cos30=0.866，C=0.5，Uk%=5，=0.9，UT=1V，n=2ra=INR UN=371.5230=0.241则由以上参数可以求出U2=2201+0.2411.5-1+22.34（0.90.866-0.5*0.05*1.5）=149.6V这里取U2=150V。k=U1U2=2203150=2.54一次侧和二次侧电流的计算I1=I2k=148.51AI2=23IN=377.22A变压器容量的计算S1=m1U1I1=32203148.51=170KVAS2=m2U2I2=3150377.22=170KVASn=

18、U1+U22=170KVA2.2.3晶闸管整流元件参数的计算三相桥式整流电路带反电动势负载时 ，变压器二次侧输出的电流有效值是输出直流电流有效值的一半，对于桥式整流电路，晶闸管的同态平均电流Ivt=13Idmax一般选择晶闸管时会留有1.52倍的安全裕量。故可得晶闸管的额定电流IT(AV)IT(AV)=13Idmax1.571.5-2=30.6-45.9A可取50A晶闸管两端承受的最大反向电压均为6U。晶闸管电压的安全裕量为2-3倍，故晶闸管额定电压为Un=61502-3=735-1102V2.2.4 保护电路的选择电力电子装置中过电压分为外因过电压和内因过电压两类，外因过电压只要来自雷击和系

19、统的操作过程等外部因素。内因主要是由于电力电子装置内部器件的开关过程产生的过电压。对于外因过电压可以设置避雷器、变压器屏蔽层、静电感应过电压抑制电容、压敏电阻过电压抑制器等等。对于过电压保护，本电路可以采用压敏电阻过电压抑制器。电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会出现过电流的现象。实际应用的电力电子装置中，一般采用快速熔断器、直流快速熔断器、过电流继电器等几种方式组合使用。本设计中在电力变压器副边每相母线中串接快速熔断器。过流保护电路如图9所示。在三相母线每一相串接如图的过流保护电路，其中由比较电路输入电流限幅值。图2-2过流保护示意图3.总结与体会通过本次电力拖动自动控制系统课程设计

20、让我对于V-M双闭环不可逆直流调速系统有了进一步的了解与认识，对于在课堂上所学的内容有了更深刻的印象，并且进一步认识到工程设计时与实际相联系的重要性，比如在计算元件参数时，计算出来的值往往与实际生产参数不符，这时就需要根据实际情况对参数进行取舍。另外，做设计时查找资料的能力非常重要，由于设计中有一些书本上讲解的不清楚的地方，整个过程我不断翻阅课本资料，并且借助网络的帮助，才能最终找到解决的办法。本次课程设计让我发现了平常学习时没注意到的知识点，完善了我的专业知识，为我将来的毕业设计和工作需要打下了扎实的基础，对我今后的学习也会产生深远的影响。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孔凡才.晶闸管直流调速系统.北京：北京科技出版社，19854高学民.电力电子与变流技术.山东：山东科学技术出版社，20055杨耕,罗应力.电机与运动控制系统.北京:清华大学出版社,2006.36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,2009.2附录：V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图18