不可逆v-m双闭环直流调速系统设计

电力拖动自动控制系统课程设计报告不可逆VM双闭环直流调速系统设计班级学号姓名成绩指导教师目录不可逆VM双闭环直流调速系统设计一、任务书3二、概述4三、工作原理5四、参数计算10五、动态设计13六、总结18七、附录18八、参考文献18一、任务书不可逆VM双闭环直流调速系统设计一性能指标要求稳态指标系统无静差动态指标；空载起动到额定转速时。5I10N二给定电机及系统参数，KWPN40VUN40AIN142MIRN40AR主回路总电阻8R主回路总电感MHL5电机飞轮惯量227GD系统最大给定电压VUNM10ACR、ASR调节器限幅值调到为8V三设计步骤及说明书要求1画出双闭环系统结构图，并简要说明工作原理。2根据给定电机参数，设计整流变压器，并选择变压器容量；选择晶闸管的参数并确定过流、过压保护元件参数。3分析触发电路及同步相位选择。4设计ACR、ASR并满足给定性能指标要求。5完成说明书，对构成系统的各环节分析时，应先画出本环节原理图，对照分析。6打印说明书（A4），打印电气原理图（A2）。并交软盘（一组）一张。二、概述在控制系统中如果采用比例积分调节，可使系统稳定，并有足够的稳定裕度，同时还能满足稳态性能，达到消除稳态速差的地步。也就是说，带比例放大器的反馈控制闭环调速系统是有静差的调速系统，采用比例积分调节器的闭环调速系统则是无静差调速系统。采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，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。两者之间实行嵌套（或称串级）联接，如图A所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。我们设计的是电枢调压、磁场不可逆直流调速系统。电枢回路采用晶闸管三相全控桥式整流调压电路，速度调节器采用比例积分（PI）结构以实现转速稳态无静差，电流超调量5，转速超调量10（按退饱和方式计算）等指标，采用电流截止负反馈以限制动态过程的冲击电流，从而使不可逆VM双闭环直流调速系统的设计变得更简单。图A、转速、电流双闭环直流调速系统结构图ASR转速调节器ACR电流调节器TG测速发电机TA电流互感器UPE电力电子变换器三、工作原理由于调速系统的主要被调量是转速，故把转速负反馈组成的环作为外环（主环），以保证电动机的转速准确地跟随给定值，并抵抗外来的干扰；把由电流负反馈组成的环作为内环（副环），以保证动态电流为最大值并保持不变，使电动机快速地起动、制动，同时还能起限流作用，并可以对电网电压波动起及时抗扰作用。电动机转速由给定电压来确定，转速调节器ASR的输入NU偏差电压为，转速调节器ASR的输出电压作为电流NUNIU调节器ACR的给定信号（ASR的输出电压的限幅值决定了ACR给定信号IM的最大值）；电流调节器ACR的输入偏差电压，电流调节器IIIUACR的输出电压作为触发电路的控制电压（ACR输出电压的限幅值决CCM定了晶闸管整流电压的最大值）；控制着触发延迟角，使电动机在期望DMUC转速下运转。第一阶段（）是电流上升阶段。突加给定电压后，经过两个调节10TNU器的跟随作用，、都跟着上升，但是在没有达到负载电流以CUDOIDIDLI前，电动机还不能转动。当后，电动机开始起动。由于机电惯性的作用，DL转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的NNU数值仍较大，其输出电压保持限幅值，强迫电枢电流迅速上升。直到IMUDI，电流调节器很快就压制了的增长，标志着这一阶段的DMIIMIUDI结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。第二阶段（）是恒流升速阶段，是起动过程中的主要阶段。在这个21T阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定下的电流调节系统，基本上保持电流恒定，因而系统的加速度恒定，转IMUDI速呈线性增长。与此同时，电动机的反电动势E也按线性增长（见图B），对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量。为了克服这个扰动，和DOU也必须基本上按线性增长，才能保持恒定。当ACR采用PI调节器时，要CUDI使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，IIMIU也就是说，应略低于。DIDMI图B双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形第三阶段（以后）是转速调节阶段。当转速上升到给定值时，转2T0N速调节器ASR的输入偏差减小到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变IMU负，使它开始退出饱和状态，和很快下降。但是，只要仍大于负载电IUDIDI流，转速就继续上升。直到时，转矩，则DN/DT0,转速N才到DLILLET达峰值（时）。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，直到稳定。在最3T后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使尽快地跟随给定值。DIIU1电流调节器ACR原理（图C）当转速调节器起主导作用时，ACR力图使尽快地跟随给定值，是DIIU一个电流随动系统。图C、PI型电流调节器原理图2转速调节器ASR原理（图D）当输入偏差减小到零时，其输出由于积分作用还维持在限幅值，电动机IMU仍加速，转速超调。图DPI型转速调节器原理图3直流电动机在电动运行时，转速稍低，EAU,电流方向由电网顺电压U方向流向电机。（1）他励直流电动机的等效电路图（2）额定励磁下直流电动机动态结构图在零初始条件下，去等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数，1STRISULDLDO电流与电动势的传递函数SISEMDL（3）整个电动机的动态结构图当时，结构图化简为0IDL当时，结构图化简为0IDL4平波电抗器再VM系统中，脉动的电流会增加电机的发热，同时也增加脉动转矩，对机械产生不利。为了避免或减轻这种影响，需采用抑制电流脉动的措施，主要是增加整流电路相数，或采用多重化技术。设置平波电抗器本次试验中采用设置平波电抗器的方式。平波电抗器的电感一般按低速轻载时保证电流连续的条件来选择。通常首先给定最小电流IDMIN，再利用他计算所的总电感，减去电枢电感，即的平波电抗应有的电感值。对于三相桥式整流电路，L0693U2/IDMINIDMIN一般为电动额定电流的5到10经计算可的平波电抗器的电感值为5E3500015同步脉冲触发器为了保证整流装置能启动，或在电流断续后再导通，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时加触发脉冲，本次是设计中采用加宽脉冲的方式，使每个脉冲的宽度大于60，取脉冲的宽度为90。脉冲的移项范围在大电感负载时为090由公式UD135U2LCOSA得，A456测速发电机测速发电机原理图测速发电机的传递函数为SW锯齿波触发电路双闭环直流调速系统采用的是锯齿波触发电路四、参数计算KWPN40VUN40AIN10421整流变压器容量的计算（1）整流变压器二次测电压有效值的确定要比较精确地计算二次相电压必考虑以下因素A）最小控制角。对于要求直流输出电压保持恒定或要求电转速恒定的整MIN流装置,需能自动调节进行补偿,这就要求变压器二次电压留有一定的调节裕量,不能以0计算。一般可逆传动系统的取3035,不可逆传动MINMIN系统的取1015,对于电阻性负载,可取0IIB电网电压波动。根据规定电网允许波动510,考虑在电网电压最底时要求仍能保证最大整流输出电压,故通常取波动系数90C变压器漏抗产生的换相压降DEDLDLRIUMIXU221D晶闸管或整流二极管正向导通压降考虑了以上因素以后,变压器二次电压的计算公式为NDLDICUAU2MINAX2COS2式中A理想情况整流电压与二次电压之比0C线路接线方式系数U变压器短路电压比,100KVA以下取U005,容量越大,UDLDL也越大最大为01DL变压器二次侧实际工作电流与变压器二次侧额定电流之比过NI2载倍数为了简化计算，可用理想情况时的电压计算值增加15来计算。所以3421502DU334201521624（V）（）额定电压23TNUM4M6252162452968V232352968105936158904VTNM取1500VU（）额定电流152三相桥式电路0367TIDIKFBFBK2104208AND6DFBTII251152036720815276341145115268A取150ATI（4）整流变压器容量20814AIINDAIIDDD7316920833217KVAIUS510769248晶闸管关断过电压阻容保护计算公式FICT301RIT342105F60取2R晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通，晶闸管触发电路往往还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路。在本设计中采用的是三相全控桥整流电路的集成触发电路，由3个KJ004集成块和1个KJ041集成块构成，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大。晶闸管关断过电压及其保护（如）即使和元件串联的线路电感很小，产L生的电感电动势也很大，这个电动势与电源电压串联，反向加在已恢复阻断的元件上，可能导致晶闸管反向击穿。数值可达工作电压峰值的56倍，所以必须采取措施。最常用的方法是在电容电路中串接电阻R，这种电路称为过电压阻容吸收电路。过流时调节器保护系统中接入电流截止负反馈环节，当电流大于临界截止电流时，将电流反馈信号加到放大器的输入端，保持电流基本不变；当电流小于临界截止电流时，将电流反馈切断，电流自由随负载增减。4保护装置的选择在本设计中的保护装置变压器起变换电压和隔离的作用；R1、R2、R3、C1、C2、C3的连接方式组成RC过电压抑制电路（一般供电网侧称为网侧，电力电子电路侧的称为阀侧）；在电路中由于器件动态参数和特性的差异会造成不均压的问题（称为动态不均压问题），为达到动态均压，首先应选择动态参数和特性一致的图110过电压、电流保护电路器件，还可用RC并联支路作为动态均压，电容C和电阻R串联后，并联在隔离变压器二次回路中，当回路中产生过电压时，由于电容C上的电压不能突变，延续了过电压的上升速度，同时短掉了一部分高次谐波电压分量，使硅元件上出现的过电压不会在短时间内增至很大。串联电阻R是限制电容器充放电电流和防止回路中产生电容电感振荡的。本电路中R1R3，C1C3就作为一RC并联支路进行动态均压。；BX5为快速熔断器用以保护线路在不正常运行或发生故障时产生的过电流，一般熔丝熔断时间较长，不能起到保护作用。五、动态设计电流调节器的设计图C、双闭环直流调速系统的动态结构图首先考虑应把电路环校正成哪一类典型系统，从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用I型系统就够了。再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗绕作用只是次要的因素。为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型I型系统。电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器，它的传递函数为SKWIACR1电流调节器的比例系数；IK电流调节器的超前时间常数I电磁时间常数为LTSRLL01875801539AMNNRIUCNDE/3980104410EM/3983011机电时间常数为TSCRGDMEM10928339075375212转速环反馈系数为RVNUIN/10MAX13电流环反馈系数为AIDMI/38514214设计要求设计电流调节器,要求电流超调量I（）确定时间常数1）整流装置滞后时间常数。按表12，三相桥式电路的平均失控时间ST。SGFTS075621152）电流滤波时间常数。三相桥式电路每个波头的时间是33MS，为了基OI本滤平波头，应有（12）33MS，因此取。ITSMSTOI023）电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取I。STOISI3702170（）选择电流调节器结构根据设计要求，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电5I流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为。SKSWIACR1检查对电源电压的抗扰性能，参照表23的典0753018ILT型I系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。（）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数。STLI01875电流环开环增益要求时，按表22，应取，因此5I50IIK13075STKII7584051CMNCMDOSU16于是，ACR的比例系数为90380513SIIIKR17（）校验近似条件电流环截止频率135SICI1）晶闸管整流装置转递函数的近似条件CISST196017318满足近似条件。2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件CILMST13601875192031319满足近似条件。3）电流环小时间常数近似处理条件CIOISST180020173120满足近似条件。（）计算调节器电阻和电容取，各电阻和电容值为KR40，取KII4364091040，取FIC348755，取RTOIOI20103020按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足534I设计要求转速调节器（）确定时间常数1）电流环等效时间常数1/，由上可知，取，则IK50IIKSTKII074302212）转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取。ONSTON013）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取NTSKONIN0174074122（）选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其转递函数为SKSWNASR1（）计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取H3，则ASR的超前时间常数为STNN0521740323由式可求得转速环开环增益21NNHK222207340134STN24于是，由式可得ASR的比例系数为NERHTMCK1081740832920542NEN25（）检验近似条件由式得转速环截止频率为CK11123805734NN