电力拖动课程设计VM双闭环直流可逆调速系统设计.doc

武汉理工大学电力拖动自动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： 饶浩彬 工作单位： 自动化学院 题 目: V-M双闭环直流可逆调速系统设计3 初始条件：1技术数据及技术指标： 直流电动机：PN=27KW, UN=220V , IN=136A , nN=1500r/min , 最大允许电流 Idbl=1.5IN , 三相全控整流装置：Ks=40 ,电枢回路总电阻 R=0. 5 ，电动势系数： Ce= 0.132V.min/r系统主电路：Tm=0.18s ，Tl=0.03s滤波时间常数：Toi=0.002s , Ton=0.01s,其他参数：Unm*=10V , Uim*=10V , Ucm=10V 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要求 (4) 绘制V-M双闭环直流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%指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘要1V-M双闭环直流可逆调速系统设计321 设计任务及要求21.1技术要求21.2设计内容22总体设计22.1主电路结构22.2双闭环调速系统组成52.3主电路参数计算及选型62.3.1平波电抗器参数的计算62.3.2变压器参数的计算72.3.3晶闸管元件参数的计算72.3.4 保护电路的设计82.4触发电路的设计83动态设计计算93.1电流调节器的设计93.1.1电流环结构93.1.2时间常数的确定103.1.3电流调节器结构确定113.1.4电流调节器参数的计算113.1.5校验近似条件113.1.6电流调节器电阻和电容的计算123.2转速调解器的设计133.2.1转速环结构133.2.2时间常数的确定153.2.3转速调节器结构确定153.2.4转速调节器参数的计算153.2.5 校验近似条件163.2.6计算调节器电阻和电容163.2.7校核转速超调量174 电气原理总图185总结与体会19参考文献20摘要双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一。具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。V-M双闭环可逆直流调速系统是晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统），系统通过调节器触发装置GT的控制电压Uc来移动出发脉冲的相位，即控制晶闸管可控整流器的输出改变平均整流电压Ud，从而实现平滑调速。使用两组晶闸管反并联实现可逆调速。电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电；反转时，由反组晶闸管装置VR供电。采用转速、电流双闭环控制系统，一般使电流环(ACR)作为控制系统的内环，转速环(ASR)作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能，为了获得良好的静、动态性能，转速和电流调节器一般都采用PI调节器。在系统中电流环应以跟随性能为主，即应选用典型型系统，而转速环以抗扰性能为主，即应选用典型型系统。关键词 ： 双闭环调速 晶闸管整流 ACR ASR V-M双闭环直流可逆调速系统设计31 设计任务及要求1.1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 。1.2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要求 。(4) 绘制V-M双闭环直流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。2总体设计2.1主电路结构改变电枢两端的电压能使电动机改变转向。尽管电枢反接需要较大容量的晶闸管装置，但是它反向过程快，由于晶闸管的单向导电性，需要可逆运行时经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电；反转时，由反组晶闸管装置VR供电。如图1所示两组晶闸管分别由两套触发装置控制，可以做到互不干扰，都能灵活地控制电动机的可逆运行，所以本设计采用两组晶闸管反并联的方式。并且采用三相桥式整流。虽然两组晶闸管反并联的可逆V-M系统解决了电动机的正、反转运行的问题，但是两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流，一般地说，这样的环流对负载无益，只会加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率。环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。为了防止产生直流平均环流，应该在正组处于整流状态、Udof 为正时，强迫让反组处于逆变状态、使Udor为负，且幅值与Udof相等，使逆变电压Udor把整流电压Udof顶住，则直流平均环流为零。于是又由于其中，分别为VF和VR的控制角。由于两组晶闸管装置相同，两组的最大输出电压是一样的，因此，当直流平均环流为零时，应有如果反组的控制角用逆变角表示，则 按照这样控制就可以消除环流。图1两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路为了实现配合控制，可将两组晶闸管装置的触发脉冲零位都定在90，即当控制电压 Uc= 0 时，使a f = ar = 90，此时 Ud0f = Ud0r = 0 ，电机处于停止状态。增大控制电压Uc 移相时，只要使两组触发装置的控制电压大小相等符号相反就可以了。这样的处罚控制电路如图2这样的触发控制电路如图: 图2触发控制电路图 MVRVFRrecRrec-1ARGTRGTFUcRa整体框图如图： MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUc-图3配合控制的有环流V-M系统原理图为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中逆变角太小而导致换流失败，出现“逆变颠覆”现象，必须在控制电路中进行限幅，形成最小逆变角保护。与此同时，对角也实施保护，以免出现而产生直流平均环流。通常取，其值视晶闸管器件的阻断时间而定。图4配合控制特性2.2双闭环调速系统组成系统设计的一般原则为：先内环后外环。即从内环开始，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系统中的一个环节，再设计转速调节器。图5为双闭环调速系统的结构图。图中两个调节器ASR和ACR分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把电流调节器的输出作为转速调节器的输入，再用转速调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。-IdLUd0Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*iUcKsTss+1Id1Ce+Eb T0is+11 T0is+1ASR1 T0ns+1a T0ns+1U*nn图5双闭环调速系统结构图图6双闭环调速系统电路原理图+-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMUPE两个调节器的输出都是带限幅作用的。转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值；转速调节器ASR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。其原理图如图6所示。2.3主电路参数计算及选型2.3.1平波电抗器参数的计算Ud=2.34U2cos Ud=UN=220V, 取=0Idmin=(5%-10%)IN,这里取10% 则2.3.2变压器参数的计算变压器副边电压采用如下公式进行计算： =110V因此变压器的变比近似为：一次侧和二次侧电流I1和I2的计算I1=1.052870.861/3.45=75AI2=0.861287=247A变压器容量的计算S1=m1U1I1=338075=85.5kVAS2=m2U2I2=3110247=81.5kVAS=0.5(S1+S2)=0.5(85.5+81.5)=83.5kVA因此整流变压器的参数为：变比K=3.45，容量S=83.5kVA2.3.3晶闸管元件参数的计算晶闸管的额定电压通常选取断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。晶闸管的额定电流一般选取其通态平均电流的1.5-2倍。在桥式整流电路中晶闸管两端承受的最大正反向电压均为，晶闸管的额定电压一般选取其最大正反向电压的2-3倍。带反电动势负载时，变压器二次侧电流有效值I2是其输出直流电流有效值Id的一半，而对于桥式整流电路，晶闸管的通态平均电流IVT=/2I，则在本设计中晶闸管的额定电流IN=1.52(/2I2*2)=524699A额定电压UN=23(*)311466V2.3.4 保护电路的设计对于过电压保护本设计采用RC过电压抑制电路，该装置置于供电变压器的两侧或者是电力电子电路的直流上，如图7所示。图7 过电压保护电路对于过电流保护本设计采用在电力变压器副边每相母线中串接快速熔断器的方法来保护电路。2.4触发电路的设计晶闸管的触发是保证整个直流调速系统能够稳定工作的前提条件。在晶闸管直流调速系统中，触发装置是十分重要的控制单元。目前触发装置的种类很多。具体电路各式各样，必须根据系统实际需要合理地选择触发电路。晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在必要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路往往包括触发时刻进行控制相位控制电路、触发脉冲的放大和输出环节。触发脉冲的放大和输出环节中，晶闸管触发电路应满足下列要求： （1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，三相全控桥式电路应采宽于60或采用相隔60的双窄脉冲。 （2）触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流35倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达12Aus。（3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极的伏安特性的可靠触发区域之内。（4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。3动态设计计算3.1电流调节器的设计3.1.1电流环结构电流环结构图可以可以简化为为忽略反电动势的动态影响、等效成单位负反馈系统、小惯性环节的近似处理等环节。对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流瞬变的过程中，可以认为反电动势基本不变，即DE0。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去掉。这时，电流环如图8所示。Ud0(s)+-Ui (s)ACR1/RTl s+1U*i(s)Uc (s)KsTss+1Id (s)b T0is+11 T0is+1图8忽略反电动势的动态影响如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内前向通道上，再把给定信号改成U*i(s) /b，则电流环便等效成单位负反馈系统。如图9所示，从这里可以看出两个滤波器时间常数取值相同的方便之处。+ACRUc (s)Ks /R(Tss+1)(Tlss+1)Id (s)U*i(s)bb T0is+1图9等效成单位负反馈系统由于Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为Ti = Ts + Toi根据近似条件，可简化为如图10所示的结构+-ACRUc (s)bKs /R (Tls+1)(TSis+1)Id (s)U*i(s)b+-ACRUc (s)bKs /R(Tls+1)(TSis+1)Id (s)图10 电流环的简化结构图3.1.2时间常数的确定1)整流装置滞后时间常数 Ts。按表1，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s。2 )电流滤波时间常数本设计初始条件已给出，即Toi=0.002s。3)电流环小时间常数之和T=Ts+Toi=0.0037s表1 各种整流装置失控时间3.1.3电流调节器结构确定根据课设任务要求，并保证稳态电流无差，可以按典型系统设计电流调节器。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 式中Ki是电流调节器的比例系数； 是电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能： 8.11，各项指标都是可以接受的。3.1.4电流调节器参数的计算电流调节器超前时间常数：=Tl=0.03s。 电流环开环增益：要求时，应取KI*Ti=0.5，因此 =135.1 所以，ACR的比例系数为 = =1.0133.1.5校验近似条件电流环截止频率：= =135.1(1)校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件 =196.1 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 =40.82 满足近似条件(3)校验电流环小时间常数近似处理条件=*180.8 满足近似条件3.1.6电流调节器电阻和电容的计算电流调节器原理如图11所示，按所用运算放大器取Ro=40K，各电阻和电容值计算如下： =1.013*40=40.52K 取40K =0.75uF 取0.75uF =0.2uF 取0.2uF图11含给定滤波与反馈滤波的 PI型电流调节器按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为 =4.3%5%,满足设计要求。3.2转速调解器的设计3.2.1转速环结构电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为Ui*(s),因此电流环在转速环中应等效为用电流环的等效环节代替电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图12所示。和电流环一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成U*n(s)/a，再把时间常数为1 / KI 和 T0n 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中则转速环可化简为: n (s)+-Un (s)ASRCeTmsRU*n(s)Id (s)a T0ns+11 T0ns+1U*n(s)+-IdL (s)图12用等效环节代替电流环的转速环的动态结构图为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中。在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以设计成典系统，这样同时也能满足动态性能要求。至于其节约响应超调量较大，那是线性系统的计算数据，实际系统中转速调节器的饱和和非线性性质会使超调大大降低。由以上可知ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为：ASR+图13等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理这样，调速系统的开环传递函数为:令转速开环增益 = 则 不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构图如图14。n(s)+_图14校正后成为典型系统3.2.2时间常数的确定(1)电流环等效时间常数。取=0.5，则 =2 =2*0.0037=0.0074s(2)转速滤波时间常数。=0.01s(3)转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取 =+=0.0074+0.01=0.0174s3.2.3转速调节器结构确定按照设计要求，选用PI调节器，传递函数为式中Kn是转速调节器的比例系数；是转速调节器的超前时间常数。3.2.4转速调节器参数的计算按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为 = =5*0.0174=0.087s转速开环增益为 =396.4ASR的比例系数为 Kn=11.983.2.5 校验近似条件转速环截止频率为 = =396.4*0.087=34.5电流环传递函数简化条件 =63.7 满足简化条件转速环小时间常数近似处理条件 =38.7 满足近似条件3.2.6计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如图14所示，取Ro=40K，则 Rn=KnRo=11.98*40=479.2K，取480K Cn=0.181uF 取0.2uFCon=1uF 取1uF图15含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器3.2.7校核转速超调量理想空载启动时设z=0，已知数据：，R=0.5， =136A， =1500r/min,Ce=0.132Vmin/r，Tm=0.18s， =0.0174s。当h=5时，由表2可知=81.2%，那么=8.0%10%能满足设计要求表2典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系h345678910 Cmax/Cbtm / T tv / T 72.2% 2.4513.60 77.5% 2.70 10.4581.2% 2.85 8.80 84.0% 3.00 12.9586.3% 3.15 16.8588.1% 3.25 19.8089.6% 3.30 22.80 90.8% 3.40 25.854 电气原理总图图16电气原理总图5总结与体会转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广泛的直流调速系统。本次课程设