接触器切换V-M转速电流双闭环可逆直流调速系统

1、燕山大学电气工程学院课 程 设 计 说 明 书题目：接触器切换V-M转速电流双闭环可逆直流调速系统设计学院(系)： 自动化系 年级专业：14级 学 号： 学生姓名： 指导教师：孙浩 杨晟刚 教师职称：讲师 讲师 设计要求1. 调速范围D=20，无静差。在整个调速范围内要求转速无级平滑可调。2. 动态性能指标：电流环超调量15%，空载起动到额定转速时转速超调量n10%3. 采用如下表所示的额定参数：直流电动机直流发电机测速发电机型号Z2-101Z2-42ZYS-3A额定容量（kW）2.23.50.022额定电压（V）220230110额定电流（A）12.515.30.22最大电流（A）18.75

2、22.95额定转速（rpm）150014502000额定励磁220V0.61A永磁GD2Kg*m20.1030.18电动机电枢电阻Ra（）1.06电动机电枢电感La（mH）8.93其他参数：名称数值整流侧内阻Rn（）0.037整流变压器漏感 LT（mH）0.24电抗器直流电阻RH（）0.024电抗器电感LH（mH）3.2目录1、 控制系统方案设计·····················

3、·············12、 主回路设计···································

4、83;····21. 电动机参数计算···········································

5、3;··22. 整流变压器选择··············································

6、;33. 整流电路设计················································4

7、4. 平波电抗器计算··············································55. 触发回路设计

8、3;···············································66. 接触器设计·&

9、#183;················································67. 保护回

10、路设计················································67.1直流侧过电

11、压保护···········································67.2交流测过电压保护····

12、83;······································77.3晶闸管过电压保护·········

13、83;·································97.4交流一次侧过电流保护··············&

14、#183;························97.5晶闸管过电流保护·······················&

15、#183;··················107.6接触器短路保护·····························&

16、#183;··············108. 直流稳压电源设计·································

17、··········119. 励磁电路设计······································&

18、#183;········123、 控制回路设计·······································&#

19、183;·····131. 电流调节器设计··········································&#

20、183;··131.1确定时间常数·············································131

21、.2选择电流调节器结构········································141.3确定电流反馈系数······

22、····································141.4计算电流调节器参数···········

23、3;····························141.5检验近似条件····················

24、;··························151.6计算调节器电阻和电容·····················&#

25、183;················152. 转速调节器设计·······························&#

26、183;·············162.1确定时间常数··································

27、83;···········162.2选择转速调节器结构····································&

28、#183;···162.3反馈系数确定············································&#

29、183;·172.4计算转速调节器参数········································172.5检验近似条件····&

30、#183;·········································172.6校核转速超调量······&

31、#183;·····································182.7计算调节器电阻和电容·········

32、3;····························193. 电流反馈回路设计···················

33、83;·······················204. 转速反馈回路设计························&#

34、183;··················214、 小结······························&

35、#183;··············22参考文献··································&

36、#183;··········22一、控制系统方案设计转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广的直流调速系统。通过在系统中设置两个调节器，分别引入转速反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接。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。这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统。为了获得良好的静、动态性能，两个调节器一般都采用PI调节器。双闭环直流调速系统稳态结构图转速调节器有饱和与不饱和两种情况，而电流调节器不进入饱和

37、状态。转速调节器饱和时，调节器输出达到限幅值，输入量的大小不再影响输出值，系统成为恒流调节系统，这时，电流Id近似为最大电流Idm，转速反馈系统处于开环状态；不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零，系统达到稳定运行时，表现为转速无静差调速系统，ACR则力图使电流尽快跟随给定值。双闭环直流调速系统动态结构图双闭环直流调速系统电路原理图调速系统，最主要的抗扰性能是指负载扰动和抗电网电压扰动的性能，闭环系统的抗扰能力与其作用点有关。负载扰动作用在电流环之后，只能靠ASR来产生抗负载扰动的作用。因此在设计时，要求ASR有较好的抗扰性能指标。电压扰动在电流环之内，在尚

38、未影响到转速前就被电流环抑制，可以通过电流反馈得到比较及时的调节，使抗扰性能得到改善。二、主回路设计1.电动机参数计算电动机型号：Z2-101总回路电阻电动机额定磁通下的电动势系数 电动机在额定磁通下的转矩系数电动机的过载倍数2. 整流变压器选择通常情况下，电网电压与整流装置要求的交流供电电压不一致，另外，为了避免电网电压与整流装置的相互干扰，需要隔离电网电压，所以要用到整流变压器，这里选用-Y型联接变压器。在实际情况下，整流变压器的电压受许多因素影响，如电网电压波动等，因此，设计时要精确计算U2。其中，UdN-负载的额定电压；Ut-整流元件的正向导通压降，一般取1V；n-电流回路经过的整流元

39、件（VT及VD）的个数，桥式n=2；A-理想情况下=0°时Ud0与U2的比值；-电网电压波动系数，一般取0.9；-最少移相角，在自动控制系统中总希望%值留有余量，对于可逆直流调速系统取3035°；C-线路接线方式系数，三相式取0.5V;Ud-变压器阻抗电压比，100KV·A以下取0.05，100KV·A以上取0.051;I2/IN-二次侧允许的最大电流与额定电流之比。根据已知参数及查表得，取U2=130V。变压器的变比二次侧最大电流一次侧最大电流变压器所需容量3.整流电路设计整流电路选用三相桥式全控整流电路,整流元件为晶闸管。阻感性负载中晶闸管承受的最大

40、电压考虑电网电压波动等因素，需留出23倍余量取晶闸管额定电压晶闸管流过的最大电流有效值晶闸管额定电流一般取1.52倍有效值取晶闸管额定电流, 所以选用KP20-10型号晶闸管。4.平波电抗器计算为了使电机得到平滑的直流电，要在整流输出端串入平波电抗器。需要计算在保证电流连续和输出电流脉动系数达到一定要求的条件下所需的平波电感器电感。最小电流Idmin为取Idmin=1.25A 查表得K1=0.693电枢回路总电感量平波电抗器的电感5. 触发回路设计晶闸管触发器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。集成电路可靠性高，技术性能好、体积小、功耗低、调试方便，所

41、以采用KJ004和KJ041完成触发电路。KJ004可以完成同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大各个环节，最终输出2个相位间隔180°的触发脉冲。再由KJ041处理形成双脉冲。故三个KJ004和一个KJ041，就可以形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，即构成完整的三相全控桥触发电路。经手册知，同步电压信号无限制，取同步电压30V。6.接触器设计 图为控制电机正反转的接触器电路图，SB1是停车按钮；SB2是正转按钮， SB3是反转按钮。7.保护电路设计7.1直流侧过电压保护整流器直流侧在开关快速断开或桥臂快速熔断等情况下，会在整流桥输出端产生过电压，可以用压敏电

42、阻抑制过电压。压敏电阻额定电压U1mA可用式 确定为电网电压升高系数， 取1.05压敏电阻承受的额定电压峰值即整流电压波形峰值求得选用440V型压敏电阻。7.2交流侧过电压保护压敏电阻具有正反向相同的陡峭的伏安特性，正常工作时只有微弱的电流流过，一旦出现过电压，压敏电阻可通过数千安培的放电电流，将电压抑制在允许的范围内。压敏电阻额定电压可采用下式确定： 式中，表示变压器二次侧线电压有效值，对于星形接法有： 求得： 压敏电阻泄放电流初值可采用下式确定： 式中，表示能量转换系数，一般为0.30.5，这里取0.4。 表示三相变压器空载线电流有效值，对于星形接法，线电流与相电流相等，则有： 求得： 压

43、敏电阻最大电压可采用下式确定： 式中，表示压敏元件特性系数，a表示压敏元件非线性系数。一般在2025之间。当a=20时求得： 由于压敏电阻的规格有100V、200V、440V、760V、1000V等，故在此选取760V型的压敏电阻。7.3晶闸管过电压保护当晶闸管两端电压超过其断态重复峰值电压一定值时，晶闸管会误导通；当外加反向电压超过其反向重复峰值电压一定值时，晶闸管会立即损坏。因此必须对晶闸管进行过电压保护。过电压产生的原因是供给的电压功率或系统储能突然改变，系统积聚的电能不能即时消散。采用如图所示的阻容吸收回路进行保护。晶闸管额定电流IT=20A,电容大小为取电容值为 ，电阻选50。7.4

44、交流一次侧过电流保护选用快速熔断器进行三相交流电路的过电流保护。熔断器额定电压应不小于线路的工作电压，由于一次侧相电压为220V，所以熔断器额定电压取250V。变压器一次侧电流 熔断器额定电流 所以熔断器额定电流选用10A。7.5晶闸管过电流保护晶闸管不仅需要过电压保护，还需要过电流保护。由于半导体器件体积小、热容量小，所以节温必须受到严格控制。当晶闸管中流过大于额定值的电流时，热量来不及散发，使得结温迅速升高，最终导致结层被烧坏。晶闸管选用的额定电流为20A，所以选用额定电流20A的快速熔断器。7.6接触器短路保护在运行过程中，为防止某些原因导致两组触点同时导通发生短路，需要在接触器H桥串入

45、电流继电器线圈KI，一旦发生短路，KI导通，常闭触点断开，将电源切断。8. 直流稳压电源设计在设计中，直流稳压电源用于给触发回路中的KJ004和KJ041供电。小功率稳压电源的组成包括电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分。电源变压器采用单相变压器，整流电路采用单相桥式电路，滤波电路采用电容滤波电路，稳压电路采用可调式三端集成稳压器电路。由于需要获得±15V与±18V两种电压，故可以用电阻分压获得。图中A点电势为+25V，B点电势为-25V，输入电流50mA。变压器二次侧电压有效值： 变压器变比为： 由于需要获得正反电压，故两个变压器仅同名端位置不同。 流经二极管的平均电流

46、： 二极管承受的最大反向电压： 故可以选择50mA,100V的整流二极管。 负载等效电阻计作 故滤波电容C的值： 即电网电压波动±10，则电容器最高电压为：故选用100F，50V的电解电容器。 稳压电路中各元件取值： 输出电压值为220V，调节R2与R2´使输出为±18V，故取 9.励磁电路设计 本设计要求额定电压220V，则可直接将电网电压作为励磁电压，使励磁线圈两侧电压为220V三、控制回路设计1. 电流调节器设计1.1 确定时间常数电枢回路电磁时间常数： （偏大）电力拖动系统机电时间常数： （太小）这里Tm应远远大于Tl ，但参数不满足条件，转速的变化比电流

47、变化要快，所以在电流瞬变过程中，转速变化更快，导致转速环超调量太大。（超调量改进方法见后）整流装置滞后时间常数取三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有，因此取 电流环小时间常数之和Ti按小时间常数近似处理，取 1.2 选择电流调节器结构根据设计要求i5%，并保证稳态电流无静差，可按典型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，传递函数为1.3 确定电流反馈系数取 则1.4 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：电流环开环增益：要求i5%时，应取电力电子变换器理想空载输出电压晶闸管装置电压放大系数Ks，取ACR的比例系数为1.5 检验

48、近似条件电流环截止频率：1）校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件 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 满足近似条件3）检验电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件1.6 计算调节器电阻和电容取 取2.6F 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设计要求。2. 转速调节器设计2.1 确定时间常数电流环等效时间常数转速滤波时间常数取转速环小时间常数按近似处理，取2.2 选择转速调节器结构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中。由于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，所以应该设计成典型型