《电力拖动与控制系统》课程设计-V-M双闭环直流可逆调速系统设计2

1、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双闭环直流可逆调速系统设计2 全套设计加扣 3346389411或3012250582初始条件：1技术数据及技术指标： 直流电动机：PN=55KW , UN=220V , IN=287A , nN=1500r/min , Ra=0.1最大允许电流 Idbl=1.5IN ,三相全控整流装置：Ks=30 ,电枢回路总电阻 R=0.15 ，电动势系数：系统主电路：Tm=0.12s ，Tl=0.012s滤波时间常数：Toi=0.002s , Ton=0.012s,其他参数：Unm*=8V , Ui

2、m*=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

3、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 日武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书摘要直流调速系统因其控制容易，调速性能较好，故曾得到广泛运用。对于双闭环可逆直流调速系统，其引入转速环，

4、在转速调节器（ASR)的作用下实现了对负载变化的良好适应性，有效地调和了转差率和调速范围之间的矛盾。转速反馈应用PI调节器，可有效实现转速稳态无静差。同时，该系统包含有电流环，在电流调节器（ACR）作用下能获得很好的动态性能，恒流升速能实现快速启动，同时保证电流限定在允许值。一般以电流环做控制系统的内环，转速环做外环，以提高系统的动态与稳态性能。按照设计要求，该系统的可逆调速由反组并联晶闸管实现，从而实现电机的正转、反转，以应对实际中的需求。关键词：双闭环直流调速系统 ASR ACR 可逆目录1设计任务11.1技术数据及技术指标：11.2要求完成的主要任务11.2.1技术要求11.2.2设计内

5、容12主电路分析设计22.1调速系统工作原理分析22.2系统中的环流问题32.3系统原理框图43主电路元件参数计算53.1变压器设计53.2晶闸管设计63.3平波电抗器设计63.4保护电路设计63.4.1过压保护设计63.4.2过流保护设计74调节器设计74.1双闭环框图分析74.2电流环设计84.3转速环设计94.3.1参数计算94.3.2校核转速超调量105电气原理总图11小结与体会12参考文献13武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书V-M双闭环直流可逆调速系统设计21设计任务1.1技术数据及技术指标：直流电动机：PN=55KW , UN=220V , IN=287A , nN=1

6、500r/min , Ra=0.1最大允许电流 Idbl=1.5IN ,三相全控整流装置：Ks=30 ,电枢回路总电阻 R=0.15 ，电动势系数：系统主电路：Tm=0.12s ，Tl=0.012s滤波时间常数：Toi=0.002s , Ton=0.012s,其他参数：Unm*=8V , Uim*=8V , Ucm=8V，i5% , n10%1.2要求完成的主要任务1.2.1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 1.2.2设计内容(1) 根据题目的技术要求，

7、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主电路分析设计2.1调速系统工作原理分析直流调速系统的首要任务是进行整流变换，将交流电变换成需要的直流电，从而控制电动机的转动，通

8、过不同的极性控制其转动方向。对于V-M可逆直流调速系统而言，其整流是依靠晶闸管实现的。由于晶闸管的单向导电性，对于可逆调速系统而言，需要电流反向，则必须用两组晶闸管整流装置反并联线路实现可逆调速。其中正组晶闸管装置（VF）用于电动机正转时供电；反组晶闸管装置（VR）用于电动机反转时供电。两组晶闸管可控整流装置反并联线路如下图。 图2.1 晶闸管反并联线路图 两组晶闸管分别由两套出发装置控制，都能灵活地控制电动机的起动、制动和升速、降速。主电路由如图1所示反并联晶闸管供电，在此基础上加入转速环、电流环，便可实现V-M双闭环可逆直流调速系统。2.2系统中的环流问题如图1中Ic所示为V-M可逆直流调

9、速系统的环流，其为两组装置同时工作时，产生的不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流。一般来说这样的环流对系统无益，徒然增加晶闸管和变压器负担，甚至导致晶闸管损坏。若让VF和VR都处于整流状态，两组直流平均电压正负相连，必然产生较大直流平均环流。为防止直流平均环流的产生，应该在正组处于整流状态、Ud0f为正时，强迫反组处于逆变状态，使 Ud0r为负，且幅值与Ud0f相等，则直流平均环流为零。则有 Ud0r=-Ud0r (2-1) Ud0f=Ud0maxcosf (2-2) Ud0r=Ud0maxcosr (2-3)其中f 、r 分别为VF和VR的控制角。由于两组晶闸管装置相同，两组最大输

10、出电压也一样，则有 cosf =-cosr (2-4) f +r=180o （2-5）若VR控制角用逆变角r表示，则按f r控制则可消除平均环流。两组装置配合控制的电路图如下。图2.2 配合控制电路图图2.3 配合控制特性图如上图为配合控制特性图。当控制电压Uc=0时，f和r都调整在90°。在正转过程中始终保持f= r ，反转时应保持f=r 。为了防止出现“逆变颠覆” ，必须形成最小逆变角min保护。通常取min= min=30 °。2.3系统原理框图通过以上相关分析，该系统包含电流环作为内环，转速环作为外环，通过对给定信号和反馈信号比较，对晶闸管进行控制。原理框图如图2.

11、4.图2.4双闭环控制原理框图3主电路元件参数计算按照给定技术指标及技术要求，结合该调速系统的电路形式，对相关元件进行参数设计与计算。3.1变压器设计变压器副边按如下公式计算： U2= （3-1）取UT=1V,n=2,A=2.34,=0.9,min=10,Ush=0.05,I2/I2N=1,C=0.5,则计算可得U2=110V，因此变压器变比近似取为K=U1/U2=380/110=3.45。一次侧、二次侧电流I1和I2计算： I1=1.05*287*0.861/3.45=75A （3-2） I2=0.861*287=247A （3-3）变压器容量计算： S1=m1U1I1=3*380*75=8

12、5.5KVA （3-4） S2=m2U2I2=3*110*247=81.5KVA （3-5） S=0.5*(S1+S2)=0.5*(85.5+81.5)=83.5KVA （3-6）因而整流变压器参数为：变比K=3.45，容量S=83.5KVA。3.2晶闸管设计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中较小者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1.52倍。在桥式整流电路中晶闸管两端承受的最大反向电压均为U2晶闸管的额定电压一般选取其最大正反向电压的23倍。带反电动势负载时，变压器二次侧的电流有效值I2是其输出直流电流有效值Id的一半，而

13、对于桥式整流电路，晶闸管的通态平均电流IVT=(/2)I。经过以上分析，在本次设计中，晶闸管的额定电流选为IVT=262350A，额定电压选为UN=311466V。3.3平波电抗器设计平波电抗器用于抑制电流脉动，消除因脉动电流引起电机发热或脉动转矩等对机械的不利影响。由Ud=2.34U2cos得U2=Ud/(2.34cos),其中Ud=Us=220V，取为0，则有 U2=220/2.34=94.017V （3-7）Idmin=（5%-10%）IN，取10%，则有 L=0.693*U2/Idmin=(0.693*94.017)/(0.1*287)=2.27mH （3-8）3.4保护电路设计3.4

14、.1过压保护设计电力电子装置内部开关过程会产生过电压，可用RC过电压抑制电路进行过电压保护。3.4.2过流保护设计当电路不正常运行或发生故障时，可能出现过流情况。一般采用快速熔断器、直流快速断路器、过流继电器等保护方式，在本设计中采用在电力变压器副边每相母线中串接快速熔断器的保护方式，如图3.1所示。图3.1 熔断器4调节器设计4.1双闭环框图分析 图4.1 双闭环结构框图如上图为转速、电流双闭环结构框图。反电动势与电流反馈作用交叉，在工程设计中可进行简化，以利于相关设计计算。反电动势与转速成反比，代表着转速对电流环的影响，一般而言，系统电磁时间常数Tl远小于机电时间常数Tm，因而转速变化往往

15、比电流变化慢得多，对电流环而言反电动势是一个比较缓慢的扰动，在电流变化瞬间科认为反电动势基本不变，按动态性能设计电流环时可暂不考虑反电动势变化的影响。同时把给定滤波和反馈两环节等效地移到环内，同时给定信号改为U*i（s）/，将电流环等效成单位负反馈系统。再对小惯性环节进行近似处理，时间常数为Ti=Ts+Toi。进行如上处理后的结构框图如下：图4.2 简化框图4.2电流环设计按照设计要求，可按典型I型系统设计电流调节器，其传递函数为 WACR(s)=Ki(is+1)/is （4-1）三相桥式晶闸管整流器的平均失控时间Ts=0.00167s，由给定数据可得Toi=0.002，Tl=0.012，则取

16、i=Tl=0.012s。给定参数要求i5%，则应取,得 （4-2） （4-3）则有 （4-4） （4-5）Wci=K=136.2,则有 Wci3=79.06 （4-6） Wci=182.9 （4-7）满足简化近似条件。电流调节器如图4.3所示。其中Ui*为给定电压，-Id为电流负反馈电压，Uc为电力电子变换器的控制电压。取R0=40k，则有 Ri=KiR0=0.4363*40=17.45k （4-8） Ci=i/Ri=0.012/174500=0.6877F （4-9） Coi=4Toi/R0=4*0.002/40000=0.2F （4-10）图4.3 电流调节器4.3转速环设计4.3.1参数

17、计算按照设计要求，实现转速无静差，转速环设计成典型II型系统，传递函数如下： （4-11）电流环等效时间常数为，转速滤波时间常数Ton=0.012s，则转速换小时间常数为 （4-12）根据跟随性能及抗扰性能的指标要求，一般选取h=5，则ASR超前时间常数为 （4-13）转速开环增益为 （4-14） （4-15）ASR比例系数为 （4-16） 即 （4-17）转速环截止频率为 （4-18）满足近似处理条件。取R0=40k，则有 （4-19） （4-20） （4-21）4.3.2校核转速超调量查表可知，当h=5时，n=37.6%，不能满足设计要求，应按ASR退饱和重新计算超调量。则 (4-22)满

18、足设计要求。5电气原理总图在进行以上分析及各部分设计的基础上，绘制电气总图如下。图5.1电气原理总图小结与体会在本次课程设计任务中，通过对给定要求分析，结合所学知识，再进行资料搜集，进一步加深了对双闭环直流调速系统的理解。课程设计是对课堂所学知识进行拓展的很好途径，在对给定参数及要求的分析中，更好地理解了直流调速系统的相关技术知识，及对其进行分析所应着手的方面。从对电机拖动与调速要求的理解，到对直流、交流调速系统认知的加深，再到转速环、速度环已经相关静态、动态特性的技术含义的把握，都逐步加强了对双闭环直流可逆调速系统相关知识的把握程度，为设计提供了基础。在设计计算过程中，对所遇到的疑问进行转化分析，再结合已有知识，确定欠缺部分，根据需要查询相关资料，不仅在很大程度