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3

1、武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书摘要 直流电动机因具有良好的起、制动性能，宜用于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。晶闸管问世后，生产数成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统）。采用速度、电流双闭环直流调速系统，可以充分利用电动机的裹在能力获得最快的动态过程，调速范围广，精度高，和选择变流机及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大的提供，而且在技术性能上也显示出较大的优越性，动态和静态性能均好，且系统易于控制。双闭环系统的转速环用来控制电动机的转速，电流环控制输出电流；电压、电流调节器

2、嵌套连接，可以自动限制最大电流，能有效抑制电网电压波动的影响，实现电动机的平滑调速；而且采用双闭环控制提高了系统的阻尼比，因而较之单闭环控制具有更好的控制特性。 尽管当今功率半导体变流技术已经有了突飞猛进的发展，但在工业生产中V-M系统的应用还是有相当的比重。 关键词：晶闸管 双闭环 调节器 平滑调速 直流V-M双闭环不可逆直流调速系统设计1 课题分析 分析任务书可知，本课题要求设计V-M双闭环不可逆直流调速系统，即晶闸管整流器控制的转速电流双闭环不可逆直流调速系统，系统由主电路、控制电路和保护电路组成。 主电路设计是依据晶闸管-电动机系统组成，其系统由整流变压器、晶闸管整流装置、平波电抗器和

3、电动机-发电机组等组成。整流变压器和晶闸管整流装置的功能是将输入的交流电整流后变成直流电，根据晶闸管特性，通过调节控制角大小来调节电压，因为要求不可逆，所以只需要设计一组整流桥即可；平波电抗器的功能是使输出的直流电流更平滑；电动机-发电机组提供三相交流电源。通过正确计算晶闸管整流元件参数、变压器参数、平波电抗器参数等来选择合适的元器件，并画出主电路原理框图。 控制电路以转速、电流的双闭环调节系统为主体，主要设计电流调节器（ACR）和转速调节器（ASR），二者之间实行嵌套连接，实现转速和电流两种负反馈分别起作用。分别确定ACR、ASR调节器结构形式，画出原理框图并化简，计算时间参数、器件参数，最

4、后校验近似条件，使系统满足各项要求。晶闸管可控整流器组成的直流电源有一些不足之处，最为严重的是，晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感，其中任意指标超过允许值都可能在很短时间内损坏晶闸管。为了使晶闸管装置能长期可靠运行，除了合理选择元件外，还须针对元件工作的条件设置恰当的保护电路。晶闸管主要需要四种保护：过电流保护和di/dt限制，过电压保护和du/dt限制。 依次设计好主电路、控制电路和保护电路后，使用计算机绘制V-M双闭环不可逆直流调速系统的电气原理总图。2 转速、电流双闭环控制电路设计 速度和电流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

5、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大电流。我们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，使过渡过程的时间大大缩短。同时为了克服在一个调节器上互相调节几个参数比较困难这一缺点，选择应用转速、电流双闭环直流调速系统，其原理如图2.1所示。 图2.1 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

6、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。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2.2所示。图2.2 双闭环调速系统的动态结构图2.1 电流调节器设计如图2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，同的电磁时间常数远小于机电时间常数，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

7、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。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2.3所示。图2.3 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前向通道上，再把给定信号改成，则电流环变等效成单位负反馈系统。由于和一般都比小得多，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，则电流环结构图最终化简图如图2.4所示。图2.4 小惯性环节近似处理后电流环简化动态结构图2.1.1 确定时间常数1 整流装置滞后时间常数。三相桥式电路的平

8、均失控时间=0.0017s。2 电流滤波时间常数=0.002s。3 电流环小时间常数。按小时间常数近似处理，取 =+=0.0017+0.002=0.0037s4 电枢回路电磁时间常数。 =L/R=0.2/2.850.07s5 电力拖动系统机电时间常数。=其中，、分别为直流电机在额定磁通下的电动势系数、转矩系数： =（-）/=(220-17.5×1.25)/15000.132V·min/r=30/30×0.312/3.141.261V·min/r， 所以，=3.53×2.58/(375×0.132×1.261)0.161s。2

9、.1.2 选择电流调节器结构根据设计要求5%，并且保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可以用PI型电流调节器，其传递函数为 。检查对电源电压的抗扰性能：0.07/0.003718.92，动态抗扰性能的各项指标都是可以接受的。2.1.3 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：=0.07s。电流环开环增益：要求5%时，按下表2-1，应取=0.5。 表2.1典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间tr

10、6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间tp8.3T6.2T 4.7T3.6T相对稳定裕度76.3°69.9°65.5°59.2°51.8°截止频率c0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T因此 =0.5/=0.5/0.0037135.1又有 =/=10/(217.5)0.286于是，ACR的比例系数为=/=135.10.072.85/(400.286)2.3562.1.4 校验近似条件电流环截止频率：=135.11) 校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件1/3=1/(30.0017)196.1> 满足近似条

11、件2) 校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件3 =328.26< 满足近似条件3) 校验电流环小时间常数近似处理条件1/3=1/3180.8> 满足近似条件2.1.5 计算调节器电阻和电容电流调节器原理图如图2.5所示，按所用运算放大器取=40，各电阻和电容值计算如下：图2.5 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器 =2.35640=94.24 取100=/=0.07/100000=0.7=0.7 取0.7 =40.002/40000=0.2=0.2 取0.2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%（见表2-1） 满足设计要求2.2 转速调节

12、器的设计用电流环的等效电路图代替图2-2中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构图如图2.6所示。图2.6 转速环的动态结构图2.2.1 确定时间常数1）电流环等效时间常数1/。由电流调节器设计参数可知=0.5，则 1/=2=20.0037s=0.0074s2）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=1/+=0.0074+0.01=0.0174s2.2.2 选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为2.2.3 计算转速调节器的参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取=5,则ASR的超前时间常数为=50.0174s=0.087s转速环开环增益

13、=(+1)/2=6/(2)396.4又由于 /=10/15000.0067V·min/rASR的比例系数为 =(+1)/2=60.2860.1320.161/(250.00672.850.0174)10.982.2.4 检验近似条件转速环截止频率为 =/=396.40.08734.51） 电流环传递函数简化条件=63.7> 满足简化条件2） 转速环小时间常数近似处理条件=38.7> 满足近似条件2.2.5 计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如图2.7所示，取=40k，则图2.7 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器 10.98×40 取440 0.087/4

14、400000.198×=0.198 取0.2 4×0.01/40000=1×=1 取12.2.6 校核转速超调量当h=5时，由表1查得，=37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于表2.2是按线性系统计算的，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2.2 典型II型系统阶跃输入跟随性能指标2.3 转速调节器退保和时转速超调量的计算 设理想空载启动时负载系数z=0，当h=5时，由表2.3查得,可得:2()()××=2×81.2%×2×(17.5×2.85

15、/0.132/1500)×0.0174/0.1618.84%<10% 能满足设计要求表2.3 典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系3 主电路设计主电路采用转速、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3.1所示为系统主电路的原理图。图3.1 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

16、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。3.1 变压器参数计算3.1.1 二次侧电压计算由于整流输出电压的波形在一周期内脉动六次的波形相同，因此在计算时只需对一个脉冲进行计算。整流输出平均电压为 （触发延迟角） 显然=220V，如果忽略晶闸管和电抗器的压降，则可以求得变压器副边输出电压V （通常

17、取触发延迟角） 取=110V 变压比3.1.2 一、二次侧相电流计算二次侧电流有效值：一次侧电流有效值：3.1.3 变压器容量S的计算 3×380×8.28=9439.29.44 考虑到晶闸管和电抗器的压降，变压器本身的漏磁，并根据变压器应留有一定裕量的原则，选择变压器的额定容量为10。3.2 平波电抗器参数计算 在V-M系统中，脉动电流会增加电机的发热，同时也产生脉动转矩，对生产机械不利。此外，电流波形的断续也用平均值描述的系统给带来一种非线性因素，也引起机械特性的非线性，影响系统的运行性能。因此，实际应用中希望尽量避免发生电流断续。 为了避免或减轻电流脉动的影响，需采用

18、抑制电流脉动的措施，主要有以下两种方法：一是增加整流电路相数或采用多种化技术，二是设置电感量足够大的平波电抗器。一般情况下选用后一种方法，平波电抗器的电感量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，再利用它计算所需的总电感量，减去电枢电感，即得平波电抗器应有的电感值。对于三相桥式电路，总临界电感量L1可由下式计算=0.693×110/(5%×17.5)=87.12电动机电枢电感量LD可按下式计算 式中Ud 、Id、n分别为直流电动机额定电压、额定电流和额定转速；P是电动机磁极对数；为计算系数，对一般无补偿电机取=812。所以（取P=2,=10）由于变压

19、器的漏电感很小，可以忽略不计，因此串入平波电抗器的电感量 取其电感值为70mH。3.3 晶闸管整流元件参数计算3.3.1 额定电流计算 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 可取10A3.3.2 额定电压计算晶闸管两端承受的最大反向电压均为。晶闸管电压的安全裕量为2-3倍，故晶闸管额定电压为 取4 保护电路设计晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感，其中任意指标超过允许值都可能在很短时间内损坏晶闸管。为了使晶闸管

20、装置能长期可靠运行，除了合理选择元件外，还须针对元件工作的条件设置恰当的保护措施。4.1 过电压保护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。可以通过设置避雷器、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进行过电压保护。压敏电阻过电压抑制器图形符号如图4.1所示。 图4.1 压敏电阻过电压抑制器 图4.2 快速熔断器 图4.3 RC缓冲电路压敏电阻过电压抑制器既可以用于整流器交流侧过电压保护，又可以用于整流器直流侧过电压保护，详见附录系统电气原理总图中符号V所

21、示。4.2 过电流保护 由于晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度就会急剧上升可能烧坏PN结，造成元件内部短路或开路。晶闸管允许在短时间内承受一定的过电流，所以过电流保护作用就在于当过电流发生时，在允许的时间内将过电流切断，以防止元件损坏。晶闸管过电流的保护措施有下列几种：一是使用硒堆保护；二是使用快速熔断器，其图形符号如图4.2所示，这是晶闸管过电流保护的主要措施，因此本设计中在电力变压器副边每相母线中串接快速熔断器，详见附录系统电气原理总图中符号Fu1Fu6所示。4.3 du/dt、di/dt限制晶闸管整流器件主要工作在开关模式，开关损耗是影响其正常运行的重要因素，增加缓冲电路可以有效

22、抑制开关器件的du/dt、di/dt，改变开关轨迹，减少开关损耗，使之工作在安全工作区内。RC缓冲电路图形符号如图4.3所示，本设计中将其并联在晶闸管两端形成保护，详见系统电气原理总图六组R-C所示.5 总结与体会平心而论，这次抽到的题目V-M双闭环不可逆直流调速系统设计并不难：设计的主体部分是转速、电流双闭环控制电路，是电力拖动与控制系统这门课的重点内容，上课时老师讲得很详细，自己理解得也很透彻，所以做起来很轻松；主电路和保护电路设计相对来说并不是主体部分，但因为涉及到本课程、电力电子技术和电气工程基础等课程的知识，对综合运用能力要求较高，所以难度较大。对于这次课程设计，我对自己最满意的地方有两个：一是经过深入理解，将目标系统划分为转速、电流双闭环控制电路，主电路和保护电路三大块儿，再在每大