V-M双闭环不可逆直流调速系统设计

1、武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书课程设计任务书课程设计任务书学生姓名：学生姓名： 专业班级：专业班级： 指导教师：指导教师： 工作单位：工作单位： 自动化学院自动化学院 题题 目目: : V-MV-M 双闭环不可逆直流调速系统设计双闭环不可逆直流调速系统设计 初始条件：初始条件：1技术数据及技术指标： 直流电动机：PN=60KW , UN=220V , IN=308A , nN=1000r/min ,最大允许电流 Idbl=1.5IN , 三相全控整流装置：Ks=35 ,电枢回路总电阻 R=0.18 ，电动势系数：Ce=0.196V.min/r系统主电路：Tm=0.17s ，Tl=

2、0.012s滤波时间常数：Toi=0.0025s , Ton=0.015s,其他参数：Unm*=8V , Uim*=8V , Ucm=8V i5% , n10%要求完成的主要任务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，负载电机不可逆运行，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

3、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 双闭环直流不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：时间安排：武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书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

4、导教师签名：指导教师签名： 年年 月月 日日系主任（或责任教师）签名：系主任（或责任教师）签名： 年年 月月 日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摘要转速，电流双闭环控制直流调速系统是性能很好，应用最广泛的直流调速系统。根据晶闸管特性，通过调节控制角大小来调节电压。基于设计题目，本文中直流电动机调速控制器选择了转速、电流双闭环调速控制电路。在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。重点设计了直流电动机调速控制电路，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，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，二者之间实行嵌套连接。这就形成了

5、转速、电流的双闭环调节系统。依次确定电流调节器，转速调节器，主电路及控制电路等的参数及元件选择，最后完成设计。关键词关键词：双闭环 转速调节器 电流调节器武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书目录目录V-M 双闭环不可逆直流调速系统设计.11 概述.12 理论设计.22.1 方案论证.22.2.1 电流调节器设计.32.2.2 速度调节器设计.53 系统主电路设计.83.1 主电路原理图及说明.83.2 主电路参数计算及选型.93.2.1 变压器参数的计算.93.2.2 平波电抗器的参数计算.103.2.3 晶闸管整流元件参数的计算 .113.2.4 保护电路的选择.114 总结与体会.

6、13参考文献.14附录.15武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书1V-MV-M 双闭环不可逆直流调速系统设计双闭环不可逆直流调速系统设计1 1 概述概述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

7、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；该系统可以自动限制最大电流，能有效抑制电网电压波动的影响；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。武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书22 2 理论设计理论设计2.1 方案论证直流电动机因具有良好的起、制动性能，宜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应用。晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管电动机调

8、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过载能力获得最快的动态过程，调速范围广，精度高，和旋转变流机组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提高，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；该系统可以自动限制最大电流，能有效抑制电网电压波动的影响；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。转速，电流双闭环直流调速系统原理如图 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

9、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。武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书32.2 系统设计按照“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2.2.1 电流调节器设计如图 3 所示为点画线框内是电流环的动

10、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，lTmT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，即。这样，在按动态性能设0E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武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书4如果把给定滤波和反馈

11、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*( )iUssToiTlT小惯性群而近似的看作是一个惯性环节，其时间常数为，则电流环结构图最isoiTTT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（1）确定时间常数根据已知数据得电磁时间常数。0.012lTs三相桥式晶闸管整流电路的平均滞后时间，0.0017sTs电流反馈滤波时间常数，可得电流和小时间常数之和0.0025oiTs。0.0042isoiTTTs（2）选择电流调节器结构根据设计要求，并且保证稳态电流无差，可按典型 I 型系统设计

12、电流调节5%i器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可以用比例积分型电流调节器，其传递函数为。(1)( )iiACRiKsWss检查对电源电压的抗扰性能：，参看典型 I 型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。（3）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：。0.012ilTs电流环开环增益：要求时，按下表 可知，应取，因此又有5%i0.5IiK T10.50.5119.050.0042IiKsT武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书5于是，ACR 的比例系数为119.05 0.012 0.180.42535 0.0173IiisKRKK其中，电流反馈系数*80.01731.51.5

13、308imNUV AI（4）校验近似条件电流环截止频率：1119.05ciIKs1) 校验晶闸管整流装置传递函数的条件 满足近似条件111196.133 0.0017cissT2) 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1113379.060.12 0.012cimlsT T 3) 校验电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件11111161.69330.0017 0.0025cisoisTT（5）计算调节器电阻和电容按所用运算放大器取，各电阻和电容值计算如下：040Rk 取00.34 4013.6iiRK Rk13.5k 取30.0120.88913.5 10iiiCFR

14、0.9 F 取3044 0.00250.2540 10oioiTCFR0.25 F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4.3%5%i求。2.2.2 速度调节器设计（1）确定时间常数1）电流环等效时间常数。由电流调节器设计参数可知，则1IK0.5IiK T武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书6122 0.00420.0084iITsK2）转速滤波时间常数。由技术数据及技术指标，onT0.015onTs3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取onT10.00840.0150.0234nonITTsK（2）选择转速调节器结构按照设计要求，选用 PI 调节器，其传

15、递函数为(1)( )nnASRnKsWSs整个转速控制系统的动态结构图如图 2.5 所示。图 2.5 转速环的动态结构图（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,则 ASR 的超前时间常数为5h 5 0.02340.117nnhTs 转速环开环增益2222215 1219.1522 50.0234NnhKsh T又由于*max80.0081000nmUn武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书7ASR 的比例系数为(1)6 0.0173 0.196 0.1710.2622 5 0.008 0.18 0.0234emnnhC TKh RT （4）检验近似条件转速环截止频率为

16、11219.15 0.11725.64NcnNnKKs1） 电流环传递函数简化条件 满足简化条件11119.0556.12330.0042IcniKT2） 转速环小时间常数近似处理条件 满足近似条件11119.0529.70330.015IcnonKT（5）计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如图 2.6 所示，取，则040Rk图 2.6 含给定滤波与反馈滤波的 PI 型转速调节器 取010.26 40410.57nnRK Rk400k 取30.1170.266440 10nnnCFR0.25 F 取3044 0.0151.540 10ononTCR1.5 F武汉理工大学电力拖动与控制系统课程

17、设计说明书8（6）校核转速超调量当 h=5 时，由表 2 查得，不能满足设计要求。实际上，由于表 2 是按线37.6%n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。当时，由表 3 查得，则5h max81.2%bCCmax*308 0.180.02340.1962()()2 81.2% 1.59.48%10%10000.17NnnbmCn TzCnT 能满足设计要求。3 3 系统主电路设计系统主电路设计3.1 主电路原理图及说明 目前具有多种整流电路，但从有效降低脉动电流保证电流连续和电动机额定参数的情况出发本设计选用三相桥式

18、全控整流电路，其原理如图 3.1 所示，习惯将其中阴极连接在一起到 3 个晶闸管（，,）称为共阴极；阳极连接在一起的 3 个晶闸管1VT3VT5VT（,）称为共阳极，另外通常习惯晶闸管从 1 至 6 的顺序导通，为此将晶闸2VT4VT6VT管按图示的顺序编号，即共阴极组中与 a,b,c 三相电源相接的 3 个晶体管分别是,1VT,共阳极组中与 a,b,c 三相电源相接的 3 个晶闸管分别是,。3VT5VT2VT4VT6VT图 3.1 主电路原理图其工作特点为：1）每个时刻均需 2 个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中 1 个晶闸管是武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书9共阴极组

19、的，1 个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。2) 6 个晶闸管的触发脉冲按的顺序相为位依次相差；共阴极组的脉冲依次差，60120共阳极组也依次差;同一相的上下两个桥臂即与，与，与脉冲1201VT4VT3VT6VT2VT5VT相差。1803）整流输出电压一周期脉动 6 次，每次脉动的波形都一样。dU4）在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为保证电路的正常工作，需保证同时导通的 2 个晶闸管均有触发脉冲。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。3.2 主电路

20、参数计算及选型3.2.1 变压器参数的计算在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致。此外，为了尽量减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求它们相互隔离，故通常要配用整流变压器，这里选用的变压器的一次侧绕组采用 连接，二次侧绕组采用 Y 连接。 为整流变压器的总容量，为变压器一次侧的容量，为一次侧电压，为一次侧S1S1U1I电流，为变压器二次侧的容量，为二次侧电压，为二次侧电流，、为相数，2S2U2I1m2m以下就是各量的推导计算过程。 为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后，晶闸管交流侧的电压只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变

21、压器次级2U电压。2U变压器副边电压的计算公式为：21(1)%()100NaTkUrnUUCUAB式中，,2.34,coscos300.866,0.5,%5,0.9,1 ,2kTABCUUV n 308 0.180.252220NaNI RrU武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书10则由以上参数可以求出22201 0.252(1.5 1)2143.842.34 (0.9 0.8660.5 0.05 1.5)UV这里取。2150UV一次侧和二次侧电流的计算：12332202.54150UkU21377.22148.512.54IIAk2221.5 308377.2233NIIA变压器容量

22、的计算：111 13 2203 148.51169.77SmU IKVA 22223 150 377.22169.75Sm U IKVA 12169.77 169.75169.7622nUUSKVA3.2.2 平波电抗器的参数计算整流输出的平均电压值22.34cosdUU取，。 0 220dNUUV则222094.022.34cos2.34dUUV最小的电枢电流值：0.10.1 30830.8dNIIA平波电抗器的电感值为：294.020.6930.6932.1230.8dULmHI武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书113.2.3 晶闸管整流元件参数的计算晶闸管额定电压必须大于元件在

23、电路中实际承受的最大电压，考虑到电网电压的mU波动和操作过电压等因素，还要放宽 23 倍的安全系数，即按下式选取2(2 3)(2 3)6(2 3) 1506734.85 1102.27TNmUUUV为使晶闸管元件不因过热而损坏，需要按电流的有效值来计算其电流额定值。即必须使元件的额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。可按下式计算max()(1.5 2)TVfbIAK I当时，三相全控桥电路，故计算的晶闸管额定电流为0 0.368fbKmax()(1.5 2)(1.5 2) 0.368 308 1.5255.02 340.03TVfbIAK IA3.2.4 保护电路的选择（1）过电压保

24、护通常分为交流侧和直流侧电压保护。前者常采用的保护措施有阻容吸收装置、硒堆吸收装置、金属氧化物压敏电阻。这里采用金属氧化物压敏电阻的过电压保护。压敏电阻是有氧化锌，氧化铋等烧结制成的非线性电阻元件，它具有正反相同很陡的伏安特性，正常工作是漏电流小，损耗小，而泄放冲击电流能力强，抑制过电压能力强，此外，它对冲击电压反映快，体积又比较小，故应用广泛。在三相的电路中，压敏电阻的接法是接成星形或三角形如图 3.2 所示。图 3.2 二次侧过电压压敏电阻保护压敏电阻额定电压的选择可按下式计算：武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书12压敏电阻承受的额定电压峰值9 . 08 . 01mAU式中 -压

25、敏电阻的额定电压， VYJ 型压敏电阻的额定电压有：1mAU100V、200V、440、760V、1000V 等；为电网电压升高系数，可取。压敏电1.05 1.10阻承受的额定电压峰值就是晶闸管控制角时输出电压。由此可将式（1-6）转30dU化成 cos69 . 08 . 005. 121UUmA可得 11.0536 150371.23 417.630.8 0.92mAUV所以压敏电阻额定电压取 440V 型压敏电阻。（2）过电流保护在本设计中，选用快速熔断器与电流互感器配合进行三相交流电路的一次侧过电流保护，保护原理图 3.3 如下： 图 3.3 一次侧过电流保护电路1）熔断器额定电压选择：

26、其额定电压应大于或等于线路的工作电压。本课题设计中变压器的一次侧的线电压为 380V，熔断器额定电压可选择 400V。2）熔断器额定电流选择：其额定电流应大于或等于电路的工作电流。本课题设计中变压器的一次侧的电流1148.51IA熔断器额定电流11.61.6 148.51237.62FUIIA因此，如图 3-4 在三相交流电路变压器的一次侧的每一相上串上一个熔断器，按本课题的设计要求熔断器的额定电压可选 400V，额定电流选 240A。武汉理工大学电力拖动与控制系统课程设计说明书134 4 总结与体会总结与体会本次设计是针对双闭环直流电机调速系统的设计，主要工作是设计直流调速控制器的电路，设计的电路都是模拟电路，同时相应地介绍了器件的保护、电流调调节器、转速调节器以及晶闸管的触发电路的设计过程，通过借用图书馆的书籍以及通过网络上的搜索，查阅了许多关于本设计的书籍和资料对该电路的设计有了较为深入的研究，也进一步熟悉了双闭环直流调速系统的结构形式、工作原理及各个器件的作用和设计。本设计在有限的条件下和本人有限的学识，做出的设计还是存在着一些不足。本设计采用 PI 调节器，输出的转速存在这超调量比较大，而且快速性也相对受到影响。则今后可以采用 PID 调节器可以全面的提高系统的控制性能，但是具体实现