vm双闭环直流调速系统

1、目录1课程设计目的- 1 -2课程设计题目描述和要求- 1 -2.1设计要求- 1 -2.2设计内容- 1 -2.3设计数据- 1 -3课程设计报告内容- 1 - 3.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成- 2 - 3.2主电路结构形式- 3 - 3.3变压器的选择- 3 - 3.4双闭环直流调速系统调节器的设计- 5 - 3.5 整流元件晶闸管的选型- 11 - 3.6快速熔断器的选择- 12 - 3.7平波和均衡电抗器的设计- 13 - 3.8直流稳压稳压电源设计- 14 - 3.9调节器的限幅- 14 - 3.10电流互感器- 15 - 3.11 保护电路的设计- 15 - 3.12 晶

2、闸管触发电路的设计- 17 -4设计体会- 18 -5参考书目- 18 -6附表- 19 -1课程设计目的本课程课设结合电力拖动与自控控制技术与电力电子及技术，在对课程充分理解的基础上设计一个符合要求的V-M双闭环不可逆直流调速系统，通过设计进一步加深课堂所学的知识，并把学到的知识运用于解决实际的问题，通过课程设计达到以下目的：1） 熟悉V-M双闭环不可逆直流调速系统组成以及双闭环的设计过程及设计 方法；2） 确定了电流调节器和转速调节器的结构并按照设计参数要求对调节器的 参数进行了计算和确定；3） 根据三相全波全控整流电路的原理，选择合适的变压器、晶闸管、平波 电抗器以及晶闸管保护、触发电路

3、，组成整流电路；4） 熟悉晶闸整流电路中同步信号为锯齿波的触发电路的工作方式。 2 课程设计题目描述和要求2.1设计要求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（D 10），系统在工作范围内能稳定工作。2）系统静特性良好，无静差（静差率s 2%）。3）动态性能指标：转速超调量n8%，电流超调量i5%，动态速降n8-10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts 1s。4）系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续。5）调速系统中设置有过电压、过电流等保护。2.2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

4、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）驱动控制电路的选型设计（模拟触发电路、集成触发电路、数字触发器电路 均可）。4）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。5）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）。6）整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。2.3原始数据1）晶闸管整流装置：Rrec=0.032，Ks=45-48。2）负载电机额定数据：PN=90KW，UN=440V，IN

5、=220A，nN=1800r/min，Ra=0.088，=1.5。3）系统主电路：R =0.12，Tm=0.1s。4）其他：设ASR和ACR均采用PI调节器，ASR限幅输出，最大 给定。3.课程设计报告内容 43.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，如图1所示，即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晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。该双闭环调速系统的两个调节器A

6、SR和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。图中两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调机器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。 图1双闭环直流调速系统电路原理图+-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU

7、*iLMMTGUPE注: ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG直流测速发电机 TA电流互感器 UPE电力电子装置 Un*转速给定电压 Un转速反馈电压 Ui*电流给定电压Ui 电流反馈电压直流调速系统中应用最普遍的方案是转速、电流双闭环系统，采用串级控制的方式。转速负反馈环为外环，其作用是保证系统的稳速精度；电流负反馈环为内环，其作用是实现电动机的转距控制，同时又能实现限流以及改善系统的动态性能。转速、电流双闭环直流调速系统在突加给定下的跟随性能、动态限流性能和抗扰动性能等，都比单闭环调速系统好。3.2主电路结构形式在直流调速系统中，我们采用的是晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统)的原

8、理图如图2所示。它通过调节处罚装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压，从而实现平滑调速。与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很大提高，而且在技术性能上也显现出较大的优越性。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，根据晶闸管的特性，可以通过调节控制角大小来调节电压。当整流负载容量较大或直流电压脉动较小时应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。三相整流电路中又分三相半波和全控桥流电路，因为三相半波整流电路在其变压器的二次侧含有直流分量，故本设计采用了三相全控桥整流电路来供电，该电路是目前

9、应用最广泛的整流电路，输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。其整流电路如下： 图2 晶闸管三相桥式整流电路用触发脉冲的相位角控制整流电压的平均值是晶闸管整流器的特点与触发相位角的关系因整流电路的形式而异，对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时可以用下式表示：从自然换相点算起的触发脉冲控制角时整流电压波形峰值m交流电压一周内整流电压的脉波数因为电机的额定电压为440，假设采用工厂常见的380V三相交流供电，采取三相全桥整流电流根据 求得满足要求3.3变压器的选择（1）变压器阀侧相电压，考虑在最低输

10、入电压时满足要求采用转速反馈的调速系统的变压器阀侧相电压计算公式 式中 电动机额定电压，440V； 电动机最大工作电流(A)；=1.5×220=330A 为电机电枢电流的额定值， 变压器的短路电压百分比，根据变压器短路电压百分比与表 观功率的关系表可知，在90KVA的时候约为5。 整流电压计算计算系数，三相全桥整流电路中 换向电抗电压降计算系数，三相全桥取0.5 为电网电压波动系数，一般取，本次设计取0.9 电动机额定电流(A)，； 变压器额定电流(A)； 对应于时变压器的最大电流(A)； 电动机电枢回路电阻为0.088； 电动机电枢回路中附加电阻 宽脉冲不可逆系统控制角,对于三相全

11、控桥可取为，取; 变流变压器阀侧相电流计算公式为 式中 变压器阀侧相电流计算系数，三相全控桥取0.816本设计中,则变流变压器表观功率计算公式为式中 变流变压器表观功率计算系数，三相全桥取1.05 代入各项参数，则有设计时留取一定的裕量，可以取容量为的整流变压器，变压器的形式选用Y/Y连接的变压器。3.4双闭环直流调速系统调节器的设计 双闭环调速系统的实际动态结构框图如图7所示，其中增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。图3 双闭环直流调速系统的动态结构图Toi电流反馈滤波时间常数 Ton转速反馈滤波时间常数3.4.1电流调节器的设计1. 时间常数的确定整流装置滞后时

12、间常数，即三相桥式电路的平均失控时间 。电流滤波时间常数=0.002s（1） 电流环小时间常数之和。按小惯性环节等效，取。电磁时间常数的确定。电流脉动将引起电动机温升增高和使电动机换向恶化，为此，一般要加一个平波电抗器，将整流电流的脉动率限制在所允许的范围内。电机所需的电感由以下几部分组成，电机电枢绕组的电感、变压器的电感、以及平波电抗器的电感，所需的总电感可按下式计算则电磁时间常数 检查对电源电压的抗扰性能：，参照附表1的典型I型系统动 态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用 I 型系统就够了。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突

13、加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型 I 型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成 式中 Ki 电流调节器的比例系数； i 电流调节器的超前时间常数。模拟电流调节器的结构如下- 17 -电流调节器电路参数的计算公式 图 4 电流调节器的模拟结构3. 计算电流调节器的参数 电流调节器超前时间常数： ， 电流开环增益：要求时，取， 所以 于是，ACR的比例系数为 其中取小的值取45为电流反馈系数其值为；4. 校验近似条件

14、电流环截止频率：1)晶闸管整流装置传递函数的近似条件，满足近似条件。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）电流环小时间常数近似处理条件 ， 满足近似条件。5. 计算调节器电阻和电容由图4，按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。3.4.2 转速调节器的设计1. 确定时间常数（1）电流环等效时间常数1/KI。由前述已知，则 （2）转速滤波时间常数，取.（3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取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 A

15、SR 中，现在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 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。 ASR其传递函数为式中 Kn 转速调节器的比例系数； n 转速调节器的超前时间常数模拟式转速调节器电路结构如下转速调节器参数计算图5 转速调节器的模拟结构 3. 计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5，则ASR的超前时间常数为则转速环开环增益可得ASR的比例系数为式中 电动势常数 转速反馈系数 4.检验近似条件转速截止频率为 （1）电流环传递函数简化条件为,满足简化条件 .（2）转速环小时间常数近似处理条件为

16、 满足近似条件。5计算调节器电阻和电容根据图5所示，取，则 6.校核转速超调量当h=5时，查附表1典型型系统阶跃输入跟随性能指标得，不能满足设计要求。实际上，由于附表1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。 设理想空载起动时，负载系数，已知，,，。当时，由附表4查得，而调速系统开环机械特性的额定稳态速降 式中 转速系统开环机械特性的额定稳态速降为基准值，对应为额定转速，则 ，能满足设计要求。7. 校核动态最大速降设计指标要求动态最大速降。在实际系统中，可定义为相对于额定转速时的动态速降。由 ，；查表可知，=81.2%，所

17、以 ；， 能满足设计要求。8校核调节时间设计指标要求调节时间，由附表1得 3.5 整流元件晶闸管的选型 选择晶闸管元件主要是选择它的额定断态重复峰值电压 、反向重复峰值电压和额定通态平均电流。（1）额定断态重复峰值电压 和反向重复峰值电压对于本设计采用的是三相桥式整流电路，晶闸管按1至6的顺序导通，在阻感负载中晶闸管承受的最大电压， 而考虑到系统操作（如开关合闸瞬间）时的过电压以及由于某些意外原因而产生的过电压，选择晶闸管的额定断态重复峰值电压和反向重复峰值电压时，一般留23倍裕量，即和式中 晶闸管的电压计算系数，取2.45 每一个桥臂的晶闸管串联数，取2； 均压系数，一般取，串联的晶闸管的管

18、数越大，且触发性能越较差时，取值越低，取0.87所以：根据推荐取值 取1200V。（2）额定通态平均电流由于晶闸管是一种具有较小热惯性的原件，它不像电机、变压器那样承受长时间的过载。因此在使用中要保证在任何情况下晶闸管的最高工作结温都不得超过其允许的额定结温当整流电路的电感足够大、整流电流连续时，考虑留取一定的电流裕量，可用下式近似估算晶闸管额定通态平均电流：式中 晶闸管的电流计算系数，取0.367 最大整流电流（A）,通常 均流系数，通常,每个桥臂无晶闸管并联时，； 每个桥臂的晶闸管并联数。则晶闸管的额定通态平均电流 取300A系数1.02.0是考虑留取一定的电流裕量，这是考虑到由于元器件装

19、在装置中通风的不均匀以及某些偶然因素可能引起的短时过载。本设计可选用晶闸管的型号为KP300A （ 螺栓型）额定电压：VDRM 2000V 额定电流：IT(AV) 300A门极触发电压：VGT 3V 门极触发电流：IGT 250m A 3.6快速熔断器的选择 额定电压快速熔断器的额定电压可用下式计算： 式中 变压器阀侧相电压（V）；元件电压计算系数，取2.45。则快速熔断器的额定电压 额定电流快速熔断器串接在桥臂电路中以保护由于直流侧短路或者逆变颠覆而造成过大的电流时不至于使晶闸管损坏，同时也防止故障的扩大，选择快速晶闸管的额定电流时主要考虑两个原则，一个是要保证在正常工作时熔断器不过热，二是

20、要使快速熔断器的熔断功小于晶闸管允许的快速熔断器的额定电流可按下式计算式中 晶闸管的额定通态平均电流（A）；代入相关参数，可得 综上所述，熔断器选择RS3快速熔断器耐压500V，额电流200A承受1.1倍额定电压5小时内不熔断。3.7平波和均衡电抗器的设计整流电路中，通常包含电动机的电枢电抗、变流变压器的漏抗、外加平波电感器或均衡电抗器的电抗三部分电抗，因为电动机电枢电感较小，在本次课设中忽略电机电枢电感。计算各种整流电路中平波电抗器要从以下三个方面出发： 从减小电流脉动出发选择电控器； 丛保持电流连续性出发选择电抗器； 从限制环流（均衡电流）出发选择电抗器；（1）变压器电感值的计算变流变压器

21、的电感可按下式计算：式中 变压器阀侧相电压（V）；变压器短路电压百分值，根据变压器短路电压百分百与表观功率的关 系表查的=5 电感计算系数，取3.9（3）按保持电流连续原则选择电抗器由于整流电流断续会使电动机换向条件恶化，同时引起调速系统振荡、转速不稳，故必须是变流器在最小工作电流Idmin仍能保持电流连续，此时需要的外加电抗器的电感值为式中 要求保持电流连续的最小工作电流（A）,一般取； 正比于直流电压中交流分量的电感计算系数；本设计中取时的值即0.08，则对于不可逆系统，在电动机电枢端串联一个平波电抗器，其电感值应在额定电流时不小于Lmd，而在最小工作电流时不小于Lis 实际中要接入的平波

22、电感器电感LK为6.3mH 电枢回路总电感为 3.8直流稳压稳压电源设计 直流稳压电源是最为给各种控制单元供电的电源，对于直流稳压电压电源的基本要求是 稳压电源的输出要符合哥哥控制电路的实际需要，并能在一定范围内可调； 稳压电源的电压稳定裕度要满足各个控制电路的需要； 输出电压的纹波尽可能小； 稳压电源应具备过电压及过电流保护措施； 根据本次课设对芯片供电的需要，设计一款基于7815、7819的线性稳压电源其结构图如下： 图6 采用7815 7819的直流稳压电源3.9调节器的限幅 在控制系统中，要求对设备进行各种保护，如超速保护、启动电流限制等，利用调节器的输出限制特性，就很容易实现这些保护

23、。 图7采用稳压管限幅的限幅电路 图中采用稳压管反馈的限幅电路。在OUT1未达到稳压管DZ1和DZ2击穿电压之前，不起限幅作用，一旦达到稳压电压值时，利用DZ2或DZ2被击穿而产生强的负反馈作用，把OUT1限制住，所以OUT1的绝对值基本上等于DZ1或者DZ2的击穿电压值，也就是说正向限幅等于DZ1的稳压值，反向限幅等于DZ2的稳压值。要改变限幅值必须更换稳压管。3.10电流互感器 电流互感器是将主电路的电流，变换成一个与主电路电流城线性关系的直流电压信号送到电流调机器，作为电流反馈信号以实现电流的闭环控制，同时电流互感器的另一个作用是使控制电路与主电路隔离，本次课设采用三个电流互感器Y型接法

24、，避免主电路三相电流不平衡使互感器饱和。 图8 电流互感器3.11 保护电路的设计（1）过电压保护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所示。 图9 压敏电阻压敏电阻额定电压的选择可按下式计算：压敏电阻承受的额定电压峰值式中 -压敏电阻的额定电压。 VYJ型压敏电阻的额定电压有：100V、200V、440、760V、1000V等；为电网电压

25、升高系数，可取。压敏电阻承受的额定电压峰值就是晶闸管控制角=300时输出电压。由此可将上式转化成 可得压敏电阻额定电压所以压敏电阻额定电压取640V型压敏电阻。（2）过电流保护在本设计中，选用快速熔断器串接在桥臂电路中，以保护由于直流侧短路或逆变颠覆而造成过大的电流时不致使晶闸管损坏，同时也防止故障的扩大，保护原理图10 图10 快速熔断器保护3.12 晶闸管触发电路的设计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：

26、（1） 触发信号必须保持与主电路的电源频率同步，并保持一定的相位关系；（2） 触发信号应能在一定范围内移相，其所需的移相范围应根据各种变流器的整流电路而定；（3） 触发器应该有足够的输出功率，为使晶闸管导通，通常采用强触发，触发脉冲应该有一个陡而高的前沿；（4） 由于受晶闸管门极允许的电流、电压和功率的限制，触发脉冲强度不得大于晶闸管规定的允许值；理想的触发脉冲电流波形如下-脉冲前沿上升时间（）-强脉冲宽度 -脉冲宽度 -强脉冲幅值（）-脉冲平顶幅值（） 图11 理想的晶闸管触发脉冲电流波形本次课程设计采用隔离的驱动器去驱动六个独立的晶闸管，驱动电路如下： 图12 隔离驱动器 这个驱动器有V1、V2构成的脉冲放大环节以及脉冲变压器TM和附属的电路构成脉冲输出环节两部分组成。当V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极及阴极之间输出出发脉冲